Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Южно-Уральский государственный университет

Факультет «Энергетический»

Кафедра «Электропривод и оптимизация промышленных установок»

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Преобразовательная техника»

Тема:

Система управления вентильным преобразователем

Автор проекта Саляхов Ф.Ф.

студент группы Э-454

Руководитель Дудкин М.М.

Челябинск 2010 г.



Задание на курсовое проектирование

По заданным электрическим и эксплуатационным параметрам спроектировать математическую модель нереверсивного тиристорного трёхфазного управляемого преобразователя при помощи моделирующего пакета MatLab+Simulink.

В ходе работы над данным курсовым проектом необходимо исследовать и изучить работу, проектируемого ВП:

временные диаграммы сигналов смоделированной системы управления;

временные диаграммы сигналов напряжений и токов вентильного преобразователя (напряжение и ток на входе и на нагрузке ВП, напряжение и ток через силовой вентиль).

Снять и изучить характеристики ВП:

регулировочная характеристика системы управления (СУ);

регулировочная характеристика ВП;

регулировочная характеристика ВП совместно с СУ;

внешняя характеристика ВП при (при снятии внешних характеристик изменения сопротивление нагрузки в диапазоне R=10…100 Ом с шагом 10, 20 Ом).

Произвести выбор силовых вентилей для смоделированного ВП и обосновать сделанный выбор.

Проектирование системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем представляет собой математически неопределенную задачу, допускающую большое количество различных решений. Последнее объясняется тем, что некоторые из параметров системы, неопределенны конкретными исходными величинами.

В связи с этим в процессе проектирования СИФУ приходится предварительно задаваться рядом значений электрических и математических параметров, основываясь при этом главным образом на экспериментальные данные, полученные в результате испытания ряда систем управления вентильными преобразователями, подобных проектируемой.

Исходные данные для курсового проекта

1. тип силовой схемы - трехфазная мостовая

2. тип нагрузки - активно-индуктивная ( Ом, мГн);

3. система управления - одноканальная синхронная;

4. устройство синхронизации - интегрирующее с синхронизацией со стороны информационного входа;

5. фазосдвигающее устройство - замкнутое интегрирующее с синхронизацией со стороны релейного элемента ();

6. регулировочная характеристика системы управления :

Рисунок 1 - Предварительный вид регулировочной характеристики системы управления

7. пакетный способ управления - длительность пакета 120 эл.град., длительность импульса и паузы в пакете мкс;

8. параметры сети - напряжение 110 В, частота 50 Гц.

Замечание: вместо 3-х фазного трансформатора использовать дроссель с параметрами.



Аннотация

Саляхов Ф.Ф. Система управления вентильным преобразователем - Челябинск: ЮУрГУ, Э; 2010, 32 с., 23 ил., библиографический список - 6 наим.

Данный курсовой проект посвящен моделированию нереверсивного трехфазного управляемого тиристорного преобразователя в программном пакете MatLab+Simulink.

Нам предстоит создать математическую модель преобразователя в виде совокупности функциональных блоков и схем на основе логических элементов. Снять регулировочные и внешние характеристики вентильного преобразователя, а также составить соответствующие таблицы данных. Завершающим этапом курсового проекта будет являться выбор силовых ключей по определённым параметрам на основании полученных данных о максимальном анодном токе и максимальном анодном напряжении.

В случае необходимости применения данной системы импульсно-фазового управления тиристорами проведенные в данном курсовом проекте анализ и оптимизация позволят сэкономить время и средства необходимые для технической реализации данной системы.



СОДЕРЖАНИЕ

• Задание на курсовое проектирование. Исходные данные
• Введение
• 1. Цель и задачи курсовой работы
• 2. Принципиальная схема силовой части вентильного преобразователя с пояснением и описанием
• 3. Функциональная схема системы управления с пояснением и описанием
• 3.1 Система управления - одноканальная синхронная
• 3.1 Устройство синхронизации - интегрирующее с синхронизацией со стороны релейного элемента
• 3.2 Генератор коротких импульсов
• 3.2 Фазосдвигающее устройство - замкнутое интегрирующее с синхронизацией со стороны релейного элемента
• 3.3 Распределитель импульсов
• 3.4 Унивибратор
• 3.5 Формирователь отсчётов
• 3.6 Формирователь импульсов
• 4. Временные диаграммы сигналов системы управления и силовой части ВП
• 5. Характеристики вентильного преобразователя
• 6. Выбор тиристоров
• 6.1 Предварительный выбор тиристоров
• 6.2 Расчёт импульсного рабочего напряжения тиристора
• 6.3 Расчёт неповторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и неповторяющегося обратного напряжения
• 6.4 Расчёт среднего тока вентиля при перегрузке
• 6.5 Расчёт требуемого предельного тока тиристора
• 6.6 Проверка тиристоров на токи короткого замыкания
• Заключение
• Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Вентильные преобразователи широко применяются для преобразования энергии, вырабатываемой и передаваемой в виде переменного напряжения промышленной частоты 50Гц в электрическую энергию другого вида в постоянный ток или переменный ток с нестандартной или изменяемой частотой. Почти половина энергии в нашей стране потребляется в преобразованном виде, прежде всего в виде постоянного тока. Электропривод постоянного тока, в том числе тяговый электропривод, мощные электротермические и электротехнологические установки - это наиболее энергоемкие потребители постоянного тока. Для их питания ток промышленной частоты преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей.

Таким образом, значительное число потребителей электроэнергии большой мощности подключается к промышленной сети с помощью вентильных преобразователей. Вентильные преобразователи являются в настоящие время самыми распространенными потребителями электрической энергии.

За последнее десятилетие силовые полупроводниковые преобразователи нашли применение во многих областях промышленности, ранее не использовавших достижения силовой полупроводниковой техники: линии электропередачи постоянного тока, электрохимии, мощных радиопередающих устройствах и др.

Однако применение вентильных преобразователей вызывает ряд проблем связанных с тем, что они являются нелинейной нагрузки сети, и их работа сильно влияет на режим сети и качество электрической энергии. Однако прогрессирующее развитие силовой полупроводниковой техники вызывает повышенный интерес к этой области широкого круга специалистов самых различных областей промышленности.



1. Цель и задачи курсовой работы

Цель работы: проектирование системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорного преобразователя с использованием программного пакета моделирования систем MatLab+Simulink.

Задачи работы:

· анализ задания и исходных данных;

· описание и пояснение принципа работы силовой схемы и самой СИФУ;

· расчет необходимых параметров системы управления (например, постоянной времени интегрирования для фазосдвигающего устройства и др. параметров);

· оценка временных диаграмм сигналов системы управления и силовой части ВП;

· экспериментальное снятие регулировочных и внешних характеристик;

· выбор силовых ключей.

По мере выполнения данной работы будет осуществляться переход от одной задачи к другой путём их последовательного решения, при этом способы решения поставленных задач будут обоснованно уточняться и конкретизироваться. Для каждой конкретной задачи методом проб и ошибок будет найден наиболее простой и эффективный способ решения.



2. Принципиальная схема силовой части вентильного преобразователя с пояснением и описанием

Рисунок 2 - Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) приведена на рисунке 2. Вентили VS2,VS4,VS6, у которых соединены аноды, называют, анодной тройкой вентилей, а вентили VS1,VS3,VS5, у которых соединены катоды - катодной тройкой вентилей. В катодной тройке вентилей проводит вентиль, у которого анод самый положительный, а в анодной тройке вентилей проводит вентиль, у которого катод самый отрицательный. Если в данный момент фаза A самая положительная, а фаза C - самая отрицательная, то ток проходит от фазы А через VS1 в нагрузку, через VS2 на фазу C. Нумерация вентилей соответствует порядку их работы [5].



3. Функциональная схема системы управления с пояснением и описанием

3.1 Система управления - одноканальная синхронная

Рисунок 3.1 - Функциональная схема одноканальной синхронной системы управления

Одноканальная синхронная СИФУ, рассматриваемая в данном курсовом проекте, отличается от многоканальной тем, что в ней с напряжением сети (независимо от числа фаз) синхронизирован только один канал управления, который является ведущим, а все последующие - формируют импульсы управления тиристорами путем отсчета заданного интервала времени от базовой точки, за которую принимается момент времени образования управляющего импульса на выходе ведущего канала преобразования.

Далее разъясним значение каждого из элементов данной системы:

· УС - устройства синхронизации предназначены для синхронизации системы управления с сетевым напряжением с целью формирования логической «1» разрешающей переход одного из тиристоров в открытое состояние;

· ФСУ - фазосдвигающее устройство предназначено для преобразования задания в фазовый сдвиг импульсов управления (обеспечивает регулировку угла управления силовым тиристором);

· ФИ - формирователь импульсов предназначен для формирования импульсов управления тиристоров с заданной длительностью или формы;

· РИ - распределитель импульсов обеспечивает распределение импульсов по соответствующим тиристорам в зависимости от логики работы БСК (блока силовых ключей);

· ГКИ - генератор коротких импульсов необходим для получения коротких импульсов, по переднему и заднему фронту ФСУ;

· G - генератор импульсов, генерирует импульсу передаваемые на счетчик, необходимые для отсчета времени.

· ST - счетчик отсчитывает некоторые промежутки времени, необходимые для формирования следующих импульсов управления;

· DC - дешифратор считывает логическую информацию с счетчика и преобразует в необходимые сигналы;

· БСТ - блок силовых тиристоров.

В структуре на рисунке 3.1 ведущим является канал фазы B, который по составу функциональных блоков и принципу их действия не отличается от любого из других каналов СИФУ. Далее, выходной сигнал ФИ1 фазы B, передний фронт которого является базовой точкой отсчета, подается на формирователь отсчетов для фаз А, С, выполненный, например, на основе счетчика ST, генератора счетных импульсов G и дешифратора DC. При появлении на выходе ST чисел, соответствующих заданному углу регулирования, дешифратор DC последовательно запускает ФИ2 и ФИ3 фазы A и фазы С. Связи, приводящие к установке формирователя отсчетов в исходное (нулевое) состояние на рисунке 3.1 не показаны. Синхронизаторы УС2 и УС3 фаз А, С выполняют вспомогательную роль, связанную с распределением управляющих импульсов по тиристорам БСТ. Угол регулирования определяется величиной сигнала управления на входе ФСУ [2].

Рисунок 3.2 - Функциональная схема одноканальной синхронной системы управления в среде MatLab+Simulink

Далее подробно рассмотрим работу каждого из элементов данной системы управления в отдельности и более подробно опишем работу каждого из них, а также ознакомимся с диаграммами сигналов на выходе каждого из элементов.

3.1 Устройство синхронизации - интегрирующее с синхронизацией со стороны релейного элемента

Устройства синхронизации СИФУ являются одними из важнейших элементов управляемых тиристорных преобразователей, от которых зависят не только статические и динамические характеристики ТП, но и надежность их работы в процессе эксплуатации технологического комплекса, что наиболее полно проявляется в системах управления с питанием от сети ограниченной мощности. В данном курсовом проекте рассматривается интегрирующее устройство синхронизации, его структурная схема представлена ниже.



Рисунок 3.3 - Функциональная устройства синхронизации

При автоматизации технологических установок, включающих комплекс электроприводов средней и большой мощности, одной из основных проблем является устранение взаимного влияния через силовую сеть их источников электропитания, возникающего вследствие низкой помехоустойчивости устройств синхронизации СИФУ и коммутационных искажений напряжения сети при совместной работе ТП [1]. Наиболее полно данное обстоятельство проявляет себя в системах электропитания ограниченной мощности и зачастую является основной причиной отказов при работе технологического оборудования [2].

Одним из возможных путей повышения помехоустойчивости ТП является построение его УС на основе традиционной схемы интегрирующего автоколебательного частотно-широтно-импульсного РП на основе интегратора и релейного элемента, работающих в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети [1].

На входе данного интегрирующего устройства синхронизации стоит понижающий трансформатор, представленный на схеме в виде коэффициента усиления , это обуславливается рядом факторов:

· во первых нам необходимо осуществить гальваническую развязку между силовой частью и СИФУ;

· УС не требует больших энергетических затрат сети;

· для ГРФ не нежелательны большие значения сетевого напряжения, так как от этого напрямую зависят его размеры.

Возьмём амплитуду на выходе релейного элемента РЭ 1 равной В, тогда из условия:

(3.1),

где - относительное значение сети равное 4, получим, что необходимая амплитуда сети В. Из этого можем вычислить коэффициент трансформации:

(3.2),

где и - действующее и максимальное значения напряжения питающей сети. Далее зададимся величиной приращения, получаемого интегратором, В, найдя относительное значение данного приращения , вычислим по формуле постоянную времени интегрирования ГРФ, зная, что период сети равен сек.:

сек.(3.3).

Второй релейный элемент РЭ необходим, для создании логического сигнала 1 или 0, подаваемого на генератор коротких импульсов (ГКИ).

Рисунок 3.4 - Функциональная схема устройства синхронизации в среде MatLab+Simulink



Ниже на рисунке 3.5 видно, что пройденный через ГРФ сигнал сдвинулся на 90 эл. град., а выход УС четко следит за сетью, что соответствует желаемому результату.

Рисунок 3.5 - Временные диаграммы сигналов в УС

3.2 Генератор коротких импульсов

Генератор коротких служит для создания импульсов требуемой мощности и формы. В данном случае он необходим для получения сигналов по переднему и заднему фронту, которые будут подаваться на ФСУ.

Рисунок 3.6 - Функциональная схема ГКИ

На схеме представленной ранее (рисунок 3.6) видно, что при помощи апериодического звена (RC-цепочки) и релейного элемента сигнал идущий от УС задерживается, а затем при помощи логической функции ИЛИ прямой и задержанный сигнал сравниваются, затем на выходе ГКИ мы получаем короткие импульсы. Ширина импульса не должна быть большой, исходя из этого постоянную времени апериодического звена возьмём равной сек. Ниже представлена диаграмма сигнала с генератора коротких импульсов.

Рисунок 3.7 - Временные диаграммы сигналов УС и ГКИ

3.2 Фазосдвигающее устройство - замкнутое интегрирующее с синхронизацией со стороны релейного элемента

ФСУ - устройство, которое предназначено для преобразования сигнала управления в фазовый сдвиг импульсов управления тиристорами относительно напряжения сети соответствующей фазы. ФСУ обеспечивает изменение или регулировку угла управления.

Классификация ФСУ:

1. По принципу управления:

· С вертикальным управлением;

· С горизонтальным управлением.

В ФСУ с вертикальным управлением сигнал развертки (или входной сигнал) смещается друг относительно друга в вертикальной плоскости

В ФСУ с горизонтальным управлением сигнал развертки имеет зависимую от входного воздействия крутизну нарастающего фронта или развертывающуюся функцию смещения относительно некоторого значения в горизонтальной плоскости.

2. По принципу развертывающего преобразования.

· ФСУ с выборкой мгновенных значений сигнала управления;

· интегрирующие ФСУ (могут выполняться, как по разомкнутому принципу управления, так и по замкнутому); комбинированные ФСУ.

Представленное на рисунке 3.8 ФСУ с синхронизацией по входу РЭ относится к разряду комбинированных развертывающих систем. Параметрическая развертка, формируемая внешним генератором пилообразного напряжения (ГПН), синхронизированного с сетью, выполняет роль ведущей развертывающей функции и определяет частоту вынужденных колебаний ФСУ. Скважность выходных импульсов РЭ (угол управления тиристорами) зависит от величины информационного сигнала, подаваемого на вход интегратора, и взаимодействия функциональной (ведомой) развертки с сигналом генератора пилообразного напряжения. По истечению определенного числа периода импульса выходного элемента система выходит на установившийся уровень. В установившемся режиме угол управления тиристором определяется по формуле регулировочной характеристики ФСУ:

, (3.4)

где - относительное значение величины входного сигнала управления.

Рисунок 3.8 - Функциональная схема замкнутого интегрирующего ФСУ с синхронизацией со стороны релейного элемента

Для дальнейшего описания работы данной ФСУ стоит задаться рядом величин: В - величина внешнего генератора напряжения, проходя через ГПН, интегрированный сигнал сбрасывается от ГКИ, тем самым мы синхронизируем данный сигнал с сетью; В - величина сигнала, определяющая угол управления (по формуле 4 для данного значения

эл.град.;

- постоянная времени ГПН, синхронизированного сетью, через который проходит сигнал ;

- постоянная времени ГПН, через который проходит сигнал управления (по условию задания ).

Сигналы и определяются по выражению:

(3.5)

Проходя через ГПН (интеграторы) сигналы и сигналы суммируются и идут на релейный элемент РЭ1, который замыкает обратную связь. Амплитуда релейного элемента равна , что и позволяет впоследствии добиться желаемого угла управления. Затем конечный сигнал проходит через РЭ2, преобразуясь тем самым в логический («1» или «0»). Временные диаграммы сигналов представленные ниже соответствуют ожидаемым, вследствие этого можно говорить о нормальном функционировании данного ФСУ [1].

Стоит отметить ряд достоинств данного типа ФСУ:

· линейность регулировочной характеристики;

· максимально возможный диапазон угла регулирования;

· высокая помехоустойчивость к внешним сигналам;

· ФСУ автоматически адаптируется к изменению параметров сети.

Рисунок 3.9 - Временные диаграммы сигналов в ФСУ

3.3 Распределитель импульсов

В данной силовой схеме следует управлять сразу шестью транзисторами (тремя стойками моста), что очень проблематично, вследствие этого возникает потребность разделения управляющих импульсов на анодную и катодную группы. Для решения данного вопроса воспользуемся устройством распределяющим импульсы по группам. Распределитель импульсов - обеспечивает распределение импульсов по соответствующим тиристорам в зависимости от логики работы БСК (блока силовых ключей).

Рисунок 3.10 - Логическая схема распределителя импульсов

На рисунке 11 приведена схема распределителя импульсов, который состоит из двух логических элементов «И» каждый из которых управляет соответствующим ключом.

Сигнал запрета формируется на выходе устройств защиты систем управления, которые запрещают подачу импульсов на силовые тиристоры.

Сигнал с выхода УС несёт информацию о диапазоне регулирования угла управления. Сигнал с ФСУ несёт информацию о задающем угле управления.

Наиболее полно работу распределителя импульсов можно определить по представленным далее на рисунке 3.11 диаграммам сигналов.

Рисунок 3.11 - Временные диаграммы сигналов распределителя импульсов, УС и ФСУ

3.4 Унивибратор

Данное устройство является вспомогательным и включается последовательно в схеме распределителя импульсов, но мы рассмотрим данное устройство отдельно от РИ. Основная задача унивибратора состоит в том, чтобы от сигналов с РИ формировать короткие импульсу по переднему фронту. Так как импульсу с РИ поступают для двух групп анодной и катодной, то и использовать мы будем два унивибратора.

Рисунок 3.12 - Структурная схема унивибратора

При попадании в унивибратор сигнал с РИ инвертируется и задерживается при помощи апериодического звена (RC - цепочки) причем постоянная времени данного звена выбирается достаточно малой ( сек) для получения короткого импульса, затем данный сигнал проходя через РЭ с порогами переключения 0,1 В и 0,9 В преобразуется в логический. После всех преобразовании измененный сигнал при помощи логической функции «И» сравнивается с первоначальным, и на выходе унивибратора формируется короткий импульс по переднему фронту. Ниже на рисунке 3.13 представлена работа унивибраторов.

Рисунок 3.13 - Сигналы, формируемые унивибратором для анодной и катодной групп



3.5 Формирователь отсчётов

Для того чтобы в каждой группе тиристоров формировать импульсы через равные промежутки времени от заданного сигнала необходим формирователь отсчётов. К примеру, в катодной группе от РИ сигнал будет сформирован при помощи формирователя импульсов (ФИ) для тиристора , а для последующих и через равные промежутки времени и при помощи формирователя отсчётов (ФО).

Рисунок 3.14 - Схема формирователя отсчётов

Данное устройство состоит из:

· - независимый генератор меандра, для создания счетных импульсов;

· - счетчик, считает импульсы вырабатываемые генератором;

· - декодер, необходим для перевода двоичного сигнала счётчика в логический.

При сигнале , поступающего с унивибратора, счётчик сбрасывается и начинает считать импульсы выдаваемые генератором . Постоянная времени генератора рассчитывается из формулы:

,(3.6)

где n - номер разрядности счётчика (для получения более точных результатов разрядность взята равной 12). Счётчик в свою очередь состоит из 12 D - триггеров, что соответствует разрядности счетчика.

Рисунок 3.15 - Внутреннее строение счётчика в среде MatLab+Simulink

Далее сигнал со счётчика поступает на декодер, состоящий из двух логических элементов «И». Сигналы выдаваемые счётчиком и определяются из выражений:

и (3.7)

(3.8)

Коэффициенты для и для определяют длительность импульсов управления, равную 120 эл.град. При переводе данных чисел в двоичный вид получаем: и . Затем при помощи декодера из двоичных значений сигнал переводится в логический. Ниже представлен рисунок 3.16, поясняющий суть преобразования сигналов в декодере. модель нереверсивный тиристорный преобразователь

После ФО импульсы поступают на формирователь импульсов (ФИ). Стоит отметить, что в данной системе управления трёхфазной мостовой схемой, мы используем два ФО, отдельно для анодной и отдельно для катодной групп, но они абсолютно идентичны.

Рисунок 3.16 - Внутренне строение декодера в среде MatLab+Simulink

Ниже можно взглянуть на диаграмму работы ФО для катодной группы.

Рисунок 3.17 - Временные диаграммы импульсов для катодной группы тиристоров

3.6 Формирователь импульсов

После РИ и ФО сигналы попадают на формирователи импульсов. Число ФИ равно числу используемых в схеме тиристоров (в мостовой схеме 6). Каждый формирователь импульсов состоит из - триггера и в нашем случае устройства заполняющего импульс пакетом (по условию задания). Схема одного из формирователей приведена далее.

Рисунок 3.18- Схема формирователя импульсов

Опишем работу формирователя импульсов на примере катодной группы вентилей. Сигнал с распределителя импульсов, попадая на унивибратор, урезается и поступает на первый - триггер (устройство обладающее памятью). Данное устройство хранит и воспроизводит единичный импульс до тех пор, пока счётчик не досчитает до значения и не подаст сигнал на декодер, который в свою очередь сбросит единичный сигнал. Таким образом, формируется импульс для тиристора , далее второй триггер, переключившись от сигнала в логическую «1», спустя некоторый промежуток (120 эл. град.), получает импульс сброса (сформирован сигнал для ). Затем следующий триггер, переключившись от сигнала в логическую «1», спустя 120 эл. град., получает импульс сброса уже от сигнала унивибратора, так формируется сигнал для тиристора . Затем цикл повторяется, до отключения СИФУ. Сигналы для анодной группы формируются аналогично.

Для того чтобы заполнить сформированные импульсы высокочастотным пакетом длительностью 120 эл. град., и по заданию длительность импульса и паузы в пакете должны быть равны мкс, воспользуемся формирователем высокочастотного пакета.



Рисунок 3.19 - Функциональная схема формирователя пакета

Для понимания действия данного устройства обратимся к электрической схеме, представленной на рисунке 3.20, и функциональной на рисунке 3.19. В первоначальный момент времени при появлении на входе сигнала логической «1», апериодическое звено, представляющее из себя - цепочку, делает постоянный входной сигнал плавно нарастающим по экспоненте. Далее, достигнув определённого уровня, на РЭ вырабатывается сигнал логической «1», который инвертируется и сравнивается логической функцией «И». В результате с выхода логической функции образуется логический «0», поэтому сигнал с апериодического звена начинает спадать по экспоненте и вновь достигнув определенного уровня на РЭ обращается в логический «0». Затем цикл повторяется до окончания импульса, в конце происходит урезание пакета.

Рисунок 3.20 - Электрическая схема замещения апериодического звена

Для определения постоянной времени в апериодическом звене формирователя пакета и порогов переключения РЭ, воспользуемся электрической схемой представленной выше. Напряжение на конденсаторе будет изменяться по следующему закону:

, (3.10)

тогда если предположить, что В момент переключения РЭ в логическую единицу, а В установившееся напряжение на конденсаторе, то В при , где мкс. Из этого можно найти постоянную времени :

, (3.11)

где с.(3.12)

По формуле 3.11 получаем, что постоянная времени равна сек.

Рисунок 3.21 - Временные диаграммы иллюстрирующие работу ФП

Для более детального понимания работы ФП выше приведены временные диаграммы проходящих в нём сигналов.

Полученные в результате прохождения через ФП высокочастотные импульсы через усилитель мощности (УМ) усиливаются и отправляются на блок силовых ключей. Работа Усилителя мощности в данном курсовом проекте рассматриваться не будет, так как в среде MatLab+Simulink его надобность отсутствует.



4. Временные диаграммы сигналов системы управления и силовой части ВП

Далее будут рассмотрены сигналы силовой части ВП и каждого из устройств СИФУ, для удобства оценки временных диаграмм они будут расположены последовательно друг под другом.

Рисунок 4.1 - Временные диаграммы фазных напряжений сети и сигналов на выходе устройств СИФУ



Рисунок 4.2 - Временные диаграммы сигналов на выходе устройств СИФУ

Рисунок 4.3 - Временные диаграммы сигналов на вентиле VS1 и нагрузке



Представленные выше диаграммы сигналов на выходе устройств CИФУ показывают работу вентильного преобразователя совместно с системой управления, а временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке помогают оценить работу данной системы имульсно-фазового управления. Из диаграммы тока можно судить о низкой динамике данной СИФУ, но в становившемся режиме качество тока через нагрузку довольно удовлетворительно. По диаграмме напряжения на нагрузке можно сказать о большом угле коммутации вентилей порядка 15 эл. град. Но в целом показатели работы системы управления весьма неплохи.



5. Характеристики вентильного преобразователя

Далее будут приведены экспериментально снятые регулировочные и внешние характеристики вентильного преобразователя с соответствующими таблицами данных.

Регулировочная характеристика системы управления - зависимость угла управления от величины входного сигнала .

Таблица 1

Данные регулировочной характеристики СУ

, В	-15	-10	-5	0	5	10	15
	180	150	120	90	60	30	0

Рисунок 5.1 - Регулировочная характеристика системы управления (СУ)

Регулировочная характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от угла управления .

Таблица 2

Данные регулировочной характеристики ВП

	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180
, В	226	219	198	165	126	89,2	65,2	33,8	22,9	9,9	0,1	0	0

Рисунок 5.2 - Регулировочная характеристика вентильного преобразователя (ВП)

Регулировочная характеристика ВП совместно с СУ - это зависимость выпрямленного напряжения от величины входного сигнала .

Таблица 3

Данные регулировочной характеристики ВП совместно с СУ

, В	15	12,5	10	7,5	5	2,5	0	-2,5	-5	-7,5	-10	-12,5	-15
, В	226	219	198	165	126	89,2	65,2	33,8	22,9	9,9	0,1	0	0

Рисунок 5.3 - Регулировочная характеристика ВП совместно с СУ

Внешняя характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока .

При снятии внешней характеристики активное сопротивление нагрузки изменялось в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом с шагом 10 Ом.

Таблица 4

Данные внешней характеристики ВП при угле управления

, Ом	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
, А	19	10,5	7,1	5,4	4,3	3,6	3,1	2,73	2,43	2,19
, В	198	210	215	217	219	220	220,6	221,2	221,6	222

Рисунок 5.4 - Внешняя характеристика ВП



6. Выбор тиристоров

6.1 Предварительный выбор тиристоров

Сначала проведем расчёт максимальной величины обратного напряжения, прикладываемого к тиристору ( в нашем случае для трёхфазной мостовой схемы) по формуле:

,(6.1)

где коэффициент максимального превышения напряжения сети -

.(6.2)

Поскольку падение напряжения на дросселе не значительно, то примем В, тогда по формуле 6.1

В.

6.2 Расчёт импульсного рабочего напряжения тиристора

Импульсное рабочее напряжение тиристора в закрытом состоянии и импульсное рабочее обратное напряжение должны быть больше . [3]

>296 В,

где - коэффициент запаса, тогда:



В. (6.3)

Исходя из данного условия, можно предварительно выбирать из тиристоров четвертого класса.

6.3 Расчёт неповторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и неповторяющегося обратного напряжения

Неповторяющееся импульсное напряжение тиристора в закрытом состоянии и неповторяющееся импульсное обратное напряжение должны с коэффициентом запаса превышать напряжение :

,(6.4)

тогда получаем, что В.

Значения неповторяющихся импульсных напряжений и связаны со значениями повторяющихся импульсных напряжений и коэффициентами, определяемыми заводами-изготовителями:

и , (6.5)

где для нелавинных приборов.

Тогда В,

округлив данное значение в большую сторону, с учётом вышеуказанных условий окончательно примем тиристоры седьмого класса.

6.4 Расчёт среднего тока вентиля при перегрузке

Средний ток вентиля при перегрузке можно рассчитать по формуле:

,(6.6)

где А - ток через нагрузку при угле управления и активном сопротивлении Ом.

Тогда по формуле 6.6 средний ток вентиля при перегрузке с запасом в 40% равен

А.

6.5 Расчёт требуемого предельного тока тиристора

Максимально допустимый средний ток, характеризующий нагрузочную способность тиристора при заданных условиях работы, рассчитывается по формуле:

,(6.7)

где: - коэффициент, учитывающий отличие угла проводимости от 180 эл.град. и отличие формы тока от синусоидальной, при прямоугольной и трапецеидальной форме тока принимаем ;

- коэффициент, учитывающий влияние частоты, при частоте сети равной 50 Гц ;

- коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды , при С примем ;

- коэффициент, учитывающий скорость охлаждающего воздуха, при номинальной скорости .

Тогда с учётом всех коэффициентов по формуле 6.7 получаем, что предельный ток равен

А.

По расчётным данным и согласно ранее указанным условиям выбираем тиристор типа Т122-20-7 с охладителем типа 0243-150, имеющий параметры приведённые далее в таблице 5.

Таблица 5

Основные параметры выбранного тиристора

Наименование параметра и обозначении	Единица измерения	Значение
Предельный ток (температура корпуса С, угол проводимости эл.град., Гц)	А	20
Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии при максимально допустимой температуре перехода	кА	0,3
Максимально допустимая температура перехода		140
Пороговое напряжение	В	1,15
Дифференциальное сопротивление в открытом состоянии	мОм	17,2
Ток удержания , не более	мА	200

6.6 Проверка тиристоров на токи короткого замыкания

Рассчитаем амплитуду базового тока по формуле:

,(6.6)

где - полное сопротивление дросселя, тогда получаем, что

А.

Определим ударный ток короткого замыкания и интеграл предельной нагрузки, рассчитав параметр трансформатора:

.(6.7)

Воспользовавшись справочной литературой, по рассчитанному параметру трансформатора определили амплитуду ударного тока и интеграла предельной нагрузки для трёхфазной мостовой схемы: , . В абсолютных единицах:

А,

Ас [3].

Рассчитаем ударный неповторяющийся ток тиристора в открытом состоянии в соответствии с таблицей 5:

Ас

- защитный показатель. Из сравнения видно, что тиристоры не выдерживают ударный ток <, поэтому для более надёжной работы ВП и СИФУ управления требуется установка предохранителей.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте было произведено проектирование системы импульсно-фазового управления тиристорным преобразователем, спроектированная модель была смоделирована в среде MatLab+Simulink и оказалась работоспособной. В ходе работы были сняты соответствующие характеристики СУ и ВП:

· регулировочная характеристика СУ;

· регулировочная характеристика ВП;

· регулировочная характеристика ВП совместно с СУ;

· внешняя характеристика ВП.

Был проведен анализ каждой из составных частей СИФУ, в ходе которого были выявлены как положительные, так и отрицательные признаки системы.

Система управления - одноканальная синхронная.

Преимущества:

· высокая степень симметрии импульсов управления, подаваемых на тиристоры;

· используется лишь один канал сети.

Недостатки:

· низкие динамические показатели (все последующие импульсы управления начинаются с базовой, точки формируются в параметрическом режиме, т.е. не являются результатом активного сравнения сигнала пилообразной развертывающей функции с входным сигналом).

· возможно применение лишь в сетях со стабилизацией параметрического сетевого напряжения по причине формирования интервалов времени между импульсами.

Устройство синхронизации - интегрирующее с синхронизацией со стороны релейного элемента:



Преимущества:

· обладает высокой помехоустойчивостью, из-за схемы интегрирующего автоколебательного частотно-широтно-импульсного РП на основе интегратора И и релейного элемента РЭ, работающих в режиме внешней синхронизации с частотой напряжения сети.

Недостатки:

· может применяться лишь в сетях с ограниченной мощностью (возможны провалы и колебания амплитуды и частоты).

Замкнутое интегрирующее ФСУ с синхронизацией со стороны релейного элемента.

Преимущества:

· линейность регулировочной характеристики;

· максимально возможный диапазон регулирования, угол изменяется от 0 до 180 градусов. Угол управления равный 180 градусов запрещенный угол, т.к. при таком угле управления может произойти опрокидывание инвертора;

· ФСУ автоматически адаптируется к изменению параметров сети.

Недостатки: ФСУ обладает не высоким быстродействием, т.к. устройство выхода на установленный уровень в течение нескольких периодов дискретизации.

Преимущества трехфазной мостовой схемы:

· минимальная расчетная мощность трансформатора, трансформатор работает в хорошем режиме, нет потока вынужденного намагничивания;

· самое маленькое обратное напряжение на вентиле;

· самое большое выпрямленное напряжение при том же фазном;

· малые пульсации;

· возможность применения безтрансформаторной схемы.

Данная СИФУ обладает весьма неплохими показателями и может применяться в системах управления ВП.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Розанов, Ю.К. Основы силовой электроники/ Ю.К. Розанов - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 656 с.

2. Скаржепа В.А., Шелехов К.В. Цифровое управление тиристорными преобразователями / В.А. Скаржепа - М.; Ленинградское отделение: Энергоатомиздат, 1984. - 767 с.

3. Гельман, М.В. Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока: учебное пособие / М.В. Гельман. - Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1996. - 92 с.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3 т./ Пер. с англ. / П. Хоровиц - М.: Мир, 1993. - 735 с.

5. Преображенский, В.И. Полупроводниковые выпрямители/ В.И. Гельман. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 139 с.

Размещено на Allbest.ru