44362

Проектирование полупроводникового преобразователя электрической энергии

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Минимальный угол открывания слишком большой получение необходимого напряжения за счёт увеличения угла α при отсутствии трансформатора приводит к большим пульсациям тока нагрузки и теряет смысл применение многопульсных схем то питание схемы будем осуществлять через трансформатор. Расчет трансформатора Найдем требуемое значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора по...

Русский

2013-11-11

2.73 MB

88 чел.

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет информационных технологий и робототехники

Кафедра: ЭАПУ и ТК

Курсовой проект

на тему

« Проектирование полупроводникового преобразователя электрической энергии»

Выполнил:       ст. гр. 107639        Шилович А.Ю.

 

Руководитель:      ст. пр.     Руденя А.Л.

                                             

Минск 2011


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..5

1.      ВЫБОР СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

ПРОЕКТИУЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ...…………………..……………………10

  1.  Расчет угла открывания тиристора….………………………………..…….10
    1.  Расчет трансформатора………………………………………………...……10
    2.  Расчет номинального тока…………………………………………………13

1.4.   Выбор вентилей..…….………………………………………………...…….15

1.5.    Проверка СПП по перегрузочной способности…………………..………18

1.6.    Выбор класса СПП по напряжению……………………………………….20

  1.  РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ СПП ОТ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ...……………………………..22

2.1.    Расчет и выбор защитных  R-С цепочек ..…………………………….…..22

2.2.    Выбор сглаживающего дросселя…………………………………….…....24

  1.  ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. ТРЕБОВАНИЯ К СУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .……….. 27

  1.  Проектирование структурной и функциональной   схем СУ СПП 30

  1.  ВЫБОР ТИПОВ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ИМС ………………..33

  1.  ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУ СПП…………………………………………………………………………………34
    1.   Расчет устройства синхронизации………………………………………..34

6.2.     Расчет преобразователя «напряжение - частота»…………………….….36

6.3.    Расчет одновибратора .…………………………..…………………….…..37

6.4.     Проектирование распределителя импульсов.……………………….…..38

6.5.     Расчет счетчиков……………………………………………………….…..39

6.6.     Расчет выходных формирователей……………………………………….40

6.7.     Расчет формирователей импульсов……………………………………….42

  1.  СОСТАВЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ПЕРЕЧНЯ ЭЛЕМЕНТОВ К НЕЙ. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА  ДЕЙСТВИЯ СХЕМЫ……………………………....43

  1.  РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ВНЕШНЕЙ И РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК  ППЭЭ ………………………………………………………48

8.1.    Внешняя характеристика выпрямителя …………………...……..………48

8.2.    Регулировочная характеристика выпрямителя…………………………..50

9.       ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..51

10.    СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…...…………………...52

ВВЕДЕНИЕ

Устройства силовой электроники представляют собой очень широкую и быстро развивающуюся область техники. Одним из важнейших объектов изучения в данной области является полупроводниковый преобразователь электрической энергии.

Полупроводниковый преобразователь является основным элементом источников вторичного электропитания, используется в системах электропривода, автотранспорта, связи, в компьютерной и бытовой технике.

В общем виде преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми объектами.

Для преобразования электрической энергии совместно с полупроводниковым преобразователем могут использоваться другие виды преобразователей - трансформаторы, дроссели, конденсаторы.

В соответствии с заданием по курсовому проекту мне необходимо спроектировать трехфазный мостовой несимметрично управляемый выпрямитель. В данной схеме не возможен режим инвертирования, т.е. возврата энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока. Поэтому схема называется несимметричной (полууправляемой). Полная схема проектируемого выпрямителя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Полная силовая схема трехфазного мостового          несимметрично управляемого выпрямителя

Основные соотношения и диаграммы работы для этой схемы:

Рисунок 2. Временные диаграммы работы трёхфазного мостового несимметрично управляемого выпрямителя

Основные расчётные соотношения.

Максимальное выпрямленное напряжение:

,

где Uф – фазное напряжение питающей сети;

Ксхе – схемный коэффициент по ЭДС

Среднее значение тока вентиля:

.

Действующее значение тока вентиля:

.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Максимальное выпрямленное напряжение:

,

где Uф – фазное напряжение питающей сети;

Ксхе – схемный коэффициент по ЭДС;

.

Максимальное прямое и обратное напряжение:

.

Действующее значение фазного тока:

.

Типовая мощность трансформатора:

.

,ток первичной и вторичной обмотки трансформатора.

 – коэффициент, учитывающий превышение типовой мощности над мощностью постоянных составляющих.

1,045.

Коэффициент формы тока:

.

1. ВЫБОР СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

ПРОЕКТИУЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1.1. Расчёт угла открывания тиристора

Среднее значение выпрямленной ЭДС при угле открывания тиристора , определим по формуле (1.1):

                                             (1.1)

где КСХе - коэффициент схемы по ЭДС, КСХе=2,34;

U1 – фазное напряжение, подводимое к выпрямителю, U1=220В.

Среднее значение выпрямленной ЭДС, определяется по формуле (1.2):

                                            (1.2)

Из формулы (1.3) найдем минимальный угол открывания тиристора:

где Е = Uн = 220В.

Т.к. минимальный угол открывания слишком большой (получение необходимого напряжения за счёт увеличения угла α при отсутствии трансформатора приводит к большим пульсациям тока нагрузки и теряет смысл применение многопульсных схем), то питание схемы будем осуществлять через трансформатор.

1.2. Расчет трансформатора

Найдем требуемое значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора по формуле

,                             (1.3)

где Е2 - ЭДС вторичной обмотки трансформатора,

;      (1.4)

UH - номинальное напряжение нагрузки; UH=220B;

ксхе - коэффициент схемы по ЭДС; ксхе=2,34

кс - коэффициент, учитывающий возможность снижения напряжения в сети, кс=1,1;

кR - коэффициент, учитывающий падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора, падение напряжения на вентилях и падение напряжения из-за коммутации вентилей, кR=1,05;

к - коэффициент, учитывающий неполное открывание вентилей, к=1,1.

.

Рассчитываем типовую мощность трансформатора

 ,                                                     (1.5)

где P - мощность постоянных составляющих напряжения и тока выпрямителя,

;

kр- коэффициент, учитывающий превышение типовой мощности над мощностью постоянных составляющих, kр=1,045- для трехфазной мостовой схемы;

.

Полная мощность трансформатора:

                                          (1.6)

где ki- коэффициент не прямоугольности тока, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной, ki=1,1.

.

Из [2,прилож.1] выбираем трансформатор ТС-40/0,5 по соотношениям

Sн  Sрасч.         и        U U2расч

38628ВА<40000ВА и 119,43В133В.

Найдем активное и индуктивное сопротивления фазы трансформатора:

,                                          (1.7)

где R1 - активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке;

R2 – активное сопротивление вторичной обмотки;

Рнагр.- нагрузочные потери трансформатора, или потери короткого замыкания Pкз;

I2H - номинальный ток фазы вторичной обмотки трансформатора.

.

Найдём индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

,    (1.8)

где x1- индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке;

x2- индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора;

Zk - полное сопротивление короткого замыкания трансформатора,

,                                            (1.9)

Uk - напряжение короткого замыкания трансформатора, %;

,

Найдем индуктивность трансформатора:

.

Среднее значение выпрямленной ЭДС при угле открывания тиристора , определим по формуле (1.1):

.

Среднее значение выпрямленной ЭДС, определяется по формуле (1.2):

.

Определим максимальный угол открывания тиристоров, в соответствии с заданным диапазоном регулирования:

.

где D - диапазон регулирования скорости, D =10.

.

  1.  Расчет номинального тока

Проверим условие наличия гармоник по формуле

,

где ωП – скорость пульсации цепи, ωП = 50∙2∙π = 314рад/с.

,  

Как видим условие не выполняется, тогда рассчитываем гармонический состав тока и напряжения по формуле:

,

(1.10)

где  - амплитудное значение напряжения n-ой гармоники;

n – номер гармоники;

m – эквивалентное число фаз выпрямления, m=2;

- номинальное значение напряжения на нагрузке.

Амплитудное значение тока n-ой гармоники будем искать по формуле

,

(1.11)

где XL – реактивное сопротивление нагрузки, ,

Ом.

Так как выпрямленное напряжение симметрично относительно оси ординат, то при разложении в ряд Фурье будут отсутствовать все четные гармоники. А из-за отсутствия пути для замыкания системы обратной последовательности, будут отсутствовать все гармоники кратные трем. Тогда n=1, 5, 7, 11, 13, …

Расчет гармоник:

Первая гармоника:

Пятая гармоника:

Седьмая гармоника:

Тогда номинальное напряжение с учетом гармоник будет равно

,

.

А номинальное значение тока с учетом гармоник будет равно

,

.

Номинальное значение мощности нагрузки определится по формуле

,

.

  1.  Выбор вентилей

Диоды выбираются по среднему значению тока через вентиль.

Условие, исходя из которого будут выбраны диоды:

.

где Kзо - коэффициент запаса учитывающий отклонение режима работы   и условий охлаждения от номинальных.

Отметим, что  (условие по нагреву больше, чем в номинальном режиме), и максимальная температура воздуха Та=300 С (условия по  отводу  тепла лучше, чем при Та=400С номинальном режиме). По этому принимаем Kзо=0,95.

Kзрi – коэффициент запаса по току в рабочем режиме, Kзрi=1,65.

А

.

.

Из справочника [1]  выбираем:

диод      Д151 –125  с охладителем 0151-80. У которого при естественном охлаждении .

Для выбранного диода рассчитываем максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы охлаждения. Расчет производим по формуле:

.

Для диода Д151–125 и охладителя О151–80 из справочника находим эти данные (при естественном охлаждении радиатора):

– пороговое напряжение;

= 0,9.

–дифференциальное сопротивление

.

–максимальная температура перехода;

.

,– температура окружающей среды;

.

– установившееся тепловое сопротивление  «переход-среда»,

.

где  – установившееся тепловое сопротивление «переход-корпус»,

– установившееся тепловое сопротивление «охладитель-среда»,

– установившееся тепловое сопротивление «корпус-охладитель»,

– коэффициент формы тока,

.

.

.

.

.

Максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы будет равен:

.

Так как , то выбранный диод по току подходит.

Условие, исходя из которого будут выбраны тиристоры:

.

Отметим, что  (условие по нагреву больше, чем в номинальном режиме), и максимальная температура воздуха Та=300 С (условия по  отводу  тепла лучше, чем при Та=400С номинальном режиме). По этому принимаем Kзо=0,95.

Kзрi – коэффициент запаса по току в рабочем режиме, Kзрi=1,65.

.

.

Из справочника [1]  выбираем тиристор T171-200 с охладителем 0181-110, у которого при естественном охлаждении .

Для выбранного тиристора  рассчитываем максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы охлаждения.

.

Для тиристора Т171-200 и охладителя 0181-110 из справочника находим данные:

.

.

.

.

.

.

отсюда получаем: .

Максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы будет равен:

.

Так как ,то выбранный тиристор по току подходит.   

     

  1.  Проверка  по перегрузочной способности

Определяем средние потери мощности для тока соответствующего номинальному.

-для тиристора;

-для диода;

  Определяем средние потери мощности для тока соответствующего току перегрузки.

- для тиристора

  где  – среднее значение тока в вентиле при перегрузке равной принимаем коэффициент запаса , получаем .

.

-для диода.

где  – среднее значение тока в вентиле при перегрузке равной  принимаем коэффициент запаса , получаем .

.

    Определяем переходное тепловое сопротивление “переход-среда” по формуле:

-для тиристора.

.

-для диода.

.

По графику определяем максимально допустимое время перегрузки допустимой для нашего тиристора  . Получаем: ([1] рис.11.33(в)).

Для нашего диода получаем:  ([1], рис. 5.13(б)).

Критерием нормальной работы СПП при перегрузке по току является выполнение условия:

tпер tm ,                   

где  tm – максимально допустимое время перегрузки, за которое температура перехода достигнет максимального допустимого значения;

tпер – требуемое (реальное) время перегрузки.

Проверим выполнение условия:   

tпер tm

для тиристора:

Следовательно тиристор по перегрузочной способности выбран правильно.

для диода:

Следовательно, диод по перегрузочной способности выбран правильно.

  1.  Выбор класса тиристоров и диодов по напряжению

СПП должны выдерживать определенное напряжение, которое прикладывается к ним как в прямом, так и в обратном направлениях. На практике выбирают СПП, имеющие запас классификационного значения напряжения по отношению к максимальному значению рабочего напряжения, прикладываемого к СПП в схеме.

Номинальное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к диодам:

   (1.12)

Определим значение рабочего напряжения, прикладываемого к СПП в схеме:

,     (1.13)

где Кс - коэффициент, учитывающий возможность повышения напряжения в сети, Кс=1,15.

.

Выбор СПП по напряжению осуществляется по условию

,         (1.14)

где КЗU – коэффициент запаса по рабочему напряжению, КЗU =1,8;

UDRM – повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии.

Таким образом, принимаем класс вентилей по напряжению равный 7.

Окончательно принимаем: тиристоры  Т171-200-7; диоды Д151-125-7.

  1.  РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ СПП ОТ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

2.1.Расчет R-C цепочек

На рисунке 2.1 представлена силовая схема трехфазного мостового выпрямителя с защитными R-C цепочками.

Рисунок 2.1. Силовая схема трехфазного мостового выпрямителя с            защитными R-C цепочками

Защитные R-C цепочки предназначены для ограничения скорости нарастания напряжения и снижения перенапряжения на  вентилях схемы. Для защиты СПП от аварийных токов используют анодные реакторы, которые ограничивают ток короткого замыкания на уровне, не превышающем ударный ток Iуд. прибора.

Согласно сведениям о выборе R-C цепей, приведенным в методическом пособии к данному курсовому проекту, точный расчет R-C цепей достаточно сложен и требует учета ряда факторов и применения вычислительной техники. Параметры R-C цепочек определяются компромиссным решением с учетом достаточного ограничения уровня напряжения и скорости изменения напряжения на вентиле, а также ограничения амплитуды разрядного тока защитного конденсатора в момент включения вентиля при максимальном  угле регулирования.

На основании опытных данных, параметры R-C цепей выбираются в пределах:

Выбираем емкость конденсаторов С1-С6, предназначенных для защиты вентилей, в пределах С=0,1…0,5 мкФ, К75-24-1000В-0,4мкФ±10%,   [4, стр. 58].

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на резисторе по формуле

,

 (2.1)

где  – повторяющийся импульсный обратный ток , данные из справочника [1];

- максимальное обратное напряжение.

,

.

Выбираем резистор С5-36В-150Ом±5% [5, стр. 136].

         Поскольку в схеме используется трансформатор, рассчитаем для него ток короткого замыкания:

Iк.з. =

Iк.з. =  = 3889 А.

       Из условия:

ITSMIк.з ,

где ITSM = 2400 А – ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии для диода, и для тиристора ITSM = 5500А

                                                2400 < 3889

следует, что индуктивности трансформатора не достаточно для ограничения токов короткого замыкания.

2.2.Выбор сглаживающего дросселя

Определяем требуемую постоянную времени электрической  цепи исходя из условий ограничения зоны прерывистого тока:

,

где - постоянный коэффициент схемы выпрямления;

с – для трехфазной мостовой полууправляемой схемы;

– максимальное значение относительного граничного тока зоны прерывистого тока,

;

где Iгр.max - абсолютное наибольшее значение граничного тока, которое должно быть меньше тока холостого хода; его значение должно находиться в пределах (0,05...0,15)IH;

Принимаем         =0,114 IH =0,114·110=12,54 А;

IБ - базовое значение тока, .

Um - максимальное значение анодного напряжения Um=352В.

RП - активное сопротивление

.

Rтр.- приведенное к вторичной обмотке активное сопротивление трансформатора:

.

Rсп.- активное сопротивление силового преобразователя, учитывающее падение напряжения на вентилях и проводах, .

UВ - прямое падение напряжения на вентиле UВ=2В.

n - число вентилей, последовательно включенных, проводящих ток в один и тот же момент времени n =3.

.

.

А.

.

Определяем индуктивность сглаживающего дросселя:

                         .

                                          .

               Гн.

Сглаживающий дроссель RWK 305-110 выбираем марки  со следующими параметрами:  и .

Технические характеристики:

Номинальное напряжение:  ~3 х 400 B (электрическая стойкость 500 В)  

Диапазон номинальных токов:  2.1 – 2300 A @ 40˚ C  

Частота сети:  50 – 60 Гц  

Частота ШИМ:  2 – 16 кГц  

Длина кабеля до двигателя:  3м – 30м (большая длина по дополнительному запросу)  

Типовое снижение dv/dt:   ≥ 5 раз

Испытательное напряжение:  P → E ~3000 B в течение 10 сек (заводской тест)  

P → P ~3000 B в течение 10 сек (заводской тест)  

Соответствие проекта:  EN 61558-2-20 (VDE 0570-2 20)  

Напряжение короткого замыкания:  0.8% uk  

Класс исполнения по защите:  IP00,

Класс изоляции:  T40/B (130˚C) → RWK 305 <110A  

T40/F (155˚C) → RWK 305 >110A  

Диапазон температур:  –25˚C - +130˚C и –25˚C - +155˚C соотв.


3.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. ТРЕБОВАНИЯ К СУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Система управления преобразовательным устройством предназначена для формирования и генерирования управляющих импульсов определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи на управляющие электроды  вентилей преобразователя

В  зависимости от, того, в  одном или в нескольких каналах вырабатываются управляющие импульсы  для каждого вентиля преобразователя, различают одно- и многоканальные  системы управления, а в зависимости от принципа изменения фазы управляющего импульса - горизонтальные, вертикальные и цифровые  системы.

Кроме того, системы управления могут быть синхронными и асинхронными. При синхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывается от определенной фазы напряжения  сети, питающей преобразователь. При асинхронном  управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса.

При горизонтальном управлении управляющий импульс формируется в момент перехода  синусоидального напряжения  через нуль, а изменение его фазы обеспечивается изменением  фазы синусоидального напряжения, т.е. смещением этого напряжения по горизонтали.

При вертикальном управлении управляющий импульс формируется в результате  сравнения на нелинейном элементе  величин переменного (синусоидального, пилообразного, треугольного) и постоянного напряжений. В момент, когда эти напряжения становятся равными и их разность  изменяет полярность, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать, изменяя величину  постоянного напряжения. В качестве нелинейного элемента обычно применяют транзистор.

Цифровая система управления вырабатывает в цифровой форме код фазы управляющих импульсов и преобразует его в фазу импульсов.

Цифровые коды фазы управляющих импульсов хранятся в запоминающем устройстве цифровой системы управления вентильного преобразователя, откуда они поступают на преобразователь цифровой код-фаза.

   Принцип работы схемы заключается в следующем: цифровой код фазы управляющих импульсов, поступающих от запоминающего устройства, записывается в регистре Р. В момент времени, когда на аноде соответствующего вентиля появляется положительное анодное напряжение (=0), открывается ключевая схема К по выходу “Пуск” и счётчик импульсов СИ начинает считать импульсы, поступающие от генератора эталонной частоты ГЭЧ. Число импульсов в счётчике СИ считается в том же коде, в котором представлена цифра в регистре Р. При равенстве числа счётчика числу, записанному в регистре, схема совпадения СС выдаёт импульс, фаза которого (относительно момента времени  =0) будет пропорциональна числу, записанному в регистре Р, а следовательно и числу импульсов, сосчитанных счётчиком СИ. Выходной импульс схемы совпадения СС закрывает ключевую схему К по входу “Стоп” и счёт импульсов прекращается. При этом СИ устанавливается в исходное положение. Схема готова к следующему циклу преобразования.

Преобразователь цифровой код-фаза позволяет записывать в регистр текущее значение фазы непрерывно (параллельным кодом).

Несмотря на сложность цифровых систем управления, они находят всё большее применение благодаря высокой точности и быстродействию, что позволит качественно улучшить работу вентильных преобразователей.

Далее рассмотрим основные требования к системам импульсно-фазового управления:

1. Достаточная для надежного отпирания вентиля амплитуда напряжения и тока  управляющего импульса: для тиристоров 10-20В;

2. Широкий диапазон регулирования, определяемый типом преобразователя, режимом его работы и характером нагрузки.

3.Высокая устойчивость к импульсным помехам.

4. Система импульсно-фазового управления должна обеспечивать симметрию управляющих импульсов по фазам. Асимметрия вызывает неравномерную загрузку тиристоров из-за различной продолжительности их работы и приводит к ухудшению условий работы питающего трансформатора и сглаживающего дросселя. Ассиметрия открывающих импульсов по фазе не должна превышать 1.50 – 20.

5. Быстродействие системы управления, которая не должна  влиять на быстродействие регулируемого вентильного преобразователя. Минимальное время реакции системы управления на управляющее воздействие должно составлять в некоторых случаях тысячные доли секунды.

6. Максимальное запаздывание системы автоматического регулирования не должно превышать для преобразователей с выходной частотой 50 Гц - трехфазных 3,3 мс.

4. Проектирование структурной и функциональной   схем СУ СПП

Структурная схема представлена на рисунке 4.1. В схеме используется цифровая система импульсно – фазового управления (СИФУ).

Рисунок 4.1.Структурная схема системы управления преобразователем

УСфА, УСфВ, УСфС - устройстрва синхронизации фаз А, В, С. Необходимы для гальванической развязки сети и СУ;

ОВ1, ОВ2, ОВ3 - одновибраторы, вырабатывают короткий импульс сброса счетчика, соответствующий переходу сетевого напряжения через 0;

СЧК - счетчик, в зависимости от частоты поступающих импульсов, формирует угол открывания.

ПНЧ – преобразователь “напряжение -частота”. Преобразует пропорционально-аналоговый сигнал управления в частоту;

РИ – распределитель импульсов, распределяет импульсы на соответствующие ключи в зависимости от знака питающего напряжения;

ВФ – выходные формирователи, для усиления импульсов управления и гальванической развязки силовой части преобразователя и СУ.

Функциональная схема представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. Функциональная схема СИФУ

 

5. ВЫБОР ТИПОВ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ИМС

В процессе проектирования принципиальной схемы будем использовать только цифровые микросхемы. Это обусловлено тем, что нет необходимости усложнять схему цифровой СИФУ, используя аналоговые интегральные микросхемы.

В качестве ПНЧ была использована микросхема типа КР1108ПП1 с номинальным напряжением питания 15В. Типовая схема представлена на рисунке 5.1.

Электрические параметры микросхемы КР1108ПП1:

Напряжение питания UИ.П.=15 В.

Ток потребления IПОТР не более 7 мА.

Входное напряжение высокого уровня не менее

0,9 В; не более  3,0 В.

Входное напряжение низкого уровня не менее

-3,0 В; не более -0,9 В.

Выходное напряжение высокого уровня не

менее 2,4 В;      

не более 15,75 В.

Рабочий диапазон температур: (-10…+85) 0С.

Рисунок 5.1. Принципиальная схема ПНЧ, реализованного на базе ИМС  КР1108ПП1

В качестве счетчиков была использована микросхема типа К511ИЕ1 с     номинальным напряжением питания 15В. Типовая схема представлена

на рисунке 5.2.

 Электрические параметры микросхемы К511ИЕ1:

Напряжение питания UИ.П., не более 18 В.

Ток потребления IПОТ, не более 36 мА.

Выходной ток по выводам:

– 2,4,5,6,9,12,

не более 0,005 мА,

– 8, не более 0,02 мА,

Рабочий диапазон температур ,(-25…+90)0С.

Рисунок 5.2. Принципиальная схема счетчика, реализованного на базе ИМС  К511ИЕ1

6.   ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУ СПП

 

На основании выбранной функциональной схемы СУ преобразователем и выбранных типов  цифровых ИМС, необходимо спроектировать принципиальные электрические схемы отдельных функциональных элементов и произвести их электрический расчет, т.е. рассчитать величины резисторов, конденсаторов, произвести расчет транзисторов, диодов. Далее из справочника выбирается конкретный тип элемента с указанием его основных технических характеристик.

6.1. Расчет устройства синхронизации

Источник синхронизирующего напряжения выполнен на оптопаре V11

Входной фильтр на R7 - C7 обеспечивает устранение высокочастотных искажений (помех) в напряжении сети, кроме того он сдвигает напряжение (напряжение синхронизации соответственно) для создания необходимого диапазона регулирования фазы импульсов управления.

 В качестве опторазвязки выбираем оптопару АОТ123А со следующими параметрами:

-максимальное коммутируемое напряжение: Uком.max=50 В;

-максимальное обратное напряжение: Uобр.max=2 В;

-максимальный входной ток: Iвх.max=30 мА.

-максимальный выходной ток: Iвых.max=10 мА.

-количество каналов:1.

-выходное остаточное напряжение: 0,3 B.

-Рабочий диапазон температур, (-60…+70)0С.

Необходимый угол сдвига можно найти из выражения

Примем . Зададимся значением С7 =1 мкФ. Тогда

 кОм

Резистор R9 выбираем из условия ограничения входного тока VТ1:

Ом;

Вт,      

где Uип1=15В;

Выбираем транзистор КТ603А со следующими параметрами:

Imax =300 мА, Uкэ=30 В, β=40.

По формуле находим ток базы транзистора VT1:

мА.

кОм.

кОм.

Вт.

кОм.

Вт.

кОм.

Вт.

Выбираем диод VD1: КД205А(Uобр.max=500В ; Iпр.max=0.3A).

С7: МБМ-440В-1мкФ.

R7: МЛТ 0,25Вт– 2,0кОм .

R8: МЛТ 0,25Вт– 300Ом .

R9: МЛТ 2Вт– 1,5кОм .

R10: МЛТ 0.1Вт – 2,7кОм.

R11: МЛТ 0.5Вт – 510Ом .

6.2. Расчет преобразователя “напряжение – частота”

ПНЧ выполнен на микросхеме — КР1108ПП1.

Рисунок 6.2. Принципиальная схема ПНЧ, реализованного на базе ИМС  КР1108ПП1

Назначения входов:

1) – инвертирующий вход;

14) – неинвертирующий вход;

10) – вход компаратора инвертирующий;

9) – вход компаратора неинвертирующий;

11) – общий;

12) ;

4) ;

6) вход блокирования;

5) конденсатор одновибратора;

7) частотный выход;

13) аналоговый выход;

При  выходная частота ; C13 : 2,2мкФ ,С14 : 3,6 мкФ.

Принимаем:

C13: СГМ3 -350В – 2,2нФ,

С14: 33Н 2 –3,6нФ10%.

6.3. Расчет одновибратора

Одновибратор на элементах “2И-НЕ” выполнен с использованием микросхемы К561ЛА7. Принципиальная схема приведена на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3. Электрическая схема одновибратора, реализованного на элементах “2И-НЕ”

Длительность импульса мкс.

.

Примем Ом.

DD1: К561ЛА7.    

.

.

6.4. Проектирование распределителя импульсов

Принципиальная    схема   распределителя импульсов приведена на рисунке 6.5, в соответствии с этой   схемой   произведем   выбор   элементов, составляющих схему.

Для   реализации   логических   элементов выберем микросхему К561ЛА7,

   

Рисунок 6.4 Принципиальная схема распределителя импульсов, реализованного на микросхеме К561ЛА7

6.5. Расчет счетчиков

Счетчики импульсов выполнены на микросхемах К511ИЕ1. Принципиальная схема приведена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4. Принципиальная схема счетчика, реализованного на базе ИМС  К511ИЕ1

Назначения выводов:

4 – вход ; 5 – вход  тактовый; 6 – вход  тактовый; 7 – общий; 8 – вход ; 9 – вход ; 10 – выход ; 11 – выход ; 12 – вход ; 13 – выход ; 14 – напряжение питания .

При   () за период сетевого напряжения:

при  – 200 импульсов;

при  – 17 импульсов;

т. е. при  , и необходимо, чтобы счетчик насчитывал 17 импульсов;

При  и 70 импульсе необходимо :

; ;

, т. е.

Пределы :.

6.6. Расчет выходных формирователей

Выходной формирователь выполнен на импульсном трансформаторе. Принципиальная схема представлена на рисунке 6.5.

Рисунок 6.5. Электрическая схема выходного формирователя на импульсном трансформаторе

Выходной формирователь помимо усиления по мощности импульсов управления осуществляет также потенциальную развязку силовой части преобразователя от СУ.

Определяем  при снижении на 15% напряжение питания:

В.

Находим  при максимальном внутреннем сопротивлении, увеличение которого на 5% вызвано разбросом параметров и сопротивлений элементов:

А.

Определяем номинальные значения величин:

В.

А.

Номинальные внутренние сопротивления источника:

Ом.

Находим  и  с учетом возможного повышения напряжения на 10% и уменьшения внутреннего сопротивления источника на 5%.

В.

А.

Выбираем импульсный трансформатор ТПП–127/220–50 и транзистор КТ972А:

-сопротивление обмоток .

-

      Диод VD7 предназначен для снятия перенапряжений на индуктивности трансформатора при выключении VT4. Выбираем диод Д106А (UОБР=30В).      Диод VD8 блокируют протекание тока через вторичную обмотку трансформатора TV2 от силовой цепи. Выбираем диоды КД202А (UОБР=50В, IПР=5А).

     Цепочка R28-C15 служит для повышения помехоустойчивости. Выбираем резистор МЛТ 0.25 – 100кОм  и конденсатор Н50 – 25В – 0.1мкФ.

     Резистор R29 служит для более быстрого сброса энергии индуктивности TV2. Выбираем МЛТ 0.25 – 100кОм.

     Резистор R25 служит для ограничения тока базы:

Примем R25: МЛТ-0,125-1,2кОм.

              

6. 7.  Расчет формирователей импульсов

Рисунок 6.7. Принципиальная схема формирователя импульсов

Формирователь импульсов выполнен на логических элементах: К155ЛЛ.


7. СОСТАВЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ПЕРЕЧНЯ ЭЛЕМЕНТОВ К НЕЙ. ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ РАБОТЫ СУ СПП И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ЕЕ ДЕЙСТВИЯ

На устройство синхронизации подаётся напряжение  сети Uс. Вследствие односторонней проводимости транзисторной оптопары на одновибратор   подаются импульсы, которые по длительности равны полупериоду напряжения сети. На выходе одновибратора получаем короткие импульсы, которые подаются на счетчик для его сброса.

При увеличении напряжения управления пропорционально увеличивается входное напряжение ПНЧ и его выходная частота. Импульсы  с ПНЧ   подаются на счётный вход счетчика, иначе говоря, на синхронизирующий вход. Счётчик отсчитывает импульсы и выдаёт импульс на выходе, который появляется тем раньше, чем выше частота входных импульсов и, следовательно, входного напряжения ПНЧ.

 Импульс синхронизации сбрасывает счётчик, и он начинает отсчитывать импульсы, поступающие с ПНЧ заново, и выдает импульс на выходе.

 С выхода счетчика импульсы поступают на распределитель импульсов, который распределяет их в той последовательности, в которой они будут открывать один и второй тиристоры в каждый полупериод. После распределителя импульсы подаются на выходной формирователь, который усиливает их по мощности, а также служит для потенциальной развязки силовой части преобразователя от системы управления. На выходе выходного формирователя получаем импульсы, которые поочередно открывают тиристоры в нужный момент времени.



Поз.

обозначение

Наименование

Кол

Примечание

Конденсаторы

C1...С6

К75-24-1000В-0,4мкФ±10%

6

С7...С9

МБМ-440В-1мкФ.

3

С10…С12

3

С13

     СГМ3 -350В – 2,2нФ 

2

С14

33Н 2 –3,6нФ10%

С15…С17

Н50 – 25В – 0.1мкФ.

3

Микросхемы

DD1.1..DD1.6

К561ЛА7

6

DD2.1..DD2.2

К561ЛА7

2

DD3.1..DD3.2

К555ЛИ1

3

DD4.1.. DD4.9

К155ЛЛ1

9

DD5.1..DD5.9

К561ЛА7

9

DD6

КР1108ПП1

1

DD7

К511ИЕ1

1

Трансформаторы

TV1

ТС – 40/0,5

1

TV2…TV4

ТПП–127/220–5

3

Диоды

VD0...VD3

Д151 –125  

3

VD4,VD5, VD6

КД205А

3

VD7,VD9, VD13

Д106А

3

VD8,VD10,VD12

КД202А

3

Тиристоры

VS1…VS5

T171-200

3

Транзисторы

VT1…VT3

КТ603А

3

VT4…VT6

КТ972А

3

Сглаживающий дроссель

L1

RWK 305-110

1

Оптопара

АОТ123А

3

Резисторы

R1..R6

BC-10Bт-36кОм%

6

R7,R12,R17

МЛТ 0,25Вт– 2,0кОм

3

R8,R13,R18

МЛТ 0,25Вт– 300Ом

3

R9,R14,R19

МЛТ 2Вт– 1,5кОм

3

R10,R15,R20

МЛТ 0.1Вт – 2,7кОм

3

R11,R16,R21

МЛТ 0.5Вт – 510Ом

3

R22,R23,R24

3

R25,R26,R27

МЛТ-0,125-1,2кОм.

3

R28,R30,R32

МЛТ 0.25 – 100кОм  

3

R29,R31,R33

МЛТ 0.25 – 100кОм.

3


8. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ВНЕШНЕЙ И РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИК ППЭЭ, РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИФУ

8.1. Внешняя характеристика выпрямителя

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выходного напряжения U от тока нагрузки I при постоянном значении угла открывания , то есть зависимость  при .

Рисунок. 8.1. Обобщенная схема  замещения выпрямителя

Активное сопротивление последовательно включенных элементов схемы, по которым протекает ток нагрузки в один и тот же момент времени:

Rтр=0,0083Ом

Реактивное сопротивление трансформатора:

Коммутационное сопротивление:

.

Сопротивление дросселя:

.

0,04+0,0083+0,023=0,0713 Ом

Сумма падений напряжений на полупроводниковых приборах, по которым в данный момент времени протекает ток нагрузки:

Согласно схеме замещения внешняя характеристика выразится формулой:

                        

       

      

На основании этих данных рассчитаем напряжения при соответствующих углах управления и на основе полученных данных построим внешнюю характеристику.                                                                                   

Таблица 8.1

I, A

U, B

, 0

0

307

0

110

299

0

286,4

30

110

278,4

0

18,2

149

110

10,2

         

 

8.2. Регулировочная характеристика выпрямителя

Регулировочная характеристика выпрямителя представляет собой зависимость выпрямленной ЭДС Е от угла открывания , то есть Е=f().

 

9. Заключение

В ходе курсового проекта была спроектирована трехфазная мостовая несимметричная полууправляемая схема выпрямления для питания, заданной в задании, нагрузки. А также спроектирована и рассчитана система импульсно-фазового управления для силового полупроводникового преобразователя, с помощью которой, подавая управляющее воздействие на полууправляемый выпрямитель, можно осуществить регулирование скорости двигателя в заданных пределах. Также в пояснительной записке дан литературный обзор различных систем управления выпрямителями. Были практически закреплены знания электроники и силовой преобразовательной техники.

10.Список использованных источников:

  1.  Чебовский О. Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы:

Справочник / О.  Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин.  2-е   изд., перераб. и доп.  М.: Энергоатомиздат, 1985.- 400c., ил.

  1.  Преобразовательная техника. Руденко В. С., Сенько В. И.,

Чиженко И. М.  2-е изд. перераб. и доп.  Киев: Вища школа. Головное  изд-во, 1983.

  1.  Гульков, Г.И. Силовая преобразовательная техника: методическое пособие к курсовому проектированию для студентов специальности 1-53 01 05 «Автоматизированные электроприводы» / Г.И. Гульков, Н.М. Улащик. – Минск: БНТУ, 2007. – 90с.
  2.  Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984.- 88с., ил. – (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1079).
  3.  Резисторы: Справочник/В. В. Дубровский, Р34 Д. М. Иванов: Под ред. И. И. Четверткова и В.М. Терехова – 2-е изд. и доп. – М.: Радио и связь. 1991 – 528с.: ил.
  4.  Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – 2-е изд., ис правленное. – М.: Радио  и связь, 1989.
  5.  Н.Н.Акимов и др. Резисторы. Конденсаторы. Трансформаторы. Коммутационные устройства. РЭА. Справочник. - Мн: Беларусь.1994.
  6.  Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под обш. ред. И. П.

Копылова и Б. К. Клокова. Т. 1.  М.: Энергоатомиздат, 1988.

R11

Рисунок 6.1.Принципиальная электрическая схема ИСН

+Uп2

+Uп1

V2

5

2

4

6

1

VT1

R10

R9

VD4

V11

C7

R8

R7

~

N

UA

  К VS1-

  VS5

Uy

Uсети

A  B   C

ПНЧ

ВФ3

ВФ2

ВФ1

РИ

СЧ

ОВ3

ОВ2

ОВ1

УСФА

УСФВ

УСФС


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79941. Ответственность. Понятие и признаки гражданско-правовой ответственности 105 KB
  Такие меры понуждения к реальному исполнению обязательств нельзя считать ответственностью поскольку обязанность реального исполнения вытекает непосредственно из самого обязательства а ответственность должна выражаться в какомто дополнительном бремени. Долгое время в нашем законодательстве использовался принцип реального исполнения обязательств когда уплата неустойки и возмещение убытков не освобождали должника от исполнения обязательства в натуре. Если уплата неустойки и возмещение убытков вызваны ненадлежащим исполнением обязательства...
79942. Конкуренция. Понятие и социально-экономическая роль конкуренции 91.5 KB
  Одной из мер направленных на развитие конкуренции является поддержка малого и среднего предпринимательства. Дистанционное обучение для инвалидов по доступным ценам Государственная поддержка субъектов малого и среднего предпринимательства в РФ Государственная поддержка субъектов малого и среднего предпринимательства входит в деятельность органов государственной власти РФ органов государственной власти субъектов РФ органов местного самоуправления и инфраструктуры поддержки субъектов малого и среднего предпринимательства. Эти действия...
79943. Введение в Коммерческое право. Понятие коммерции и ее функции 68.5 KB
  Преподавание торгового права было прекращено а само понятие изъято из употребления. Поэтому в стране было вновь возобновлено преподавание коммерческого права. Указывая на то что коммерческая деятельность является разновидностью деятельности предпринимательской следует отметить что предпринимательство гораздо шире коммерции поскольку прибыль можно получать от выполнения работ оказания услуг от доходов на имущество а не только от продажи товаров Понятие коммерческого права и...
79944. Субъекты коммерческой деятельности. Юридическое лицо как субъект коммерческой деятельности 266 KB
  23 ГК РФ гражданин вправе заниматься предпринимательской деятельностью без образования юридического лица с момента государственной регистрации в качестве индивидуального предпринимателя. К предпринимательской деятельности граждан осуществляемой без образования юридического лица соответственно применяются правила которые регулируют деятельность юридических лиц являющихся коммерческими организациями. Индивидуальный предприниматель физическое лицо обладающее гражданской правоспособностью зарегистрированное в установленном законом порядке...
79945. Товар как объект коммерческого права. Понятие товара 143 KB
  Перечень товаров которые не могут находиться в торговом обороте определен Указом Президента РФ О видах продукции работ услуг и отходов производства свободная реализация которых запрещена № 179 от 22. Данный указ был принят в целях сохранения государственного контроля за реализацией отдельных видов продукции имеющих важнейшее значение в удовлетворении потребностей народного хозяйства и обеспечении общественной безопасности см. к товарам полностью произведенным в данной стране относит следующие виды продукции: полезные ископаемые...
79946. Познавательные психические процессы 84 KB
  Познавательные процессы как отдельные виды деятельности; 2. Познавательные процессы как отдельные виды деятельности Ощущение восприятие внимание память воображение мышление речь это важные компоненты любой деятельности человека. Они не просто в ней участвуют но и в ней развиваются а также представляют собой отдельные виды деятельности а также относятся к общим способностям человека. Виды деятельности: игра учеба труд общение саморазвитие.
79949. Теория обучения (Дидактика) 63 KB
  Обучение – часть педагогического процесса, взаимодействие педагогов и обучающихся с целью приобретения последними знаний, умений, навыков (ЗУН), развития познавательной и мотивационной сферы, воспитания характера.