Материал: Автономні інвертори

Автономні інвертори

Вступ

Розвиток механічних систем, машин і механізмів відіграє важливу роль у процесі створення матеріально-технічної бази економіки країни. Рівнем машинобудівної галузі визначається стан виробничих технологій будь-якої промисловості, сільського господарства.

Розвиток машинобудування тісно пов'язаний із вдосконаленням систем керування і живлення двигунів, у першу чергу електричних.

У основах електроніки і мікросхемо техніці обґрунтовується вибір оптимальних параметрів перетворювачів і систем керування різноманітними електричними машинами, визначаються методи їх раціонального проектування і розрахунку. Усе це робить можливим створення більш досконалих і продуктивних машин і комплексів.

Завдання на роботу

. Виконати розрахунок силової частини.

. Здійснити розрахунок системи керування.

. Виконати креслення електричної принципової схеми.

1. Короткий огляд існуючих схем і обґрунтування вибору схеми

Автономними інверторами (АІ) називають вентильні перетворювачі постійного струму у змінний, що працюють на автономне навантаження. Вимоги до автономних інверторів різноманітного застосування відрізняються дуже разюче, що обумовлює різноманітні рішення як по силових схемах, так і по схемах системи керування інверторів. В АІ потрібно застосовувати повністю керовані вентилі, які виконують роль ключів, котрі почергово підключають фази навантаження в ланцюги змінного струму до позитивного і негативного полюсів джерела постійного струму. Якщо в схемах використовують як ключі звичайні тиристори, то для їх закривання застосовують примусову комутацію.

За кількістю фаз вихідної напруги АІ поділяються на однофазні та трифазні, котрі можуть бути виконані за схемами з середньою точкою, мостовими і напівмостовими.

За характером протікання електромагнітних процесів АІ поділяються на інвертори струму, резонансні інвертори та інвертори напруги.

При розгляді схем припускаємо: вентилі є ідеальними ключами, час перемикання дорівнює нулю, внутрішній опір джерела живлення дорівнює нулю і воно має двосторонню провідність, опір з’єднувальних проводів дорівнює нулю.

На рис. 1 наведена схема однофазного мостового інвертора напруги.

Рис. 1

В інверторах напруги джерело живлення працює в режимі генератора напруги. При живленні від джерела з великим внутрішнім опором на вході інвертора встановлюється конденсатор  великої ємності для забезпечення провідності джерела напруги в зворотному напрямі.  необхідний, коли в колі навантаження є реактивні елементи будь-якого типу.

2. Розрахунок системи керування

.1 Розрахунок двотактного вихідного підсилювача потужності

Вихідні дані для розрахунку:

напруга живлення вихідних підсилювачів В;

напруга живлення логічних елементів  В;

частота проходження вихідних імпульсів  Гц;

амплітуда вхідного керуючого імпульсу, що відповідає рівню логічної

одиниці на виході елементів DD1 і DD2,  В;

максимальний струм колектора силового транзистора А.

Амплітуда керуючого струму, необхідна для насичення транзистора інвертора:

 А

де  - мінімальний статичний коефіцієнт передачі струми бази транзистора КТ945А; коефіцієнт насичення транзистора, значення якого беруть b=1,3...2 (обираємо ).

Визначаємо середнє значення струму, що проходить через діоди VD6...VD9:

 А

Як діоди VD6...VD9, що створюють затримку відпираючого імпульсу струму, використовуємо низькочастотні кремнієвий діоди КД202А з параметрами:

допустимий середній струм = 5 А;

допустима зворотна напруга = 50 В.

Визначаємо амплітуду керуючої напруги  на вихідних обмотках підсилювача.

Задаємось спадом напруги на струмообмежуючих резисторах R5...R8 із умови , де  - спад напруги на емітерному переході відкритого силового транзистора.

За вхідною характеристикою транзистора КТ945А, знятою при , для струму бази  А знаходимо  В. Беремо

 В

За статичною вольт-амперною характеристикою діода КД202А при струмі  А визначаємо прямий спад напруги на діодах VD6...VD9:

 В.

 В

Амплітуда  має бути не більше за максимально допустиму зворотну напругу між емітером і базою силових тиристорів для вибраного типу транзистора.

Для транзистора КТ945А  В; щоб зменшити час розсмоктування носіїв у базі силових транзисторів, як діоди VD10...VD13 використовуємо високочастотні діоди типу КД212А з параметрами:

допустимий середній струм = 1 А;

допустима зворотна напруга = 200 В;

імпульсний струм = 50 А (при тривалості імпульсу до 10 мс);

допустима робоча частота 100 кГц.

Опір струмообмежуючих резисторів R5...R8 в колах баз транзисторів інвертора

 Ом

Беремо  Ом

Потужність, що виділяється на резисторах R5...R8

 Вт

Вибираємо резистор типу С2-23-0,82 Ом.

Визначаємо максимальний струм колектора відкритого транзистора підсилювача в режимі насичення:

 А,

де  - ККД підсилювача; = 0.8...1.5 В - спад напруги на відкритому транзисторі в режимі насичення; - прямий спад напруги на відкритому діоді VD3; беремо: ;  В;  B.

Максимальна напруга між емітером і колектором закритого транзистора VT1:

За здобутим значенням , вибираємо транзистор типу КТ630Б з параметрами:

допустимий струм колектора = 1А;

допустима напруга між колектором і емітером  В;

статичний коефіцієнт передачі струму бази = 80...240;

гранична частота підсилення в схемі із загальним емітером  мГц;

максимально допустима потужність розсіювання  Вт.

Прямий струм через діод VD3

 A

Вибираємо діод VD3 типу КД212А.

Визначаємо струм бази, необхідний для насичення транзистора підсилювача:

 мА,

де - коефіцієнт насичення; - мінімальний статичний коефіцієнт передачі струму бази.

За вхідною характеристикою транзистора КТ630Б для струму  мА визначаємо напругу між емітером і базою насиченого транзистора  В.

Опір R3 і R4 навантаження логічних елементів відповідно DD1.1 і DD1.2

 Ом

Вибираємо резистори R3 і R4 типу С2-23-0,47 кОм.

Визначаємо вихідний струм мікросхеми DD2 при логічному нулі на її виході:

 мА < ,

де  В - напруга вихідного сигналу "0" мікросхеми К155ЛА8;  мА - допустимий вихідний струм мікросхеми.

Втрати потужності на транзисторі в режимі насичення (з урахуванням втрат у базовому колі).

 Вт

Втрати потужності на транзисторі в режимі перемикання

 Вт

де - стала часу транзистора,  c;- коефіцієнт що залежить від схеми підсилювача і коефіцієнта насичення транзисторів. Для двотактного підсилювача з нульовою точкою значення  вибираємо залежно від значення . При : . Оскільки гранична частота підсилення транзистора , потужністю втрат на перемикання можна знехтувати.

Сумарні втрати в транзисторі (потужністю втрат у режимі відсічки нехтуємо)

 Вт

Переконуємось, що .

Визначаємо ємність конденсатора

 мкФ

Вибираємо конденсатор С3 типу К73-16 ємністю 0,15 мкФ з робочою напругою 63 В.

Максимальна зворотна напруга і максимальний струм зворотних діодів VD4 i VD5:

 B

 A

Вибираємо діоди VD4 i VD5 типу Д223А з параметрами:

 А

 B

Вихідний трансформатор TV1 розраховуємо за методикою, наведеною в [4]. Як матеріал осердя трансформатора вибираємо сталь Е350 товщиною 0,08 мм.

Габаритна потужність трансформатора:

 BA

Відповідно до рекомендацій для  ВА, частоти  Гц і вибраної марки сталі беремо:

максимальне значення індукції в осерді  Тл;

густину струму в обмотках  А/мм2;

ККД трансформатора ;

коефіцієнт заповнення вікна міддю ;

коефіцієнт заповнення осердя сталлю .

Визначаємо добуток площі перерізу магнітопроводу  на площу вікна осердя :

 см4

Вибираємо тороїдний магнітопровід ОЛ25/40-12,5, для якого

 см4

 см2

 см2

Кількість витків первинної обмотки трансформатора

 вит

Кількість витків обмотки керування

 вит

Діюче значення струму в первинній і вторинних обмотках:

 A

 A

Діаметри проводу обмоток:

первинної

 мм

вторинної

 мм

Вибираємо провід ПЕЛШО з діаметрами 0,21 і 0,48 мм.

2.2 Розрахунок задаючого генератора

Вихідні дані для розрахунку:

частота проходження вихідних імпульсів  Гц;

напруга джерела живлення мікросхеми  В.

Як мікросхема DD1 застосована мікросхема К155ЛА3.

Для уніфікації елементів використовуємо симетричний мультивібратор, тобто вважаємо С1=С2; R1=R2. Визначаємо опір резисторів R1, R2 з умови

де , - відповідно вхідний опір і вхідний струм закритої мікросхеми; - порогова напруга, при якій відпирається логічний елемент;

Типові значення вказаних параметрів для ТТЛ - схеми такі :

= 3...15 кОм; = 0.5...1.4 мА; = 1.5 В.

Беремо

 кОм

 В

 мА

Опори резисторів  і  доцільно обирати максимально можливими, оскільки в разі їх зростання зменшується вплив вихідного опору мікросхеми на тривалість генераторних імпульсів, а також покращуються умови "м’якого" самозбудження. На підставі цього беремо резистори R1 і R2 типу С2-23-1,8 кОм.

Ємність часозадавальних конденсаторів  і

генератор трансформатор потужність підсилювач

 мкФ,

де - диференціальний вихідний опір мікросхеми; - середнє значення рівня логічної одиниці на виході мікросхеми; для логічних мікросхем серії К155 при напрузі живлення  В;  В;  Ом.

Для одержання потрібної ємності використовуємо 2 конденсатори типу К73-16 з ємністю 0,27 мкФ, які вмикаємо паралельно. При остаточному настроюванні схеми опори резисторів ,  уточнимо з метою одержання потрібної частоти.

Визначаємо максимальну зворотну напругу на захисних діодах VD1, VD2:

 В

Обираємо діоди VD1, VD2. При цьому необхідно враховувати, що час відновлення зворотного опору діодів має бути співвідносним із середнім часом затримки мікросхеми: .

Середній час затримки поширення сигналу мікросхеми

 нс,

де , - час затримки поширення сигналу відповідно при вмиканні і розмиканні;

Для мікросхем К155ЛА3

 нс

 нс

Вибираємо мезапланарні імпульсні діоди типу КД503А з параметрами:

стала напруга = 30 В;

імпульсний прямий струм = 200 мА;

час відновлення зворотного опору = 10 нс.

Висновки

Розроблений трифазний інвертор може бути у разі необхідності виготовлений, та використовуватися для живлення електромашин змінного струму, при умові відповідності потужності навантаження використаній в розрахунку.

Література

1.   Сенько В.І., Кучерук В.І., Сенько Л.І. Методичні вказівки до курсової роботи з курсу “Електронні мікропроцесорні та перетворювальні пристрої” для студентів факультету електроенергетики та автоматики всіх форм навчання. Розділ “Трифазні автономні інвертори” -К.; КПІ,1995.

2.      Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники - М.: Высш.шк., 1974.

.        Автономные инверторы (под ред. Г.В. Чалого) - Кишенев,1974.

.        Сидоров И.М., Мукосеев В.В. и др. Малогабаритные трансформаторы и дроссели - М.: Радио и связь, 1985

.        В.С. Руденко, В.И. Сенько, В.В. Трифонюк Приборы и устройства промышленной электроники. - К.; Техника, 1990.

.        Чебовский А.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы. - М.: Энергия, 1975.

.        Замятин В.Я., Кондратьев Б.В. Тиристори. - М.: Сов.радио, 1980.

.        Калашников Б.Е., Кривицкий С.О. Системы управления автономными инверторами. -М.; Энергия,1974.

.        Незнайко А.П., Геликман В.Ю. Конденсаторы и резисторы. - М.: Энергия, 1974.

.        Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители. - М.: Энергоизадт, 1982.

.        Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. - М.; Энергия, 1968.

.        Электронные конденсаторы и конденсаторные установки /Справочник/. - М.: Энергоиздат, 1982.