Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Силовая преобразовательная техника»

на тему: «РЕВЕРСИВНЫЙ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

Исполнитель: студент гр. ЭП-31

Кулешов С.В.

Руководитель: доцент к.т.н.

Погуляев М.Н.

Гомель, 2011

Оглавление

Введение

1. Выбор силовой схемы преобразователя

2. Расчет и выбор элементов силовой схемы

2.1 Трансформатора (токоограничивающих реакторов)

2.2 Тиристоров

2.3 Уравнительных реакторов

2.4 Сглаживающих дросселей

2.5 Силовой коммутационно-защитной аппаратуры

3. Выбор структуры и основных узлов системы управления тиристорным преобразователем

4. Расчет и выбор основных элементов системы импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразователя

4.1 Генератора опорного напряжения

4.2 Нуль-органа

4.3 Генератора и усилителя импульсов и др.

5. Расчет и выбор элементов задатчика интенсивности

6. Разработка схемы электронной защиты ТП. Расчет и выбор элементов схемы

7. Расчет и построение регулировочной характеристики внешних характеристик ТП

8. Расчет энергетических показателей

8.1 Полной, активной и реактивной мощностей

8.2 Мощности искажений

8.3 КПД и коэффициента мощности

9. Построение графиков выходного напряжения при указанном напряжении задания

Литература

Исходные данные к курсовому проекту

Тип и параметры двигателя постоянного тока

№ варианта	Тип двигателя	PН, кВт	UН, В	IГР/ IДН	UЗАД., В	TПУСК., c	Вид защиты
10	2ПН132М	10,5	440	0,08	-7,0	13	1

Тип и параметры двигателя постоянного тока (таблица 1). Недостающие параметры берутся из [15].

Ширина зоны прерывистого тока Iгр/Idн.

Вид управления группами тиристоров: совместное, согласованное.

Вид опорного напряжения: косинусоидальное.

Напряжение задания от -10В до +10В.

Время запуска tn.

Максимально-допустимый ток в нагрузке Imax =2,5Iном.

Вид разрабатываемой электронной защиты: пропадание одной их фаз генератора опорного напряжения.

Напряжение трехфазной питающей сети - 380В (линейное).

Введение

Электропривод на основе двигателей постоянного тока используется в различных отраслях промышленности - металлургии, машиностроении, химической, угольной, деревообрабатывающей и др. Развитие электропривода направлено на создание высокопроизводительных машин с высокой степенью автоматизации.

Регулирование скорости двигателей постоянного тока занимает важное место в автоматизированном электроприводе. Применение с этой целью тиристорных преобразователей является одним из самых современных путей создания регулируемого электропривода постоянного тока.

важным элементом при регулировании скорости двигателя является реверс, - изменение направления вращения, для осуществления которого используется реверсивный тиристорный преобразователь.

В данном курсовом проекте требуется разработать следующие элементы реверсивного тиристорного преобразователя:

- силовую схему тиристорного преобразователя;

- систему управления тиристорным преобразователем;

- задатчик интенсивности;

- схему электронной защиты.

Также требуется произвести расчет энергетических показателей, построить регулировочную и внешние характеристики тиристорного преобразователя и произвести построение графиков выходного напряжения при заданном напряжении задания.

1. Выбор силовой схемы реверсивного тиристорного
преобразователя

В зависимости от мощности и назначения электропривода могут применяться различные силовой схемы реверсивных тиристорных преобразователей [1,4]. Нужно стремится к применению наиболее простых схем, содержащих минимальное количество вентилей. Однако упрощение схемы обычно приводит к ухудшению ее технических показателей. Поэтому при проектировании обычно принимается компромиссное решение, основанное на технико-экономическом сравнении вариантов.

Все реверсивные преобразователи делятся на два класса: однокомплектные и двухкомплектные. В настоящее время наиболее распространенными являются двухкомплектные тиристорные преобразователи, выполненные по встречно-параллельной или перекрестной схемам соединения вентильных групп. Вентили в группах могут соединяться по нулевой или мостовой схемам.

В данном курсовом проекте рекомендуется использовать трехфазную мостовую схему соединения вентилей в группах тиристорного преобразователя так как она обладает следующими преимуществами над нулевой:

-при одинаковой фазной ЭДС среднее значение выпрямленного напряжения в мостовой схеме в два раза больше;

-частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза выше (300 против 150 Гц), а амплитуда пульсаций меньше.

-при одинаковой мощности нагрузки типовая мощность трансформатора меньше, чем для нулевой;

-индуктивность в цепи переменного тока в мостовой схеме в два раза больше;

-данная схема дает большой диапазон регулирования скорости.



Рис. 1.1. Электрическая схема трехфазного реверсивного мостового тП со встречно-параллельным соединением вентильных групп

реверсивный тиристорный преобразователь

Вентильные группы, входящие в схему реверсивного выпрямителя могут, как указывалось выше, соединяться двумя способами: по перекрестной или встречно-параллельным схемам [4]. Схемы отличаются количеством вторичных обмоток силового трансформатора. Из-за простой конструкции трансформатора в схеме со встречно-параллельным соединением следует ей отдавать предпочтение. силовая схема трехфазного мостового реверсивного преобразователя с устройствами коммутации и защиты представлена на рис. 1.1.

По заданию, в курсовом проекте управление вентильными группами - совместное согласованное. для ограничения возникающих при этом уравнительных токов используются два ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2.

2. Расчет и выбор элементов силовой схемы преобразователя

2.1 Расчет и выбор трансформатора

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям тока I2ф, напряжению U2ф, и типовой мощности Sт. Напряжение первичной обмотки U1ф должно соответствовать напряжению питающей сети.

Расчетное значение напряжения U2ф.расч вторичной обмотки трансформатора, имеющего ТП с нагрузкой в режиме непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой

, (2.1)

где ku=0,427 - коэффициент, характеризующий отношение напряжений U2ф/Ud0 в идеальном трехфазном мостовом выпрямителе;

kc=1,1 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

k=1,1 - коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

kR=1,05 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и за счет перекрытия анодов;

Ud - номинальное напряжение двигателя, Ud= Uн.

Расчетное значение тока вторичной обмотки

, (2.2)

где kI=0,815 - коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I2ф/Id в идеальной схеме;

ki=1,1 - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

Idн - значение номинального тока двигателя.

, (2.3)

где - номинальная мощность электродвигателя;

- КПД электродвигателя;

- номинальное напряжение электродвигателя.

Рассчитываем (предварительно) действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

, (2.4)

где - расчетный коэффициент трансформации трансформатора.

, (2.5)

где - фазное напряжение первичной обмотки трансформатора, =220 В;

- схемный коэффициент первичного тока. принимаем =0,815 [1, табл. 2.1].

Находим мощность первичной обмотки трансформатора

, (2.6)

где -число фаз первичной обмотки, =3.

Находим мощность вторичной обмотки трансформатора

, (2.7)

где -число фаз вторичной обмотки трансформатора, =3;

-действующее значение вторичного тока трансформатора, по форм.(2.2);

-фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, ориентировочно принимаем =.

Находим типовую мощность трансформатора по формуле

, (2.8)

Трансформатор выбираем из условий:

- номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть близким к значению U2ф.расч: 0.95U2ф.расч U2фн 1.2U2ф.расч;

- ток вторичной обмотки трансформатора должно быть больше или равен I2.расч: I2н I2.расч.

-номинальная мощность трансформатора должна быть больше или равна типовой: Sн SТ.

трансформатор выбираем по [2, табл.8.5].

Параметры выбранного трансформатора сводим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Наименование	Обозначение	Величина
Номинальная мощность, кВА	Sн
Напряжение вентильной обмотки(линейное), В	U2н
Ток вентильной обмотки, А	I2н
Напряжение сетевой обмотки(линейное), В	U1н
Мощность холостого хода, Вт	Pхх
Мощность короткого замыкания, Вт	Pкз
Напряжение короткого замыкания, %	Uкз
Ток холостого хода, %	Iхх

Рассчитываем действительный коэффициент трансформации выбранного трансформатора

. (2.9)

действительные значения рабочих токов первичной и вторичной обмоток

I2 = I2расч,

. (2.10)

2.2 Расчет и выбор тиристоров

Тиристоры выбираются по среднему значению тока, протекающему через них и величине обратного напряжения.

При этом должен быть обеспечен достаточный запас по току и напряжению.

Среднее значение тока тиристора

, (2.11)

где kзi=2,5 - коэффициент запаса по току;

kох - коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении kох=0,35;

- коэффициент, принимаем по [1, табл.1.9], =0,333.

Максимальная величина обратного напряжения

, (2.12)

где kзU=1,8 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы Uобр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

kUобр - коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений Ubmax/Ud0, для мостовой схемы выпрямления kUобр=1,045;

Ud0 - наибольшая величина выпрямленного напряжения преобразователя (среднее значение за период). Для трехфазной мостовой схемы выпрямления Ud0=2.34U2фн

Условия выбора тиристоров :

- Максимальный средний ток тиристоров открытом состоянии должен быть больше или равен значению , Iос.ср.max Iа;

- Повторяющееся обратное напряжение тиристора должно быть

больше или равно значению , Uобр.п .

Из справочника [3] выбираем марку тиристоров (низкочастотных).

Параметры выбранных тиристоров сводим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Наименование	Обозначение	Величина
Максимальный средний ток в открытом состоянии, А	Iос.ср.max
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В	Uобр.п
Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии, А	Iос.удр
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/мкс	(duзc/dt)кр
Ток удержания, мА	Iуд
Импульсное напряжение в открытом состоянии, В	Uос,и
Отпирающий постоянный ток управления, мА	Iупр
Время включения, мкс	tвкл
Время выключения, мкс	tвыкл
Отпирающее постоянное напряжение, В	Uупр

2.3 Расчет и выбор уравнительных реакторов

В мостовом преобразователе с совместным управлением присутствуют уравнительные токи.

Для уменьшения уравнительных токов в схему вводят 4 насыщающихся или 2 ненасыщающихся уравнительных реактора.

Принимаем для расчета схему с двумя ненасыщающимися уравнительными реакторами.

Определяем индуктивность уравнительных реакторов по формуле [4, стр.133]

, (2.13)

где - коэффициент действующего значения уравнительного тока,

принимаем по [4, стр.1-158] =0,62;

-амплитуда фазного напряжения, ,

где - круговая частота сети, =314 ;

- действующее значение уравнительного тока,

. (2.14)

для схемы выбираем 2 ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2 с рассчитанной индуктивностью.

2.4 Расчет и выбор сглаживающих дросселей

Пульсации выпрямленного напряжения приводят к пульсациям выпрямленного тока, которые ухудшают коммутацию электродвигателя и увеличивают его нагрев.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие дроссели.

Определяем индуктивность сглаживающего дросселя по формуле [4, стр. 132]

, (2.15)

где, k- кратность гармоники, так как в симметричной мостовой схеме наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, то принимаем =1;

p- количество пульсаций, принимаем по [1,табл. 2.1], p =6;

p(1)%- допустимое действующее значение основной гармоники

тока, принимаем p(1)%- =8%;

-амплитудное значение гармонической составляющей выпрямленного напряжения, определяем по [4,стр.131]:

, (2.16)

где - угол управления тиристорами, =30;

Ud0- максимальное значение выпрямленного напряжения, Ud0-=2.34 U2фн;

-круговая частота сети;

Idн- номинальный выпрямленный ток преобразователя.

Так как индуктивность выбранного уравнительного реактора больше индуктивность сглаживающего дросселя ( > ), то отказываемся от установки последнего в силовую цепь преобразователя.

Уравнительного реактора будет достаточно для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

2.5 Расчет и выбор силовой коммутационной и защитной аппаратуры

Расчет и выбор R-C цепочек

Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения используем R-C цепочки, которые включаем параллельно каждому тиристору.

Используя стандартный ряд сопротивлений выбираем резистор R с сопротивлением в пределах 18…51Ом.

Из уравнения [5, стр.81]

, (2.17)

где Uуст- установившееся напряжение на тиристоре, Uуст = 2 U2л;

-максимально допустимая критическая скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре (из табл. 2.2), находим постоянную времени и значение емкости . Используя стандартный ряд емкостей выбираем емкость конденсатора

Расчет и выбор предохранителей

Для защиты тиристорного преобразователя от внутренних коротких замыканий во вторичную обмотку трансформатора поставим предохранители.

Находим амплитудное значение базового тока короткого замыкания по формуле

I2кm , (2.18)

где - амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки

трансформатора;

-индуктивное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке

трансформатора;

-активное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора.

Находим полное, активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки трансформатора [4, стр.105]:

, (2.19)

где -напряжение короткого замыкания, из табл. 2.1

-линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

Активное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

, (2.20)

где -мощность короткого замыкания, из табл. 2.1;

-ток вентильной обмотки.

Индуктивное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

, (2.21)

где -полное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке.

Для нахождения ударного тока внутреннего короткого замыкания определяем коэффициент k1 по [4, рис.1-129а] в зависимости от ctgк

.

ударный ток внутреннего короткого замыкания

I2кm.

Выбираем плавкий предохранитель, исходя из условий:

- номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать напряжению цепи, в которой он установлен;

-номинальный ток предохранителя должен быть больше максимального рабочего тока, протекающего через него;

-номинальный ток плавкой вставки должен быть больше или равен максимальному рабочему току, протекающего через него.

проверка предохранителя на срабатывание при коротком замыкании

3Iплювст < .

параметры выбранного предохранителя необходимо свести в таблицу (см. п. 2.5.3.).

Расчет и выбор автоматического выключателя

Для защиты тиристорного преобразователя от внешних коротких замыканий в первичную обмотку трансформатора устанавливают автоматический выключатель.

Для вычисления ударного тока внешнего короткого замыкания

определяем коэффициент k2 по [4, рис.1-127а] в зависимости от ctgк:

.

ударный ток внешнего короткого замыкания:

I2кm.

автоматический выключатель выбирают из условий:

-номинальный ток автомата должен быть больше рабочего тока первичной обмотки трансформатора

I1 =;

-номинальное напряжение автомата должно быть больше или равно сетевому напряжения;

-число полюсов было равно числу фаз питающей сети;

-номинальный ток теплового расцепителя должен быть больше рабочего тока I1;

-номинальный ток электромагнитного расцепителя должен быть больше рабочего тока I1;

-ток срабатывания электромагнитного расцепителя должен быть меньше действующего значения ударного тока внешнего короткого замыкания протекающего через выключатель ;

-ток термической устойчивости должен быть больше тока внешнего короткого замыкания ;

Выписываем параметры выбранного автоматического выключателя в таблицу

Тип автоматического выключателя
Номинальный ток автомата, А.
Номинальное напряжение, В.
Число полюсов.
Номинальный ток теплового расцепителя, А.
Номинальный ток электромагнитного расцепителя, А
ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А.
Ток термической устойчивости, А.

3. Выбор структуры и основных узлов системы управления тиристорным преобразователем

Система управления преобразовательным устройством предназначена для формирования и генерирования управляющих импульсов определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи на управляющие электроды вентилей преобразователя. В настоящее время широкое распространение получили электронные (полупроводниковые) системы управления вентильными преобразователями, так как они имеют ряд преимуществ перед электромагнитными системами: высокое быстродействие, надежность, малая потребляемая мощность и малые габариты.

Системы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать, называют импульсно-фазовыми.

Системы управления выполняют по синхронному и асинхронному принципам.

Синхронный принцип импульсно-фазового управления преобразователями является наиболее распространенным. Его характеризует такая функциональная связь узлов СУ, предназначенных для получения управляющих импульсов, при которой синхронизация управляющих импульсов осуществляется напряжением сети переменного тока.

Асинхронные системы управления преобразователями применяются при существенных искажениях напряжения питающей сети, в частности при значительной несимметрии трехфазных напряжений по величине и фазе. Использование в таких условиях синхронной системы невозможно ввиду получающейся недопустимой асимметрии в углах по каналам управления тиристорами. Наиболее распространены асинхронные СУ в преобразователях, потребляющих мощность, соизмеримую с мощностью питающей сети. В данном проекте необходимо использовать синхронную систему управления.

Существуют системы управления, построенные по горизонтальному и вертикальному принципу. Горизонтальное управление не нашло широкого распространения, так как мостовые фазовращатели критичны к форме и частоте подаваемого напряжения. Из-за этого выбираем систему управления, построенную по вертикальному принципу.

Функциональная схема СИФУ изображена на рис 3.1 и содержит:

ИСН - источник синхронизирующего напряжения ( трехфазный

трансформатор);

ГОН - генератор опорного напряжения;

НО1, НО2 - нуль-органы;

УИ - усилитель импульсов;

ВУ - выходное устройство;

ФИ - формирователь импульсов;

УО - управляющий орган.

Рис. 3.1. Функциональная схема СИФУ

4. Расчет и выбор основных элементов системы импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразователя

для расчета основных элементов системы импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразователя вначале требуется выбрать тип цифровых и аналоговых микросхем. Рекомендуемые серии цифровых микросхем К561, К555 или К155.

В качестве аналоговых можно использовать следующие типы микросхем: к157УД2 (содержит 2 ОУ), К140УД7, К140УД8, К544УД2А(Б), К574УД2А,(Б) (содержит 2 ОУ). После выбора цифровых и аналоговых микросхем необходимо выписать их основные параметры и определить допустимые минимальные и максимальные значения сопротивлений, подключаемых к входам и выходам микросхем.

4.1 Расчет и выбор генератора опорного напряжения

Для работы СИФУ используется косинусоидальное или линейное пилообразное опорное напряжение, максимальное значение которого должно находиться в точках естественной коммутации вентилей.

Для примера рассмотрим генератор опорного косинусоидального напряжения (рис 4.1). Он состоит из трансформатора синхронизации, действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки U2m которого выбирают в пределах 12…18 В, и инвертирующего усилителя (на основе операционного усилителя).

Чтобы максимальное значение опорного напряжения находилось в точках естественной коммутации вентилей, берем напряжение последующей фазы трансформатора синхронизации и инвертируем его с помощь инвертирующего усилителя. Этим достигается нужный сдвиг косинусоиды на 60.



Рис 4.1. Электрическая схема генератора опорного напряжения

Выбираем R3 = R4 =10…15 кОм, тогда коэффициент передачи усилителя на ОУ будет равен единице.

Амплитудное значение опорного напряжения на входе инвертора должно быть Uопт=(1.1 … 1.2)Uзад max. Для этого на входе инвертора ставим делитель напряжения (R1, R2). Тогда коэффициент передачи делителя напряжения:

.

Так как делитель напряжения является источником по отношению к инвертирующему усилителю, то должно выполняться условие R1+R2<<R3

Принимаем значение R2 в пределах 820 Ом…1.0 кОм и из соотношения

получаем

из стандартного ряда выбираем значение.

4.2 Расчет и выбор нуль-органа

С помощью нуль-органа опорное напряжение генератора сравнивается с управляющим напряжением Uупр преобразователя. Когда опорное напряжение в (процессе его увеличения или уменьшения) достигает напряжения Uупр на выходе нуль-органа возникает импульс, который поступает на формирователь отпирающих импульсов.

Принципиальная электрическая схема нуль-органа представлена на рис 4.2.

Рис.4.2. Электрическая схема нуль-органа

Выбираем R5=R6=10…15кОм. Амплитудное значение опорного напряжения равно 12В, а максимальное напряжение управления равно 10В. максимальное значение их разности составляет 22В, что превышает максимально допустимое значение входного напряжения ОУ. Поэтому для защиты ОУ ставим два диода, включенных встречно-параллельно. Выбор диодов производим по прямому току и по максимальной величине обратного напряжения с коэффициентом запаса равным 2.

Выбираем по [8] тип диода и записываем его параметры.

4.3 Расчет и выбор формирователя длительности импульсов и элементов согласования с логикой

Формирователь длительности импульсов служит для формирования отпирающих импульсов определенной длины, которые после усилителя поступают на управляемый тиристор.

Принципиальная электрическая схема формирователя длительности импульсов и элементов согласования с логикой представлена на рис.4.3.

Рис.4.3. Формирователь длительности импульсов

Формирователь импульсов собран на ОУ DА 2.1. Он представляет собой дифференцирующее с замедлением звено, который описывается уравнением

,

где ,-постоянные времени.

Вход данной цепи подключен к нуль-органу и переход напряжения на входе составляет Uвх=2Uоу нас

Величину напряжения импульса принимают равным Uупр =8…10 В.

Для нормального открывания тиристоров необходимо обеспечить длительность импульса .

Время импульса составляет:

мс.

Принимаем =0,5мс.

Скачек напряжения на выходе формирователя длительности импульсов в момент переключения нуль-органа примем: Uи max=12В.

В начальный момент времени t=0, подставив в переходную функцию получим

Uвх.

Отсюда

Uупр max/Uвх.

Далее, подставляя в соотношение

Uвых=Uвх значения Uвых=Uупр; Uвх=Uвх=26В; и время t=tи=0,5мс, находим T2

.

Принимаем величину С1=82…150нФ, определяем сопротивление R7

и выбираем ближайшее стандартное значение.

Из соотношения рассчитываем значение .

Из критерия величины нагрузки для ОУ выбираем R9=8.2….15 кОм.

для согласования сигналов формирователя длительности импульсов по уровню и знаку с логическими элементами служит стабилитрон VD3, напряжение стабилизации Ucт которого выбирают в пределах 10…12 В.

Выбираем величины сопротивлений инвертирующего усилителя, собранного на ОУ DА2.2, исходя из того, что необходимо получить коэффициент передачи равный единице. Принимаем R10=R11=10…15 кОм.

4.4 Расчет и выбор усилителя импульсов

Мощность сигнала, получаемого из выхода формирователя длительности импульсов мала. Усилитель импульсов предназначен для усиления импульсов перед их подачей в цепь управляющего электрода силового тиристора.

Принципиальная электрическая схема усилителя импульсов представлена на рис.4.4.

На схеме (рис.4.4) Т3-импульсный трансформатор с числом витков w1 =400 … 200 и w2 =200 …100. Исходя из этого коэффициент трансформации равен

.

Величина напряжения импульса

.

Зная величину тока управления открытия (табл.2.2) тиристора Iупр, находим сопротивление цепи управления

.

Рис.4.4. Электрическая схема усилителя импульсов

Падение напряжения на управляющем электроде VS1.1 и диоде принимаем по 0,7В, отсюда находим их эквивалентное сопротивление

.

Для ограничения тока управления VS1.1 необходимо сопротивление

R15= - , которое выбирают из стандартного ряда.

Выбираем стабилитрон VD6 по требуемому напряжению стабилизации 12В из [8].

диод VD7 выбирают по прямому току и обратному напряжению с коэффициентом запаса равным 2:

Находим ток первичной обмотки импульсного трансформатора:

.

Требуемый коэффициент передачи базового тока транзисторов VT1, VT2:

,

,

где - выходной ток элемента ИЛИ - НЕ;

По [9] выбираем транзистор и выписываем его параметры Iкmax, , Uкэнас,.

Uкэмах. Пересчитываем базовый ток VT1:

.

Рассчитываем сопротивление R14

.

Рассчитываем сопротивление R12

,

где Uвх - напряжение на входе устройства равное Uвыхэлемента ИЛИ-НЕ;

-базовый ток транзистора VT1.

Для уменьшения начального тока коллектора транзистора VT2 между базой и эмиттером ставим сопротивление R13=820 Ом … 1.5 кОм.

Диод VD5 выбираем из [8] по прямому току и обратному напряжению с коэффициентом запаса равным 2 и выписываем его параметры.

Для защиты базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 от обратного напряжения ставим диод VD4, который выбирается также как VD5.

4.5 Расчет и выбор управляющего органа

Принципиальная схема управляющего органа представлена на рис.4.5.

Рис.4.5. Электрическая схема управляющего органа

На входе ограничителя, выполненного на операционном усилителе DА3.1, стоит сопротивление выхода регулятора тока якоря R16=5.1кОм и транзистор (элемент схемы защиты).

Принимаем R17=10 … 15кОм. Тогда для обеспечения коэффициентов пе-редачи сумматора равных единице должно выполняться условие:

.

Далее аналогично выбираем: R21=R22=R24.

Так как R18 и R22 - нагрузка для делителей R19 и R23, соответственно, то выбираем R19=R23 в 5 - 10 раз меньше значения R18 и R22.

Стабилитроны VD7 и VD8 рассчитываются из условий ограничения управляющего напряжения, чтобы оно не превысило опорное напряжение, и из условия получения максимального и минимального углов открывания тиристоров.

Принимаем , тогда:

В.

По [8] выбираем стабилитроны серии КС191Ф с напряжением стабилизации Uст.ном =9,1В. Учитывая прямое падение напряжения на втором стабилитроне, получаем Ucт=9,1+0,7=9,8В.

Пересчитываем угол

.

Таким образом, значения действительного и принятого угла управления оказались близки.

4.6 Описание работы СИФУ

Для работы СИФУ используется косинусоидальное опорное напряжение, максимальное значение которого должно находится в точках естественной коммутации вентилей.

Чтобы добиться этого необходимо напряжение последующей фазы и проинвертировать. Этим достигается нужный сдвиг косинусоиды на относительно напряжения соответствующей фазы .

Каждый из формирователей импульсов вырабатывает импульсы для четырех вентилей (два вентиля в выпрямительной и два - в инверторной группах).

На прямые входы ОУ DA2.1 и DA2.2 поступает опорное напряжение, на инвертирующие входы DA2.1- отрицательное напряжение управления Uупр, а на DA2.2 - положительное + Uупр. Когда напряжение управления становится больше опорного напряжения Uоп DA2.1 переключается с +Uнас на - Uнас и на выходе DA3.1 появляется положительный импульс. Он поступает на DD1.1 и при наличии сигнала разрешения работы вентилей сигнал поступает на DD3.1, далее с выхода DD4.1 поступает на усилитель импульсов. С последнего сигнал идет на тиристоры VS1.1 и VS1.6.

На второй вход DD3.1 подаются импульсы с канала управления тиристором VS1.2, которые сдвинуты на относительно импульсов, формируемых каналом управления тиристором VS1.1.

Когда напряжение Uоп становится больше Uупр DA2.1 переключается с _Uнас на + Uнас, то на выходе DA3.1, появляется отрицательный импульс, который затем инвертируется DA4.1 и подается на DD1.4. Далее при наличии сигнала разрешения на работу вентилей сигнал поступает на DD3.4, с выхода DD4.4 на усилитель импульсов. С последнего сигнал идет на тиристоры VS2.1 и VS2.6.

Каналы управления остальных вентилей работают аналогично.

5. Разработка задатчика интенсивности

5.1 Расчет и выбор элементов задатчика интенсивности

Предполагаемая принципиальная электрическая схема задатчика интенсивности изображена на рис.5.1.

Рис. 5.1. Электрическая схема задатчика интенсивности (предполагаемая)

Необходимые данные для расчета задатчика интенсивности берем из задания на курсовой проект: tп; Uзад max=10В; Uвых max =10В.

Рассчитываем интегратор на (ОУ DA1.2).

Конденсатор С1 должен быть неэлектролитическим; емкость конденсатора С1 принимаем равной С1=1,0 … 2,2 мкФ.

Выбираем по [8] стабилитроны с Uстаб=6,8 … 9,1 В.

Из формулы

находим .

,

где U1=Ucтаб VD1+ Uпр VD2.

Если значение R3 получается более 1.0 МОм., то для его уменьшения необходимо поставим делитель напряжения. Принимаем R3=510 кОм … 1.0 МОм.

Находим уровень напряжения

.

Выбираем R6 и R7 из условий:

(R6+R7)<< и (R6+R7)Rн min,
где Rн min минимальное сопротивление нагрузки выбранного ОУ.

Обычно принимают (R6+R7)0,05.

Тогда принимая R6=2.2 ... 5.1 кОм, находим

и выбираем стандартное.

Принимая значение сопротивлений R1=R2=R4=10 … 15 кОм, рассчитываем и выбираем сопротивление R5

.

Окончательная схема задатчика интенсивности имеет вид (рис 5.2).



Рис.5.2. Электрическая схема задатчика интенсивности

5.2 Описание работы задатчика интенсивности

Задатчик интенсивности формирует плавное изменение задающего сигнала при переходе от одного уровня к другому, т. е. создает линейное нарастание и спад сигнала.

Первый ОУ DA1.1 работает без обратной связи, но с ограничением выходного напряжения U1 и имеет характеристику прямоугольной формы.

Второй ОУ DA1.2 - интегратор с постоянным темпом нарастания.

Третий ОУ DA2.1- формирует отрицательное напряжение обратной связи U3.

При подаче на вход задающего напряжения Uзад напряжение на выходе линейно нарастает.

В момент времени t=tпуска () интегрирование прекращается и выходное напряжение остается на уровне .

6. Разработка схемы электронной защиты ТП. Расчет и выбор элементов схемы электронной защиты

По заданию на курсовой проект необходимо разработать схему электронной защиты ТП. В качестве примера рассмотрим защиту от длительной перегрузки по току якоря (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема электронной защиты ТП от длительной перегрузки по току якоря

Защита срабатывает при превышении напряжения с датчика тока якоря Uдтя по модулю величины уставки, регулируемой потенциометром R1. При достижении Uдтя такого отрицательного значения, что >Uуст компаратор DA1.1 переходит в отрицательное насыщение, формируется сигнал логического нуля на входе R-S триггера(D1.1, D1.2). Триггер переходит из состояния логического нуля () в состояние логической единицы(). С выхода триггера идет блокировка подачи сигнала от регулятора тока якоря (РТЯ) к управляющему органу (ОУ), а с - блокировка подачи сигналов от формирователей отпирающих импульсов тиристоров на усилитель импульсов.

Сброс триггера и восстановление работоспособности осуществляется сигналом начальной установки при повторном включении преобразователя.

Конденсатор С1 предотвращает срабатывание защиты при кратковременной перегрузки. Расчет элементов данной схемы проводится аналогично расчету схем, рассмотренных выше.

Схемы других электронных защит ТП можно найти в [11].

7. Расчет и построение регулировочной и внешних характеристик ТП

Регулировочная характеристика СИФУ при косинусоидальном опорном напряжении определяется выражением

. (7.1)

При линейной пилообразной форме опорного напряжения

. (7.2)

Регулировочная характеристика ВГ при не учете внутреннего сопротивления преобразователя имеет вид

, (7.3)

где Ud0 - наибольшая величина среднего выпрямленного напряжения.

Тогда характеристика управления ТП в целом при косинусоидальном опорном напряжении определяется выражением

. (7.4)

При линейной пилообразной форме опорного напряжения

. (7.5)

Задавая значения Uупр в пределах от -10 В до +10 В, рассчитываем и строим характеристику управления ТП. В записке необходимо привести пример расчета и Ud для одного какого-то значения Uупр (например, 7.5 В). Результаты расчета характеристики управления ТП необходимо представить в виде таблицы 7.1.

Результаты расчета характеристики управления

Таблица 7.1.

Uупр, В

, град

Ud, В

Внешняя характеристика ТП - это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Для управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке внешняя характеристика рассчитывается по формуле

, (7.6)

где - наибольшая величина среднего выпрямленного напряжения;

- угол управления тиристорами;

- ток нагрузки;

- анодное индуктивное сопротивление. В нашем случае =;

- активное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

- прямое падение напряжения на открытом вентиле;

N - количество вентилей одновременно обтекаемых током.

Внешние характеристики ТП рассчитываем и строим для напряжений Uзад, которые указаны в задании на курсовой проект.

Считая, что Uзад=Uупр по форм. (7.1) или (7.2) находим угол управления тиристорами. Ток нагрузки необходимо изменять от до . В записке необходимо привести пример расчета и Ud для одного значения Uзад = 5 В и тока Id =.

Результаты расчета внешних характеристик необходимо свести в таблицу 7.2.

Результаты расчета внешних характеристик

Таблица 7.2

Id, А

Uзад1= В

1= град

Ud, В

Uзад2= В

2= град

Ud, В

Uзад3= В

3= град

Ud, В

Uзад4= В

4= град

Ud, В

Uзад5= В

5= град

Ud, В

8. Расчет энергетических показателей

8.1 Полной, активной и реактивной мощностей

активная мощность, потребляемая ТП в номинальном режиме

, (8.1)

где - действующее значение фазного напряжения с учетом всех его гармоник, =220 В;

-действующее значение первой гармоники тока, соответствующее номинальному току нагрузки

, (8.2)

где - номинальное значение тока нагрузки;

- коэффициент трансформации трансформатора;

-угол отставания основной гармоники тока.

Угол сдвига первой гармоники потребляемого тока относительно напряжения питания определяется по формуле [11, форм.6.62]:

, (8.3)

где - угол управления при номинальном режиме работы электродвигателя

; (8.4)

- угол коммутации вентилей

, (8.5)

где ха - анодное индуктивное сопротивление. В нашем случае ха =;

- фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

Реактивная мощность, потребляемая ТП в номинальном режиме

.

Полная мощность, потребляемая ТП в номинальном режиме

,

где I1- действующее значение тока первичной обмотки трансформатора.

8.2 Расчет мощности искажений

Мощность искажений определяем по формуле

, (8.6)

где - полная мощность, потребляемая ТП;

-активная мощность, потребляемая ТП, в номинальном режиме;

-реактивная мощность, потребляемая ТП, в номинальном режиме.

8.3 Расчет КПД и коэффициента мощности

Коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя характеризуется отношением активной мощности, отдаваемой в нагрузку, к полной мощности, потребляемой преобразователем.

КПД преобразователя определяется по формуле

, (8.7)

где - мощность, потребляемая электродвигателем, ;

-суммарная мощность потерь в преобразователе.

Суммарная мощность потерь в преобразователе

, (8.8)

где - потери в вентилях

, (8.9)

где n-количество вентилей в схеме выпрямителя;

-прямое падение напряжения на вентиле;

-средний ток в вентиле, ;

- мощность, потребляемая системой управления. принимаем

;

-потери в силовом трансформаторе

, (8.10)

где - потери в стали трансформатора, =Pхх;

-потери в меди трансформатора

.

Коэффициент мощности определяется отношением активной мощности, потребляемой преобразователем, к полной мощности и характеризует использование питающей сети.

Коэффициент мощности определяем по формуле:

, (8.11)

где - активная мощность , потребляемая ТП, в номинальном режиме;

- полная мощность, потребляемая ТП, в номинальном режиме.

9. Построение графиков выходного напряжения при указанном напряжении задания

Для указанного в задании напряжения Uзад необходимо рассчитать угол управления тиристорами и угол коммутации вентилей ,а затем построить графики выходного напряжения на нагрузке выпрямительной и инверторной групп, уравнительного напряжения и тока. Если угол коммутации вентилей менее 5, то при построении графиков его можно не учитывать.

Примеры построения некоторых диаграмм напряжений приведены в [4, стр. 94]. диаграммы напряжений, поясняющих работу отдельных блоков СИФУ, можно найти в [11]

Литература

1. Анхинюк В. Л., Опейко О. Ф. Проектирование систем автоматического

управления электроприводами. Мн.: Вышэйш. шк., 1986.

2. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник/ И. Х.

Евзеров, А. С. Горобец, Б. И. Мошкович и др.; Под ред. канд. техниче-

ских наук В. М. Перельмутера. - М.: Энергоиздат, 1988.-319с.: ил.

3. Тиристоры: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В.

Кондратьев, С. Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990. - 272с.: ил.

4. Справочник по проектированию электропривода и систем управления техноло-

гическими процессами /под ред. В. И. Круповича, Ю. Г. Барыбина,

М. Л. Самовера. изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982. -

486с., ил.

5. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский,

Л. Г. Моисеев, Р. П. Недшивин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:

Энергоатомиздат, 1985. - 400с., ил.

6. Цифровые микросхемы: Справ. / М. И. Богданович, И. Н. Грель, В. А.

Прохоренко, В. В. Шалимо. - Мн.: Беларусь, 1991 - 493с., ил.

7. Аналоговые интегральные схемы: Справочник / А. Л. Булычев, В. И.

Галкин, В. А. Прохоренко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь,

1993. - 382с.: черт.

8. Диоды: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я., Замотин Б. В.

Кандратьев, С. Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990. - 336с.: ил.

9. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.

М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др. Под ред. Б. Л.

Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656с., ил.

10. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. -

М.: Высш. школа, 1982. - 496с., ил.

11. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ: Справочное пособие. - Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1989. -320 с., ил.

12. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 1. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -456 с., ил.

13. Справочник по автоматизированному электроприводу. /Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского.- М.: Энергоатомиздат, 1983. -616 с., ил.

14. Справочник по проектированию электропривода силовых и осветительных установок. /Под ред. Я.М. Большама, В.И. Круповича, М.Л. Самовера. изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1974. -728 с., ил.

Размещено на Allbest.ru