Dispositivos com eficiência de circuito muito alta. Conversores quase ressonantes com alta eficiência. Rostec está “se protegendo” e usurpando os louros da Samsung e da General Electric

A indústria automotiva moderna atingiu um nível de desenvolvimento em que, sem pesquisa científicaÉ quase impossível conseguir melhorias fundamentais no design dos motores tradicionais combustão interna. Esta situação obriga os designers a prestar atenção projetos de usinas alternativas. Alguns centros de engenharia concentraram seus esforços na criação e adaptação à produção em série de veículos híbridos e modelos elétricos, outras montadoras estão investindo no desenvolvimento de motores utilizando combustíveis de fontes renováveis ​​(por exemplo, biodiesel utilizando óleo de colza). Existem outros projetos de powertrain que poderiam eventualmente se tornar o novo sistema de propulsão padrão para veículos.

Entre as possíveis fontes energia mecânica Para os carros do futuro, devemos nomear o motor de combustão externa, que foi inventado em meados do século XIX pelo escocês Robert Stirling como motor de expansão térmica.

Esquema de operação

O motor Stirling converte energia térmica fornecida de fora em energia útil trabalho mecânico devido a mudanças na temperatura do fluido de trabalho(gás ou líquido) circulando em volume fechado.

EM visão geral O diagrama de funcionamento do dispositivo é o seguinte: na parte inferior do motor, a substância de trabalho (por exemplo, ar) aquece e, aumentando de volume, empurra o pistão para cima. O ar quente entra na parte superior do motor, onde é resfriado por um radiador. A pressão do fluido de trabalho diminui, o pistão desce para o próximo ciclo. Neste caso, o sistema é vedado e a substância de trabalho não é consumida, apenas se movimenta dentro do cilindro.

Existem várias opções de design para unidades de potência usando o princípio Stirling.

Modificação Stirling "Alfa"

O motor consiste em dois pistões de potência separados (quente e frio), cada um localizado em seu próprio cilindro. O calor é fornecido ao cilindro com o pistão quente, e o cilindro frio está localizado em um trocador de calor de resfriamento.

Modificação Stirling "Beta"

O cilindro que contém o pistão é aquecido em uma extremidade e resfriado na extremidade oposta. Um pistão motorizado e um deslocador se movem no cilindro, projetados para alterar o volume do gás de trabalho. O regenerador realiza o movimento de retorno da substância de trabalho resfriada para a cavidade quente do motor.

Modificação Stirling "Gamma"

O design consiste em dois cilindros. O primeiro é totalmente frio, no qual se move o pistão de potência, e o segundo, quente de um lado e frio do outro, serve para movimentar o deslocador. Um regenerador para circulação de gás frio pode ser comum a ambos os cilindros ou fazer parte do projeto do deslocador.

Vantagens do motor Stirling

Como a maioria dos motores de combustão externa, o Stirling é caracterizado multicombustível: o motor funciona devido a mudanças de temperatura, independentemente dos motivos que a causaram.

Fato interessante! Certa vez, foi demonstrada uma instalação que funcionava com vinte opções de combustível. Sem parar o motor, gasolina, óleo diesel, metano, petróleo bruto e óleo vegetal- a unidade de energia continuou a operar de forma constante.

O motor tem simplicidade de design e não requer sistemas e acessórios adicionais (correia dentada, motor de arranque, caixa de velocidades).

As características do aparelho garantem uma longa vida útil: mais de cem mil horas de operação contínua.

O motor Stirling é silencioso, pois não ocorre detonação nos cilindros e não há necessidade de retirada dos gases de escapamento. A modificação “Beta”, equipada com mecanismo de manivela rômbico, é um sistema perfeitamente balanceado que não apresenta vibrações durante a operação.

Não ocorrem processos nos cilindros do motor que possam ter um impacto negativo no meio ambiente. Ao selecionar uma fonte de calor adequada (por ex. energia solar) Stirling pode ser absolutamente ecologicamente correto unidade de energia.

Desvantagens do design Stirling

Apesar de todas as propriedades positivas, o uso imediato em massa de motores Stirling é impossível pelos seguintes motivos:

O principal problema é o consumo de material da estrutura. O resfriamento do fluido de trabalho requer radiadores de grande volume, o que aumenta significativamente o tamanho e o consumo de metal da instalação.

O nível tecnológico atual permitirá que o motor Stirling se compare em desempenho aos motores a gasolina modernos apenas através do uso de espécies complexas fluido de trabalho (hélio ou hidrogênio) sob pressão de mais de cem atmosferas. Este facto levanta sérias questões tanto no campo da ciência dos materiais como na garantia da segurança dos utilizadores.

Um importante problema operacional está relacionado a questões de condutividade térmica e resistência à temperatura dos metais. O calor é fornecido ao volume de trabalho através de trocadores de calor, o que leva a perdas inevitáveis. Além disso, o trocador de calor deve ser feito de metais resistentes ao calor e resistentes a pressão alta. Os materiais adequados são muito caros e difíceis de processar.

Os princípios de alteração dos modos do motor Stirling também são radicalmente diferentes dos tradicionais, o que requer o desenvolvimento de dispositivos de controle especiais. Assim, para alterar a potência é necessário alterar a pressão nos cilindros, o ângulo de fase entre o deslocador e o pistão de potência, ou influenciar a capacidade da cavidade com o fluido de trabalho.

Uma maneira de controlar a velocidade de rotação do eixo em um modelo de motor Stirling pode ser vista no vídeo a seguir:

Eficiência

Em cálculos teóricos, a eficiência do motor Stirling depende da diferença de temperatura do fluido de trabalho e pode chegar a 70% ou mais de acordo com o ciclo de Carnot.

Porém, as primeiras amostras realizadas em metal apresentaram eficiência extremamente baixa pelos seguintes motivos:

• opções ineficazes de refrigerante (fluido de trabalho) que limitam a temperatura máxima de aquecimento;
• perdas de energia por atrito de peças e condutividade térmica da carcaça do motor;
• falta de materiais de construção resistentes a altas pressões.

As soluções de engenharia melhoraram constantemente o design da unidade de potência. Assim, na segunda metade do século XX, um automóvel de quatro cilindros O motor Stirling com acionamento rômbico apresentou eficiência de 35% nos testes em um refrigerante de água com temperatura de 55 ° C. O desenvolvimento cuidadoso do projeto, o uso de novos materiais e o ajuste fino das unidades de trabalho garantiram que a eficiência das amostras experimentais fosse de 39%.

Observação! Os motores a gasolina modernos de potência semelhante têm uma eficiência de 28 a 30% e os motores a diesel turboalimentados de 32 a 35%.

Exemplos modernos de motor Stirling, como o criado pela empresa americana Mechanical Technology Inc, demonstram eficiência de até 43,5%. E com o desenvolvimento da produção de cerâmicas resistentes ao calor e materiais inovadores semelhantes, será possível aumentar significativamente a temperatura do ambiente de trabalho e atingir uma eficiência de 60%.

Exemplos de implementação bem-sucedida de Stirlings automotivos

Apesar de todas as dificuldades, existem muitos modelos de motores Stirling eficientes e aplicáveis ​​à indústria automotiva.

O interesse pelo Stirling, adequado para instalação em automóvel, surgiu na década de 50 do século XX. O trabalho nessa direção foi realizado por empresas como Ford Motor Company, Grupo Volkswagen e outras.

A empresa UNITED STIRLING (Suécia) desenvolveu o Stirling, que aproveitou ao máximo os componentes seriados e conjuntos produzidos pelas montadoras (virabrequim, bielas). O motor V de quatro cilindros resultante tinha um peso específico de 2,4 kg/kW, que é comparável às características de um motor diesel compacto. Esta unidade foi testada com sucesso como usina de energia para uma van de carga de sete toneladas.

Uma das amostras de sucesso é um motor Stirling de quatro cilindros fabricado na Holanda, modelo “Philips 4-125DA”, destinado à instalação em automóveis de passageiros. O motor tinha uma potência de trabalho de 173 cv. Com. em dimensões semelhantes a uma unidade clássica a gasolina.

Os engenheiros da General Motors alcançaram resultados significativos ao construir um motor Stirling em forma de V de oito cilindros (4 cilindros de trabalho e 4 cilindros de compressão) com um mecanismo de manivela padrão na década de 70.

Semelhante usina em 1972 equipado com uma série limitada de carros Ford Torino, cujo consumo de combustível diminuiu 25% em comparação com o clássico oito em forma de V a gasolina.

Atualmente, mais de cinquenta empresas estrangeiras estão trabalhando para melhorar o design do motor Stirling, a fim de adaptá-lo à produção em massa para as necessidades da indústria automotiva. E se for possível eliminar as desvantagens deste tipo de motor, ao mesmo tempo que mantém as suas vantagens, então será o Stirling, e não as turbinas e os motores eléctricos, que substituirá os motores de combustão interna a gasolina.

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O dispositivo descrito proporciona uma eficiência de conversão excepcionalmente alta, permite a regulação da tensão de saída e sua estabilização e opera de forma estável quando a potência da carga varia. Este tipo de conversor é interessante e imerecidamente pouco difundido - quase ressonante, em grande parte isento das desvantagens de outros circuitos populares. A ideia de criar tal conversor não é nova, mas implementação prática tornou-se conveniente há relativamente pouco tempo, após o advento de poderosos transistores de alta tensão, permitindo corrente de impulso coletor com uma tensão de saturação de cerca de 1,5 V. Home característica distintiva e a principal vantagem deste tipo de fonte de alimentação é a alta eficiência do conversor de tensão, atingindo 97...98% sem levar em conta as perdas no retificador do circuito secundário, que são determinadas principalmente pela corrente de carga.

O conversor quase-ressonante difere de um conversor de pulso convencional, em que no momento em que os transistores chaveadores são fechados, a corrente que flui através deles é máxima, o quase-ressonante difere porque no momento em que os transistores são fechados, sua corrente de coletor está próximo de zero. Além disso, a redução da corrente no momento do fechamento é garantida pelos elementos reativos do dispositivo. Difere do ressonante porque a frequência de conversão não é determinada frequência ressonante carga do coletor. Graças a isso, é possível regular a tensão de saída alterando a frequência de conversão e realizar a estabilização desta tensão. Como no momento do fechamento do transistor os elementos reativos reduzem a corrente do coletor ao mínimo, a corrente de base também será mínima e, portanto, o tempo de fechamento do transistor é reduzido ao valor do seu tempo de abertura. Assim, o problema da corrente de passagem que ocorre durante a comutação é completamente eliminado. Na Fig. 4.22 mostrado diagrama de circuito fonte de alimentação não estabilizada autogerada.

Principais características técnicas:

Eficiência global da unidade, %......................................... ........ ....................92;

Tensão de saída, V, com resistência de carga de 8 Ohms....... 18;

Frequência de operação do conversor, kHz.....................20;

Potência máxima de saída, W............................................. ......55;

Amplitude máxima da ondulação da tensão de saída com frequência operacional, V

A maior parcela das perdas de potência na unidade recai sobre o aquecimento dos diodos retificadores do circuito secundário, e a eficiência do próprio conversor é tal que não há necessidade de dissipadores de calor para os transistores. não exceda 0,4 W. A seleção especial de transistores de acordo com quaisquer parâmetros também não é necessária Quando a saída está em curto ou a potência máxima de saída é excedida, a geração é interrompida, protegendo os transistores de superaquecimento e quebra.

O filtro, composto pelos capacitores C1...SZ e pelo indutor LI, L2, é projetado para proteger a rede de alimentação contra interferências de alta frequência do conversor. O autogerador é acionado pelo circuito R4, C6 e pelo capacitor C5. A geração de oscilações ocorre como resultado da ação da realimentação positiva através do transformador T1, e sua frequência é determinada pela indutância do enrolamento primário deste transformador e pela resistência do resistor R3 (conforme a resistência aumenta, a frequência aumenta).

As bobinas LI, L2 e o transformador T1 são enroladas em núcleos magnéticos de anel idênticos K12x8x3 feitos de ferrite 2000NM. Os enrolamentos do indutor são realizados simultaneamente, “em dois fios”, utilizando fio PELSHO-0,25; número de voltas - 20. O enrolamento I do transformador TI contém 200 voltas de fio PEV-2-0.1, enroladas a granel, uniformemente ao redor de todo o anel. Os enrolamentos II e III são enrolados “em dois fios” - 4 voltas de fio PELSHO-0,25; O enrolamento IV é uma volta do mesmo fio. Para o transformador T2 foi utilizado um núcleo magnético em anel K28x16x9 feito de ferrite 3000NN. O enrolamento I contém 130 voltas de fio PELI10-0,25, dispostas volta a volta. Enrolamentos II e III - 25 voltas cada de fio PELSHO-0,56; enrolamento - “em dois fios”, uniformemente ao redor do anel.

O Choke L3 contém 20 voltas de fio PELI10-0.25, enroladas em dois núcleos magnéticos de anel dobrados K12x8x3 feitos de ferrite 2000NM. Os diodos VD7, VD8 devem ser instalados em dissipadores de calor com área de dissipação de pelo menos 2 cm2 cada.

O dispositivo descrito foi desenvolvido para uso em conjunto com estabilizadores analógicos em significados diferentes tensão, portanto não houve necessidade de supressão profunda de ondulação na saída da unidade. O ripple pode ser reduzido ao nível requerido utilizando filtros LC comuns nesses casos, como, por exemplo, em outra versão deste conversor com as seguintes características técnicas básicas:

Tensão nominal de saída, V............................................. ...... 5,

Corrente máxima de saída, A......................................... ...... ......... 2;

Amplitude máxima de pulsação, mV.........................................50 ;

Mudança na tensão de saída, mV, não mais, quando a corrente de carga muda

de 0,5 a 2 A e tensão de rede de 190 a 250 V........................150;

Frequência máxima de conversão, kHz.......................... 20.

O circuito de uma fonte de alimentação estabilizada baseada em um conversor quase-ressonante é mostrado na Fig. 4.23.

A tensão de saída é estabilizada por uma mudança correspondente na frequência operacional do conversor. Como no bloco anterior, os poderosos transistores VT1 e VT2 não precisam de dissipadores de calor. O controle simétrico desses transistores é implementado usando um gerador de pulso mestre separado montado em um chip DDI. O gatilho DD1.1 atua no próprio gerador.

Os pulsos têm duração constante especificada pelo circuito R7, C12. O período é alterado pelo circuito OS, que inclui o optoacoplador U1, para que a tensão na saída da unidade seja mantida constante. O período mínimo é definido pelo circuito R8, C13. O gatilho DDI.2 divide a frequência de repetição desses pulsos por dois, e a tensão de onda quadrada é fornecida da saída direta ao amplificador de corrente do transistor VT4, VT5. A seguir, os pulsos de controle amplificados por corrente são diferenciados pelo circuito R2, C7, e então, já encurtados para uma duração de aproximadamente 1 μs, entram através do transformador T1 no circuito base dos transistores VT1, VT2 do conversor. Esses pulsos curtos servem apenas para chavear transistores – fechando um deles e abrindo o outro.

Além disso, a energia principal do gerador de excitação é consumida apenas na comutação de transistores potentes, portanto a corrente média consumida por ele é pequena e não ultrapassa 3 mA, levando em consideração a corrente do diodo zener VD5. Isso permite que ele seja alimentado diretamente da rede primária através do resistor de extinção R1. O transistor VT3 é um amplificador de tensão de sinal de controle, como em um estabilizador de compensação. O coeficiente de estabilização da tensão de saída do bloco é diretamente proporcional ao coeficiente de transferência de corrente estática deste transistor.

O uso do optoacoplador transistorizado U1 garante isolamento galvânico confiável do circuito secundário da rede e alta imunidade a ruídos na entrada de controle do oscilador mestre. Após a próxima comutação dos transistores VT1, VT2, o capacitor SY começa a recarregar e a tensão na base do transistor VT3 começa a aumentar, a corrente do coletor também aumenta. Como resultado, o transistor do optoacoplador abre, mantendo o capacitor do oscilador mestre C13 em estado descarregado. Após o fechamento dos diodos retificadores VD8, VD9, o capacitor SY começa a descarregar para a carga e a tensão nele cai. O transistor VT3 fecha, e como resultado o capacitor C13 começa a carregar através do resistor R8. Assim que o capacitor for carregado com a tensão de comutação do gatilho DD1.1, sua saída direta será ajustada para alto nível tensão. Neste momento ocorre a próxima comutação dos transistores VT1, VT2, bem como a descarga do capacitor SI através do transistor optoacoplador aberto.

O próximo processo de recarga do capacitor SY começa, e o gatilho DD1.1 após 3...4 μs retornará novamente ao estado zero devido à pequena constante de tempo do circuito R7, C12, após o qual todo o ciclo de controle é repetido, independentemente de qual dos transistores é VT1 ou VT2 - aberto durante o semestre atual. Quando a fonte é ligada, no momento inicial, quando o capacitor SY está completamente descarregado, não há corrente através do LED do optoacoplador, a frequência de geração é máxima e é determinada principalmente pela constante de tempo do circuito R8, C13 (o constante de tempo do circuito R7, C12 é várias vezes menor). Com as classificações desses elementos indicadas no diagrama, essa frequência será de cerca de 40 kHz, e depois de dividida pelo gatilho DDI.2 - 20 kHz. Após carregar o capacitor SY até a tensão de operação, o circuito de estabilização OS nos elementos VD10, VT3, U1 entra em operação, após o qual a frequência de conversão já dependerá da tensão de entrada e da corrente de carga. As flutuações de tensão no capacitor SY são suavizadas pelo filtro L4, C9. As bobinas LI, L2 e L3 são iguais às do bloco anterior.

O transformador T1 é feito em dois núcleos magnéticos de anel K12x8x3 dobrados em ferrite 2000NM. O enrolamento primário é enrolado uniformemente em todo o anel e contém 320 voltas de fio PEV-2-0,08. Os enrolamentos II e III contêm cada um 40 voltas de fio PEL1110-0,15; eles são enrolados “em dois fios”. O enrolamento IV consiste em 8 voltas de fio PELSHO-0,25. O transformador T2 é feito em um núcleo magnético anelar K28x16x9 feito de ferrite 3000NN. Enrolamento I - 120 voltas de fio PELSHO-0,15, e II e III - 6 voltas de fio PEL1110-0,56, enrolado “em dois fios”. Em vez do fio PELSHO, pode-se usar fio PEV-2 de diâmetro adequado, mas neste caso é necessário colocar duas ou três camadas de tecido envernizado entre os enrolamentos.

O Choke L4 contém 25 voltas de fio PEV-2-0,56, enroladas em um núcleo magnético anular K12x6x4,5 feito de ferrite 100NNH1. Qualquer indutor pronto com indutância de 30...60 μH para uma corrente de saturação de pelo menos 3 A e uma frequência de operação de 20 kHz também é adequado. Todos resistores fixos- MJIT. Resistor R4 - ajustado, de qualquer tipo. Capacitores C1...C4, C8 - K73-17, C5, C6, C9, SY - K50-24, o restante - KM-6. O diodo zener KS212K pode ser substituído por KS212Zh ou KS512A. Os diodos VD8, VD9 devem ser instalados em radiadores com área de dissipação de pelo menos 20 cm2 cada. A eficiência de ambos os blocos pode ser aumentada se, em vez dos diodos KD213A, forem utilizados diodos Schottky, por exemplo, qualquer um da série KD2997. Neste caso, não serão necessários dissipadores de calor para diodos.

Hoje veremos vários circuitos de conversores de pulso simples, pode-se até dizer simples Tensão CC-CC(conversores de tensão DC da mesma magnitude, em tensão constante tamanho diferente)

Quais são os benefícios dos conversores de pulso? Em primeiro lugar, eles têm alta eficiência e, em segundo lugar, podem operar com uma tensão de entrada inferior à tensão de saída. Os conversores de pulso são divididos em grupos:

• - contrariar, impulsionar, inverter;
• - estabilizado, desestabilizado;
• - isolado galvanicamente, não isolado;
• - com uma faixa estreita e ampla de tensões de entrada.

Para fazer conversores de pulso caseiros, é melhor usar circuitos integrados- são mais fáceis de montar e não caprichosos na hora de montar. Então, aqui estão 14 esquemas para todos os gostos:

Este conversor opera na frequência de 50 kHz, o isolamento galvânico é fornecido pelo transformador T1, que é enrolado em um anel K10x6x4,5 feito de ferrite 2000NM e contém: enrolamento primário - 2x10 voltas, enrolamento secundário - 2x70 voltas de fio PEV-0,2 . Os transistores podem ser substituídos por KT501B. Quase nenhuma corrente é consumida da bateria quando não há carga.

O transformador T1 está enrolado anel de ferrite com diâmetro de 7 mm, e contém dois enrolamentos de 25 voltas de fio PEV = 0,3.

Conversor push-pull não estabilizado baseado em multivibrador (VT1 e VT2) e amplificador de potência (VT3 e VT4). A tensão de saída é selecionada pelo número de voltas do enrolamento secundário do transformador de pulso T1.

Conversor do tipo estabilizador baseado no microcircuito MAX631 da MAXIM. Frequência de geração 40…50 kHz, elemento de armazenamento - indutor L1.

Você pode usar um dos dois chips separadamente, por exemplo o segundo, para multiplicar a tensão de duas baterias.

Circuito típico para conectar um estabilizador de impulso de pulso no microcircuito MAX1674 da MAXIM. A operação é mantida com uma tensão de entrada de 1,1 volts. Eficiência - 94%, corrente de carga - até 200 mA.

Permite obter duas tensões estabilizadas diferentes com eficiência de 50...60% e corrente de carga de até 150 mA em cada canal. Os capacitores C2 e C3 são dispositivos de armazenamento de energia.

8. Trocando o estabilizador de boost no chip MAX1724EZK33 da MAXIM

Diagrama de conexão típico chip especializado da MÁXIMA. Permanece operacional com uma tensão de entrada de 0,91 volts, possui um tamanho pequeno Carcaça SMD e fornece uma corrente de carga de até 150 mA com eficiência de 90%.

Um circuito típico para conectar um estabilizador abaixador pulsado em um microcircuito TEXAS amplamente disponível. O resistor R3 regula a tensão de saída entre +2,8…+5 volts. O resistor R1 define a corrente de curto-circuito, que é calculada pela fórmula: Is(A)= 0,5/R1(Ohm)

Inversor de tensão integrado, eficiência - 98%.

Dois conversores de tensão isolados DA1 e DA2, conectados em um circuito “não isolado” com terra comum.

A indutância do enrolamento primário do transformador T1 é de 22 μH, a proporção de voltas do enrolamento primário para cada secundário é de 1: 2,5.

Circuito típico de um conversor boost estabilizado em um microcircuito MAXIM.