 |
 |
 |
 |
Рис. 5.12. Диаграммы напряжения (a) в первичной обмотке трансформатора и коллекторных токов (б, в) инвертора (идеалп-зированный режим - сплошные линии, режим со сквозными токами - штрих-пунктирные линии)
Рис. 5.13. Диаграммы напряжения (а) и тока (б) в первичной обмотке трансформатора инвертора (идеализированный режим - сплошные линии, режим с насыщением магни-топроБОда - штрих-пунктирные линии)
Смысл явления сквозных токов поясняется рис. 5.12. Выражение для потерь мощности в транзисторе и?шертора от сквозных токов записывается при этом в виде:
APcKB = fnJUi(t)it)dt.
(5.1)
Формула дана в предположении, что на временных интервалах (ti-to) и (ts-12) транзисторы находятся в насыщенном состоянии и потери мощности незначительны. При линейном законе изменения Ui(t), iKi(t), iK2(t) на временном отрезке tcKB=t2-ti, выражение (5.1) после интегрирования можно заменить:
АРскв = fnU]. tcKB 2I(.jjb/3, (5.2)
где Ickb - амплитуда выброса сквозного тока. Предельное значение Ickb стремится к произведению коэффициента усиления транзистора в линейном режиме (р) на амплитуду открывающего базового тока (1б.о)-
Выполним расчет АРскв- При выходной мощности ВПН Рвых = = 500 Вт, и,= 150 В, 1скв=31б 0=20-1 = 20 А, tcKB=0,5 мкс, fn=50 кГц, получаем АРскв»50 Вт, т. е. потери мощности составляют 10% Рвых.
Для исключения сквозных токов коммутация должна начинаться с принудительного запирания открытого ключ-?.. Затем следует выдержать оба плеча инвертора в закрытом состоянии на время рассасывания и только после этого открывать второй ключ. Интервал задержки открывания может быть как фиксированным, рассчитанным на максимально возможное время рассасывания, так и переменным при изменении режима работы инвертора. 84
Рис. 5.14. Петля перемагничивания сердечника при его подмагничивании (сплошная линия)
Перейдем к анализу условий насыщения магнитопровода. Предварительно рассмотрим возможность насыщения от действия симметричных импульсов напряжения.
В двухтактных инверторах при одинаковых площадях положительных и отрицательных импульсов напряжения, прикладываемых к первичной обмотке трансформатора (сплошные линии ча рис. 5.13), магнитопровод не насыщается при выполнении известного соотношения:
Bi = UiySeWi<B,
(5.3)
где Вн - индукция насыщения сердечника; Bi - максимальная величина индукции при действии импульса напряжения с амплитудой Ui и длительностью 1и; Sc - площадь сечения сердечника; Wi - число витков первичной обмотки трансформатора.
При этом рост тока ii за время 1и (рис. 5.13,6) близок к линейному (1хх - амплитуда тока холостого хода), что отражает режим перемагничивания сердечника трансформатора без захода в существенно нелинейную область по петле гистерезиса.
Отличия во времени рассасывания в транзисторах различных плеч, сопротивлений плеч инвертора и другие причины, приводят к несимметрии импульсов напряжения, прикладываемых к первичной обмотке трансформатора. При возникновении различия площадей положительных и отрицательных импульсов напряженпя в сердечнике появляется постоянная составляющая индукция Во, которой соответствует напряженность магнитного поля Но (рис. 5.14) и ток 1о (рис. 5.13), т. е. возникает режим подмагничивания сердечника, приводящий к насыщению магнитопровода трансформатора при увеличении Bo+Bi до значений, близких к Вн-
В общем виде выражение для потерь мощности в транзисторе инвертора при насыщении сердечника в режиме подмагничивания записывается в виде (рис. 5.13):
APHao==-!f-K(t)ii№dt. t,
(5.4)
При линейной аппроксимации Ui(t), ii(t) на временном отрезке 1нас==12-ti выражение (5.4) после интегрирования можно заменить:
ДРнас - Unac нас (21нас + 31к)/12,
(5.5) 85
где U„ac - амплитуда напряжения на транзисторе при его вы ходе в линейный режим из-за насыщения магнитопровода; 1нас амплитуда выброса коллекторного тока транзистора из-за насы щения магнитопровода.
Максимальная величина Unac может достигать значения Ui--предельная величина 1нас, как и при сквозном токе, стремится произведению 31б. о-
Из примера расчета АРнас по (5.5) для 1„ас=20 А, инас = - 100 В, 1к = 5 А, t„ac = 2 мкс, при прочих исходных данных предыдущего примера расчета АРскв, получаем АРцас5=45 Вт, что составляет 9% от Рвых.
Допущение линейного закона изменения Ui(t), ii(t) в интер вале (t2-ti) приводит к значительной погрешности расчета. Од няко для приблизительной оценки влияния насыщения более точ ного расчета не требуется.
По мере уменьшения магнитной проницаемости сердечника,! трансформатор, при прочих равных условиях, становится менее, критичным к подмагничиванию. Введение воздушного зазора магнитопровод трансформатора снижает эффективную магнит-, ную проницаемость, но не исключает возможности насыщения-сердечника. Поясним последнее утверждение.
Зависимость насыщения магнитопровода от величины тока подмагничивания 1о записывается в виде:
Io>BH/b/WifXo-WLif„, (5.6)
где /в - длина воздушного зазора в магнитопроводе сердечника; jio - абсолютная магнитная проницаемость воздуха; Lj - индуктивность первичной обмотки трансформатора.
Зависимость тока 1о от несимметрии сопротивлений плеч инвертора и различия времени коммутации ключей имеет вид:
. = -Mt;-Q + "-"".".-"--. (5.7)
Г, -f г, г, -Ь
где Ti - сопротивление первичной обмотки трансформатора; Uk. эн - напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме его насыщения; U - длительность импзльсов коммутации ключей.
Одним штрихом в (5.7) обозначены параметры первого, двумя штрихами - второго плеча инвертора.
Например, при использовании для магнитопровода трансфор-ыаюра Ш-образиых ферритовых сердечников Ш16Х20 с /в= = 0,8 мм, Sc = 0,64-10-3 м2, Вн = 0,25 Т, а также при U, = 150 В, fn = 50 кГц, wi = 100 витков, Li = 10 мГ, 1к = 4 А по (5.6) находим 1о=],3 А. Из формулы (5.7) ток 1о=1,3 А получается уже при следующих незначительных по несимметрии параметрах: ri = = 0,52 Ом, r"i = 0,48 Ом, Ги=15 мкс, 1"н= 14,85 мкс, икэн = = 1,0 В, и"кэ„ = 0,8 В,
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 [ 27 ] 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53