Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Технико-экономическое обоснование

2. Обзор литературы

2.1 Функции преобразователей энергии

2.2 Общая классификация преобразователей энергии

2.3 Выпрямители

2.3.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

2.3.2 Двухфазный двухполупериодный выпрямитель

2.3.3 Однофазный мостовой выпрямитель

2.3.4 Схема Ларионова

2.4 Преобразователи постоянного напряжения

2.4.1 Обратноходовый однотактный преобразователь

2.4.2 Прямоходовой однотактный преобразователь

2.4.3 Полумостовой преобразователь

2.4.4 Двухтактный преобразователь с отводом от средней точки трансформатора

2.4.5 Мостовой преобразователь

2.5 Сравнение рассмотренных типов преобразователей

2.6 Основные принципы модуляции

3. Выбор структурной и принципиальной схемы преобразователя

3.1 Силовой тракт преобразователя

3.1.1 Мостовой выпрямитель и входной фильтр

3.1.2 Преобразователь постоянного напряжения

3.1.3 Трансформатор, выходные выпрямитель и фильтр

3.2 Каналы управления преобразователем

3.3 Устройства защиты преобразователя

3.3.1 Автоматические выключатели и пускатели

3.3.2 Защита по току и устройство ограничения пускового тока

3.4 Вторичный источник питания

4. Расчет и выбор элементов схемы

4.1 Расчет входных выпрямителей

4.2 Расчет емкости входного фильтра

4.3 Расчет коэффициента трансформации силового трансформатора

4.4 Расчет силового трансформатора

4.5 Расчет индуктивности выходного дросселя

4.6 Расчет и выбор силовых ключей преобразователя

5. Разработка монтажа элементов источника питания

6. Описание конструкции

7. Экономическая часть

7.1 Составление ленточного графика

7.2 Составление сметы затрат на разработку

7.3 Расчёт и выводы по эффективности предложения

8. Безопасность и экологичность проекта

8.1 Анализ условий труда на рабочем месте инженера

8.1.1 Анализ уровня шума на рабочем месте

8.1.2 Анализ уровня освещенности на рабочем месте

8.1.3 Анализ параметров микроклимата

8.1.4 Анализ уровня электромагнитных полей

8.1.5 Анализ условий поражения электрическим током

8.1.6 Меры защиты от поражения электрическим током

8.2 Правовое обеспечение охраны труда

8.3 Ответственность за нарушения требований охраны труда

8.4 Обеспечение пожарной безопасности

8.5 Экологичность проекта

Заключение

Список используемых источников

Введение

Силовая электроника является постоянно развивающейся и перспективной областью электротехники. Достижения современной силовой электроники оказывают большое влияние на темпы технического прогресса во всех развитых индустриальных обществах.

Силовая электроника первоначально возникла как область техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значительно расширить функциональные возможности силовых электронных устройств и, соответственно, области их применения.

Устройства современной силовой электроники позволяют управлять потоками электроэнергии не только в целях ее преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности.

Широкое внедрение современной силовой электроники в промышленность невозможно без создания специализированных источников питания. Источники питания - это устройства, которые преобразуют электроэнергию одних параметров в электроэнергию других параметров.

Производство современных импульсных источников питания предусматривает более качественную и надежную элементную базу, уменьшение габаритов, улучшение характеристик, высокий уровень производственных мощностей, соблюдение технологий, выходной контроль качества. В настоящее время при соблюдении вышеназванных требований и грамотном подходе к разработке схемотехники и конструктивного решения, изделие будет успешным на рынке.

В данном дипломном проекте решается вопрос разработки источника питания для линейного двигателя постоянного тока. Необходимо реализовать следующие технические требования:

1) напряжение питания:

а) однофазная сеть 220 В ± 15 %, 50 Гц;

б) трехфазная сеть 380 В ± 15%, 50 Гц;

2) два независимых регулируемых выхода;

3) диапазон регулирования выходного напряжения 30 - 400 В;

4) диапазон регулирования выходного тока 0 - 20 А;

5) температура окружающей среды +10 - +40 ^оС;

6) трехкратная перегрузочная способность в течение 0,25 секунды;

7) коэффициент пульсаций выходного напряжения 1%;

8) визуальный контроль выходных параметров.

1. Технико-экономическое обоснование

В последние годы все большее распространение получает электропривод. Это связано с особенностями электрической энергии - возможностью передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, возможностью преобразования в другие виды энергии.

В данном проекте разрабатывается элемент управления для одного из звеньев электропривода - источник питания для управления линейным двигателем постоянного тока. На рынке преобразователей энергии можно найти похожие устройства - источники питания. Но те в свою очередь имеют ряд недостатков, которые не удовлетворяют заданным требованиям:

1) имеющиеся источники питания являются очень дорогими устройствами и их цена не устраивает заказчика;

2) имеются дешевые образцы, но те существенно проигрывают в массогабаритах;

3) имеющиеся источники питания могут подключаться к трехфазной сети либо через однофазный вход, либо через трехфазный вход. Это может привести к тому, что необходимо будет прокладывать в заданном помещении новый кабель, что приведет к неоправданным расходам;

4) у имеющихся образцов один независимый выход. Для используемого линейного двигателя постоянного тока это не приемлемо, так как необходимо иметь два независимых регулируемых выхода.

Необходимо создать источник питания, который будет надежно в эксплуатации, будет иметь приемлемую цену и массогабариты, а также в нем будут обеспечены необходимые технические характеристики. В разрабатываемом образце будет использоваться универсальный вход, то есть источник питания может подключаться к трехфазной сети и через однофазный вход, и через трехфазный вход.

2. Обзор литературы

Источники питания подразделяются на две группы: источники первичного и вторичного питания: Первичные источники - это устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую (электромашинные генераторы, электрохимические источники тока, фотоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи и др.).

Вторичные устройства питания - это преобразователи одного вида электрической энергии в другой. К ним относятся: преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители); преобразователи постоянного напряжения одних параметров в постоянное напряжение других параметров (конверторы); преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы).

Обязательным условием проектирования источников электропитания является четкое знание предъявляемых к ним требований. Эти требования весьма разнообразны и определяются особенностями эксплуатации тех комплексов радиоэлектронной аппаратуры, которые питаются от заданного источника вторичного электропитания.

Основными требованиями являются: к конструкции - надежность, ремонтопригодность, габаритно-массовые ограничения, тепловые режимы; к технико-экономическим характеристикам - стоимость и технологичность изготовления. преобразователь электрический выпрямитель

В данном проекте будет разрабатываться вторичный источник электропитания.

2.1 Функции преобразователей энергии

Преобразование энергии специально предназначенным для этой цели устройством изменяет характер электрической энергии. Например, напряжение переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока, обратное преобразование -- DC в АС, изменение уровня напряжения от одного значения к другому с гальваническим разделением (развязкой) или без него; получение нескольких напряжений (токов) заданного уровня, формы или частоты.

И многие другие, подчас принципиально новые задачи, решаются преобразователями энергии, называемыми также просто преобразователями, а также конверторами.

Собственно преобразование энергии выполняет только одна часть сложной системы, которую мы будем называть силовой частью или выходным каскадом. Она связана со многими другими частями преобразовательной системы: управляющей, устройством защиты, контролем температурного режима и некоторыми другими.

Как правило, к силовой части, то есть собственно к преобразователю, добавляются компоненты, позволяющие значительно улучшить его работу. Здесь можно назвать цепи, устраняющие выбросы напряжения на силовых элементах схемы; цепи, снижающие или устраняющие дополнительные (вредные) токи в силовых элементах; цепи, определяющие работу устройств управления мощными транзисторами.

Названные цепи, а возможно, и некоторые другие не изменяют принципиального назначения того или иного преобразователя. Они призваны только улучшить его работу, повысить ее эффективность.

Любая топология силовой части, которая будет в дальнейшем рассмотрена, предполагает, что преобразование будет выполняться эффективно, без заметных потерь мощности. Отсюда следует, что любое резистивное сопротивление в силовой части будет рассматриваться как составляющая схемы, которая мешает преобразованию, снижает его эффективность.

Остается сказать, что любая силовая часть в принципиальном (главном) понимании ее работы является набором из трех элементов: ключей (управляемых и неуправляемых), накопителей энергии индуктивных и накопителей энергии емкостных. Управляемые ключи -- транзисторы, а неуправляемые -- диоды.

2.2 Общая классификация преобразователей энергии

Выделяют 3 наиболее обособленных типа преобразователей: выпрямитель, конвертер, инвертор. Возможны сочетания таких преобразователей, при этом получаются новые виды преобразователей. Например, преобразователи частоты.

При составлении базовой структурной схемы важно понять, на каких преобразователях энергии будет строиться разрабатываемое устройство.

В данном проекте сначала необходимо выпрямить напряжение, а затем постоянное напряжение одного уровня преобразовать в постоянное напряжение другого уровня. Для последнего преобразования необходимо из постоянного напряжения получить переменное с более высоким значением напряжения, а затем из переменного напряжения получить постоянное

Предполагаемая структурная схема устройства показана на рисунке 2.1. Рассмотрим элементы этой схемы на основе [1].

Рисунок 2.1 - Предполагаемая структурная схема преобразователя

2.3 Выпрямители

Выпрямитель электрического тока -- устройства, преобразующие переменное напряжение в постоянное.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

1) управляемые (транзисторы, тиристоры) и неуправляемые (диоды)

2) по количеству выпрямляемых фаз (однофазные, трехфазные)

3) по схеме выпрямления (однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения).

Режим работы во многом определяется нагрузкой. Рассмотрим основные схемы выпрямителей.

2.3.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента. Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунках 2.2 и 2.3 соответственно.

Рисунок 2.2 - Однополупериодный выпрямитель

Как видно на осциллограммах напряжение с вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт и напряжение в нагрузку подается только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД.

На промышленных частотах (50--60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 кГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре.

Рисунок 2.3 - Осциллограммы напряжений однополупериодного выпрямителя

Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

2.3.2 Двухфазный двухполупериодный выпрямитель

Двухфазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой два параллельно соединенных однофазных однополупериодных выпрямителя. Другое название такого выпрямителя - выпрямитель со средней точкой.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунках 2.4 и 2.5 соответственно.

Рисунок 2.4 - Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора(или одну со средней точкой).

В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.

Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора, обратное напряжение на диоде равно двум входным напряжениям.

2.3.3 Однофазный мостовой выпрямитель

Является двухполупериодным выпрямителем. В отличие от предыдущей схемы может использоваться и без трансформатора.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунках 2.6 и 2.5 соответственно.

Рисунок 2.5 - Осциллограммы напряжений на двухполупериодном выпрямителе с нулевой точкой

Рисунок 2.6 - Однофазный мостовой выпрямитель

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: диод VD1, нагрузка, диод VD2. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: диод VD3, нагрузка, диод VD4.

Преимущества: по сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них. Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах.

2.3.4 Схема Ларионова

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках данного выпрямителя приведены на рисунках 2.7 и 2.8 соответственно.

Рисунок 2.7 - Схема Ларионова

Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку.

Рисунок 2.8 - Осциллограммы напряжений при использовании выпрямителя по схеме Ларионова

Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.

Недостатки: увеличенное количество вентилей. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

2.4 Преобразователи постоянного напряжения

В этом разделе будем рассматривать преобразователи только с гальванической развязкой. Преобразователи, рассматриваемые в данной главе предназначенны для получения постоянного напряжения из входного постоянного напряжения, имеют несколько принципиальных особенностей:

1) гальваническое разделение входа и выхода (гальваническая развязка);

2) возможность получения выходного напряжения отличающегося по уровню от входного;

3) возможность одновременного получения нескольких выходных напряжений.

Эти преобразователи обеспечивают получение из постоянного входного напряжения постоянное напряжение другого уровня.

Гальваническая развязка в силовой части осуществляется трансформатором, который, кроме данной функции -- полезной, и часто необходимой, позволяет легко получить самые различные уровни выходных напряжений.

Возможность получения нескольких выходных напряжений, отличающихся по уровню и имеющих различную полярность, осуществяетсяв DC-DC преобразователях благодаря трансформатору. В схеме управления преобразователя должен быть узел, разделяющий выход (нагрузку) от входа. Этот узел гальванической развязки может быть построен различным образом, но главных возможностей только две:

1) использование импульсных маломощных трансформаторов;

2) применение оптронов.

Обе возможности широко используются при построении управляющей части преобразователя.

Передача энергии на выход, осуществляемая трансформатором, может выполняться двумя принципиально различными способами. При первом трансформатор, потребляя мощность от входа преобразователя, в то же самое время передает ее на выход.

Энергия, запасаемая в магнитном поле сердечника, не используется нагрузкой, эту энергию желательно уменьшить.

При втором способе передачи энергии трансформатором происходит аккумулирование энергии в сердечнике, а затем передача ее в нагрузку. Количество энергии, накопленной в сердечнике, очень важно, оно в значительной степени влияет на процессы в силовой части и на режим работы ее компонентов.

Параметры трансформатора могут оказывать существенное влияние на режим работы полупроводниковых приборов и характеристики преобразователя.

Так, индуктивность намагничивания трансформатора увеличивает время переключения транзисторов; индуктивность рассеяния (при быстро меняющемся токе) является причиной возникновения перенапряжений на транзисторах, что может привести к их пробою; ток холостого хода уменьшает коэффициент полезного действия преобразователя и ухудшает тепловой режим транзисторов.

Отмеченные особенности учитываются при расчете и проектировании трансформаторов для импульсных источников питания.

Рассмотрим основные структуры преобразователей напряжения на основе [1].

2.4.1 Обратноходовый однотактный преобразователь

Обратноходовый преобразователь является однотактным, то есть передача энергии на выход производится только в одном интервале времени за период переключения.

Смысл термина «обратноходовый» в том, что энергия на выход поступает от дросселя в паузе, когда транзистор выключен. Схема обратноходового преобразователя показана на рисунке 2.9.

Принцип его работы следующий: в интервале импульса T ключ VT открыт, накапливается энергия в сердечнике (через первичную обмотку трансформатора W₁), диод VD заперт, конденсатор С поддерживает напряжение на нагрузке.

После запирания ключа начинается второй интервал работы - интервал паузы (t_п), в котором энергия передаётся через обмотку W₂ и диод в нагрузку и конденсатор.

Подобная схема применяется в системах зажигания автомобилей, в блоке управления лучом электронной трубки в телевизорах и устройствах тестирования аппаратуры импульсным напряжением.

Рисунок 2.9 - Схема обратноходового однотактного преобразователя

Эта схема имеет при одной и той же выходной мощности самые большие значения токов силового ключа, следовательно схема используется в преобразователях небольшой мощности (как правило до 150 Вт).

2.4.2 Прямоходовой однотактный преобразователь

Схема прямоходового преобразователя показана на рисунке 2.10. Схема может использоваться до мощностей несколько КВт.

Особенностью схемы является то, что амплитуда напряжения на первичной обмотке W₁ равна входному напряжению и напряжение на закрытых ключах тоже рано U_вх и не зависит от индуктивности рассеяния. Так же максимально-возможный коэффициент заполнения равен 0.5.

Основным недостатком же является то, что работа силового трансформатора по одностороннему несимметричному циклу значительно увеличивает его габариты.



Рисунок 2.10 - Однотактный DC-DC преобразователь по схеме «косого моста»

2.4.3 Полумостовой преобразователь

Схема DC-DC преобразователя, работающего по принципу двухтактного и обычно называемым полумостовым, показана на рисунке 2.11:

Рисунок 2.11 - Полумостовой преобразователь

В данной схеме, использующей два входных источника напряжения U_вх1 и U_вх2, в трансформаторе применяется только одна первичная обмотка W₁. Ключи VT1 и VT2 включаются поочередно на время tи в каждом полупериоде работы. К точкам а, б схемы поступает прямоугольное импульсное напряжение, получаемое от вторичных обмоток W₂₁, W₂₂ и выпрямленное диодами VD1, VD2. Длительность импульсов регулируется управляющими сигналами на затворах ключей, коэффициент заполнения D = 2 t_и/Т изменяется от 0 до 1. Частота первой гармоники напряжения, которую необходимо подавлять LC-фильтром, равна удвоенной частоте работы ключей и трансформатора, что является преимуществом данной схемы по сравнению с однотактной.

К достоинствам схемы можно отнести следующее:

1) симметричная работа силового трансформатора;

2) частота выпрямленного напряжения в два раза больше частоты работы преобразователя (у однотактного преобразователя эти две частоты равны), соответственно уменьшаются затраты на фильтрацию выходного напряжения;

3) коэффициент заполнения близок к 1;

4) напряжение на первичной обмотке трансформатора равно E_п/2, следовательно при одной и той же мощности мы получаем один и тот же ток, что и в прямоходой однотактной схеме.

К недостаткам схемы можно отнести тот факт, что ток ключа в два раза больше чем у моста.

2.4.4 Двухтактный преобразователь с отводом от средней точки трансформатора

Рассматриваемый далее преобразователь (рисунок 2.12) выполнен по схеме, в которой все элементы работают симметрично, каждый в своей половине периода. Часто именно эта схема называется двухтактной. Действительно, за период T энергия от входного источника дважды передается к LС-фильтру и нагрузке. Каждый из ключей замкнут в течение интервала tи (импульс) в своем полупериоде.



Рисунок 2.12 - Двухтактный преобразователь с отводом от средней точки

Для данной и других двухтактных схем удобно определять коэффициент заполнения импульсов D как отношение t_и к Т/2. Следовательно, коэффициенту D=1 соответствует состояние ON каждого ключа, продолжающееся половину периода. При D = 0 оба ключа постоянно заперты. В преобразователе может быть использована как однофазная двухполупериодная схема выпрямления, показанная на рисунке 2.12, так и другая симметричная схема -- мостовая. Явное достоинство двухтактной схемы -- общая точка управления ключами (истоки транзисторов VT1 и VT2 объединены), что позволяет значительно упростить выходной каскад устройства управления.

Достоинством схемы является то, что напряжение, приложенное к первичной обмотке W₁ равно входному напряжению, а также то, что коэффициент заполнения стремится к 1, следовательно, при одной и той же мощности ток силовых ключей в два раза меньше чем у двух предыдущих схем;

Недостатком схемы является то, что напряжения в выходном ключе в два раза больше входного напряжения, следовательно эта схема используется при низковольтном входном напряжении питания (40 В).

2.4.5 Мостовой преобразователь

Схема мостового преобразователя представлена ниже на рисунке 2.13. Принцип её работы заключается в следующем: транзисторы VT1 и VT4 открываются одновременно подключая первичную обмотку трансформатора к источнику входного напряжения U_вх. После закрывания VT1 и VT4 и последующего одновременного открывания VТ2 и VТ3, полярность напряжения на обмотке W₁ меняется на противоположенную. Амплитуда напряжения первичной обмотки равна U_вх. Максимальное напряжение на закрытых транзисторах равно входному.

Рисунок 2.13 - Мостовой преобразователь

Достоинства схемы следующие:

1) коэффициент заполнения стремится к 1;

2) как и двухтактной схемы с отводом от средней точки, амплитуда напряжения на первичной обмотке W₁ равна амплитуде входного напряжения;

3) так же как и у полумостовой схемы, максимальное напряжение на закрытом транзисторе равно входному напряжению;

4) при установке возвратных диодов (между стоком и истоком транзисторов) индуктивность рассеяния (как и у полумостовой схемы) не вызывает перенапряжения на транзисторах (вся накопленная в ней энергия отдается обратно в источник входного напряжения).

2.5 Сравнение рассмотренных типов преобразователей

Проанализировав все достоинства и недостатки наиболее часто применяемых схем построения преобразователей и выпрямителей, можно прийти к выводу, что в нашем случае целесообразно использовать две схемы типа «косых моста» в качестве схемы преобразователя, так как удобно использовать эти схемы при переходе от однофазного входа к трехфазному. При использовании всех других видов преобразователей, переключение от однофазного напряжения к трехфазному затруднительно.

В качестве выпрямителей необходимо использовать мостовые выпрямители, так как выпрямляемое напряжение велико, обратное напряжение на диодах может достигать 1000 В, и применение других видов выпрямителей недопустимо.

С учетом того, что динамические процессы отпирания и запирания силовых транзисторов сопровождаются выделением больших мгновенных мощностей, целесообразным решением будет - обеспечение режима ZVS (“zero voltage switching” - переключение при нуле напряжения), что позволит уменьшить потери на переключение. Этот режим переключения можно обеспечить, установив параллельно каждому из транзисторов специальные ZVS конденсаторы.

2.6 Основные принципы модуляции

Преобразование сигнала основано на изменении его амплитуды. При этом ключи использующиеся в преобразователях могут приминать только 2 состояния «открыто», «закрыто». Таким образом, чтобы получить искомый сигнал необходимо производить модуляцию сигнала.

Модуляция -- процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания по закону информационного низкочастотного сообщения (сигнала). В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, так как для эффективного вещания в пространство необходимо, чтобы все приёмо-передающие устройства работали на разных частотах и "не мешали" друг другу. Это процесс «посадки» информационного колебания на априорно известную несущую. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.

Существует несколько основных типов модуляции:

1) амплитудная модуляция -- вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. Мало подходит для использования в преобразовательной технике ввиду невозможности изменения амплитуды сигнала на ключе;

2) частотно-импульсная модуляция преобразует уровни выборок напряжений в последовательность импульсов, мгновенная частота которых, или частота повторения, непосредственно связана с величиной напряжений выборок. И здесь амплитуда всех импульсов одинакова, изменяется только их частота.

3) при широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов. Данный тип преобразования очень широко применяется в преобразовательной технике, и фактически, стал стандартом;

В данной работе будем используется фазоразностная широтно-импульсная модуляция. На рисунке 2.14 показана схема преобразователя напряжения, в котором будет использоваться фазоразностная ШИМ. Основные принципы фазоразностной ШИМ заключаются в следующем.

Транзисторы VT1 и VT2 открываются поочередно с паузой между импульсами управления равной времени перезаряда конденсаторов C1 и C2. Управляющие импульсы транзисторов VT3 и VT4 сдвинуты относительно управляющих импульсов транзисторов VT1 и VT2 на время равное длительности импульса ШИМ-контроллера, при этом транзисторы VT3 и VT4 управляются друг относительно друга поочередно, с паузой равной времени полного перезаряда конденсаторов C3 и C4. Снижение потерь на выключение достигается за счет уменьшения скорости изменения напряжения коллектор-эммитер на закрываемом транзисторе. Уменьшение скорости определяется номиналом конденсаторов C1 - C4 и током в первичной обмотке трансформатора.

В отличие от мостовой схемы с классическим ШИМ-управлением, когда во время паузы импульсов ШИМ все силовые транзисторы закрыты, в данном способе управления во время паузы импульсов ШИМ в открытом состоянии оказываются либо транзистор и открывшийся диод в одной диагонали, либо транзистор и открывшийся диод второй диагонали, обеспечивая режим короткого замыкания в диагонали преобразователя с сохранением реактивной энергии в обмотке трансформатора.

За счет этой энергии обеспечивается перезаряд конденсаторов C1 - C4 и режим переключения при нуле напряжения.

Рассмотрим работу разрабатываемого преобразователя в режиме фазоразностной ШИМ.

Частота работы ШИМ контроллера составляет 100 кГц, частота преобразования преобразователя составляет 50 кГц.

Когда аппарат подключен к трехфазному напряжению, рисунок 2.14, «косые мосты» включены последовательно. Входное напряжение делится пополам и примерно равно однофазному.

Рисунок 2.14 - Включение преобразователя от трехфазного входа

Первым открывается транзистор VT1, через промежуток времени равный длительности импульса открывается транзистор VT3. К первичной обмотке силового трансформатора прикладывается напряжение отрицательной полярности, а по величине равное Uвх1.

Через определенный промежуток времени транзистор VT1 закрывается при нуле напряжения, так как напряжение на емкости подключенной параллельно транзистору VT1 равно 0, транзистор VT3 при этом открыт. Через небольшой промежуток времени, равный мертвому времени, откроется транзистор VT2. При этом открываются диоды VD11 и VD14, обеспечивая путь для протекания тока.

Первичные обмотки «косых мостов» закорочены. Через время равное длительности импульса открывается транзистор VT4, при этом диоды VD11 и VD14 закрываются, к другой первичной обмотке силового трансформатора прикладывается напряжение уже положительной полярности, а по величине равное Uвх2 и равное Uвх1.

Затем транзистор VT2 закрывается при нуле напряжения. Через небольшой промежуток времени, равный мертвому времени, откроется транзистор VT1. При этом открываются диоды VD13 и VD12, обеспечивая путь для протекания тока. Первичные обмотки «косых мостов» закорочены. В дальнейшем эти процессы повторяются. Графики управляющих импульсов показаны на рисунке 2.15.

При подключении разрабатываемого источника питания к однофазному входу «косые мосты» включаются параллельно. Схема включения показана на рисунке 2.16.

Процесс подачи управляющих импульсов идентичен процессу, описанному выше.

Рисунок 2.15 - Графики управляющих импульсов



Рисунок 2.16 - Включение преобразователя от однофазного входа

3. Выбор структурной и принципиальной схемы преобразователя

В связи с тем, что для управления линейным двигателем постоянного тока необходимо обеспечить два независимых регулируемых выхода, то в данном проекте разработано два идентичных источника питания, которые расположены в одном корпусе изделия.

Два раздельных источника питания необходимы для того, чтобы обеспечить одновременно разные уровни напряжения и тока для якорной обмотки двигателя и для обмотки возбуждения.

Например, на обмотке возбуждения необходимо иметь 300 В и 10 А, в то же время на якорной обмотке необходимо иметь 400 В 20 А.

На рисунке 3.1 показана структурная схема такого решения. В дальнейшем будет описываться лишь один источник, предполагая, что для второго источника питания будут произведены те же самые действия.

Рисунок 3.1 - Структурная схема разрабатываемого изделия

Силовой тракт преобразователя состоит из мостового выпрямителя, входного емкостного фильтра, преобразователя напряжения, трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.

Схема управления преобразователем состоит из ШИМ-контроллера, драйверов затвора силовыми ключами, схемы обратной связи, схемы коммутации контактами реле, а также схемы регулировки выходных параметров.

В структурной схеме также предусмотрены устройства защиты: термозащита, защита по току, устройство ограничения перенапряжений, устройство ограничения пускового тока, а также автоматические выключатели и пускатели.

Необходимо использовать вторичный источник питания, обеспечивающий необходимые урони напряжения для питания твердотельных элементов.

Необходимо контролировать выходные параметры преобразователя: ток и напряжение, для чего на выходе преобразователя устанавливаются амперметр и вольтметр. Вольтметр необходимо включать параллельно выходу преобразователя, амперметр включается последовательно с выходными клеммами.

Рассмотрим перечисленные блоки отдельно.

3.1 Силовой тракт преобразователя

Структурная схема силового тракта преобразователя показана на рисунке 3.2. Рассмотрим блоки силового тракта преобразователя.

Рисунок 3.2 - Структурная схема силового тракта преобразователя

3.1.1 Мостовой выпрямитель и входной фильтр

Выпрямитель предназначен для преобразования сетевого переменного напряжения в постоянное. Так как необходимо обеспечить на выходе преобразователя достаточно большую мощность, то следует выбрать в качестве выпрямителя мостовой выпрямитель.

Так как разрабатываемый преобразователь подключается к сети, как через трехфазный вход, так и через однофазный, то необходимо использовать два моста: один для выпрямления трехфазного напряжения, один для однофазного напряжения.

Входной фильтр представляет собой набор электролитических конденсаторов большой емкости, сглаживающих пульсации выпрямленного напряжения.

3.1.2 Преобразователь постоянного напряжения

В данном проекте в качестве преобразователя используется два преобразователя, выполненные по топологии «косого моста». Причем две эти схемы подключаются либо последовательно, либо параллельно. Это необходимая мера, так как на вход преобразователя может поступать либо трехфазное напряжение, либо однофазное.

Соответственно при подаче на вход преобразователя трехфазного напряжения два «косых моста» включаются последовательно.

На вход каждого «косого моста» в этом случае подается половина выпрямленного трехфазного напряжения, которое чуть меньше однофазного напряжения.

При подаче однофазного напряжения на вход преобразователя, мосты включаются параллельно, на вход каждого «косого моста» в этом случае подается однофазное выпрямленное напряжение.

Таким образом, можно сделать вывод, что каждый «косой мост» работает на напряжение меньшее или равное однофазному.

Как было сказано выше, преобразователь работает в режиме фазоразностной широтно-импульсной модуляции.

3.1.3 Трансформатор, выходные выпрямитель и фильтр

Силовой трансформатор предназначен для преобразования импульсного напряжения одного уровня в импульсное напряжение другого уровня. Трансформатор имеет две первичных обмотки, включенные в диагонали «косых мостов» и одну вторичную.

Выходной выпрямитель необходим для того, чтобы выпрямить напряжение после трансформатора.

Используется схема мостового выпрямителя, так как обратное напряжение прикладываемое, к ключам велико и может составлять около 700 В.

Выходной фильтр представляет собой LC-фильтр. Выходной дроссель предназначен для стабилизации тока на выходе источника питания. Выходная емкость представляет собой набор конденсаторов и служит для сглаживания пульсаций выходного напряжения источника питания.

Силовой тракт показан на рисунке 3.3.

3.2 Каналы управления преобразователем

Как уже было сказано, схема управления преобразователем состоит из ШИМ-контроллера, драйверов затвора силовыми ключами, схемы обратной связи, схемы коммутации контактами реле, а также схемы регулировки выходных параметров.

Управление передачей мощности в нагрузку осуществляет ШИМ-контроллер. С увеличением ширины импульса на выход аппарата поступает большая мощность. На один из входов ШИМ-контроллера поступает сигнал обратной связи.

Контролируется выходное напряжение и ток.

В цепи обратной связи напряжение с выхода преобразователя подается на вход усилителя ошибки через делитель, после чего усиленное напряжение ошибки попадает на вход компаратора ШИМ.

Далее формируются импульсы ШИМ, которые поступают на драйверы силовых ключей.

Рисунок 3.3 - Силовой тракт преобразователя

Драйверы силовых ключей предназначены для управления затворами транзисторов. В данном проекте используются драйверы с оптической гальванической развязкой.

Схема регулировки выходных параметров представляет собой два регулируемых сопротивления, которые подключаются к ШИМ-контроллеру. Первое сопротивление включается в цепь делителя напряжения с выхода преобразователя. При изменении этого сопротивления меняется опорное напряжение усилителя ошибки. Соответственно меняется уровень напряжения на выходе преобразователя. Второе сопротивление включается непосредственно в цепь обвязки ШИМ-контроллера в цепь регулировки по току. При изменении этого сопротивления изменяется ток на выходе преобразователя.

Устройство коммутации представляет собой силовые контакты и программируемый микроконтроллер, который управляет данными контактами. Рассмотрим логику его работы.

На передней панели разрабатываемого источника питания расположен механический тумблер «Сеть», при помощи которого осуществляется включение аппарата в работу, причем от необходимого входа, а также переключение вида напряжения. У тумблера имеется три положения. Среднее - «0», и два крайних положения - «380» и «220». Положение тумблера в состоянии работы от трехфазного напряжения ( на корпусе прибора тумблер переведен в положение «380 В») соответствует замкнутому состоянию кнопки KM1.1 на принципиальной схеме (рисунок 3.4).

Положение тумблера в состоянии работы от однофазного напряжения (на корпусе прибора тумблер переведен в положение «220 В») соответствует замкнутому состоянию кнопки KM1.2 на принципиальной схеме (рисунок 3.4).

Выключенное состояние аппарата (на корпусе прибора тумблер переведен в положение «0») соответствует разомкнутому состоянию кнопок KM1.1 и KM1.2 на принципиальной схеме (рисунок 3.4).

Как уже было сказано, при переключении тумблера замыкается либо кнопка KM1.1 либо KM1.2

Также при переключении данного тумблера подается сигнал о переключении на микроконтроллер. После этого микроконтроллер размыкает контакты K4, только после того как разомкнулись контакты K4, меняют свое положение контакты K3, то есть они либо переходят в положение 1 и 2, либо в положение 3 и 4. После этого контроллер меряет напряжение на контактах K3 в точках 5 и 6. Если оно соответствует тому напряжению, которое должно быть на них после переключения тумблера, то переключаются контакты K6. После того, как переключились контакты K6, замкнутся контакты K4. Контакты K3, K4, K6 показаны на рисунке 3.3.

Возможно ошибочное переключение тумблера. Например, при подключении преобразователя к трехфазному напряжению, тумблер включен на однофазное напряжение или наоборот, либо преобразователь подключен сразу к трехфазному и однофазному напряжению. В таком случае работа преобразователя блокируется, размыкаются аварийные контакты K1, K2 и контакты K4. Как только положение тумблера будет соответствовать напряжению, приложенному к входу, микроконтроллер замкнет контакты K1, K2 и K4, начинается нормальный режим работы преобразователя. Аварийные контакты SA и SB показаны на рисунке 3.4.

3.3 Устройства защиты преобразователя

В качестве защитных устройств в разрабатываемом преобразователе предусмотрены следующие: термозащита, защита по току, устройство ограничения перенапряжений, устройство ограничения пускового тока, а также автоматические выключатели и пускатели.

3.3.1 Автоматические выключатели и пускатели

Автоматические выключатели QF1 и QF2 предназначены для защиты от токов короткого замыкания.

При работе от трехфазного входа при замыкании кнопки KM1.1 однофазное напряжение попадает на катушку пускателя K1, замыкаются силовые контакты K1, и трехфазное напряжение поступает на вход трехфазного мостового выпрямителя.

При работе от однофазного входа при замыкании кнопки KM1.2 однофазное напряжение попадает на катушку пускателя K2, замыкаются силовые контакты K2, и однофазное напряжение поступает на вход трехфазного мостового выпрямителя.

Пускатель необходим для обеспечения безопасности, так как только при его срабатывании напряжение подается в силовую часть преобразователя.

Таким образом осуществляется еще одна ступень защиты от короткого замыкания, которое может возникнуть при неправильном переключении контактов.

Схема защиты показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Защитные устройства источника питания

3.3.2 Защита по току и устройство ограничения пускового тока

Защита по току представляет собой цепь включенную в обвязку ШИМ-контроллера. В диагонали «косых мостов» включены первичные обмотки трансформаторов тока. Ток в первичной обмотке трансформатора тока преобразуется через вторичную обмотку трансформатора и делитель в напряжение, которое поступает на вход ШИМ-контроллера «CS». Напряжение на этом входе не должно превышать величину 2 В.

При включении источника питания могут возникать большие токи заряда емкостей входного фильтра. При таких токах могут выходить из строя емкости и диодные мосты. Для их защиты используются термисторы. Они и предназначены для ограничения пускового тока. В цепь может включаться как один, так и несколько параллельно включенных термисторов.

При протекании через термистор тока выше определенного, резко возрастает его сопротивление, это приводит к ограничению пускового тока и после того, как ток примет допустимое значение термисторы закорачиваются контактом K5, управляемым при помощи микроконтроллера устройства коммутации.

3.4 Вторичный источник питания

Для обеспечения работы твердотельных элементов используется вторичный источник питания, преобразующий входное трехфазное и однофазное переменное напряжение в постоянное напряжение заданного уровня. В данном устройстве необходимы напряжения +15 В и +5 В, а также иметь 4 раздельных канала +15 В и - 15 В. Это обеспечивается готовым преобразователем, выполненным по обратноходовой схеме диапазон входных напряжений, которого лежит от 100 В до 380 В.

4. Расчет и выбор элементов схемы

4.1 Расчет входных выпрямителей

При подключении разрабатываемого источника питания к трехфазному входу, диапазон входного напряжения составляет 380 В 15%, что соответствует диапазону напряжений 323437 В.

Амплитудные значения для данного диапазона напряжений составят:

323=457 В

437=618 В

Обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно:

Uобрmax = =775 В,

Где Uобрmax - максимальное обратное напряжение, прикладываемое к каждому диоду.

Рассчитаем максимальный ток, протекающий через каждый диод. Данный расчет проведем при минимальном напряжении, прикладываемому к диоду, то есть Uсетиmin = 460 В. Зададимся пульсацией напряжения после выпрямления в 60 В, то есть Uн = 60 В.

Uнсрmin1 = Uсетиmin - = 430 В,

Где Uнсрmin1 - среднее выпрямленное напряжение при минимальном входном напряжении, при подключении источника питания к трехфазному входу.

Для расчета максимального тока протекающего через диоды необходимо знать потребляемую мощность разрабатываемого источника питания.

Pпот = , (4.1)

где Pпот - максимальная потребляеиая мощность преобразователем,

Pвых - максимальная выходная мощность преобразователя,

- КПД преобразователя.

Pвых = Uвыхmax = 400 = 8000 Вт, где

Uвыхmax - максимальное выходное напряжение разрабатываемого источника питания,

Iвыхmax - максимальный выходной ток.

Зададимся КПД преобразователя и будем считать, что оно составляет 0.9, то есть .

Подставим полученные значения в (1.1), получим

Pпот = Вт.

Iн1 = А,

где Iн1 - максимальный ток, протекающий через диодный мост при подключении источника питания к трехфазному входу.

Ivd1 = = = 7 А,

где: Ivd1 - максимальный ток, протекающий через каждый диод, при подключении источника питания к трехфазному входу.

Зная максимальное обратное напряжение диодов и максимальный ток, протекающий через диод, выбираем диодный мост фирмы Vishay марки 26MT80, рассчитанный на ток 25А и напряжение 800В.

При подключении разрабатываемого источника питания к однофазному входу, диапазон входного напряжения составляет 220 В 15%, что соответствует диапазону напряжений 187253 В.

Амплитудные значения для данного диапазона напряжений составят:

187= 265 В,

253= 357 В

Обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно:

Uобрmax = = 450 В, где

Uобрmax - максимальное обратное напряжение, прикладываемое к каждому диоду.

Рассчитаем максимальный ток, протекающий через каждый диод. Данный расчет проведем при минимальном напряжении, прикладываемому к диоду, то есть Uсетиmin = 270 В. Зададимся пульсацией напряжения после выпрямления в 60 В, то есть Uн = 60 В. Расчет проведем по методике описанной выше, получим

Uнсрmin2 = 250 В,

Iн2 = 38 А,

где Uнсрmin2 - среднее выпрямленное напряжение при минимальном входном напряжении при подключении источника питания к однофазному входу,

Iн2 - максимальный ток протекающий через диодный мост при подключении источника питания к однофазному входу.

Ivd2 = = = 19 А,

где Ivd2 - максимальный ток, протекающий через каждый диод при подключении источника питания к однофазному входу.

Зная максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду и максимальный ток, протекающий через диод, выбираем диодный мост фирмы Vishay марки PB5006 на ток 45А и напряжение 600В.

4.2 Расчет емкости входного фильтра

Расчет будем производить для режима при подключении источника питания к однофазному входу, так как этот режим более жесткий для емкости, чем при подключении источника питания к трехфазному входу.

Для выбора конденсаторов нужно найти действующее значение тока протекающего через них.

Расчет будем производить при следующих допущениях:

1) считаем, что емкость разряжается в течение времени 10 мс;

2) также считаем, что емкость разряжается источником постоянного тока 38 А.

Тогда максимальный ток, протекающий через емкость Icmax равен 38 А. Зададимся пульсациями на емкости и будем считать, что они составляют 60 В, = 60 В.

Из курса теоретических основ электротехники известно, что

ic = , (4.2)

где ic - мгновенное значение тока протекающего через емкость;

- производная напряжения на емкости по времени.

Тогда для промежутка времени равного 10 мс, можно считать, что

ic = Icmax = C , (4.3)

где C - емкость конденсатора.

Из (4.3) получим:

C = мкФ

Найдем время t1, при котором выпрямленный ток, принимает значение равное 0. В этот момент ток, протекающий через емкость, принимает максимальное отрицательное значение. В момент t1 закрываются диоды, начинает разряжаться емкость.

Время t1 показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Графики тока и напряжения на емкости

Рисунок 4.2 - Схема для расчет емкости входного выпрямителя

Из схемы, показанной на рисунке 4.2, видно, что iвып = iс +iн. С нулевого момента времени до момента t1, напряжение на емкости примерно равно входному напряжению.

Определим мгновенное значение тока через емкость:

ic(t) = C , (4.3)

где - круговая частота сети;

T - время;

- производная входного напряжения по времени.

Пользуясь формулой (4.3) определим значение тока через емкость в момент времени равный t1.

В момент времени t1, выпрямленный ток равен 0, а значит значение тока протекающего через емкость равно значению ток нагрузки по абсолютному значению. Тогда

Ic(t1) = C = , (4.4)

где Rн - сопротивление нагрузки.

Rн = Ом,

где Uнmin - минимальное напряжение на нагрузке;

Iнmax - максимальный ток через нагрузку.

Разделим в выражении (4.4) обе части на cos(, получим:

(4.5)

Выразим t1 из (4.5), получим:

мс,

где T - период сети.

В момент времени t2 входное напряжение сравняется с напряжением на емкости и откроются диоды.

Найдем момент времени t2. Для интервала времени от t1 до t2 напряжение на емкости спадает по экспоненциальному закону:

uc(t) = uc(t1) (4.6)

В момент времени t2:

(4.7)

Подставим числовые значения в выражение (4.7):

Методом итераций находим, что t2 = 13 мс.

Определим время от начала полупериода до момента, когда открываются диоды:

t0 = t2 - = 13 - = 3 мс

Найдем действующее значение тока, протекающего через емкость:

(4.8)

Подставив числа в (4.8) получим Ic = 86.3 А.

Используя данные фирмы EPCOS, выбираем 5 конденсаторов, установленных в параллель для одного «косого моста», B43515A4278M000 на напряжение 350 В на ток 18.3 А емкостью 2700 мкФ.

Рассчитаем количество термисторов необходимых для обеспечения плавного заряда емкости. Расчет будем проводить по формуле предложенной фирмой EPCOS [21]:

N, где (4.9)

N - количество термисторов;

С - емкость защищаемых конденсаторов;

U - минимальное напряжение, прикладываемое к емкости;