|
|
|
|
Проектирование двенадцатипульсного составного управляемого выпрямителя с параллельным включением вентилей
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 2005 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. Содержание - 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 выпрямителя1.1 Выбор схемы и расчет основных параметров выпрямителяВ соответствии с заданием принимаем схему двенадцатипульсного составного управляемого выпрямителя с параллельным включением вентилей.Рис.1.1 -- Двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилейВ 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 выпрямленияB -- магнитная индукция в магнитопроводеS -- число стержней магнитопровода для трансформаторовОпределяем 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 режимеОпределяем 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 выпрямителяТиристоры выбираем по : тиристор Т242-80-8 и типовой охладитель М-6А.1.4 Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителяОбщая расчетная формула для всего семейства нагрузочных характеристик:Рис.1.2 -- Регулировочная характеристика выпрямителя1.4 Выбор защиты тиристоров от перегрузок по току и напряжениюДля 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 используем -цепочки, 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 защитой2. Проектирование СИФУ2.1 Расчет параметров пусковых импульсовОпределяем требуемую длительность импульса управления , исходя из знания угла коммутации , определенного при расчете силовых схем:2.2 Расчет цепи управления тиристорамиДля 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 тиристоромПо 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 СИФУНагрузкой 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 СИФУВходной 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 импульсовГенераторы 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 R8, R9 типа МЛТ-0,125-100кОм ±10% ,конденсатор С7 типа К73-5-0,1мкФ ±5%.Величина выходного напряжения на выходе интегратора составит:,где- входное напряжение ограничителя.Рисунок 2.4 - Генератор треугольных импульсов2.6 Расчет разделительной цепиРазделительная 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 цепь2.7 Расчет схемы сравненияВ качестве схемы сравнения напряжения питания Uп и напряжения регулирования Uр (оно же напряжение управления Uу) используем нелинейный режим работы операционного усилителя. Передаточная характеристика операционного усилителя содержит участок положительного и отрицательного насыщения в зависимости от величин входных напряжений на входах: Uвх1, Uвх2. Поскольку коэффициент усиления КUоу очень велик, то напряжение переключения (Uвх1 - Uвх2) весьма мало. Выходное напряжение операционного усилителя при Uвх1 - Uвх2 > Uпер зависит от того, какое из входных напряжений больше, т.е. операционный усилитель является схемой сравнения напряжений (рисунок 2.6). Учитывая, что: напряжение регулирования Up = UВХ1 = ± 3,3(В), амплитуда треугольного напряжения Uп = UВХ2 = ± 3,3(В), максимальный ток нагрузки IН=IБ1=0,0008(А), минимальное выходное напряжение Uн min = UБЭ1 = 3(В), принимаем в качестве схемы сравнения операционный усилитель DA2 типа К153УД5 у которого: Uвых.max=10(B), Iвых.мах=5(мА), Rвых.оу=150(Ом); Коу=125*10 3. - Рисунок 2.6 -- Схема сравнения СИФУ
- Определим напряжение переключения операционного усилителя:
- Величина сопротивления резистора R* определяется из соотношений:
- R*>Rвых.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 Iд=(5…10)Iвх.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 R14, и R15 являются разрядными и в тоже время выполняют роль делителя напряжения Еп. 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 Д815В 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 RБ: По справочнику выбираем: Резистор RБ 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 КД226В 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: ВыводыБольшим 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 |
Поз. | Наименование | Количество | Примечание | | | Выпрямитель | | | | TV1 | ТПП | 1 | | | VS1-VS12 | Т242-80-8 | 12 | | | C2 | КСЛ-310пкФ±10% | 12 | | | R2 | ПЭВ-100-620±10% | 12 | | | FU1-FU3 | ПНБ-5-660/100 | 2 | | | | Блок С1 -- СИФУ | 12 | | | VT1 | КТ301Б | 12 | | | VT2 | КТ611А | 12 | | | R0 | МЛТ-1-11Ом±5% | 12 | | | R7 | МЛТ-1-270Ом±5% | 12 | | | R8, R9 | МЛТ-0,125-100кОм±10% | 24 | | | R10 | МЛТ-1-100кОм±10% | 12 | | | R11, R12 | МЛТ-0,5-2,7мОм±10% | 24 | | | R13 | СП-0,15-2,4мОм±20% | 12 | | | VD1 | КД202А | 12 | | | VD7, VD8 | КС133А | 24 | | | C7 | К73-5-0,1мкФ±5% | 12 | | | C8 | К73-5-1мкФ±10% | 12 | | | C9, C10 | К73-5-0,3мкФ±5% | 24 | | | Vш | КД202А | 12 | | | DA1-DA2 | К153УД5 | 24 | | | Ul | ТО125-12,5 | 12 | | | TV2 | ТПП | 12 | | | |
|
Поз. | Наименование | Количество | Примечание | | | Блок A1 -- Блок питания СИФУ | 1 | | | C1 | К5016-3000мкФ-25В±10% | 3 | | | C2 | К5016-3000мкФ-25В±10% | 3 | | | R1 | МЛТ-1-23±10% | 3 | | | R2 | МЛТ-0,25-6кОм±10% | 3 | | | R3 | МЛТ-1-1кОм±10% | 3 | | | R4 | МЛТ-0,25-4кОм±10% | 3 | | | R5 | МЛТ-0,25-1,5кОм±10% | 3 | | | R6 | МЛТ-0,25-570±10% | 3 | | | R7 | МЛТ-0,25-2кОм±10% | 3 | | | VT1 | ГТ403А | 3 | | | VT2 | П214 | 3 | | | VT3 | МП39 | 3 | | | TV1 | ТПП | 3 | | | VD5 | Д811 | 3 | | | | Список литературыПриборы 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.
|
|
|
|
|