Измерение потерь в дроссе

Московский Энергетический Институт

(технический университет)

кафедра ЭИ

Курсовая работа

По теме: ”Измерение потерь в дросселе.”

Группа: ТФ-13-98

Студент: Поярков М.Ю.

Научный руководитель: Комаров Е.В.

Москва 2002г.

Содержание:

1. Техническое задание____________________________________________3

2. Введение и цель работы__________________________________________3

3. Анализ технического задания_____________________________________4

4. Реализация технического задания. Разработка структурной

схемы ___________________________________________________________7

5. Анализ элементов структурной схемы. Расчет узлов схемы

Измерение мощности потерь _____________________________________9

5.1 Блок управления драйвером________________________________9

5.2 Управление ключами с помощью драйвера___________________10

5.2.1 Ключи ___________________________________________12

5.3 Измерительная схема _____________________________________14

5.3.1 Фильтрация сигнала _______________________________14

6. Выводы _______________________________________________________14

7. Литература ____________________________________________________15

8. Приложение ___________________________________________________16

1.Техническое задание.

Разработать устройство измеряющее потери в дросселе, при следующих параметрах электрической цепи:

ч

Рис 2

астота работы устройства f=(10100) кГц, среднее значение тока I_>0>=(120)А,,индуктивности катушки дросселя .

I

Рис 1

I_>0>

t

E

T

t

необходимо обеспечить работу схемы (см рис1) в импульсном режиме, т.е. ток и напряжение должны изменяться как показано на рис2.

2. Введение и цель работы.

В настоящее время существует несколько методов оценки потерь в дросселе, при чем, большинство из них могут только качественно оценить потери в дросселе. Для реализации количественной оценки потерь было необходимо большое количество элементов, несколько источников питания.

Целью данной работы является разработка алгоритма и схемы измерения, позволяющей использовать меньшее число элементов и количественно оценить электрические потери, возникающие в дросселе при наличии в нем активного сопротивления. Благодаря появлению новой технической базы это стало возможным.

3. Анализ технического задания.

Для решения данной задачи необходимо рассмотреть несколько случаев, которые характеризуют процессы протекающие в дросселе.

Рис 3

В начале, рассмотрим идеальный случай, когда в дросселе отсутствует активная часть сопротивления. (см рис 3)

L L

E E

В данном случае среднее значение тока

, где - минимальное значение тока;

- максимальное значение тока;

; ;

; ;

Таким образом, при заданных значения i и L, мы можем, изменяя напряжение менять тем самым частоту работы схемы.

Теперь рассмотрим тот же случай при помощи гармонического анализа. Функцию напряжения E(t) (см рис2) можно представить в виде ряда Фурье.

Функцию тока I(t) (cм рис3) также можно представить аналогичным способом.

То есть:

,

,

;

0

T/2

=

После прохождения сигналов I(t), E(t) через усилитель, данные функции примут следующий вид :

Мощность потерь в дросселе определяется следующей формулой:

;

P – это мощность, которая будет на выходе умножителя без сигнала на его входе, т.е. это погрешность нуля.

При E=24 B, L=10^-4 Гн, f_>т>_>1> =10⁷ МГц, f_>т>_>2> =10⁶ МГц, ;

Для n=1

Теперь рассмотрим случай, когда дроссель не идеальный, т.е. в дросселе присутствует активная часть сопротивления.

Тогда,

, где

Запишем эту функцию через ряд

Фурье, тогда для 0<t<T/2

_>t>

Д

_>t>

ля случая n=1

для тех же значений L, E, T, R=10 Ом, _>1 >, _>2>.

P_>1>=14.6751 Вт.

Теперь рассмотрим следующий промежуток времени T/2<t<T,0<t<t_>2>

_>t>

Функция напряжения E(t):

для тех же значений L, E, T, R=10 Ом, _>1 >, _>2>. P_>2>=14.6752 Вт.

P= P_>1> +P_>2>=29.3503 Вт.

3. Реализация технического задания. Разработка структурной схемы.

Д

Рис 4

ля реализации поставленной задачи необходимо разработать схему, которая обеспечивала бы заданные режимы работы. Эта схема имеет следующий вид(см рис4 ).

U_>11> U_>22>

К_>3>

R_>0>

Рис. 4.1

К_>1>

U_>2>

U_>1>

X

Фильтр

U_>1>

U_>2 >

_> >_{>рис 4.2}>

Рассмотрим работу данной схемы:

Ток, протекающий через дроссель, при помощи катушки преобразуется в напряжение с помощью прибора под названием LEM.Это бесконтактный датчик тока. Он сделан на основе влияния магнитного поля на датчик Холла. Провод, по которому течёт ток намагничивания, продевается в отверстие LEM–а, а на выходе получаем напряжение пропорциональное току в проводе.

Это напряжение подается на вход следующего элемента структурной схемы.

Этим элементом является устройство сравнения, в котором сравнивается напряжение с LEM-a с напряжениями U_>11> и U_>22> , которые соответственно эквиваленты I_>1 > и I_>2>.

Рис 5

Далее, с устройства сравнения сигнал подается на цифровую микросхему, осуществляющую контроль над состояниями ключей. Эта микросхема называется драйвер. В зависимости от цифровых уровней поступающих на драйвер он либо открывает, либо закрывает ключ. В данном применении ключи открываются и закрываются по очереди, формируя сигнал на дросселе представленный на рис 5.

I, A

T, c

5. Анализ элементов структурной схемы. Расчет узлов схемы.

Измерение мощности потерь.

Электрическая схема прибора изображена в приложении №1.

5.1 Блок управления драйвером.

Схема, реализующая управление драйвером изображена на рис.9. Cигнал с LEM-а приходит на триггеры Шмидта. Триггеры реализованы на компараторах LM311 фирмы National Semiconductor.

Основные параметры компаратора LM311 представлены в таблице 1

Табл 1 Параметры	Значения
Напряжение питания	0-36В
Входное напряжение	15В
Входной ток	0-50мA
Напряжение смещения	0,7мВ
Входной ток	60нА
Ток смещения	4нА
Коэффициент усиления	200В/мВ

_> >Рис 9

R DD3

S

Q

U_>ОС>

_> >Q^--

U_>22>

Для расчета напряжений срабатывания и отпускания, найдем коэффициент передачи LEM-а , отсюда мы видим, что где . Теперь мы можем вычислить номиналы резисторов R_>1> и R_>2> из формулы

_> >Таблица 2

RS-триггер, стоящий после триггера Шмидта, выполняет функцию по управлению драйвером. Поочередно изменяя логический сигнал на выходе RS-триггера, мы изменяем значения сигналов на выходе драйвера, т.е. что соответствует поочередному включению и выключению ключей. Зависимость сигнала на выходе RS-триггера от значений сигналов на его входе представлена в таблице 2.

R	S	Q	Q_
1	0	1	0
0	1	0	1
0	0	Q>n-1>	Q>n-1>
1	1	X	X

5.2 Управление ключами с помощью драйвера

Для управления ключами мы выбрали драйвер фирмы Harris Semiconductor. Его основные технические характери

стики представлены в

таблице 3.

> >Таблица 3 Параметры	Значения
Напряжение питания(V>dd> ,V>сс>)	0-16 В
Выходное напряжение (HO)	V>dd>-0.4 В
Выходное напряжение (LO)	0-V>cc>
Время срабатывания	10нсек
Напряжение логической “1”	9,5-V>dd>В
Напряжение логического “0”	0-6B

Д

Рис 10

ля пояснения работы драйвера изобразим его временную диаграмму (рис.10).

Микросхема используется по стандартной схеме подключения изображённой на рис.11

Рассчитаем навесные элементы, показанные на рис 11. Элементы С_>1> , С_>2>, D_>1> ,D_>2> – соответственно бутстреповская ёмкость и бутстреповский диод (bootstrap). Согласно рекомендации фирмы изготовителя драйвера, выбираем емкости С_>1> =С_>2 >=30.5 нФ.

К бутстреповскому диоду ставят два условия. Во-первых, он должен полностью блокировать обратное напряжение. Во-вторых, он должен быть быстродействующим. Выбираем диодUF4002, с временем срабатывания 25 нсек.

5.2.1 Ключи

В схеме, мы применяем ключи IRF3205 фирмы International Rectifier. Основные технические характеристики представлены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры	Значения
Время нарастания переднего фронта I>d>>(>>on>>)>	14нсек
Время спада заднего фронта t>d>>(>>off>>)>	43нсек
Полный заряд бызы Q>G>	170нКл

5.3 Измерительная схема, Измерение мощности.

Схема, реализующая измерения потерь в дросселе изображена

на рис. 12.

C 4

C 5

Для измерения потерь в дросселе нам необходимо два сигнала Ux - напряжение на дросселе и Uy – напряжение эквивалентное току проходящему через дроссель.

В качестве перемножителя берем AD734 фирмы Analog Devices. Навесные элементы C_>4> =C_>5>=0.1 мкФ. Основные технические данные приведены в таблице 5.

Таблица 5

Параметры	Значения
Функция преобразования
Статическая ошибка преобразования	0,1%
Входное напряжение	0-10 В
Выходное напряжение	0-10 В

Так как уровень входного напряжения на AD734 равен 10 В, то следовательно:

Ux=24 В усиливать не надо, а наоборот его необходимо уменьшить до уровня в 10 В. Тогда коэффициент усиления K=10/24=0,4.

; R_>11> = R_>13>= R_>у1>, R_>12> =R_>14> =R_>у1 >, тогда

R_>у1> /R_>у2>=1.2 .Выбираем R_>11> = R_>13>= R_>у1> =12 КОм, R_>12> =R_>14> =R_>у1>=10Ком

Uy=0.2 В, это получается исходя из соображений максимального тока протекающего через дроссель и сопротивления R0=0.01 Ома. Тогда

коэффициент усиления K=10/0.2=50. ; R_>16> =50 КОм,

R_>15> =1 КОМ.

5.3 Измерительная схема.

5.3.1Фильтрация сигнала.

Так как сигнал после перемножителя будет иметь следующую форму

, то его надо отфильтровать. После прохождения сигнала через фильтр останется только постоянная составляющая. Частотный фильтр реализован на AD712 фирмы Analog Devices.

>>T, следовательно =R_>18> C=10³ Ом1 мкФ=10^-3 с

Для перевода результирующего сигнала с земли, принадлежащей измерительной части схемы, на землю общую для элементов, управляющих ключами, мы используем изолированный усилитель ISO124 фирмы BURR- BROWN. Основные технические характеристики представлены в таблице 6.

Таблица 6

Параметры	Значения
Напряжение питания	±18 В
Напряжение входа	±100 В
Полоса пропускания	50 КГц

Выводы по работе:

Данный алгоритм и схема измерения позволяют обеспечить заданные режимы работы схемы, которые позволяют определять электрические потери в дросселе с высокой степенью точности.

Литература:

”Аналоговая и цифровая электротехника”, Ю.П. Опадчий, О.П. Гудкин, А.И. Гуров. Москва, “Горячая Линия-Телеком”,2000 г.

“Справочник по математике”, И.Н. Бронштейн,

К.А. Семендяев. Москва,”Наука”, 1980г.

Справочник “Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы”, С.В. Якубовский, В.И. Кулешова. Москва “Радио связь”,1990 г.

Datasheet фирм International Rectifier, National Semiconductor, LEM. Application Note фирмы International Rectifier

Конспект лекций Е.В. Комарова ”Физические основы электроники” , 2000-2001г.