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

1. Выбор силовых полупроводниковых приборов (СПП) по току и напряжению и проверка их по перегрузочной способности

1.1 Выбор СПП по току

1.2 Проверка СПП по перегрузочной способности

1.3 Выбор трансформатора

1.4 Выбор СПП по напряжению

2. Расчет и выбор элементов пассивной защиты СПП от аварийных токов и перенапряжений

2.1 Расчёт и выбор защитных R-C цепочек

3. Литературный обзор систем управления СПП преобразователя и формулирование требований к СУ проектируемого СПП

3.1 Горизонтальный метод управления

3.2 Вертикальный метод управления

4. Проектирование структурной и функциональной схем системы управления СПП

5. Выбор типов аналоговых и цифровых интегральных МС

6. Проектирование принципиальной схемы и электрический расчет функциональных элементов СУ СПП

6.1 Синхронизирующий трансформатор, фильтр

6.2 Пороговый элемент

6.3 Нуль — орган

6.4 Формирователь длительности импульсов

6.5 Выходной формирователь

7. Описание принципа действия схемы и электрический расчет. Составление полной принципиальной электрической схемы

7.1 Полная принципиальная электрическая схема проектируемого ППЭЭ

7.2 Перечень элементов, используемых в принципиальной схеме

7.3 Временные диаграммы работы СУ СПП

7.4 Описание принципа действия электрической схемы

8. Расчёт и построение внешней и регулировочной характеристик

8.1 Внешняя характеристика преобразователя

8.2 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,

U1ф — 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;

n — 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,

1.1 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 выбираем тиристор Т142−50 (рисунок 1.2) и охладитель О241 — 80 с параметрами:

Температура перехода:

максимально допустимая ,

минимально допустимая

Rthjc = 0,40 оC/Вт — тепловое сопротивление переход — корпус;

Rthcf = 0,15 оС/Вт — тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя — охлаждающая среда;

U (TO) = 1,20 В — пороговое напряжение;

rT = 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 Ї 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+Rthcfтепловое сопротивление переход _ среда.

Rthja = 0,40+0,15 = 0,55 оС/Вт;

47 А < 71 А.

Погрешность составляет (1.8)

Условие (1.8) выполняется, максимально допустимый ток превышает на 34% при токах 47 А.

1.2 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:

IFAVпер=(2,5 …4) IFAV. (1.11)

Примем IFAVпер=2,6?IFAV.

IFAVпер=2,661,61=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) определяем максимально допустимое время перегрузки, за которое температура перехода достигнет максимально допустимого значения:

tm = 1,2 c.

Условие выполняется, следовательно, тиристор удовлетворяет режиму перегрузки.

1.3 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;

m1 — 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;

m2- число фаз первичной обмотки трансформатора.

Определяем площадь поперечного сечения проводников:

(1.24)

(1.25)

где за с 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 fчастота питающей сети, f = 50 Гц,

w1- 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)

1.4 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,

2389,84 = 779,68 В < 800 В.

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 б = 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

2.1. 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:

R = 33…200 Ом,

C = 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:

1. Длительность и мощность открывающихся импульсов определяется в соответствии с параметрами применяющихся ключей, режимами работы преобразователя и должны быть достаточными для надежного открывания ключей преобразователя.

2. 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.

3. Симметрия управляющих импульсов по фазам. Асимметрия между интервалами допускается в пределах 1,5−2,5°.

3.1 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.

3.2 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.

ALBформирователь 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

1 — 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;

Выделяемая мощность 380мВт.

Рисунок 5.2 — Внутренняя структура ОУ TLE2144J

В качестве компаратора используем AD790JR[5].

Рисунок 5.3 — Цоколевка компаратора AD790JR

1 — 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

1 — 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

1 — 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

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

6.1 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-4 В на следующие параметры: U2ф=10 В, 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:

R7 — РП1 — 48 — 0,25 — 22 кОм±10%.

R8 — 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.

6.3 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.

Компараторы DA2, DA3 преобразуют напряжение управления в угол открывания тиристора б.

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 :

UСМ = UKm.

Подставляя это значение UСМ в (6.6) и выразив UУ получим:

где UKm — максимальное опорное напряжение, UKm=10 В.

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;

IВХ — входной ток мультивибратора, IВХ =.

Выбираем чип-резисторы RC0603JR-07240K.

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 и конденсаторы Y5V 16 В 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 = 5 В.

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.

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). Диоды VD19, VD25 блокируют протекание тока через вторичную обмотку трансформатора TV4 от силовой цепи. Выбираем диоды 2Д530А (UОБР=40 В, IПР=5А).

Цепочка R79-C16 служит для повышения помехоустойчивости. Выбираем резистор RC1206FR-0791KL и конденсатор К10−17В-Н90−0,22 мкФ.

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

7.1 Полная принципиальная электрическая схема проектируемого ППЭЭ Рисунок 7.1 — Полная принципиальная электрическая схема

7.2 Перечень элементов используемых в принципиальной схеме Таблица 7.1 — Перечень элементов используемых в принципиальной схеме

7.3 Временные диаграммы работы СУ СПП График 7.1 — Ток на нагрузке (б =38°)

График 7.2 — Напряжение на нагрузке (б =38°)

График 7.3 — Напряжение управление тиристором VT1 (б =38°)

График 7.4 — Напряжение управление тиристором VT2 (б =38°)

График 7.5 — Напряжение управление тиристором VT3 (б =38°)

График 7.6 — Напряжение управление тиристором VT4 (б =38°)

График 7.7 — Напряжение управление тиристором VT5 (б =38°)

График 7.8 — Напряжение управление тиристором VT6 (б =38°)

График 7.9 — Напряжение сети График 7.10 — Напряжение на тиристоре VT1 (б =38°)

График 7.11 — Напряжение на тиристоре VT2 (б =38°)

График 7.12 — Напряжение на тиристоре VT3 (б =38°)

График 7.13 — Напряжение на тиристоре VT4 (б =38°)

График 7.14 — Напряжение на тиристоре VT5 (б =38°)

График 7.15 — Напряжение на тиристоре VT6 при (б =38°)

График 7.16 — Ток на нагрузке (б =85°)

График 7.17 — Напряжение на нагрузке (б =85°)

График 7.18 — Напряжение управление тиристором VT1 (б =85°)

График 7.19 — Напряжение управление тиристором VT6 (б =85°)

График 7.20 — Напряжение на тиристоре VT1 (б =85°)

График 7.21 — Напряжение на тиристоре VT2 (б =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

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 б = 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:

Rа = 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 cosmin и cosmax:

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

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

Для данной схемы, выражение для выпрямленной ЭДС имеет вид:

E = E0•cosб (8.3)

Таблица 8.2 — Расчет регулировочной характеристики выпрямителя

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

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/

http//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.