Проектирование двенадцатипульсного составного управляемого выпрямителя с параллельным включением вентилей

Министерство науки и образования Украины Донбасская государственная машиностроительная академия Кафедра автоматизации производственных процессов Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Электроника и микросхемотехника»

Спроектировать двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей г. Краматорск

Исходные данные Силовая схема выпрямителя:

— номер рисунка: 1.8.б

— напряжение питания: Uc=660В

— напряжение на нагрузке: Ucp=260В

— ток нагрузки: Icp=80А

— глубина регулирования: Д=25

— рекомендуемая схема СИФУ: рис. 1.16

Реферат Курсовая работа содержит 26 страниц, 11 иллюстраций, 1 приложение и 1 чертеж (принципиальная электрическая схема управляемого выпрямителя в сборе).

Объектом разработки является двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей.

Целью курсовой работы является расчет элементов управляемого выпрямителя, системы импульсно-фазового управления на операционных усилителях, источника питания СИФУ, а так же проектировка принципиальной электрической схемы управления реверсивного выпрямителя.

Проектирование управляемого выпрямителя предполагает проектировку сначала силовой части (вентильного выпрямителя), а затем системы управления выпрямителем (СИФУ и источника питания).

Т.к. в выпрямителе используется 12 тиристоров, то для управления каждым предназначается многоканальная система импульсно-фазового регулирования. Функциональные схемы СИФУ одинаковы, но отличаются фазами синхронизирующих напряжений (они сдвинуты на 120 градусов так же, как и в соответствующих анодных цепях тиристоров).

Источником питания каждой СИФУ является параметрический стабилизатор напряжения. Спроектированная принципиальная схема управления выпрямителем требует больших аппаратных затрат, однако проста в сборке, управлении и наладке, предполагает возможность модификации, а так же обладает высокой надёжностью в работе, может применяться в различных областях.

Ключевые слова:

схема, выпрямитель, диод, тиристор, оптопара, СИФУ, стабилизатор.

• 1. Расчет схемы управляемого выпрямителя
• 1.1 Выбор схемы и расчет основных параметров выпрямителя
• 1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме
• 1.3 Выбор элементов управляемого выпрямителя
• 1.4 Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителя
• 1.4 Выбор защиты тиристоров от перегрузок по току и напряжению
• 2. Проектирование СИФУ
• 2.1 Расчет параметров пусковых импульсов
• 2.2 Расчет цепи управления тиристорами
• 2.3 Расчет выходного каскада СИФУ
• 2.4 Расчет входного каскада СИФУ
• 2.6 Расчет разделительной цепи
• 2.7 Расчет схемы сравнения
• 2.8 Расчет схемы подавления помех
• 3. Расчет источника питания
• 3.1 Выбор схемы и расчет основных параметров источника питания
• 3.2 Расчет однофазного мостового выпрямителя и трансформатора
• 4. Моделирование силовой части
• Выводы
• Приложение А
• Список литературы
• Введение
• Цель данной курсовой работы — спроектировать управляемый выпрямитель и систему импульсно-фазового управления для него.
• Выпрямитель — устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Он состоит из трансформатора, преобразующего напряжение питающей цепи в требуемое по величине; вентильного блока, преобразующего переменное напряжение в пульсирующее; сглаживающего фильтра, уменьшающего (сглаживающего) пульсации выпрямленного напряжения до требуемой для нормальной работы потребителя величины. В данной курсовой работе рассматривается трехфазный полностью управляемый выпрямитель, построенный на использовании управляемых вентилей (тиристоров), и представляющий собой параллельное соединение двух трехфазных выпрямителей. В таком выпрямителе используется трансформатор с тремя обмотками. Вторичных обмоток две: одна соединяется звездой, а вторая — треугольником. Сглаживающие фильтры выполнены на основе дросселей.
• Для управления тиристорами, использующимися в данном выпрямителе, используется система импульсно-фазового управления. Такой способ управления мощными тиристорами в настоящее время считается наиболее приемлемым. Суть способа состоит во включении запертых тиристоров почти положительными прямоугольными импульсами, подаваемыми на управляющий электрод тиристора сдвинутыми по фазе на угол б относительно момента естественного включения неуправляемых вентилей. Таким образом, основной задачей системы импульсно-фазового управления является преобразование входного регулирующего напряжения в соответствующий угол регулирования б (т.е. угол открытия тиристоров). Так как в данном выпрямителе используется 12 тиристоров, то для управления ими используется многоканальная система импульсно-фазового управления. При этом схемы всех каналов одинаковы и отличаются только фазами синхронизирующих напряжений, которые сдвинуты по фазе относительно друг друга, как и в соответствующих анодных цепях тиристоров. Каждое напряжение синхронизации синхронизирует начало рабочего интервала изменений угла б с точкой 0 естественного включения соответствующего тиристора.
• Для питания схемы системы импульсно-фазового управления используется стабилизированный источник питания с CRC-фильтром.

1. Расчет схемы управляемого выпрямителя

1.1 Выбор схемы и расчет основных параметров выпрямителя

В соответствии с заданием принимаем схему двенадцатипульсного составного управляемого выпрямителя с параллельным включением вентилей.

Рис. 1.1 — Двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей

В начале расчет проводим в неуправляемом режиме, т. е. при. В связи с тем, что напряжение сети может колебаться в пределах, определим величины выпрямленных напряжений на нагрузке:

где выпрямленное напряжение на нагрузке при нормальном напряжении сети;

выпрямленное напряжение при повышенном напряжении сети.

Из прил.2 определяем:

— максимальное обратное напряжение на тиристорах;

— среднее значение тока тиристора.

Определяем активное сопротивление фазы трансформатора:

где

— коэффициент, зависящий от схемы выпрямления

B — магнитная индукция в магнитопроводе

S — число стержней магнитопровода для трансформаторов

Определяем индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

где .

Определяем напряжение холостого хода с учетом сопротивления фазы трансформатора и падения напряжения на дросселе :

где — число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за период сети.

— падение напряжения на тиристорах;

— падение напряжения на дросселях; .

Напряжение на вторичных обмотках трансформатора .

Действительный ток вторичной обмотки .

Коэффициент трансформации для обмоток «треугольник-треугольник» коэффициент трансформации для обмоток «треугольник-звезда» тогда действительный ток первичной обмотки трансформатора

Действительное значение тока тиристора

Типовая мощность трансформатора:

Определяем угол коммутации:

.

Определяем минимально допустимую индуктивность дросселя фильтра:

.

Внутреннее сопротивление выпрямителя:

.

КПД выпрямителя:

— коэффициент полезного действия трансформатора;

— потери мощности на выпрямительных диодах;

N — число тиристоров в схеме.

1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме

Определяем максимальный и минимальный углы регулирования:

Минимальное напряжение на нагрузке

В управляемом режиме работы выпрямителя находим:

Минимальный и максимальный углы проводимости тиристоров:

Ток в тиристоре

Максимальное обратное напряжение

1.3 Выбор элементов управляемого выпрямителя

Тиристоры выбираем по: тиристор Т242−80−8 и типовой охладитель М-6А.

1.4 Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителя

Общая расчетная формула для всего семейства нагрузочных характеристик:

Рис. 1.2 — Регулировочная характеристика выпрямителя

1.4 Выбор защиты тиристоров от перегрузок по току и напряжению

Для защиты тиристоров от перегрузок используем быстродействующие плавкие предохранители. Достаточно поставить два предохранителя в первичной обмотке для обеспечения защиты.

Ток плавкой вставки:

Выбираем плавкую вставку ПНБ-5−380/100.

Для ослабления перенапряжений используемцепочки, которые включаются параллельно тиристору. Такая цепочка совместно с индуктивностями цепи коммутации образует последовательный колебательный контур. Конденсатор ограничивает перенапряжения, а резистор — ток разряда этого конденсатора при отпирании и предотвращает колебания в последовательном контуре. Параметры цепочек определим по следующим соотношениям:

Величина напряжения на конденсаторе ток разряда контура

Мощность рассеяния на резисторе

По справочнику выбираем конденсаторы C2 — КСЛ-310 пФ, резисторы R2 — ПЭВ-100−620±10%.

Рис. 1.3 — Схема управляемого выпрямителя с защитой

2. Проектирование СИФУ

2.1 Расчет параметров пусковых импульсов

Определяем требуемую длительность импульса управления, исходя из знания угла коммутации, определенного при расчете силовых схем:

2.2 Расчет цепи управления тиристорами

Для тиристоров Т242−80−8 определяем токи и напряжения управления:

Цепи управления тиристорами питаются от импульсного усилителя через оптрон и ограничивающие сопротивление и шунтирующий диод:

Рис. 2.1 — Цепь управления тиристором

По значению выбираем оптрон ТО125−12,5 с параметрами:

Определяем параметры элементов, входящих в цепь управления:

По току выбираем шунтирующий диод типа КД202А.

По значениям и выбираем резистор типа МЛТ-1−11Ом±5%.

Внутреннее сопротивление управляющего перехода тиристора

2.3 Расчет выходного каскада СИФУ

• Нагрузкой выходного каскада на транзисторе VT2 является ток управления оптотиристора (рисунок 2.2). Следовательно, в режиме насыщения через транзистор VT2 должен протекать ток коллектора не менее тока управления оптотиристора.
• В связи с этим принимаем. Так как СИФУ питается двухполярным напряжением, то выходной каскад подключен на напряжение

.

Учитывая, что имеем:

.

По напряжению и току выбираем транзистор VT2 типа КТ611А с параметрами, ,, .

Рисунок 2.2 — Выходной каскад СИФУ Определяем величину ограничивающего сопротивления резистора R₁₃:

где — падение напряжения на открытом транзисторе,

— падение напряжения на светодиоде оптотиристора.

Определяем мощность рассеивания на резисторе :

Принимаем резистор типа МЛТ-2−240Ом±10%.

Определим ток базы транзистора VT2:

Определяем ток коллектора транзистора VT1:

Вычисляем мощность рассеяния на транзисторе VT1:

.

По току _, напряжению и мощности рассеивания выбираем транзистор VT1 типа КТ301Б с параметрами:

Определим минимальный ток базы транзистора VT1:

2.4 Расчет входного каскада СИФУ

Входной каскад СИФУ выполняет две функции: функцию синхронизации и функцию генератора прямоугольных импульсов. Функция синхронизации импульсов управления и анодного напряжения оптотиристора в управляемом выпрямителе осуществляется путём подключения входного трансформатора TV1 и силового трансформатора к одной и той же фазе напряжения сети. В исходной схеме прямоугольные двухполярные импульсы образуются на стабилитронах VD1, VD2 (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Схема образования прямоугольных двухполярных импульсов.

Для получения импульсов, близких к прямоугольным, на стабилитронах VD1 и VD2 должно выполняться условие:.

Принимаем:

Выбираем из справочника стабилитроны VD7, VD8 типа КС133А с

параметрами,

а также принимаем к установке трансформатор со следующими параметрами:

.

Определяем величину сопротивления ограничительного резистора R7:

Находим мощность рассеивания на резисторе R7:

Принимаем резистор R7 типа МЛТ-1−270Ом ±5%.

2.5 Расчет генератора треугольных импульсов

Генераторы треугольных импульсов (рисунок 2.4) реализуются на базе генератора прямоугольных импульсов и интегратора. Параметры импульсов:

амплитуда:

частота:

Определим длительность входных импульсов:

.

Определим ток нагрузки входного каскада и входной ток интегратора из того условия, что:

По справочнику выбираем операционный усилитель DA1 типа К153УД5 с параметрами:

При подаче на вход интегратора постоянного напряжения на его выходе

получаем линейно изменяющееся напряжение:

где .

Принимаем: тогда:

.

Исходя из того, что значение очень мало, принимаем:

резисторы R_8, R₉ типа МЛТ-0,125−100кОм ±10% ,

конденсатор С₇ типа К73−5-0,1мкФ ±5%.

Величина выходного напряжения на выходе интегратора составит:

гдевходное напряжение ограничителя.

Рисунок 2.4 — Генератор треугольных импульсов

2.6 Расчет разделительной цепи

Разделительная цепь С8, R10 (рисунок 2.5) выполняет две функции: разделяет постоянные составляющие напряжений и уменьшает дрейф операционных усилителей.

Постоянная времени разделительной цепи равна:

и выбирается исходя из условия минимального искажения выходного сигнала:

.

Величина сопротивления резистора R10 по условиям разряда конденсатора не должна быть меньше величины сопротивления резистора R8.

Принимаем: постоянную времени разделительной цепи, а величину сопротивления резистора R10=R8=100(кОм). Тогда величина емкости конденсатора С8 составит:

.

Выбираем конденсатор С8 типа К73−5-1мкФ±10%.

Резисторы R10 типа МЛТ-1−100кОм±10%.

Рисунок 2.5 — Разделительная цепь

2.7 Расчет схемы сравнения

В качестве схемы сравнения напряжения питания U_п и напряжения регулирования U_р (оно же напряжение управления U_у) используем нелинейный режим работы операционного усилителя. Передаточная характеристика операционного усилителя содержит участок положительного и отрицательного насыщения в зависимости от величин входных напряжений на входах: U_вх1, U_вх2. Поскольку коэффициент усиления К_Uоу очень велик, то напряжение переключения (U_вх1 — U_вх2) весьма мало. Выходное напряжение операционного усилителя при U_вх1 — U_вх2 > U_пер зависит от того, какое из входных напряжений больше, т. е. операционный усилитель является схемой сравнения напряжений (рисунок 2.6).

Учитывая, что:

напряжение регулирования U_p = U_ВХ1 = ± 3,3(В),

амплитуда треугольного напряжения U_п = U_ВХ2 = ± 3,3(В),

максимальный ток нагрузки I_Н=I_Б1=0,0008(А),

минимальное выходное напряжение U_н min = U_БЭ1 = 3(В),

принимаем в качестве схемы сравнения операционный усилитель DA2 типа К153УД5 у которого:

U_вых.max=10(B), I_{вых.мах}=5(мА), R_вых.оу=150(Ом); К_оу=125*10 ³.

• Рисунок 2.6 — Схема сравнения СИФУ
• Определим напряжение переключения операционного усилителя:
• Величина сопротивления резистора R^* определяется из соотношений:
• R^*>R_вых.оу=150(Ом);
• Принимаем резистор R^* типа МЛТ-0,125−2,4кОм±10%.
• Величины сопротивлений резисторов R11=R12 определим из следующих условий:
• Принимаем резисторы R11, R12 типа МЛТ-0,5−2,7мОм±10%
• Величину сопротивления резистора R13 (делителя напряжения) определим, если примем, что ток делителя напряжения I_д=(5…10)I_вх.оу.
• Исходя из этого, принимаем резистор R13 типа СП-0,15−2,4(мОм)±20%.
• 2.8 Расчет схемы подавления помех
• В данной схеме (рисунок.2.7) резисторы R_14, и R₁₅ являются разрядными и в тоже время выполняют роль делителя напряжения Е_п. Обычно ток делителя принимают в 10 раз меньше тока потребления, т. е. 10 Iд = Iпотр.
• Рисунок 2.7- Схема подавления помех
• Ток потребления СИФУ составит:
• Ток делителя через резисторы R₁₄ и R₁₅ составит:
• Величина резистора R₁₄ определяется из условий:
• Принимаем резисторы R₁₄ и R₁₅ типа МЛТ-0,5−1600Ом±5%.
• Ёмкость конденсатора определим по следующей формуле:
• Тогда:
• Из справочника принимаем конденсаторы С₉ и С₁₀ типа К73−5-0,3мкФ±5% .
• 3. Расчёт источника питания

3.1 Выбор схемы и расчет основных параметров источника питания Для выбора схемы источника питания рассчитаем суммарный ток нагрузки:

где — ток нагрузки,

— общий ток потребления СИФУ (в схеме их 12 штук, подключённых параллельно к стабилизатору).

Зная ток нагрузки и напряжение нагрузки примем в качестве схемы стабилизатора схему параметрического стабилизатора напряжения (рисунок 3.1) .

Рисунок 3.1 — Схема источника питания По справочнику по известному току нагрузки выбираем 2 стабилитрона Д815 В со следующими параметрами:

Следует отметить, что в схеме стабилитроны VD7 и VD8 ставятся последовательно для обеспечении стабилизации нужного напряжения и в сумме дают необходимое напряжение (одного не хватает).

Рассчитаем параметрический стабилизатор исходя из следующего из условия: .

Воспользуемся следующей формулой:

где — выходное напряжение,

— минимальный ток стабилитрона,

— максимальный ток стабилитрона,

— балансное сопротивление;

— сопротивление нагрузки;

— входное напряжение.

Определяем и из уравнений приведенных выше учитывая то, что напряжение сети может колебаться в пределах +0,05 U₁…-0,15 U₁:

Решив данную систему уравнений, получим:

Таким образом, минимальное и максимальное напряжения принимают следующие значения:

Для выбранных и определим минимальный и максимальный токи стабилизации:

Определяем мощность рассеяния на резисторе R_Б:

По справочнику выбираем:

Резистор R_Б типа ПЭВ-18−27Ом±10%.

конденсатор С11 типа К50−6-100?мкФ±5%.

конденсатор С12 типа К50−6-1000?мкФ±5%.

3.2 Расчёт однофазного мостового выпрямителя и трансформатора Найдём величину выпрямленного напряжения:

Определим анодный ток на диодах:

Определим максимальное обратное напряжение на диодах:

Необходимо учесть, что из-за использования фильтра максимальное обратное напряжение на диодах примет удвоенное значение:

По справочнику выбираем диоды VD11-VD14 типа КД226 В с параметрами:

Определим основные параметры силового трансформатора:

— напряжение на вторичной обмотке:

— ток на вторичной обмотке:

— типовая мощность трансформатора:

— коэффициент трансформации трансформатора:

— ток первичной обмотки трансформатора:

Выводы

Большим преимуществом двенадцатипульсного выпрямителя является маленький коэффициент пульсации и получение большой выходной мощности. Таким образом, применение такого выпрямителя дает практически выпрямленный ток на выходе.

Подобные выпрямители получили широкое распространение в различных отраслях промышленности, например, в электролизных установках, на железнодорожном транспорте для питания двигателей постоянного тока, заряда аккумуляторных батарей, в сварочных аппаратах и дуговых печах, электрофильтрах, источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры и др.

Приложение А

Приборы и устройства промышленной электроники / В. С. Руденко, В. И. Сенько, В. В. Трифонюк (Б-ка инженера). — К.:Техника, 1990. — 368 с.

Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Терещук Р. М., Терещук К. М. — К.:Наукова думка, 1981. — 670 с.

Тиристоры: справочник / Григорьев О. П., Замятин В. Я. — М.: Радио и связь, 1982. —272 с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения: справочник / Перельман В. П. — М.:Радио и связь, 1982 — 520 с.