Курсовая работа (т): Расчет управляемого выпрямителя

Расчет управляемого выпрямителя

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра Электропривода и электрического транспорта

Допускаю к защите

Руководитель ____________ Дунаев М.П.

расчет управляемого выпрямителя

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

Промышленная электроника в электроприводе

.004.00.00.ПЗ

Выполнила студентка группы ______________ __Башкирцева Н,С._

Нормоконтроль ______________Дунаев М.П.

Иркутск 2015 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

По курсу ____Промышленная электроника в электроприводе __

Студентке _______Башкирцевой Н.С.

Тема проекта _РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛя

Исходные данные: выполнить проектирование согласно данному варианту.

Таблица 1. Технические данные двигателей

Рекомендуемая литература:

1.      И.И.Алиев. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. - Ростов н/Д: Феникс, 2004. - 480 с.

2.      Промышленная электроника в электроприводе: Учебное пособие для бакалавров направления 140400. - Иркутск, 2011. - 123 с..

.        Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. - Спб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. - 304 с.

Графическая часть на _2_ листах.

Дата выдачи задания “15” _________марта_________2015 г.

Дата представления проекта руководителю “15” ___мая_____2015 г.

Руководитель курсового проектирования ___________________

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

.        ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

.1 Принцип действия

.2 Основные однофазные силовые схемы УВ

.2.1 Однофазная однополупериодная схема

.2.2 Однофазная нулевая схема

.2.3 Однофазная мостовая схема

.2.4 Однофазная мостовая полууправляемая схема

.3 Системы управления УВ

.4 Статические характеристики УВ

.5 Защита УВ

2. Расчет элементов силовой части.

2.1 Выбор трансформатора.

.2 Расчет и выбор тиристоров

.3 Выбор сглаживающего дросселя

.4 Расчет активного сопротивления трансформатора

.5 Расчет активного сопротивления сглаживающего дросселя

.6 Расчет сопротивления тиристора

.7 Расчет коммутационного сопротивления при включении - выключении тиристоров

.8 Расчет активного сопротивления УВ

. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

.1 Расчет элементов генератора периодического напряжения

.2 Расчет элементов компаратора

.3 Расчет элементов усилителя-формирователя импульсов управления

.4 Выбор элементов гальванической развязки импульсов управления

.5 Выбор элементов блока питания и задатчика напряжения управления

. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК УВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ

Регулирование выходного напряжения управляемого выпрямителя (УВ) достигается управлением моментом открывания тиристоров преобразователя. В большинстве УВ используется импульсно-фазовый способ управления. Сущность его заключается в том, что на управляющий электрод (УЭ) тиристора периодически с частотой питания анодного напряжения подаетсяположительный электрический импульс («+» на УЭ, «-» на катод), который может меняться по фазе по отношению к анодному напряжению. Тем самым изменяется момент открывания тиристора. Угол, отсчитываемый от момента естественного открывания тиристора (когда потенциал анода становится больше потенциала катода) до момента подачи управляющего импульса, называется углом управления тиристораa.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1.1 Принцип действия

Рассмотрим принцип регулирования напряжения на примере включения тиристора по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис.1).

Управляющие импульсы образуются с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ), служащего для изменения угла регулирования a. Допустим, что на УЭ тиристора VS1 от СИФУ подан импульс в момент времени t₁ . Этот импульс открывает тиристор, и к нагрузке Z_н скачком будет приложено напряжение, которое будет изменяться по кривой U_н. В момент времени t₂ напряжение U_н становится равным нулю и тиристор закрывается, т.к. к нему приложено напряжение отрицательной полуволны. На интервале t₂ - t₃ ток через нагрузку не протекает. В момент t₄ на УЭ тиристора подается следующий импульс управления с СИФУ и работа схемы повторяется. На рис.2 показан график зависимости U_н от угла открывания тиристора a. Максимальное напряжение U_нo получается при полностью открытом тиристоре, когда угол a=0 (естественное открывание относительно синусоиды напряжения питания). При изменении угла a можно изменять среднее значение выпрямленного напряжения.

Аналогично протекают процессы открывания и закрывания тиристоров и в других схемах УВ, например, в однофазной мостовой. Выпрямленные напряжение и ток содержат постоянную и переменную составляющие. Наличие пульсаций (переменной составляющей) ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока и увеличивает потери в них. Поэтому на выходе УВ устанавливается индуктивный фильтр, включаемый последовательно с якорем двигателя (нагрузкой). Этот фильтр обладает большим реактивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока, которая значительно уменьшается. Падение напряжения от этой составляющей на активном сопротивлении фильтра незначительно. Другим средством уменьшения пульсаций является использование многофазных схем выпрямления.

1.2 Основные однофазные силовые схемы УВ

тиристор импульс усилитель генератор

Количественные показатели работы силовой схемы характеризуются следующими коэффициентами:

1)   коэффициентом схемы

К_сх=U_d/U₂,

где U₂ - напряжение вторичной обмотки трансформатора,_d - среднее значение выпрямленного напряжения;

2)   коэффициентом пульсаций

К_п=U_пmax/U_max ,

где U_пmax - максимальная амплитуда пульсаций,_max - амплитуда выпрямленного напряжения;

3)   коэффициентом использования трансформатора

К_и=S_т/P_d,

где S_т - полная мощность трансформатора,_d - выпрямленная мощность в нагрузке.

Отметим следующие соотношения для расчета тока и напряжения тиристора, используемые при выборе тиристоров:

1)   средний ток через тиристор

_vs= К_зап×I_d/(n* К_о) (1) ,

гдеК_о - коэффициент, учитывающий способ охлаждения тиристора (К_о=1 при водяном охлаждении, К_о=0,3 при естественном воздушном охлаждении, К_о=0,3...0,6 при принудительном воздушном охлаждении);_d - средний выпрямленный ток (I_d = I_н ),- число тактов выпрямления схемы, n=1 (однофазная однополупериодная), n=2 (однофазные нулевая и мостовая),

К_зап=1,25…2,0;

2)   максимальное напряжение тиристора,

U_{обр.макс.} =k_зап××U_2н     (2) ,

где k_зап - коэффициент запаса, учитывающий превышение напряжения, К_зап=1,25…2,0.

1.2.1 Однофазная однополупериодная схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.3. На схеме обозначены: TV1 - согласующийсиловой трансформатор,

- тиристор силовой схемы,L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка.

Импульсы управления подаются на управляющий электрод тиристора VS1 с частотой питающего напряжения ~U_c.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,45; К_п=1,0; К_и=3,5.

Основные расчетные соотношения в схеме:

_vs=К_зап*U₂*Ö2, I_vs= К_зап*I_d/ К₀).

Достоинства схемы:

-      небольшое число тиристоров,

-        малое число каналов управления тиристорами,

Недостатки схемы:

-      низкий коэффициент схемы,

-        завышенная мощность силового трансформатора вследствие подмагничивания его вторичной обмотки выпрямленным током,

         большие габариты и вес сглаживающего фильтра.

Применение схемы: бытовыеэлектрорегуляторы.

1.2.2 Однофазная нулевая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.4. На схеме обозначены: TV1 - согласующийсиловой трансформатор, VS1 - VS2 - тиристоры силовой схемы,L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка. Импульсы управления подаются на тиристоры VS1,VS2 со сдвигом 180^o.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,9; К_п=1,0; К_и=1,34.

Основные расчетные соотношения в схеме:

_vs=К_зап*U₂*Ö2, I_vs= К_зап*I_d/(2* К_о).

Достоинство схемы (по сравнению с однофазной однополупериодной):

лучший коэффициент использования трансформатора,

меньше габариты и вес сглаживающего фильтра.Недостатки схемы:

-    большее число тиристоров,

-        большее число каналов управления тиристорами.

Применение схемы: электропривод малой мощности, а также преобразователи различных технологических установок.

1.2.3 Однофазная мостовая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.5. На схеме обозначены: TV1 - согласующийсиловой трансформатор, VS1 - VS4 - тиристоры силовой схемы,L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка.

Импульсы управления подаются синхронно попарно на тиристоры VS1,VS4 и сосдвигом 180^o на тиристоры VS2,VS3.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,9, К_п=1,0, К_и=1,1.

Основные расчетные соотношения в схеме:

_vs=К_зап*U₂*Ö2, I_vs= К_зап*I_d/(2* К_о).

Достоинство схемы (по сравнению с однофазной нулевой):

-    больший коэффициент схемы,

-        проще конструкция трансформатора (без средней точки).

Недостатки схемы:

-    большее число тиристоров,

-        большее число каналов управления тиристорами.

Применение схемы: электропривод малой мощности, блоки питания, зарядные устройства.

1.2.4 Однофазная мостовая полууправляемая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.6. На схеме обозначены: VS1 - VS2 - тиристоры силовой схемы,VD1 - VD2 - диоды силовой схемы,L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка. Диаграммы выпрямленного напряжения этой схемы аналогичны диаграммам, показанным на рис.5.

Импульсы управления подаются на тиристор VS1 и сосдвигом 180^o на тиристор VS2.

Схема имеет те же количественные показатели и расчетные соотношения, что и предыдущая.

Достоинство схемы (по сравнению с однофазной мостовой):

-    меньшее число тиристоров и каналов управления ими.

Недостатки схемы:

-    невозможность режима инвертирования.

Применение схемы: электропривод малой мощности, блоки питания, зарядные устройства.

1.3 Системы управления УВ

Для управления тиристорными преобразователями наиболеечасто применяются системы импульсно-фазового управления (СИФУ), осуществляющие вертикальный способ управления тиристорами. СИФУ позволяют изменять угол регулирования a в пределах от 0 до 180^о, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения от 0 до номинального значения.

К СИФУ предьявляются следующие требования:

должна быть обеспечена линейная зависимость угла отпирания тиристора от напряжения управления a=f(U_у) в пределах от 0 до 180^о,

амплитуда импульса должна быть достаточной для надежного отпирания тиристора (обычно U_уэ = 8…10 В, I_уэ ≤ 1 А),

импульс управления должен быть узким, с крутым передним фронтом, продолжительностью в 2-3 раза больше, чем время включения тиристора ( ≥100 мкс).

Функциональная схема одного каналаСИФУ и диаграммы работы его элементов показаны соответственно на рис.7 и рис.8.

На схеме обозначены:

ИСН - источник синхронизирующего напряжения, обычно выполняется в виде понижающего маломощного трансформатора или(реже) в виде резистивного делителя напряжения. Необходим для синхронизации работы тиристора и его канала управления (СИФУ).

ГПН - генератор периодического напряжения, как правило,линейно нарастающего ("пилообразного").

К - компаратор. Здесь сравниваются дванапряжения - с выхода ГПН и напряжение управления. На выходе компаратора вырабатывается угол регулирования a.

УФ - усилитель-формирователь импульсов управления, формирующий необходимые параметры импульса управления тиристором:амплитуду, длительность и форму.

ГР - гальваническая развязка, необходимая для разделения высокого потенциала силовой части тиристорного преобразователя и низкого потенциаласистемы управления, а также для согласования выходного сопротивления УФ с входным сопротивлением тиристора. Обычно выполняется на импульсном трансформаторе или оптроне.

Система управления УВ строится на основе функциональной схемы, приведенной на рис.7.

1.4 Статические характеристики УВ

Регулировочная характеристика УВ, отражающая зависимость

_вых =U_d0×(1+cos)/2, показана на рис.10.

Выходная характеристика УВ показана на рис.11.

1.5 Защита УВ

Силовой согласующий трансформатор и силовая схема УВ должны быть защищены от токов короткого замыкания (к.з.) и токов перегрузки. Как правило, такие виды защит осуществляются автоматическими выключателями (автоматами) с комбинированными расцепителями. Расцепитель токов к.з. рассчитан на мгновенное срабатывание автомата при токе (2…10)I_н, а расцепитель токов перегрузки - на задержанное срабатывание автомата при токе (1,1…2,0)I_н . Номинальный ток автомата выбирается равным или немногим больше номинального тока защищаемого устройства. Данные автоматов приведены в табл.3.

Достоинства УВ:

. Высокий КПД (до 98-99%).

. Высокая удельная мощность.

. Естественное закрывание тиристоров.

. Относительная простота и надежность.

Недостатки УВ:

. Ухудшение гармонического состава питающей сети.

. Уменьшение коэффициента мощности при увеличенииугла управления.

. Ограничения по быстродействию.