Расчет транса импульсного преобразователя., Хелп! Опции

[Валентиныч]

Требуется помощь в оптимизации схемотехники выходного ключевого каскада преобразователя напряжения 6 - 350 вольт с внешним возбуждением, и в выборе типа импульсного транса (точнее - накопительного дросселя).
Задача не тривиальна из-за чисто емкостного характера нагрузки (активная компонента практически отсутствует), что не позволяет применить известные методики расчета. Преобразователь должен заряжать конденсатор до определенного напряжения, и "вырубаться" до момента импульсного же разряда накопительной емкости. Время, отведенное для цикла заряда - не более 1,5-2 мс. Преобразователь управляется микроконтроллером (программную часть не обсуждаем, требуется просто задать параметры управляющих импульсов). Cредняя мощность преобразователя <= 10 Ватт. Дополнительные требования: минимальные массо-габаритные параметры.
Попытки реализации импульсного транса на броне и кольце пока не обеспечивают достаточного КПД устройства.

Конкретнее:
Источник питания - аккумулятор 6-8 вольт, преобразователь (однотактный, обратноходовый) нужен для того, чтобы за 1,5-2,0 мс "закачать" в емкость порцию энергии ~ 30-35 мДж (для емкости порядка 0,47 мкф это соответствует напряжению ~ 360 вольт. Затем следует пауза от 2-х до 60-ти мс, импульсный разряд емкости "на коротыш", и очередной цикл заряда. Режим работы - длительный.
В принципе - все работает, но не удается добиться максимального КПД устройства. Сейчаc КПД не выше 60%, хотелось бы не менее 90%. И проблема именно в трансформаторе - не хочет он нормально работать на реактивную нагрузку... Замена емкости на нагрузочный резистр это подтверждает - КПД возрастает практически до требуемого значения.

Буду рад любым подсказкам, советам и рекомендациям.
Буду вдвойне рад готовому решению.

P.S. С месяц назад оставлял подобное сообщение, но сейчас найти эту тему не удается...

Сообщение отредактировал Валентиныч - Mar 15 2006, 05:38

[Herz]

Из всем (надеюсь) известой формулы V=L*(di/dt) следует, что если индуктивность L подключить к источнику напряжения V, то ток через нее изменится на величину i за время t = L*i/V.

Боюсь, "всем известная формула" в данном случае неприменима.

При постоянном времени прямого хода, в начале обратного хода в нагрузку течет ток i, один и тот же в каждом цикле.

Из чего это следует?
Если Вы делаете допущение:

Напряжение на нагрузке (кондере) V в первом приближении можно считать постоянным за время обратного хода.

, то о какой перекачке энегии может идти речь? ИМХО, это в корне неверно. Ибо из двух этих последовательных утверждений следует, что конденсатор не заряжается вообще, то есть, V не растёт. Откуда же изменение?
Я бы всё же рассматривал эту цепь, как классический LC-контур, на этапе перекачки энергии из L в С.

[Валентиныч]

...то о какой перекачке энегии может идти речь? ИМХО, это в корне неверно. Ибо из двух этих последовательных утверждений следует, что конденсатор не заряжается вообще, то есть, V не растёт. Откуда же изменение?
Я бы всё же рассматривал эту цепь, как классический LC-контур, на этапе перекачки энергии из L в С.

Пытался пойти по этому пути, но безуспешно. Дело в том, что (из практики) количество дискретных порций электричества, которыми заряжается кондей, при тактовой 100 кГц примерно равно 150-200, и зависит от напряжения питающего аккумулятора. Камень отслеживает величину этого напряжения ( от 6 до 9 вольт), и в зависимости от его значения включает преобразователь на определенной время (на определенное количество тактов). Таким образом удается с достаточной точностью поддерживать неизменность накапливаемой в кондее энергии, что является одним из условий задачи.
Постоянная времени зарядной цепи для реальных условий позволяет включить последовательно в цепь заряда кондея дополнительное R, величина которого и оптимизирует скорость заряда емкости, и "смягчает" режим работы не только дросселя, но и косвенно - силового ключа.
Моделирование (громко сказано ) процесса (пардон - параметров элементов) провожу в самолепной программке, которая позволяет играть большинством параметров - от типа и материала магнитопровода, до частоты и скважности управляющих импульсов.
Все бы хорошо, но при этом не учитываются некоторые реактивности - издержки excel, в котором симулируется процесс...

Сообщение отредактировал Валентиныч - Mar 16 2006, 07:35

[=AK=]

Смотрите что у вас сейчас происходит, при управлении меандром постоянной частоты (предупреждаю, считаю наспех, могу ошибиться, но хоть суть проблем покажу). Предположим, требуемая длительность цикла заряда 2 мс, частота 100 кГц, источник питания Vo=6В. Емкость 0.47 мкФ, напряжение 360В, энергия C*V^2/2=30.5 мДж. За 2 мс пройдет 200 циклов заряда, в каждом цикле надо передать E=152.5 мкДж.

Прямой ход преобразователя t=5мкс. За это время ток в индуктивности L возрастет на величину i=t*V/L Если считать, что в начале цикла тока в первичной не было, то требуемую индуктивность легко найти: L=(t*Vo)^2/(2*E) = 2.95 мкГн. Соответственно, ток в конце прямого хода i=10.2А

Посмотрим, насколько увеличится напряжение на нагрузке, если вся накопленная энергия в первом цикле уйдет в кондер. V1=sqrt(2*E/C)=25.4 В. Чтобы не возиться с интегралами, можно просто принять, что напряжение "в среднем" было равно 1/3 от конечного (т.к. форма тока и напряжения треугольные), т.е. V1=8.48В. Теперь можно найти приведенную ко вторичной обмотке требуемую индуктивность, L'=(t*V1)^2/(2*E) = 5.89 мкГн. Требуемый коэфф. транформации, получается, должен быть равен корень из 2. Если выбрать его равным 2, то приведенная индуктивность будет велика, 11.8 мкГн, и за 5 мкс ток из нее не уйдет - слишком мало вых. напряжение. Выберем для начала 1:1, при этом ток из катушки уйдет за 2.95мкГн*10.2А/8.48В=3.5 мкс.

Теперь посмотрим, что будет происходить при, скажем, 300В на выходе. В начале цикла в кондере энергия равна En=21150 мкДж, в конце 21302.5 мкДж, напряжение на кондере в конце этого n-ного цикла будет 301.08 В. Чувствуете разницу? В первом цикле напруга скакнула на 25В, а ближе к концу шажок уменьшился всего до 1В. О чем и было говорено.
Поскольку разница начального и конечного значений совсем невелика, можно взять просто среднее, 300.5В, и считать что индуктвность "работала" на такое напряжение в нагрузке. Ток из катушки при этом уйдет за 2.95*10.2/300.5= 0.1 мкс. Остаток времени обратного хода (это почти 5 мкс) в системе ничего не происходит, отдыхаем-с...

Если же взять коэфф. трансформации 1:2 и поиметь приведенную индуктивность 11.8 мкГн, то можно посчитать, до какой величины ток во вторичной уменьшится к концу первого периода. Начальный ток 10.2А/2=5.1А, за 5 мкс он уменьшится на 5*8.48/11.8=3.8А (на самом деле, еще меньше, т.к. не вся энергия ушла в нагрузку, так что "среднее" напряжение будет меньше 8.48В). С остаточным током в 1.3А (приведенный к первичной он будет равен 2.6А) начнется второй цикл, в нем ток в катушке опять возрастет на 10.2А, и составит 12.8А. Так что сердечник придется взять с запасом, чтоб он при этом токе не насытился. Правда, хорошо уже то, что во втором цикле энергия (и ток), судя по всему, полностью уйдет в нагрузку. Тем не менее, при высоких напряжениях опять почти пол периода сердечник будет "простаивать".

Можно, конечно, взять такой коэфф. трансформации, чтобы прерывистого режима не было вплоть до 360В, или хотя бы вольт при 200. Однако токи в первичной при малых вых. напряжениях достигнут таких чудовищных величин, что все сгорит к ядрене фене, если не предусмотреть токовой зашиты. А если предусмотреть, то отдыхать система будет при прямом ходе. Шило на мыло.

Регулировать ШИМ с точностью 1% совершенно не обязательно. И грубые 10%...20% скачки лучше чем никакие. Даже это позволит на порядок облегчить режимы и избежать насыщения при малых выходных.

Сообщение отредактировал =AK= - Mar 16 2006, 12:39

[Валентиныч]

Теперь можно найти приведенную ко вторичной обмотке требуемую индуктивность, L'=(t*V1)^2/(2*E) = 5.89 мкГн. Требуемый коэфф. транформации, получается, должен быть равен корень из 2. Если выбрать его равным 2, то приведенная индуктивность будет велика, 11.8 мкГн, и за 5 мкс ток из нее не уйдет - слишком мало вых. напряжение.

Не убедительно... Вторичка не принимает участия в накоплении энергии. По этому коэфф. трансформации должен считаться как для обычного транса. ИМХО.
Важно лишь обеспечить баланс токов и напряжений в обмотках.
Кстати - расчетный импульсный ток вторичной цепи во время обратного хода - всего 43 мА.

Сообщение отредактировал Валентиныч - Mar 16 2006, 14:20