Расчет управляемого выпрямителя и СИФУ

Цель данной курсовой работы - спроектировать управляемый выпрямитель и систему импульсно-фазового управления для него.

Вентильные преобразователи состоят из силовой части и системы управления. Системы управления представляют собой сложные устройства для обработки информации и отличается большим разнообразием в зависимости от области применения.

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 пульсации выпрямленного напряжения до требуемой для нормальной работы потребителя величины. В данной курсовой работе рассматривается однофазный мостовой управляемый выпрямитель, построенный на использовании управляемых вентилей (тиристоров). 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 положительными почти прямоугольными импульсами, подаваемыми на управляющий электрод тиристора сдвинутыми по фазе на угол ? относительно момента естественного включения неуправляемых вентилей. Таким образом, основной задачей системы импульсно-фазового управления является преобразование входного регулирующего напряжения в соответствующий угол регулирования ? (т.е. угол открытия тиристоров).

1. Расчет основных параметров управляемого выпрямителя

1.1 Расчет основных параметров выпрямителя в неуправляемом режиме

С учетом колебания напряжения в сети (?=+5.. - 15%), определим выпрямленные напряжения на нагрузке:

где U_CP -выпрямленное напряжение на нагрузке.

U_П - выпрямленное напряжение на нагрузке при повышенном напряжении сети.

Максимальное значение напряжения на диодах:

Среднее значение тока диода:

Из приложения 5 источника [1] по U_{обр макс} и I_CP выбираем диоды типа ВЛ10 с параметрами I_max=10 (A), U_{обр макс}=400 (В).

Определяем активное сопротивление фазы трансформатора:

, (1.1)

где К_r - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (приложение 7 источника [1]) К_r=2.5;

B-магнитная индукция в магнитопроводе В=1.25 (Тл);

f-частота питающей цепи f=50 (Гц);

S-число стержней магнитопровода для трансформатора S=2.

Подставляем значения в формулу (1.1).

Определим индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

(1.2)

где К_L - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (приложение 7 источника [1]), К_L=.

Подставляем значения в формулу (1.2).

Определим напряжение холостого хода:

, (1.3)

где ?U - падение напряжения на вентилях и обмотке трансформатора:

, (1.4)

где Uв падение напряжения на вентилях, ?Uтр - падение напряжения на трансформаторе.

?U_В - падение напряжения на вентилях:

?U_В=1.2 (В).

?U_тр - падение напряжения на трансформаторе:

,(1.5)

где m_n - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения: m_n=2.

Подставляем значения в формулу (1.5).

Подставляем значения в формулу (1.4).

Подставляем значения в формулу (1.3).

.

Из приложения 2 определяем параметры трансформатора:

Действующий ток вторичной обмотки:

.

Коэффициент трансформации:

.

Определим ток первичной обмотки трансформатора:

.

.

I_аэф - действующее значение тока диода.

Типовая мощность трансформатора:

.

Определим угол коммутации:

.

.

Внутреннее сопротивление выпрямителя:

К.П.Д. выпрямителя:

(1.6)

где ?Ртр - потери в трансформаторе,

?Р_B - потери мощности на выпрямительных диодах.

КПД трансформатора 0.8…0.97.

где N - количество диодов в схеме.

Подставляем значения в формулу (1.5):

1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме

Схема подключения цепи управления имеет вид, представленный на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема подключения цепи управления тиристорами

В качестве развязки применен диодно - оптотиристорный модуль VE1. Произведем расчет элементов цепи управления тиристорами.

Шунтирующие диоды VD3, VD4 для надежного закрытия тиристоров выбираем из условия:

U_{обр доп}>U_xx=107.3 (B); .

Принимаем к установке диоды типа ВЛ100.

Через оптотиристор оптрона проходит ток управления силового тиристора =250 (мА). Тогда величину сопротивления ограничивающего резистора R₁₀ находят исходя из условия:

.

где U_y - напряжения открытия тиристора U_y = 3.5 (В).

Определяем мощность рассеяния на резисторе R₁₀, исходя из условия импульсного характера управления:

.

Принимаем к установке резистор ТВО-2-56Ом20%.

Из источника [1] выбираем стандартный диодно-оптотиристорный модуль. Выбор производим по - среднему значению тока через оптотиристор.

Принимаем к установке модуль МДТ160-16 с параметрами:

.

Рисунок 2.2 - Схема цепи управления тиристорами

Через светодиод оптрона проходит ток управления . Величина сопротивления ограничивающего резистора R₈ находят из условия, что коэффициент трансформации TV2 принимаем n = 1/3, и соответственно максимальное напряжение на вторичной обмотке TV2 будет равно U₂ =E_k/3= 12/3=4 (В).

,

где U_y - падение напряжения на светодиоде оптрона.

Определяем мощность рассеяния на резисторе R₈:

.

Принимаем к установке резистор типа ОМЛТ-0.125-471%.

Внутреннее сопротивление управления оптотиристора:

.

Тогда полное сопротивление нагрузки цепи управления тиристорами:

R_H = R_y + R₈ = 150+600 = 750 (Ом).

Для защиты светодиода оптрона от перенапряжений, возникающих на обмотке трансформатора TV2 при снятии импульса управления, обмотка TV2 шунтируется диодом VD8. Диод выбирается из условия U_обр > 2E_K =24 (B); I_пр = I_М = I_y = 0,05 (А), где I_М - ток намагничивания трансформатора TV2.

Выбираем для установки диод КД209Б со следующими параметрами U_обр = 200 (В),

I_пр = 0,3 (А).

2.3 Расчет параметров элементов блокинг-генератора

Рисунок 2.3 - Схема блокинг-генератора

Максимальный ток в цепи коллектора VT2 (ток первичной обмотки W_k) определяем как

.

Допустимое напряжение на коллекторе определяется как:

.

Определяем импульсную мощность коллекторной цепи:

.

Определяем среднюю мощность выходного каскада:

.

Из справочника по данным U_{K доп}, I_m, P_n выбираем транзистор КТ203Б со следующими параметрами:

максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_к.э.max = 30 (B).

максимальный ток коллектора I_к.max = 0,01 (А).

максимальная рассеиваемая мощность P_к.max = 0.15 (Вт).

Из справочника [3] берем входные и выходные характеристики (рисунок 2.4) и строим нагрузочные характеристики по постоянному и переменному току.

Рисунок 2.4 - Входные и выходные характеристики транзистора КТ601М (или КТ601А)

Определяем приведенное сопротивление в цепи коллектора

.

Определяем ток короткого замыкания

.

Определяем напряжение холостого хода

.

Строим линию нагрузки по постоянному току. В момент пересечения I_б = 0.4 (мА) (ток отсечки) с линией нагрузки получаем рабочую точку А. В результате графических построений находим: ток покоя I_ko = 1.5 (мА) и U_ko = 12.5 (В).

Определяем ток короткого замыкания по переменному току :

,

где - коэффициент рабочей точки при повышении температуры

Из точки = 7.36 (мА) через точку А проводим нагрузочную прямую по переменному току. Графически находим максимальный ток базы I_{б макс} = 1 (мА).

Определяем величину сопротивления переменному току:

.

Из графических построений находим:

U_кн = 4.7 (B); I_кн = I»_к =7.36 (мА); U_б0 = 0,45 (В); U_б.макс = 0,55 (В).

Тогда

;

.

.

Коэффициент усиления каскада .

Задаваясь падением напряжения на резисторе R₆ равным (0,15…0,2) E_K определим величину резистора:

.

Допустимая мощность рассеяния на R₆:

.

Принимаем к установке резистор типа ОМЛТ - 0,125-1кОм10%.

Сопротивление делителей цепи базы определим, пользуясь методикой изложенной в источнике [2] на стр. 353.

Обычно принимают .

Тогда

.

.

Определяем мощность рассеяния на резисторах R₇, R₉:

.

.

Принимаем резистор R₇ типа КИМ-0.05-2.4кОм10%;

резистор R₉ типа КИМ-0.05-6.8кОм10%.

Емкость конденсатора С₅ определим из условия наименьших искажений:

.

Принимаем к установке конденсатор типа К76-П1-63В-3.3мкФ.

Определяем сопротивление цепи стабилизации:

Входное сопротивление блокинг-генератора

.

Расчет импульсного трансформатора начнем с выбора коэффициента трансформации который рассчитывается как:

.

Принимаем n₀ = 4.

Емкость конденсатора С₄ определим из условия наименьших искажений:

.

Примем к установке конденсатор с емкостью раз в 10 больше рассчитанной. Выбираем конденсатор типа К50-7-50В-56мкФ20%.

Определяем индуктивность коллекторной обмотки импульсного трансформатора

,

где - коэффициент передачи по току транзистора VT2 30.

Выбираем тороидальный сердечник из феррита марки 100НН1 10х6.0х2.0, тогда магнитная проницаемость:

где - начальная магнитная проницаемость феррита марки 100НН1, =100;

- магнитная постоянная ферритов, ;

- средняя длина магнитной линии, = 34.84 мм;

S - поперечное сечение кольца феррита, S = 23.06 мм².

Находим число витков коллекторной и входной обмоток трансформатора:

.

. Принимаем: .

.

Диод VD7 выбираем по .

Примем к установке диод типа КД102Б.

2.4 Расчет элементов генератора пилообразного напряжения

Рисунок 2.5 - Схема пилообразного напряжения

Для того, чтобы блокинг-генератор (далее - ГПН) (рисунок 2.5) работал, необходимо, чтоб время открытого состояния транзистора было намного меньше времени закрытого состояния, но достаточным для разрядки конденсатора С₃. Для этого предусмотрим включение во входную цепь ГПН схемы (рисунок 2.6), состоящей из разделительной цепи, диода и разделительного конденсатора. Такая схема включения позволяет «опустить» напряжение на базе VT1 на половину амплитуды пульсирующего сигнала, что позволит транзистору быть открытым около . Примем время открытого состояния , а время закрытого состояния

.

Сконструируем ГПН на транзисторе типа KТ501Б с параметрами

,

где -напряжение насыщения между коллектором и эмиттером.

Напряжение на конденсаторе С₃ изменяется по закону ,

где Т_з - постоянная времени заряда конденсатора, ,

где U_n-максимальное напряжение на выходе ГПН.

Для его нахождения сначала выберем диод VD6:

.

Выбираем к установке диод типа КД202М с параметрами:

.

Т.к. U_y=0…8 (B), U_n рассчитывается как .

Примем U_n=9 (B), тогда.

. (2.1)

Принимаем максимальный рабочий ток ,

где K_I - запас устойчивости по току.

Находим сопротивление резистора R₅:

.

Т.к. напряжение изменяется почти линейно, то мощность рассеяния на резисторе R₅:

.

Принимаем к установке резистор типа С5-35В-7.5-100Ом.

Подставив это значение в формулу (2.1), находим емкость конденсатора С₃:

.

Принимаем к установке конденсатор типа К50-7-50В-380мкФ.

Рассчитаем максимальный ток открытого транзистора

.

Выбираем ток делителя ,

где =40 для транзистора типа КТ501Б при частотах, близких к 50 (Гц).

По справочнику определив, что при определяют как .

Определяем параметры сопротивлений R₄ и R₃:

.

.

.

.

Выбираем резисторы типов:

R₄ С2-11-0.25-2201%.

R₃ ПЭВ-10-4305%.

Диод VD7 выбираем по .

Выбираем диод типа КД102Б.

2.5 Расчет входной цепи ГПН

Рисунок 2.7 - Блок синхронизации

Для однофазной мостовой схемы выпрямления находим:

Из-за сравнительно малой мощности потребления (84 мВт) расчет трансформатора не производим. Вторичная обмотка трансформатора может располагаться на силовом трансформаторе.

Параметры диодов VD1-VD4:

По величине и выбираем к установке диоды типа КД105Б со следующими параметрами

Полная схема СИФУ представлена на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Полная схема СИФУ

3. Расчет параметров элементов источника питания для СИФУ

3.1 Выбор схемы и расчет основных параметров источника питания

Рисунок 3.1 - Схема источника питания для СИФУ

Определим суммарный ток нагрузки источника питания:

I_ВЫХ=I_d+I_d+I_KV1+I_K0=0.04+0.04+0.12+2.5=3.08 (mA);

Принимаем ток нагрузки In=3.5 (B);

Минимальное допустимое входное напряжениестабилизатора:

U_{вх мах}=U_{вых мах}+U_{вх ?} +U_{эк мин}=13+1.45+1.5=15.5 (В),

Где U_вх? =(0.05…0.1) (U_{вых мах}+U_{эк мин})=1.45 (В);

Максимальная мощность рассеивания на транзисторе VT8:

P_{kv 8}= U_{эк мax} I_{вых мах}=;

Выбираем регулирующий транзистор типа П214 с параметрами:

?1=30;

Колекторный ток согласующего транзистора;

где -дополнительный ток, задаваемый резистором R25

=1…8 (мА);

Максимальная мощность рассеивания на транзисторе VT8:

3.2 Расчет однофазного мостового выпрямителя

3.3 Моделирование силовой схемы выпрямителя

Для моделирования силовой схемы выпрямителя использовалась программа Electronics Workbench Professional Edition. Схема модели приняла следующий вид:

Рисунок 3.1 - Модель силовой схемы выпрямителя

Из-за особенностей Electronics Workbench вместо трансформатора был использован источник переменного напряжения с необходимыми выходными характеристиками (расчетными выходными характеристиками трансформатора).

Рисунок 3.2 - Осцилограмы напряжений на нагрузке

Выводы

Рассматриваемые в данной курсовой работе вентильные преобразователи, широко применяются для преобразования электрической энергии, передаваемой в виде переменного напряжения стандартной частоты в электрическую энергию другого вида - в постоянный или переменный ток с нестандартной частотой или изменяемой частотой.

Важной областью применения вентильных преобразователей являются линии электропередач в электрических сетях и системах. Линии передач постоянного тока экономически эффективны для передачи энергии на большие расстояния.

Второй областью применения вентильных преобразователей является их использование для обеспечения основного оборудования электростанций, в частности для возбуждения синхронных гидро- и турбогенераторов.

Преобразователи также нужны для таких нетрадиционных источников энергии, как солнечные батареи, генераторы использующие энергию ветра, термохимические генераторы.

Таким образом, значительное число потребителей электроэнергии большой мощности подключается к промышленной сети через вентильные преобразователи различных типов.

Размещено на Allbest.ru