Силовой полупроводниковый и управляемый выпрямитель для электропривода

В курсовом проекте с достаточной степенью точности Kn определяем при учете только первой гармоники тока IdKn=Idmq/Idгде Idm1 — амплитудное значение первой гармонической составляющей тока Id. Для достижения необходимого значения Kn для мощных электроприводов можно принять Kn<0.3, поэтому в цепь выпрямленного тока последовательно с нагрузкой (в данном случае с двигателем) включают индуктивное сопротивление, которое называют сглаживающим дросселем (реактором). В сумме индуктивность обмоток двигателя LДВ и индуктивность дросселя LДР дают индуктивность цепи выпрямленного тока, т. е. Ld =LДВ + LДР.Рис. 7.

1. Эквивалентная схема цепи выпрямленного тока при допущении Rd = 0 и Ud = E (а) и временная диаграмма процесса выпрямления с углом a + g2 (б)При расчете Kn следует учесть то, что активное сопротивление дросселя и обмоток двигателя мало (значительно меньше индуктивного) и поэтому им можно пренебречь. Кроме того, противоэдс Е двигателя, возникающая на зажимах якоря при его вращении, имеет очень малые пульсации и её можно приравнять к среднему значению выпрямленного напряжения Ud. Такое допущение справедливо потому, что вследствие шунтирования обмотки возбуждения ОВ резистором Rш малой величины (Rш<в) пульсации тока в обмотке возбуждения значительно меньше, чем в обмотке якоря Я. В результате большая часть переменной составляющей idпер тока Id проходит по Rш, а не по обмотке возбуждения, которая создает магнитный поток Ф. На рис. 7.1, а показана эквивалентная схема цепи выпрямленного тока при допущении того, что Rd и E = Ud, и временная диаграмма (рис. 7.1, б) процесса выпрямления с углом α+y2. При условии E = Ud переменная составляющая напряжения Ud равна напряжению на индуктивном сопротивлении xd выпрямленного тока. Тогда амплитудное значение первой гармонической составляющей тока:

где Udm1 — амплитудное значение первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения. Первая гармоническая составляющая напряжения Ud имеет двойную частоту против частоты сети fc. Поэтому на этой частоте Используя формулы (7.2), (7.3) и (7.4), получим

Из выражения (7.5) рассчитаем LdLd=850/4·3.14·50·0.2·650=0.01 ГнРасчет Udm1 выполним через определение коэффициентов ряда Фурье

С учетом того, что период T кривой Ud (w1t) равен интервалу от 0 до π, а само значение переменной составляющей выпрямленного напряжения, равное, определяется в интервале от доw1t=π, получим:

Определив коэффициенты ряда Фурье a1 и b1, вычисляем первую гармоническую составляющую напряжения Udm1, по значению которой определяем индуктивность Ld цепи выпрямленного тока.

7. РАСЧЕТ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ПРИ МАКСИМАЛЬНОМ ВЫБРАННОМ ЗНАЧЕНИИ УГЛА УПРАВЛЕНИЯОпределение условий нормального функционирования выпрямителя предполагает расчет минимальных значений выпрямленного тока Idmin и напряжения Udmin, с которых начинается устойчивый процесс регулирования напряжения на выходе выпрямителя и тока в нагрузке. Известно, что наличие индуктивности цепи переменного тока (в частности обмоток трансформатора) Lт и индуктивности цепи выпрямленного тока Ld вызывают процессы коммутации в цепях переменного и выпрямленного тока. Эти процессы ограничивают диапазон регулирования выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя. Расчет Udmin и Idmin связан с током включения тиристоров выпрямителя. Ток считается достаточным, если после окончания управляющего импульса тиристор не возвращается в закрытое состояние, и ток через него продолжает нарастать по величине, т. е. di/dt>0. Если же после включения тиристора его анодный ток не достигает тока Iвкл, то после окончания управляющего импульса тиристор перейдет в закрытое состояние и выпрямитель не будет работать. Расчет тока Iвкл ведется при условии, что в момент подачи управляющего импульса на включение тиристора выпрямленный ток Id в нагрузке отсутствует, т. е. E=0 равен нулю, противоэдс якоря отсутствует, т. е., так как якорь еще не вращается, а напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2=E2msinapmax.За время действия короткого по длительности управляющего импульса tu ток в цепи возрастает до значения, которое можно определить из уравнения второго закона Кирхгофа для контура, состоящего из вторичной обмотки трансформатора, вентилей (диодов и тиристоров) выпрямителя и нагрузки:

где -R сопротивление цепи, складывающееся из сопротивлений обмоток трансформатора, и цепи выпрямленного тока, состоящей из сглаживающего дросселя и нагрузки (двигателя), т. е. R=RT+Rd=RT+RСД+Rдв, где Rd=RСД+RДВ; L — индуктивность цепей переменного и выпрямленного токов, т. е. L=LT+Ld=LT+LСД+Lдв, где Ld = LДВ + LДР. Активное сопротивление Rт обмоток трансформатора находим по заданной величине мощности потерь короткого замыкания Ркз, ВА, которое определяется как 1% от типовой мощности S1 трансформатора: Pкз=0,01S1 В то же время Pкз=I2·RTОтсюда RT=Pкз/I2Активное сопротивление цепи выпрямленного тока Rd = RСД + RДВ определим из условия, что в номинальном режиме падение напряжения на сопротивлении этой цепи составляет 5% от Udn (см. в задании к курсовому проекту)

отсюдаRd=0.05UdH/IdH=0.05·850/650=0,065 ОмИндуктивность Lт обмоток трансформатора находим из выражения XT=wcLT=25,52 ОмОтсюда: LT=0.17·1595/314·650·1.414=94 мГнИндуктивность Ld цепи выпрямленного тока находим из выражения (7.6).Решая уравнение, получим:

где τ=L/R=1,45 с — постоянная времени цепи протекания тока; tu — длительность импульса управления тиристора tu = 100 мс; apmax- максимальное значение угла регулирования (управления), при проектировании принимается apmax<170.Для нормального функционирования выпрямителя при apmaxрасчетное значение тока i должно быть равно или больше тока включения тиристора Iвкл, т. е. i=Idmin>Iвкл. Если это условие не выполняется, то apmax следует выбрать меньше чем 170. Величина Iвкл принимается равной 1А. Минимальное значение выпрямленного напряжения Udmin определяем из выражения (3.1) при условии Id=0 и ap=apmaxС этого значения Udmin начинается плавное увеличение выпрямленного напряжения на нагрузке с целью его регулирования исходя из задач функционирования объекта нагрузки (двигателя).

8. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯСистема управления вырабатывает импульсы управления, подаваемые на управляющие электроды тиристоров для их отпирания. Функциональная схема системы управления тиристорами представлена на рис. 8.

1.Рис. 8.

1. Функциональная схема системы управления тиристорами

Система управления тиристорами включает в себя генератор пилообразного напряжения ГПН, компаратор К, формирователь импульсов Ф, однопериодные выпрямители ОПВ и ОПВ2, логические элементы «И» ЛЭ1 и ЛЭ2, выходные усилители ВУТ и ВУТ2 и импульсные трансформаторы ИТ1 и ИТ2. Устройство и принцип действия каждого элемента системы управления необходимо изучить по литературе, посвященной промышленной (информационной) электронике, например по [8]. Временная диаграмма процессов работы функциональной схемы системы управления тиристорами представлена на рис.

8.2. Работа системы управления согласно её функциональной схеме заключается в следующем. В генераторе ГНП создается пилообразное линейно возрастающее напряжение, которое синхронизируется с началом и концом каждого полупериода питающего напряжения сети. Сигналы пилообразного напряжения в каждый полупериод напряжения подаются на первый вход компаратора, который служит в качестве элемента сравнения, называемого в литературе термином «нуль-орган». На второй вход компаратора подается сигнал напряжения управления Uупр, которое задается оператором с пульта управления либо от системы автоматического управления. Этот сигнал отражает задающую величину угла управления открытием тиристоров выпрямителя. В компараторе сигналы пилообразного напряжения и напряжения управления сравниваются.

В момент времени, когда эти два сигнала равны друг другу по величине напряжения, компаратор сбрасывает (переключает) и запускает своим сигналом формирователь импульсов. На выходе формирователя в каждый полупериод образуются импульсы, сформированные по переднему фронту сигнала компаратора. Длительность сигнала формирователя определяет длительность импульса управления, подаваемого на тиристор выпрямителя. Этот импульс должен подаваться в один полупериод на тиристоры плеча, в другой полупериод — на. Для того чтобы осуществить такую избирательность в системе управления, применяются два однополупериодных выпрямителя ОПВ для выделения соответствующего полупериода напряжения сети и два логических элемента ЛЭ типа «И». Сигнал на выходе элемента «И» будет только тогда, когда на обоих его входах будут сигналы с высоким уровнем напряжения, т. е. сигнал от формирователя

Ф и сигнал соответствующего полупериода напряжения сети от ОПВ. Далее импульсы управления усиливаются выходными усилителями и и через импульсные трансформаторы и подаются на управляющие электроды тиристоров.Рис. 8.

2. Временная диаграмма процессов работы системы управления

Трансформаторы и обеспечивают гальваническую развязку цепей управления и высоковольтных цепей выпрямителя. Число вторичных обмоток должно соответствовать количеству последовательно включенных тиристоров в одном плече выпрямителя. Таким образом, формируются импульсы сигналов управления в каждом полупериоде на тиристоры соответствующего плеча (VS1 и VS2) выпрямителя. Заключение

В курсовом проекте рассмотрен однофазный управляемый выпрямитель, изучаемые по дисциплине «Силовая электроника электропривода». Спроектированы структурные и функциональные схемы выпрямителя, построены временные диаграммы и энергетические показатели преобразвоателя. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК1. Руденко, В. С. Основы преобразовательной техники / В. С. Руденко [и др.]. — М.: Высшая школа, 1980. — 423 с.

2. Розанов, Ю. К. Основы силовой электроники / Ю. К. Розанов. — М.: Энергоатомиздат, 1992.

— 296 с. 3. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М. И. Абрамович [и др.]. — М.

: Энергоатомиздат, 1992. — 438 с.

4. Уильямс, Б. Силовая электроника, приборы, применение, управление: справ.

пособие / Б. Уильямс. — М. :Энергоатомиздат, 1992. — 399 с.

5. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры оптоэлектронные приборы: справ. / А. В. Баюков [и др.]; под ред.

Н.Н. Горюнова. — 2-е изд., перераб. и доп. -

М.: Энергоатомиздат, 1985. — 427 с.

6. Массовая радиобиблиотека: Тиристоры: справ. / О. П. Григорьев [и др.]. — М.: Радио и связь, 1990. — 387 с. :

Вып. 1155.

7. Пучков, А. С. Общие положения для расчета и выбора условий охлаждения силовых полупроводниковых элементов / А. С. Пучков. — М.: Изд-во МЭИ, 1998. -

36 с. 8. Опадчий, Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров. — М.

: Телеком, 2002. — 768 с.