Проектирование и расчет полупроводникового преобразователя электрической энергии
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
КУРСОВОГО
ПРОЕКТА
по
дисциплине «Силовая преобразовательная техника»
Тема:
«Проектирование и расчет полупроводникового преобразователя электрической
энергии»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
.
Выбор силовых полупроводниковых приборов (СПП) по току и напряжению и проверка
их по перегрузочной способности
.1
Выбор СПП по току
.2
Проверка СПП по перегрузочной способности
.3
Выбор трансформатора
.4
Выбор СПП по напряжению
.
Расчет и выбор элементов пассивной защиты СПП от аварийных токов и
перенапряжений
.1
Расчёт и выбор защитных R-C цепочек
.
Литературный обзор систем управления СПП преобразователя и формулирование
требований к СУ проектируемого СПП
.1
Горизонтальный метод управления
.2
Вертикальный метод управления
.
Проектирование структурной и функциональной схем системы управления СПП
.
Выбор типов аналоговых и цифровых интегральных МС
.
Проектирование принципиальной схемы и электрический расчет функциональных
элементов СУ СПП
.1
Синхронизирующий трансформатор, фильтр
.2
Пороговый элемент
.3
Нуль - орган
.4
Формирователь длительности импульсов
.5
Выходной формирователь
.
Описание принципа действия схемы и электрический расчет. Составление полной
принципиальной электрической схемы
.1
Полная принципиальная электрическая схема проектируемого ППЭЭ
.2
Перечень элементов, используемых в принципиальной схеме
.3
Временные диаграммы работы СУ СПП
.4
Описание принципа действия электрической схемы
.
Расчёт и построение внешней и регулировочной характеристик
.1
Внешняя характеристика преобразователя
.2
Регулировочная характеристика преобразователя
Заключение
Список
использованных источников
полупроводниковый преобразователь
микросхема импульс
ВВЕДЕНИЕ
Выпрямитель - это статический преобразователь
электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного
тока. В соответствии с заданием по курсовому проекту, мне необходимо
спроектировать трехфазный мостовой полностью управляемый выпрямитель. Полная
силовая схема проектируемого трёхфазного выпрямителя представлена на рисунке В1.
Рисунок В1 - Трехфазный мостовой полностью
управляемый выпрямитель
Управляемые выпрямители применяются в
устройствах средней и большой мощности (до 250 кВт). В данной схеме нагрузка
включается между общей точкой катодной группы (VS1, VS3, VS5) и общей точкой
анодной группы (VS2, VS4, VS6). В каждый момент времени в схеме проводят ток
два тиристора, один из катодной группы, имеющий наиболее высокий потенциал на
аноде и один из анодной группы, имеющий наиболее низкий потенциал на катоде.
Моменты естественного открывания тиристоров
катодной группы сдвинуты по отношению к моментам перехода соответствующего
фазного напряжения через 0 в положительную область на угол ,
а для тиристоров анодной группы на угол , по отношению к
моменту перехода через 0 соответствующего фазного напряжения из положительной в
отрицательную область.
Прерывистый режим работы схемы при любой
нагрузке может появиться при . При R - L
нагрузке отрицательные участки появляются в напряжении при .
Основные расчётные соотношения.
Среднее и действующее значение тока вентиля ():
где I - ток, протекающий по нагрузке;
Действующее значение фазного тока:
Среднее значение выпрямленной ЭДС:
где -
для схемы без трансформатора,
- для схемы с
трансформатором,
- схемный
коэффициент по ЭДС,ф - фазное напряжение питающей сети.
Максимальное значение амплитуды прямого и
обратного напряжения на вентилях:
где -
выпрямленное значение напряжения на нагрузке,
Коэффициент формы тока:
Коэффициент использования вентиля по напряжению:
Коэффициент схемы по току:
Расчетная мощность трансформатора:
где -
коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора.
Частота пульсации выпрямленного напряжения:
где - частота питающей сети.
Напряжение на нагрузке с учётом
гармоник:
где m - пульсность схемы, m = 6;-
номер гармоники.
Рисунок В2 - Временные диаграммы работы
выпрямителя
1. ВЫБОР СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
(CПП) ПО ТОКУ И НАПРЯЖЕНИЮ И ПРОВЕРКА ИХ ПО ПЕРЕГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ
Согласно техническому заданию, исходные данные к
курсовому проекту:
номинальное напряжение нагрузки -
активное сопротивление нагрузки -
индуктивное сопротивление нагрузки -
температура окружающей среды -
Любой несинусоидальный сигнал можно представить
суммой трёх симметричных сигналов: системой прямой последовательности, системой
обратной и нулевой последовательностей. Графически эти последовательности
представлены на рисунке .
На основании принципа действия силовой схемы
трехфазного выпрямителя определяем режим работы с максимальной загрузкой
прибора по току, что соответствует номинальному току. Необходимо выполнение
условия:
(1.1)
где -
трёхфазная мостовая шестипульсовая схема.
Условие не выполняется.
Несинусоидальный сигнал может быть разложен в
ряд Фурье[1]:
(1.2)
Для данной схемы выпрямления, напряжение на
выходе будет симметрично относительно оси ординат, то при разложении в ряд
Фурье будут отсутствовать все чётные гармоники. А так как схема трёхфазная, то
будет отсутствовать так же и третья гармоника и кратные ей.
Определяем амплитуды напряжений нечётных
гармоник[1]:
Так как амплитудное напряжение пятой гармоники
составляет менее одного процента от номинального напряжения нагрузки, то
учитываем только первую и пятую гармоники. Запишем закон изменения ЭДС нагрузки
с учётом гармоник:
Определяем номинальный ток нагрузки с учётом
гармоник:
Определим действующее значение несинусоидального
тока:
(1.4)
где IH - ток нагрузки,
.1 Выбор СПП по току
Определяем среднее значение тока:
Определяем действующее значение тока,
протекающего через СПП:
Так как, исходя из задания, схема работает при
улучшенном режиме работы и условиях охлаждения, по сравнению с номинальными, то
есть:
.
Принимаем и
(коэффициент
запаса при отклонении условий охлаждения от номинальных, 0,8 … 1,2; коэффициент
запаса по току в рабочем режиме 1,25 … 1,65).
По условию:
. (1.5)
Предварительно выбираем тип диодов и
охладителей, исходя из условия:
Из справочника [3] выбираем тиристор Т142-50
(рисунок 1.2) и охладитель О241 - 80 с параметрами:
Температура перехода:
максимально допустимая ,
минимально допустимая =
0,40 оC/Вт - тепловое сопротивление переход - корпус;= 0,15 оС/Вт - тепловое
сопротивление контактная поверхность охладителя - охлаждающая среда;(TO) = 1,20
В - пороговое напряжение;= 6,4⋅10-3 Ом -
дифференциальное сопротивление в открытом состоянии;
Рисунок 1.2 -Тиристор Т142-50.
Для проверки правильность выбора тиристора по
току, необходимо выполнение неравенства:
(1.6)
где ―
максимальный
допустимый ток при заданных условиях охлаждения.
Для выбранного прибора максимально допустимый
ток при заданных условиях охлаждения и работы рассчитываем по формуле:
где Rthja = Rthjc+Rthcf -тепловое сопротивление
переход - среда.= 0,40+0,15 = 0,55 оС/Вт;
А < 71 А.
Погрешность составляет (1.8)
Условие (1.8) выполняется, максимально
допустимый ток превышает на 34% при токах 47 А.
.2 Проверка СПП по перегрузочной способности
Критерием нормальной работы СПП при перегрузке
по току (пуско-тормозные режимы), является выполнение условия:
(1.9)
где tm - максимально допустимое время
перегрузки, за которое температура перехода достигнет максимально допустимого
значения Тjm.
Время tm определяется по графику зависимости
переходного теплового сопротивления “переход-среда” от времени перегрузки, для
конкретных типов приборов, охладителя и интенсивности охлаждения.
Определяем средние потери мощности для тока,
предшествовавшего перегрузке [3]:
(1.10)
Ток тиристора при перегрузке: пер=(2,5 …4) IFAV.
(1.11)
Примем IFAVпер=2,6⋅IFAV.пер=2,6×61,61=160,81А.
Средние потери мощности для тока, соответствующего
перегрузке[7]:
(1.12)
где -
коэффициент запаса по току в режиме перегрузки,
Переходное тепловое сопротивление переход -
среда [3]:
(1.13)
По графику функции Z(th)tja=f(t) [3]
определяем максимально допустимое время перегрузки, за которое температура
перехода достигнет максимально допустимого значения:
= 1,2 c.
Условие выполняется, следовательно,
тиристор удовлетворяет режиму перегрузки.
.3 Выбор трансформатора
Основными параметрами трансформатора
напряжения являются [7]:
Номинальные значения первичной и вторичной
обмоток
трансформатора. Номинальное напряжение трансформатора напряжения равно
номинальному напряжению первичной обмотки.
Номинальный коэффициент
трансформации:
(1.14)
Погрешность по напряжению:
(1.15)
где - напряжение, поданное на первичную
обмотку,
- напряжение, измеренное на выводах
вторичной обмотки.
(1.16)
где - номинальное напряжение ЭДС
вторичной обмотки трансформатора;
- коэффициент, учитывающий падение
напряжения на активных сопротивлениях трансформатора, падение напряжения на
вентилях и падение напряжения из-за коммутации вентилей;
- коэффициент, учитывающий неполное
открывание вентилей.
(1.17)
где - коэффициент схемы;
- коэффициент, учитывающий
возможное изменение напряжения питающей сети в допустимых пределах.
Подставляем выбранные нами значения
в исходные выражения и получаем:
Рассчитываем типовую мощность трансформатора:
(1.18)
где -
мощность постоянных составляющих напряжения и тока выпрямителя;
- номинальная
мощность нагрузки;
- коэффициент,
учитывающий превышение типовой мощности над мощностью постоянных составляющих.
(1.19)
(1.20)
где -
номинальные значения фазных напряжений и токов первичной и вторичной обмоток
трансформатора,
- число фаз
первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Рассчитываем полную мощность трансформатора:
(1.21)
где -
коэффициент учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной.
Выбираем и
подставляем полученные нами данные в формулу (1.21) для расчета полной мощности
трансформатора:
Рассчитываем трансформатор по соотношениям.
Т.к. в каталоге отсутствует трансформатор с
полученными мною данными, а именно ST = 5816 ВА и U2Ф = 136 В, то в
соответствии с рассчитанными значениями величин принимаем его изготовление по
спецзаказу.
Определяем номинальные значения фазного тока
первичной обмотки трансформатора:
, (1.22)
где U1H - номинальные значения фазного
напряжения первичной обмотки трансформатора;- число фаз первичной обмотки
трансформатора.
Теперь определяем номинальные значения фазного
тока вторичной обмотки трансформатора:
(1.23)
где U2H - номинальные значения фазного
напряжения первичной обмотки трансформатора;- число фаз первичной обмотки
трансформатора.
Определяем площадь поперечного сечения проводников:
(1.24)
(1.25)
где за ρ принимаем
плотность тока в обмотке трансформатора, ;
Отсюда определяем диаметр проводников:
(1.26)
(1.27)
Обмотки трансформатора изготавливаем из медных
проводов с удельным сопротивлением
Зададимся индукцией магнитного поля B = 1,4 Тл.
Найдем площадь поперечного сечения
магнитопровода сердечника по формуле:
(1.28)
где f- частота питающей сети, f = 50 Гц,- число
витков в фазе первичной обмотки трансформатора.
Зададимся w1 = 40:
Число витков в фазе вторичной обмотки
трансформатора:
Принимаем, что трансформатор имеет стержневой
магнитопровод, а также считаем, что обмотка однослойная.
Тогда рассчитываем среднюю длину витка:
(1.29)
Находим коэффициент трансформации:
(1.30)
Находим R1 и R2:
(1.31)
Находим полное сопротивление короткого замыкания
трансформатора:
(1.32)
Находим активное сопротивление фазы
трансформатора по формуле:
. (1.33)
Находим индуктивное сопротивление фазы
трансформатора [7]:
(1.34)
где -
индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, приведенной к
вторичной обмотке;
- индуктивное
сопротивление вторичной обмотки;
Находим и
по
формулам[7]:
(1.35)
(1.36)
Тогда определяем индуктивности первичной и
вторичной обмоток трансформатора[9]:
, (1.37)
(1.38)
.4 Выбор СПП 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.
Номинально значение максимального обратного
напряжения, прикладываемого к тиристорам[7]:
, (1.39)
(1.40)
Получаем
Определим значение рабочего напряжения,
прикладываемого к СПП в схеме:
, (1.41)
где kс - коэффициент, учитывающий возможность
повышения напряжения в сети, kс =1,17.
Выбор по напряжению осуществляется по условию:
, (1.42)
где -
коэффициент запаса по рабочему напряжению, kз.u =2,
- повторяющееся
импульсное напряжение в закрытом состоянии,
×389,84 = 779,68В < 800В.
Таким образом, принимаем класс тиристоров по
напряжению равный 8.
Дополнительно произведем проверку тиристоров по
короткому замыканию для уточнения необходимости установки анодного реактора.
Рассчитаем ток короткого замыкания по формуле:
, (1.43)
- коэффициент
трансформации;
- номинальный ток
вторичной обмотки трансформатора. Находим из (1.43).
- условие
выполняется, значит анодный реактор на входе выпрямителя не нужен.
Определяем среднее значение выпрямленного
напряжения при α = 0:
,
где = 2,34 - коэффициент схемы по ЭДС
для данной трёхфазной симметрично управляемой схемы. Тогда
Определяем минимальный угол
открывания тиристоров:
Значение минимального угла
открывания вентилей для
трехфазных схем лежит в пределах В приведенном выше расчете для
трехфазной мостовой управляемой схемы угол , что выходит за пределы указанного
диапазона, и, следовательно, пульсации тока нагрузки будут превышать допустимые
пределы. Для уменьшения угла открывания тиристоров применяют понижающий
трансформатор.
2 РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ СПП
ОТ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
.1. Расчет и выбор защитных R-С цепочек
Точный расчет R-C цепей достаточно сложен и
требует учета ряда факторов. Параметры R-C цепочек определяются компромиссным
решением с учетом достаточного ограничения уровня напряжения и скорости
изменения напряжения на диоде, а также ограничение амплитуды разрядного тока
защитного конденсатора в момент включения диода.
Параметры R-C цепей выбираем в пределах:= 33…200
Ом,= 0,1…0,5 мкФ
Примем R = 200 Ом; C = 0,47 мкФ.
Найдем мощность, выделяемую на резисторе[7]:
(2.1)
где -
обратный ток тиристора[2].
(2.2)
Выбираем резисторы МЛТ2-200Ом±5%[2]; выбираем
следующие тип конденсаторов [2]: К41-1-3600В-0,47мкФ±10%.
3. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СПП
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К СУ ПРОЕКТИРУЕМОГО СПП
Система управления (СУ) преобразователем
предназначена для формирования управляющих сигналов (импульсов) определённой
формы и длительности, а так же для изменения момента подачи этих импульсов на
управляющие электроды вентилей преобразователя.
Различают одноканальные и многоканальные системы
управления (в зависимости от того, в скольких каналах вырабатываются
управляющие импульсы). Так же в зависимости от принципа изменения фазы
управляющего импульса выделяют горизонтальные, вертикальные системы.
Основные требования к системам
импульсно-фазового управления:
. Длительность и мощность открывающихся
импульсов определяется в соответствии с параметрами применяющихся ключей,
режимами работы преобразователя и должны быть достаточными для надежного
открывания ключей преобразователя.
. Широкий диапазон регулирования определяется
типом преобразователя, режимом его работы (прерывистый или непрерывный) и
характером нагрузки и должен быть достаточным для регулирования выходного
напряжения в заданном диапазоне.
. Симметрия управляющих импульсов по фазам.
Асимметрия между интервалами допускается в пределах 1,5-2,5°.
.1 Горизонтальный метод управления
При горизонтальном управлении управляющий
импульс формируется в момент перехода синусоидального напряжения через нуль, а
изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения,
то есть смещение этого напряжения по горизонтали.
На рисунке 3.1 приведена структурная схема
одного канала многоканальной системы управления, использующей горизонтальное
управление и временная диаграмма работы. Принцип работы системы заключается в
следующем. Генератор переменного напряжения ГПН вырабатывает синусоидальное
напряжение, находящееся в определенном фазовом соотношении с анодным
напряжением тиристора данного канала. С выхода мостового фазовращающего
устройства МФУ сдвинутое по фазе напряжение поступает на формирователь
импульсов ФИ, где в момент перехода синусоиды через нуль формируется
управляющий импульс, который затем усиливается выходным каскадом ВК. Угол
сдвига фаз регулируется изменением напряжения управления.
Рисунок 3.1 - Горизонтальный метод управления;
а) функциональная схема,
б) диаграмма работы.
.2 Вертикальный метод управления
При вертикальном управлении управляющий импульс
формируется в результате сравнения на нелинейном элементе величин переменного
(синусоидального, пилообразного треугольного) и постоянного напряжения. В
качестве нелинейного элемента обычно применяют транзистор.
Таким образом фазосдвигающее устройство при
вертикальном управлении состоит из генератора переменного напряжения и узла
сравнения (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 - Вертикальный метод управления
а) функциональная схема;
б) диаграмма работы
Система работает следующим образом. Генератор
переменного напряжения ГПН запускается при поступлении с синхронизатора
напряжения в момент появления на тиристорах прямого напряжения, то есть в
точках естественной коммутации. С выхода ГПН напряжение пилообразной формы
поступает на устройство сравнения, где оно сравнивается с напряжением
управления UУ. В момент сравнения пилообразного и управляющего напряжений
устройство сравнения вырабатывает импульс, который через распределитель
импульсов РИ поступает на формирователь импульсов ФИ1 или ФИ2 и дальше, через
выходные каскады ВК1, ВК2 - на тиристоры выпрямителя.
Благодаря общему ФСУ одноканальные системы
управления обладают высокой симметрией управляющих импульсов. Кроме того,
одноканальная система проста в настройке, поскольку не требуется создание
нескольких идентичных каналов. К недостаткам одноканальных синхронных систем
управления следует отнести сложность синхронизации с сетью, так как необходимо
формировать одноканальную последовательность кратной частоты.
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
СХЕМ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СПП
На рисунке 4.1 приведена структурная схема
системы управления.
Рисунок 4.1 - Структурная схема СИФУ
УС - устройство синхронизации, ФСУ -
формирователь синхронизирующего управления, УИ - усилитель импульсов.
Для выполнения своих функций СИФУ будет иметь
следующую функциональную схему (рисунок 4.2):
Рисунок 4.2 - Функциональная схема СИФУ
ИСН - источник синхронизирующего напряжения,
осуществляющий потенциальную развязку с сетью и согласование напряжения сети до
уровня, с которым работают интегральные схемы.
ПЭ - пороговый элемент, который
согласовывает напряжение сети до уровня, с которым работают интегральные схемы,
а также производит сдвиг синхронизирующего напряжения на до точки
естественного открывания тиристоров
ФСИ - формирователь синхронизирующих
импульсов.
ГПН - генератор пилообразного
напряжения.
НО - нуль-орган.
Тр - триггер.-формирователь
длительности импульсов, формирует длительности импульсов по переднему фронту
Uсч, формирует прямоугольные импульсы с длительностью, достаточной для
надежного открывания тиристора, усиливает импульсы по мощности, формирует
открывающие импульсы по мощности и по длительности и обеспечивает
гальваническую развязку.
ОВ - одновибратор, формирует
длительность импульсов.
ЛЭ - логический элемент, который
формирует сдвоенный сигнал управления.
УИ - усилитель импульсов.
5. ВЫБОР ТИПОВ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МС
В схеме применяются операционные усилители
TLE2144J[4] с напряжением питания 4..44 В.
Рисунок 5.1 - Цоколевка операционного усилителя
TLE2144J
- общий; 2 - выход 1; 3 - инверсный вход канала
1; 4 - прямой вход канала 1; 5 - общий; 6 - прямой вход канала 2; 7 - инверсный
вход канала 2; 8 - выход 2; 9 - питание; 10 - общий.
Основные параметры:
Напряжение питания - 4..44 В;
Коэффициент усиления > 220 тыс.
Входное напряжение максимальное 5В;
Рисунок 5.2 - Внутренняя структура ОУ TLE2144J
В качестве компаратора используем AD790JR[5].
Рисунок 5.3 - Цоколевка компаратора AD790JR
- питание; 2 - прямой вход; 3 - инверсный вход;
4 - общий питания; 5 - блокировка; 6 - общий выхода; 7 - выход; 8 - питание
логики.
Основные параметры:
Напряжение питания - ± 15В;
Напряжение питания - ± 5В;
Выходное напряжение максимальное ± 5В;
Выделяемая мощность 60мВт.
Одновибратор будет построен на КР1533АГ3[2], RS
- триггер на элементах 6И-НЕ SN54HC00[4].
Рисунок 5.4 - Цоколевка логического элемента
SN54HC00
- вход канала 1; 2 - вход канала 1; 3 -выход
канала 1; 4 - вход канала 2; 5 - вход канала 2; 6 - выход канала 2; 7 - общий;
8 - выход канала 3; 9 - вход канала 3; 10 -вход канала 3; 11 - выход канала 3;
12 - вход канала 4; 13 -вход канала 4; 14 - питание.
Рисунок 5.5 - Цоколевка элемента КР1533АГ3
- вход информационный; 2 - вход информационный;
3 - вход установки в состояние “0”; 4 - выход информационный; 5 - выход
информационный; 6 - вывод для подключения емкости; 7 - вывод для подключения
резистора и емкости; 8 - общий вывод; 9 - вход информационный; 10 - вход информационный;
11 - вход установки в состояние “0”; 12 - выход информационный; 13 - выход
информационный; 14 - вывод для подключения емкости; 15 - вывод для подключения
резистора и емкости; 16 - питание.
Рисунок 5.6 - Условное обозначение элемента
КР1533АГ3
Таблица 5.1 - Основные характеристики КР1533АГ3
Напряжение
питания (Vcc)
|
+5В
±10%
|
Выходное
напряжение лог.0
|
<0,4В
|
Выходное
напряжение лог.1
|
>2,4В
|
Выходной
ток "1", не менее
|
0,4мА
|
Выходной
ток "0", не менее
|
30мА
|
Ток
потребления, max
|
20мА
|
Входной
ток (1/0)
|
20/-100мкА
|
Выходной
ток в Z-состоянии
|
<
20мкА
|
Типовая
задержка
|
28-48нс
|
Рабочий
диапазон температур
|
-10..+70oC
|
Корпус
|
DIP-16
|
Импортный
аналог
|
"74ALS123"
|
6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУ СПП
.1 Синхронизирующий трансформатор, фильтр
Синхронизирующий трансформатор обеспечивает
синхронизацию напряжения питания с напряжением УПН.
Синхронизирующий трансформатор предназначен для
формирования сигнала, пропорционального частоте напряжения генератора,
управляющего работой блока управления возбуждением генератора, и сигнала U.
Синхронизирующий трансформатор TV1 выбираем
МИТ-4В на следующие параметры: U2ф=10В, S=0,05Вт.
Фильтр состоит из двух резисторов и
конденсатора.
Рисунок 6.1 - Фильтр
Выбор резисторов производится из условия
необходимости сдвига синусоиды на 30° от 90°. Поэтому зададимся следующими
номиналами:- РП1 - 48 - 0,25 - 22 кОм±10%.- МЛТ - 0,25 - 15 кОм±5%.
С7 - К50 - 18 - 0,33 мкФ±5%.
6.2 Пороговый элемент
Данный элемент собран на транзисторах VT1 - VT4
серии КТ315Е.
Рисунок 6.2 - Пороговый элемент
Поступающее напряжение от фильтра преобразуется
в прямоугольные импульсы. Резисторы R13 - R15 выбираются номиналом 10 кОм.
Сигналы с порогового элемента поступают на 2И-НЕ, с которого в тоге получается
синхронизированное напряжение.
.3 Нуль орган
Нуль орган состоит из двух компараторов и
инвертирующего операционного усилителя.
Инвертирующий усилитель DA1.1 преобразует
напряжение управления UУ в инверсное Ud, с единичным коэффициентом передачи.
Резистор R31 ограничивает входной ток:
Рисунок 6.3 - Схема нуль органа
Резистор R34 выбираем равным R31,
для обеспечения единичного коэффициента передачи: R34 = R31. Выбираем резисторы
МЛТ - 0,25 - 10кОм [6].
Компараторы DA2, DA3 преобразуют
напряжение управления в угол открывания тиристора α.
Развертываемое напряжение
определяется формулой (6.2):
Для момента времени при котором произошло
равенство напряжений для входной цепи компаратора можно записать:
Примем R37=R38=R39, тогда:
Из (6.8) можно записать:
При UУ = 0, а UK= -
UСМ. и (6.5):
Для :СМ = UKm.
Подставляя это значение UСМ в (6.6)
и выразив UУ получим:
где UKm - максимальное опорное
напряжение, UKm=10В.
Отсюда найдем:
Выбираем R37… R42 -
МЛТ-0,125-30кОм±5%.
Пара стабилитронов VD1, VD2 служит
для термостабилизации параметров входного сигнала DA1.1. Выбираем стабилитроны
КС104А [6].
.4 Формирователь длительности
импульсов и распределителя импульсов
Рисунок 6.4 - Формирователь
длительности импульсов и
Резисторы R31, R32 служат для ограничения
входного тока мультивибратора:
где UНО - выходное напряжение нуль органа, UНО =
5В;ВХ - входной ток мультивибратора, IВХ = [6].
Выбираем чип-резисторы RC0603JR-07240K [2].
Цепочки R61 - C10 и R62 - C11 служат для
формирования длительности импульсов мультивибратора. Примем С10 = С11 = 0,33
мкФ.
Длительность импульсов определяется:
Тогда определим сопротивления резисторов R37,
R38:
Выбираем чип - резисторы RC0603JR-03 [2] и
конденсаторы Y5V 16В 0402[6].
6.5 Выходной формирователь
Помимо усиления импульсов управления, ВФ
осуществляет потенциальную развязку силовой части преобразователя от системы
управления.
Рисунок 6.5 - Выходной формирователь
Определяем UОТП ХХ min при снижении на 15%
напряжения UП:
где UGT - отпирающее напряжение управления, UGT
= 5В.
Минимальное значение тока IОТП КЗ min при
максимальном внутреннем сопротивлении, увеличение которого на 5% вызвано
разбросом параметров и сопротивлений элементов, определим по формуле:
где IGT - отпирающий ток управления, IGT = 0,4А.
Определяем номинальные значения:
Номинальное значение внутреннего сопротивления
источника:
Максимальное значение UОТП ХХ max с учетом
возможного повышения напряжения на 10%:
Максимальное значение IОТПКЗmax с учетом
возможности уменьшения внутреннего сопротивления источника:
По UОТП ХХ max и IОТПКЗmax выбираем импульсный
трансформатор МИТ - 4 и транзистор КТ315E с [6].
Номинальное напряжение источника питания:
Минимальное внутреннее сопротивление:
Максимальная мощность в управляющем электроде на
максимальной ВАХ (максимум мощности имеет место при (RG=RВНmin):
По справочнику принимаем PGM=5,6 Вт при tимп
отп=5мс и скважности 4мс.
Ток базы транзистора VT1:
Выбираем чип - резистор ERJB3BF3R9V[6].
Диод VD13 предназначен для снятия перенапряжений
на индуктивности трансформатора при выключении VT13.Выбираем диод 2Д520А
(UОБР=30В) [2].Диоды VD19, VD25 блокируют протекание тока через вторичную
обмотку трансформатора TV4 от силовой цепи. Выбираем диоды 2Д530А (UОБР=40В,
IПР=5А) [2].
Цепочка R79-C16 служит для повышения
помехоустойчивости. Выбираем резистор RC1206FR-0791KL [6] и конденсатор
К10-17В-Н90-0,22 мкФ [2].
Резистор R73 служит для более быстрого сброса
энергии индуктивности TV4. Выбираем CRCW0805100KFHEAP[2].
7. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ СХЕМЫ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ. СОСТАВЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
.1 Полная принципиальная электрическая схема
проектируемого ППЭЭ
Рисунок 7.1 - Полная принципиальная
электрическая схема
.2 Перечень элементов используемых в
принципиальной схеме
Таблица 7.1 - Перечень элементов используемых в
принципиальной схеме
Позиционное
обозначение
|
Наименование
|
Количество
|
|
Диоды
|
|
VD7
- VD12
|
1N5819
|
6
|
|
Конденсаторы
|
|
С1
- С6
|
К41-1-3200В-0,47мкФ
|
6
|
С7
- C9
|
К50
- 18 - 0,33 мкФ±5%
|
3
|
С10
- C15
|
Y5V
16В 0402
|
6
|
С16
- С21
|
К10-17В-Н90-0,22
мкФ
|
6
|
|
Микросхемы
|
|
DA1.1-
DA1.3
|
TLE2144J
|
1
|
DA2
- DA7
|
AD790JR
|
3
|
DD1
- DD3
|
КР1533АГ3
|
6
|
DD3.1-DD3.4,
DD4.1-DD4.2
|
SN54HC00
|
2
|
DD5.1-DD5.4,
DD6.1-DD5.2
|
SN54HC00
|
2
|
|
Резисторы
|
|
R1
- R6
|
МЛТ-2-200Ом6
|
|
R7,R9,R11
|
РП1-48-0,25
-22 кОм±5%
|
3
|
R8,R10,R12
|
МЛТ
- 0,25 - 15 кОм±5%
|
3
|
R13
- R27
|
МЛТ-0,25-10кОм15
|
|
R28
- R30
|
SOP
10 0407
|
3
|
R31
- R36
|
МЛТ-0,25-10кОм6
|
|
R37
- R54
|
МЛТ-0,125-30кОм±5%
|
18
|
R55
- R60
|
RC0603JR-07240K
|
6
|
R61
- R66
|
RC0603JR-03
|
6
|
R67
- R72
|
ERJB3BF3R9V
|
6
|
R73
- R78
|
CRCW0805100KFHEAP
|
6
|
R79
- R84
|
RC1206FR-0791KL
|
6
|
R85
|
2,5
Ом
|
1
|
|
Стабилитроны
|
|
VD1
- VD6
|
КС104А
|
12
|
|
Тиристоры
|
|
VT1
- VT6
|
Т142-50
|
6
|
|
Транзисторы
|
|
VT1
- VT18
|
КТ315E
|
18
|
.3 Временные диаграммы работы СУ СПП
График 7.1 - Ток на нагрузке (α
=38°)
График 7.2 - Напряжение на нагрузке (α
=38°)
График 7.3 - Напряжение управление тиристором
VT1 (α
=38°)
График 7.4 - Напряжение управление тиристором
VT2 (α
=38°)
График 7.5 - Напряжение управление тиристором
VT3 (α
=38°)
График 7.6 - Напряжение управление тиристором VT4
(α =38°)
График 7.7 - Напряжение управление тиристором
VT5 (α
=38°)
График 7.8 - Напряжение управление тиристором
VT6 (α
=38°)
График 7.9 - Напряжение сети
График 7.10 - Напряжение на тиристоре VT1 (α
=38°)
График 7.11 - Напряжение на тиристоре VT2 (α
=38°)
График 7.12 - Напряжение на тиристоре VT3 (α
=38°)
График 7.13 - Напряжение на тиристоре VT4 (α
=38°)
График 7.14 - Напряжение на тиристоре VT5 (α
=38°)
График 7.15 - Напряжение на тиристоре VT6 при (α
=38°)
График 7.16 - Ток на нагрузке (α
=85°)
График 7.17 - Напряжение на нагрузке (α
=85°)
График 7.18 - Напряжение управление тиристором
VT1 (α
=85°)
График 7.19 - Напряжение управление тиристором
VT6 (α
=85°)
График 7.20 - Напряжение на тиристоре VT1 (α
=85°)
График 7.21 - Напряжение на тиристоре VT2 (α
=85°)
7.4 Описание принципа работы электрической схемы
Силовые тиристоры управляются. Развязка между
логикой низкого напряжения и высокого напряжения происходит в выходном
формирователе.
Выходной формирователь управляет каждым
тиристором по отдельности. Формирование управляющих импульсов происходит в
блоке ФСУ, где формируется угол открывания тиристоров. Обратная связь
осуществляется в устройстве синхронизации через трансформаторы гальванической
развязки. Потенциометрами мы можем задавать угол открывания тиристоров.
8. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ВНЕШНЕЙ И РЕГУЛИРОВОЧНОЙ
ХАРАКТЕРИСТИК
.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 α
= const.
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:
а = RТР = 1,285 Ом.
Реактивное сопротивление цепи:
Коммутационное сопротивление:
(8.2)
Сумма падений напряжений на полупроводниковых
приборах, по которым в данный момент времени протекает ток нагрузки:
Согласно схеме замещения внешняя характеристика
выразится формулой:
(8.3)
Находим среднее значение выпрямленной ЭДС для
cosamin
и cosamax:
В режиме непрерывного тока внешние
характеристики выпрямителя представляют собой ряд параллельных прямых,
наклоненных к оси тока.
Построение характеристик производилось для двух
различных значений угла открывания тиристора .
Были выбраны следующие значения углов открывания: ,
,.
Для этих значений производится построение внешних характеристик выпрямителя по
двум точкам при I = 0 и I = IНОМ.
Рисунок 8.2 - Внешняя характеристика
преобразователя
.2 Регулировочная характеристика выпрямителя
Регулировочная характеристика выпрямителя
представляет собой зависимость выпрямленной ЭДС Е от угла открывания α,
то
есть Е = f(α).
Для данной схемы, выражение для выпрямленной ЭДС
имеет вид:
= E0∙cosα
(8.3)
Таблица 8.2 - Расчет регулировочной
характеристики выпрямителя
|
0
|
15
|
30
|
45
|
60
|
75
|
90
|
Е,
В
|
318,2
|
306,8
|
275,1
|
224,6
|
158,8
|
82,2
|
0
|
Рисунок 8.3 - Регулировочная характеристика
выпрямителя
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте был рассмотрен трехфазный
мостовой выпрямитель, полностью управляемый, работающий на активно-индуктивную
нагрузку.
Для указанной схемы были произведены: расчет и
выбор силовых элементов, расчет и выбор элементов пассивной защиты силовых
приборов, проектирование структурной и функциональной схем системы управления
преобразователем, проектирование принципиальных схем и расчет функциональных
элементов системы управления, построены полная принципиальная схема, внешняя и
регулировочная характеристики преобразователя.
В графической части приведены функциональная и
полная принципиальная схемы проектируемого преобразователя, временные диаграммы
работы, внешние и регулировочные характеристики .
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Электронная
техника и преобразователи: Учебное издание/ Бурков А.Т. - М.: Транспорт, 1999.
- 464с.
www.chipdip.ru
<http://www.chipdip.ru>
Силовые
полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П.
Недошивин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.,
ил.
http://www.ti.com/ //www. analog.com
/
http://www.platan.ru/
Учебно-методическое
пособие к курсовому проектированию по силовой преобразовательной технике для
студентов специальности «Автоматизированные электроприводы». - Для студентов
специальности «Автоматизированные электроприводы» / Гульков Г.И., Улащик Н.М. -
Мн.: БНТУ,2005.-79с.,ил.