Зависимый преобразователь переменного напряжения в постоянное

3.2.1 Определение исходных данных

Выбор или расчёт согласующего трансформатора произведем, опираясь на данные технического задания. Явно заданы: число фаз m и напряжение питающей сети. Линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора, а также токи в обмотках и типовая мощность могут быть найдены из остальных имеющихся данных.

Линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора может быть вполне точно найдено из условия получения максимального выпрямленного напряжения на выходе преобразователя, при минимальном напряжении сети, что описывается следующим выражением:

где, прямое падение напряжение при номинальном токе

- падение напряжения на индуктивности трансформатора, примем

- , число пульсаций за период для данной схемы

- диапазон изменения входного напряжения

- минимальный угол управления, примем

Типовая мощность трансформатора в трёхфазной мостовой схеме определяется как:

Кроме того, необходимо предусмотреть запас мощности на подмагничивание сердечника трансформатора, а также общий запас по мощности. По этому принимаем:

Очевидно, трансформатор необходимо рассчитать. В рамках данного курсового проекта ограничимся лишь электромагнитным расчётом трансформатора.

Окончательно формируем исходные данные:

- Линейное напряжение обмотки ВН:

- Линейное напряжение обмотки НН:

- Типовая мощность:

- Частота питающей сети:

- Напряжение короткого замыкания (% от номинального):

- Ток холостого хода (% от номинального):

- Потери холостого хода:

- Потери короткого замыкания:

- Число фаз:

3.2.2 Электромагнитный расчет трансформатора

Коэффициент трансформации

Мощность на один стержень:

Токи в обмотках ВН и НН:

Активная составляющая , %:

Реактивная составляющая , %:

Определим диаметр стержня трансформатора:

Справочные данные:

- Коэффициент Роговского (приведения идеального поля рассеяния к реальному):

- Коэффициент для определения ширины приведенного канала рассеяния:

- Ширина осевого канала между обмотками ВН и НН, определяется для данного класса напряжения обмотки ВН :

Определяем ширину приведённого канала рассеяния:

- Коэффициент, определяющий соотношение основных размеров: - стандартное значение для серий ТСП/ТСПЗ

- Рекомендуемое значение индукции в сердечнике трансформатора:

- Коэффициент заполнения сталью сердечника трансформатора: - стандартное значение для серий ТСП/ТСПЗ.

Определяем диаметр стержня трансформатора:

Примем ближайшее стандартное значение:

Активное сечение стали стержня:

Определим ЭДС витка:

Средний диаметр витка обмоток ВН и НН:

где, , коэффициент, связывающий и средний диаметр витка обмоток ВН и НН .

Высота обмотки:

Расчёт обмотки НН:

Число витков на одну фазу обмотки НН:

Уточняем значение ЭДС витка обмотки НН:

Уточняем значение индукции в стержне:

Ориентировочная плотность тока в обмотке НН:

- , коэффициент, учитывающий добавочные потери.

Ориентировочное сечение витка обмотки НН:

Число витков в слое:

Выбираем двухслойную цилиндрическую обмотку.

Ориентировочная высота витка:

Выбираем провод ПСДК - намотка на ребро, левая.

Сечение витка:

Плотность тока:

Высота витка:

Осевой размер обмотки:

Радиальный размер обмотки:

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Определим приблизительную длину провода обмотки НН:

Радиус первого слоя:

Радиус второго слоя:

Длина обмотки:

Масса меди обмотки НН:

где, , число фаз обмотки

, плотность меди.

Расчёт обмотки ВН:

Число витков на одну фазу обмотки ВН:

Ориентировочная плотность тока в обмотке ВН:

Ориентировочное сечение витка обмотки ВН:

Суммарный радиальный размер проводов обмотки ВН для данного сечения:

где, , ориентировочная высота обмотки (по п.п. 3.2.2.10)

- , коэффициент, учитывающий изоляцию проводов в осевом направлении.

Выбираем провод ПСДК - число параллельных проводов

Полное сечение витка:

Число витков в слое:

Число слоёв в многослойной цилиндрической обмотке:

Класс напряжения обмотки ВН - до 1000В, толщина межслойной изоляции

Радиальный размер обмотки:

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Определим приблизительную длину провода обмотки ВН:

Радиус первого слоя:

Длина обмотки:

Масса меди обмотки ВН:

3.3 Расчёт параметров выходного фильтра

Как было упомянуто, выходной фильтр используется для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для сглаживания его пульсации. Эффективность фильтра обычно оценивается коэффициентом сглаживания основной гармоники:

По данной величине определяют параметры выходного фильтра. Параметры для Г-образного LC фильтра рассчитываются по выражениям:

Где,

- , количество пульсаций за период

- , максимальное сопротивление нагрузки

- , частота основной гармоники

Приближённо примем

Рассчитаем ёмкость (в микрофарадах) фильтра по упрощённой формуле:

Приближённо примем

3.4 Выбор автоматических выключателей и расчёт RC цепочек

3.4.1 Выбор автоматических выключателей

Как было сказано выше, для подключения преобразователя к сети и нагрузки к преобразователю, а так же для защиты от токов короткого замыкания в случае аварии необходимо установить соответствующие автоматические выключатели со стороны переменного и постоянного тока. Выбор производим на основании известных параметров:

- Номинального тока первичной обмотки согласующего трансформатора

- Максимального выпрямленного тока

По каталогу выбираем следующие выключатели:

На сторону переменного тока, A3726БР с номинальным током расцепителя. Характеристики данного автоматического выключателя:

Выключатель автоматический,, рассчитан на переменный ток частотой 50Гц и напряжением до 400В и постоянный ток напряжением до 440В, регистровский (морской).

- Число полюсов: 3

- Тип расцепителя: термобиметаллический

- Ток уставки расцепителя:

- Время срабатывания:, в зависимости от условий эксплуатации (при вибрации возрастает).

На сторону постоянного тока, A3736БР с номинальным током расцепителя

. Выключатель автоматический,, рассчитан на переменный ток частотой 50Гц и напряжением до 400В и постоянный ток напряжением до 440В, регистровский (морской).

Характеристики данного автоматического выключателя:

- Число полюсов: 3

- Тип расцепителя: электромагнитный

- минимальный: ток уставки расцепителя

Время срабатывания:

3.4.2 Расчёт RC цепочек

Для защиты вентилей от перенапряжения параллельно к ним включаются последовательные RC цепочки. Данный вид защиты позволяет избежать электрического пробоя вентилей при коммутациях и кратковременных скачках напряжения сети. Опорными параметрами для расчёта цепочки являются максимальный прямой ток и максимальное обратное напряжение на вентиле.

Рис. 4 Схема демпфирующей RC цепочки

Определим значение ёмкости конденсатора:

где, демпфирующая ёмкость

- максимальное значение обратного тока вентиля (п.п. 3.1)

- максимальное значение прямого тока вентиля (п.п. 3.1)

- максимальное значение обратного напряжения вентиля (п.п. 3.1)

- напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах.

Демпфирующее сопротивление RC цепочки определяем как:

3.5 Система охлаждения вентилей

Для выбранного типа тиристоров Т-151-100-6 в справочной литературе рекомендуется принудительное воздушное охлаждение со скоростью охлаждающего воздуха , тип охладителя - шестирёберный.

4. Проектирование системы импульсно-фазового управления

4.1 Разработка структурной схемы системы импульсно-фазового управления

4.1.1 Задачи СИФУ и выбор принципа её построения

В управляемом выпрямителе СИФУ обеспечивает плавное изменение напряжения на выходе преобразователя путём изменения величины угла отпирания вентилей. От правильной работы системы зависит как качество выпрямленного напряжения, так и надёжность всего преобразователя в целом. Несмотря на широкое разнообразие схемно-структурных решений СИФУ, которые варьируются в зависимости от типа преобразователя и области применения, функции системы могут быть сведены к решению двух основных задач:

- Точное определение моментов времени, в которые должны быть включены те или иные вентили. Эти моменты времени однозначно задаются управляющим сигналом, который поступает на вход СИФУ и, в конечном счёте, определяет значения выходных параметров преобразователя.

- Формирование управляющих импульсов, передаваемых в требуемые моменты времени на управляющие электроды вентилей, и имеющих требуемые параметры (напряжение, ток, мощность, длительность, форму) для обеспечения надёжного отпирания оных вне зависимости от величины угла управления.

Первая задача по своей сути сводится к преобразованию управляющего сигнала (напряжение, ток или цифровой код) во временной интервал. Для зависимого (ведомого сетью) выпрямителя эта информационная задача может быть сведена к определению необходимого угла управления б, т.е. фазового сдвига управляющего импульса относительно момента естественной коммутации вентилей. Такая задача может быть просто решена при помощи Фазосдвигающего устройства (ФСУ).

Вторая задача решается выбором и расчётом соответствующих параметров выходных формирователей (ВФ).

Важной задачей при проектировании СИФУ является определение оптимального принципа её построения. В данной классификации системы разделяют на одноканальные и многоканальные. Первые используют одно ФСУ для всех вентилей, вторые содержат число ФСУ, равное фазности преобразователя.

Многоканальные СИФУ имеют серьёзные недостатки, связанные с возможной несимметрией каналов управления, а следовательно и подачей УИ, что приводит к резкому ухудшению качества выпрямленного напряжения. Для надёжной работы данные системы требуют очень точной настройки. Но при наличии оной данные СИФУ могут обеспечить качественную работу выпрямителя в условиях несимметрии питающего напряжения.

Учитывая заданный в ТЗ ПТЭП “Экономичность и надежность” и анализируя возможные условия применения преобразователя относительно качества ЭЭ в питающей сети, можно сделать вывод, что одноканальная СИФУ в нашем случае наиболее предпочтительна.

Также наиболее рационально будет применить цифровой метод преобразования в проектируемой СИФУ. Это обусловлено прежде всего высокой стабильностью, надёжностью и точностью цифровых устройств, а также их относительно невысокой стоимостью. Также цифровые системы не требуют сложной настройки по режимам работы элементов и практически лишены погрешностей, связанных с дрейфом характеристик элементов. Более того, в условиях полномасштабного внедрения компьютерных технологий в управлении промышленными процессами, такая система может быть сопряжена с различными типами ЭВМ намного проще, нежели аналоговая СИФУ. Отметим также, что в настоящее время управление преобразовательными установками зачастую осуществляется системами, построенными на базе специализированных микроконтроллеров и микро ЭВМ. Такие системы управления обладают широчайшими возможностями в контроле, индикации, диагностики и программном управлении. В рамках данного курсового проекта будет использована более простая цифровая одноканальная СИФУ, построенная на базе отечественных микроэлектронных компонентов.

4.1.2 Требования к СИФУ

Сформулируем требования к системе управления. Для этого определим необходимый диапазон регулирования:

Расчет минимальных углов управления при ДUвх=(-10ч+10)%:

arc

Расчет максимальных углов управления при ДUвх=(-10ч+10)%

Таким образом полный диапазон изменения угла регулирования при сохранении в заданном диапазоне (300-120)В составит

4.1.3 Обобщенная структурная схема системы управления

ГВЧ - генератор импульсов высокой частоты

ФСУ - фазосдвигающее устройство

УС - устройство синхронизации

С - счётчик

К - компаратор

ФИ - формирователь импульсов

РИ - распределяющее устройство

УИ - усилитель импульсов

4.1.4 Работа схемы системы управления

Работа системы управления. Устройство синхронизации УС формирует синхронизирующие импульсы в момент времени равенства двух фазных напряжений. Генератор импульсов высокой частоты ГВЧ формирует импульсы с частотой в 28 =256 раз большей, чем частота синхроимпульсов. Эти импульсы подаются на счетчик С, где производится их подсчет. На выходе счетчика формируется 8-разрядный двоичный код, изменяющийся от 0 до 255. Компаратор К сравнивает этот код с кодом управления Nу. В момент совладения двух кодов на выходе компаратора формируется короткий импульс. Этот импульс запускает формирователь импульсов ФИ, который в свою очередь вырабатывает импульс длительностью 50 мкс, достаточный для отпирания тиристора. Для того чтобы каждый тиристор открывался в нужное время, используется распределитель импульсов РИ, также управляемый устройством синхронизации. Усилители импульсов УИ усиливают управляющие импульсы до мощности необходимой для надежного отпирания тиристоров.

4.1.5 Разработка принципиальной схемы системы управления

Принципиальная схема системы управления реализована на цифровых микросхемах ТТЛ серии 155 и 555, а также операционных усилителях К140 УД8А. транзисторах КТ315Б и КТ815А.

Генератор импульсов высокой частоты собран на логических элементах И-НЕ DD1.1, DD1.2, DD1.3 микросхемы К155ЛАЗ.

Восьмиразрядный счетчик составлен из двух четырехразрядных счетчиков DD4, DD5 на микросхеме К155ИЕ7 включенных последовательно. По такому же принципу из двух четырехразрядных компараторов DD6, DD7 на К555СП1 составлен восьмиразрядный компаратор. На второй вход компаратора подается код управления Nу. который может быть создан с помощью восьми переключателей, на первый вход подается входной код от счетчиков. В качестве формирователя импульсов используется одновибратор К155АГЗ (DD3.2).

Устройство синхронизации собрано на операцонных усилителях DA1-DA3 К140УД8А и одновибраторах DD2.1, DD2.2, DD2.3 типа К155АГЗ. Операционные усилители используются в данной схеме как аналоговые компараторы. Например операционный усилитель DA1 сравнивает фазные напряжения UA и UC. Когда UA > UC напряжение на его выходе положительное, когда UA < UC - отрицательное. Стабилитрон VD1 КС139А ограничивает выходное напряжение операционного усилителя до уровня, допустимого для входов ТТЛ -- микросхем. Положительный перепад этого напряжения соответствует углу управления б =0 для тиристора VS1. В этот момент одновибратор DD2.1 формирует синхроимпульс длительностью 1 мкc для тиристора VS1. Аналогично два других одновибратора формируют синхроимпульсы для тиристоров VS3 и VS5. Полученные импульсы складываются элементом ИЛИ-НЕ DD8.1 и через инвертор DD1.4 идут на вход сброса восьмиразрядного счетчика. Кроме того импульсы на входах одновибраторов запоминаются в регистре DD10 и затем используются для работы распределителя импульсов.

Распределитель импульсов собран на логических элементах И DD9.2, DD9.3, DD9.4. С его выхода импульсы через усилители импульсов, собранные на транзисторах VT1 VT6 и импульсные трансформаторы Т1 - ТЗ поступают на управляющие электроды тиристоров.

Работа устройства может быть изучена по временным диаграммам показанным на рис. и принципиальной схеме системы управления представленной на рис.

Расчет генератора импульсов высокой частоты (ГВЧ).

Частота импульсов генератора:

Частота генерации схемы, собранной на элементах DD1.1 - DD1.3 определяется как

отсюда,

где, R16=560 Ом

Расчет и выбор устройства синхронизации.

Максимальная амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Делитель напряжения R1,R2 рассчитаем так, чтобы амплитуда напряжения на входе DA1 не превышала половины дифференциального напряжения Uдиф max=6(В)

Условия выбора элементов делителя:

, откуда

где, R2=100(кОм)

Конденсатор выбираем из условия Xc<<R1+R2, при этом погрешность не должна превышать 0,5 эл.град.:

где, , откуда

Цепочка С2, R3,R4 подобна C1,R1,R2, поэтому:

С1=С2=0,0328 (мкФ)

R1=R3=11 (Moм)

R2=R4=100 (кОм)

Стабилитрон VD1 должен ограничивать выходное напряжение DA1 до уровня логической единицы. Для микросхем ТТЛ напряжение высокого уровня должно быть не менее 2,4В и не более 5,5В. Этим условиям удовлетворяет стабилитрон КС139А:

Ucт=3,9 (В), Icт=5 (мА)

Напряжение на резисторе R5:

UR5=UвыхDA1 - Uст = 10-3,9=6,1 (В)

где, UвыхDA1 =10 (В) - максимальное выходное напряжение ОУ.

Откуда, R5=1.2 (кОм)

Для длины импульса, формируемого микросхемой DD2.1 равной 1мкс, выбираем номиналы времязадающей цепи:

C8=240 (пФ), R29=10 (кОм)

Для гальванической развязки СУ с сетью выпрямителя используем согласующий трансформатор с Ктр=1.

Выбор элементов формирователя импульсов

Длина импульсов управления тиристорами принимаем ry=50мкс.

Для микросхемы К155АГ3 длина импульса при С>1000 (пФ):

, откуда

где, R27=100(кОм)

Расчет и выбор элементов усилителей мощности импульсов.

Поскольку все усилители мощности импульсов одинаковы, то будет целесообразно рассчитать только один из них, собранный на транзисторах VT1 и VT2 - управляющий тиристором VS1.

Ток коллектора в открытом состоянии равен току управления тиристора:

IkVT2=Iy=150 (мА), а напряжение

Uкэ=Uпит=15 (В)

Исходя из этих данных выбираем n-p-n транзистор КТ815А с параметрами:

Ik max = 0.15 (A)

Uкэ max = 25 (В)

Uкэ нас = 0,6 (В)

h21 э = 40

Uбэ = 5 (В)

Pк max = 10 (Вт)

Ток базы VT2:

В качестве VT1 выбираем высокочастотный маломощный транзистор КТ315Б:

Ik max = 0.1 (A)

Uкэ max = 25 (В)

Uкэ нас = 0.4 (В)

h21 э = 100

Uбэ = 6 (В)

Ток через резистор R28 примем IR28=200(мкА), UR28=3.8 (B), откуда

Ток через резистор R29:

IR29=IR28-IбVT1=200-20=180 (мкА), откуда

Напряжение импульса на вторичной обмотке импульсного трансформатора Т1:

где, k=1 - коэф. передачи импульсного трансформатора

UR37=U2T1-UyVS1=14.4-12=2.4 (B), откуда

Применим в качестве резистора R37, резистор типа МЛТ-1.

Ограничительные резисторы R23,R24,R25 примем МЛТ-0,125-3кОм

Резисторы R17,R18,R19,R26,R40 примем типа МЛТ-0,125-1,5кОм

Диоды VD4,VD5,VD6 Uобр=15(В) выберем марки ГД107А

Токи потребляемые схемой:

- напряжение +15В:

- напряжение -15В:

Токи потребляемые микросхемами:

IDD1=IDD9=22 (мА)

IDD2=IDD3=66 (мА)

IDD4=IDD5=102 (мА)

IDD6=IDD7=20 (мА)

IDD8=26 (мА)

IDD10=63 (мА)

I5=509 (мА)

Потребляемые мощности:

Общая мощность потребляемая схемой:

P=P+15 + P-15 + P5=7.305+0.225+2.545=10.075 (Вт)

4.1.6 Разработка источника вторичного электропитания

Требования к ИВЭП следующие:

- Напряжения на выходе, В: +5, -5, +15, -15.

- Нестабильность напряжения на выходе 5%.

- Примерная мощность по всей СИФУ:

Для получения стабилизированного питания +5, +15 и -15 В используем соответствующие микросхемы стабилизаторов: КР142ЕН5А, КР142ЕН8Б и КР142ЕН9Б. Стабилизированное питание -5,2 в снимем при помощи стабилитрона КС451А. Для понижения напряжения сети и выдачи применим трансформатор ТС-25А 220/27 В, с расслоённой на 4 части вторичной обмоткой. Выпрямительные мосты - моноблочные сборки КЦ405А. Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения перед стабилизаторами поставим фильтрующие ёмкости С=1000 мкФ

Список использованной литературы

1 Отечественные полупроводниковые приборы. Справочное пособие.- М.: Солон Р, 2000.

2 Ковалёв Ф.И., Мосткова Г.П. Полупроводниковые выпрямители. - М.: Энергия, 1978.

3 Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. - М.: Энергия, 1979.

4 Анисимов Я.Ф. Судовая силовая полупроводниковая техника. - Л.: Судостроение, 1979.

5 Черепанов В.П., Хрулёв А.К. Тиристоры и их зарубежные аналоги. _ М.: РадиоСофт, 2002.

6 Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М.. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш.школа, 1980.

7 Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М. Чиженко. К., «Техника», 1978.

Размещено на Allbest.ru