Проектирование силового вентильного преобразователя

Преобразователь.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное бюджетное образовательное учреждение Российской Федерации
«Вологодский государственный университет»
Кафедра «Управляющих и вычислительных систем»
Дисциплина: «Силовая электроника»
Наименование темы:«Проектирование силового вентильного преобразователя»
Код работы: 130302112019
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ..5
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
1. Выбор способа подключения к сети параметров согласующего трансформатора . ..7
3. Анализ работы ШИР и определение частоты модуляции ..10
4. Расчет емкости компенсирующего конденсатора 12
5. Построение характеристик ШИП .13
УПРАВЛЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
1. Разработка алгоритма и функциональной схемы системы управления 16
2. Разработка принципиальной электрической схемы 16
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 20
Преобразовательную технику условно делят на два класса.
К первому классу относят электронные средства малой мощности широко применяющиеся в системах автоматического управления и регулирования. Это различного рода усилители генераторы и т. д. Назначение элементов первого класса — генерирование и преобразование электрических сигналов определенной формы и амплитуды осуществляющих передачу информации. Для таких электронных цепей основными характеристиками являются амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики условия устойчивости работы и т. д. Такие же показатели как коэффициент полезного действия коэффициент мощности для них являются второстепенными и их зачастую не учитывают.
Ко второму классу относят электронные средства применяющиеся в различных системах и источниках электропитания. Электронные цепи второго класса служат для преобразования электрического тока и напряжения: переменного тока в постоянный постоянного тока в переменный переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение и др. К этому же классу относят электронные устройства осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками электронных цепей второго класса являются коэффициент полезного действия коэффициент мощности и другие электрические характеристики. Схемная электроника второго класса служит энергетическим целям поэтому ее часто называют энергетической электроникой а устройства этого класса — преобразователями электрического тока.
Анализ электромагнитных процессов в преобразователях электрического тока и разработка на этой основе методов расчета схем преобразователей являются главным содержанием курса основ преобразовательной техники.
Методика расчета преобразователей малой мощности несколько отлична от методики расчета преобразователей большой мощности что объясняется специфическими особенностями этих устройств но электромагнитные явления в них имеют один и тот же характер. Анализ электромагнитных процессов в преобразователях производится на основе методов анализа нелинейных и в большинстве случаев линейных электрических цепей.
Целью курсового проекта является закрепление теоретических знаний и приобретение навыков расчета неуправляемого выпрямителя широтно-импульсного преобразователя выбора их отдельных элементов построения и анализа их основных характеристик а также в задачах синтеза систем управления преобразователем.
Современные ШИП выполняются по схеме приведенной на рисунке 1 и используются для управления двигателями постоянного тока причем регулирующая часть строится на транзисторно-диодных модулях. Преимуществом ШИП перед управляемыми выпрямителями является более высокой к.п.д. коэффициент мощности потребляемой из сети энергии у них близок к единице время запаздывания реакции на изменение входного сигнала с.
Поскольку транзисторные модули изготавливаются на токи до нескольких килоампер мощность их практически ну ограничена. Существенным недостатком ШИП выполненных по схеме на рисунке 1 является односторонняя энергопроводимость. Поэтому основной областью применения ШИП являются нереверсивные электроприводы работающие в режиме поддержания скорости. При необходимости реверса энергии приходится включать параллельно выпрямителю обратный мост на тиристорах что существенно снижает преимущества ШИП перед управляемыми выпрямителями.
Схема силовой части преобразователя второй серии:
Рисунок 1- Схема силовой части ШИП
Технические требования:
Техническое задание:
Номинальное напряжение Un- 440 В
Диапазон регулирования напряжения D- 100
Кратность перегрузки по току - 2.2
Допустимые пульсации по току -0.03
Параметры двигателя постоянного тока:
Номинальное напряжение Un - 440 В
Номинальная частота вращения n - 2120 обмин
Сопротивление цепи якоря Rn – 0.55 Ом
Индуктивность цепи якоря Ln- 12 мГн
Сопротивление обмотки возбуждения Rv- 32.8 Ом
1. Выбор способа подключения к сети параметров согласующего трансформатора
Принципиально важным влияющим на массогабаритные и технико-экономические показатели является рациональное решение задачи о способе подключения преобразователя к питающей сети. Воспользуемся подключением через согласующий трансформатор.
Для предварительных расчетов можно принять приведенные к цепи нагрузки индуктивность и активное сопротивление трансформатора в долях от параметров нагрузки:
где - индуктивность цепи якоря двигателя.
где - сопротивление цепи якоря двигателя.
где - минимально достаточное напряжение питания ШИП В;
- скважность импульсов;
= 24 - падение напряжения на транзисторах В;
– номинальное напряжение В.
Параметры нагрузки соответствуют параметрам якорной цепи двигателя. Тогда номинальное напряжение на нагрузке при номинальном токе определяется следующим уравнением:
где - требуемое среднее значение выпрямленной ЭДС В;
– угловая частота питающей сети Ом;
- падение напряжения на транзисторе В;
n = 2 – количество последовательно соединенных транзисторов для мостовой схемы;
m = 3 – количество фаз;
N = 2 – тактность мостовой схемы.
где - частота питающей сети Гц.
где - номинальный ток двигателя;
Подставляя данные в уравнение (2.1) решим его относительно
обеспечивающее номинальный режим работы нагрузки:
где - коэффициент учитывающий возможное снижение напряжения сети;
- коэффициент схемы выпрямителя;
- ЭДС вторичной обмотки трансформатора.
По найденному значению определяется коэффициент трансформации:
где - напряжение сети.
Мощность первичной S1 и вторичной S2 обмоток находятся из уравнения:
Действующее значение тока вторичной и первичной обмотки:
Ключи ШИП выбираются по напряжению с учетом рассчитанного напряжения питания выпрямителя возможного повторяющегося перенапряжения UП и возможного неповторяющегося (случайного) перенапряжения UН. Для проектируемой схемы преобразователя напряжение на вентиле определяющее его класс находится по следующему соотношению:
где = 125 = 15 – коэффициенты учитывающие повторяющиеся и кратковременные перенапряжения;
- фазное напряжение питания выпрямителя.
Выбор вентилей по току должен осуществляться по максимальному току нагрузки проходящему через вентиль:
В качестве вентилей будем использовать единичные JGBT модули минимально удовлетворяющие напряжению и току проходящему через вентиль.
Из справочника [2] возьмем 4 единичных JGBT модуля BSM15GD60.
3. Анализ работы ШИР и определение частоты модуляции
Анализ и расчеты выполняются исходя из допущения что емкость конденсатора выбрана такой что процессы в выпрямителе не влияют на работу ШИП что соответствует.
Для анализа прежде всего необходимо начертить схему ШИП с конденсатором подключенным к шинам питания и показать на схеме контур с током нагрузки при каждом из двух состояний ключей для выбранного алгоритма модуляции. Затем выбрав расчетную скважность рассчитать мгновенные значения токов на интервалах и построить диаграммы
Токи нагрузки строятся в соответствии с уравнениями.
Для однополярной модуляции
где - рассчитанное ранее напряжение питания ШИП.
где a и b - коэффициенты определяемые по формулам;
- постоянная времени модуляции;
- постоянная времени цепи нагрузки.
где - индуктивность цепи якоря.
Сопротивление цепи якоря принимается
Эквивалентное среднее сопротивление вентилей можно принять
Значение ЭДС нагрузки можно определить задавшись средним током нагрузки например номинальным значением. Тогда для однополярной модуляции
Однако для расчета мгновенных значений токов необходимо знать частоту модуляции которая используется при определении коэффициентов а и в. Учитывая что при принятых обозначениях наибольшее значение ток достиг в начале первого интервала а наименьшее - в начале второго размах качаний тока для однополярной модуляции будет:
Найдем абсолютное значение допустимых пульсаций тока
где - допустимые пульсации по току.
Выполним расчет для двух частных режимов. Предварительно примем =05 откуда a=b. Тогда
Рисунок 2-Токи нагрузки
4. Расчет емкости компенсирующего конденсатора
Пульсации тока нагрузки определяются не только электромагнитными процессами в цепи нагрузки но и колебаниями напряжения питания ШИП которое соответствует напряжению на компенсирующем конденсаторе при его конечной емкости. Эти колебания при =const определяются следующими причинами:
)Возвратом энергии запасенной в индуктивности нагрузки на интервалах отрицательных импульсов при однополярной модуляции
)Пульсациями выпрямленного напряжения.
)Передачей энергии запасенной в обмотках трансформатора (при трансформаторном подключении)
Величину емкости для ограничений изменения ис за счет возврата энергии можно определить задавшись ис при наиболее неблагоприятном режиме
Предполагают что изменение напряжения на конденсаторе невелико и не влияет на ток заряда. В этом случае ток заряда будет соответствовать току нагрузки на первом интервале (1) т.е.
Или учитывая что при =0.5 a=b получим:
Тогда изменение напряжения на конденсаторе за время отрицательного импульса будет:
Емкость при подзаряде конденсатора за счет индуктивности трансформатора определяется по методике расчета LC –фильтра
По результатам двух расчетов выбирается большее значение емкости. Реально емкость конденсатора определяется по условию нормального режима работы цепи сброса энергии в режиме торможения двигателя и имеет большую величину. Поэтому принимаем С=100 мкФ.
5 Построение характеристик шип
Если считать ключи ШИР идеальными то регулировочная характеристика будет или в зависимости от способа модуляции. Однако с изменением тока нагрузки будет изменяться и падение напряжения в ключах ШИП. Характер этого изменения определяется внешними характеристиками:
где - эквивалентное сопротивление диода выпрямителя;
- эквивалентное сопротивление открытого модуля ШИП.
Остальные сопротивления определены во втором разделе.
Тогда реальная регулировочная характеристика будет зависеть от тока нагрузки
Рисунок 4.- Регулировочная характеристика
Рисунок 5.- Внешняя характеристика
УПРАВЛЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.
1. Разработка алгоритма и функциональной схемы системы управления.
Общая структура управления ШИР при однополярной модуляции приведена на рисунке 6. При однополярной модуляции и +иу сигнал и и+ через выходной формирователь подается на один из ключей соответствующей диагонали например vT (рис. 1).
Рисунок 6 - Функциональная схема
2.Разработка принципиальной электрической схемы.
Принципиальная электрическая схема состоит из ГОН компаратора драйверов силовой части и логических элементов осуществляющих реверс. ГОН собран на трёх инверторах счётчике и ЦАПе. Настройка генератора производится конденсатором С1 и резистором R1. Компаратор состоит из трех операционных усилителей и производит сравнение пилообразного напряжения с опорным.
Для гальванической развязки между системой управления и силовой частью ставят драйвер. На принципиальной электрической схеме изображён драйвер TLP250 который подбираем исходя из того какое напряжение и какие токи протекают в цепи. Данный драйвер работает при напряжениях до 600 В и токах до 50 А (в зависимости от выбранного сопротивления R) . Внутренняя структура драйвера представлена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Схема драйвера
Рисунок 8 - Генератор опорных напряжений
ГОН состоит из генератора прямоугольных импульсов собранных на трёх элементах НЕ (DD1.1-DD1.3) с подключёнными к ним резистором и конденсатором (R1 и C1). Период вырабатываемых импульсов равен T = (2-3) R C тогда частота импульсов равная частоте модуляции fm
С выхода генератора прямоугольных импульсов они поступают на четырёхразрядный счётчик DD3 (счётный вход C1) который подсчитывает количество поступивших импульсов и на выходе выдаёт соответствующий двоичный код числа поступивших на его вход импульсов. Например: поступил первый импульс на вход счётчика тогда на выходе будет: 0 0 0 1 поступил второй - 0 0 1 0 третий - 0 0 1 1 и так далее пока во всех четырёх разрядов не будут единицы. Затем с приходом очередного импульса счётчик обнулится и всё начнётся сначала. С выхода счётчика четырёхразрядный двоичный код подаётся на четыре входа ЦАП DA2 соответствующие
Рисунок 9 - Компаратор
Компаратор сделан на операционных усилителях и на его входе сравнивается входное напряжение (с выхода ЦАП) с опорным. Если существует разница между опорным напряжением и напряжением с выхода ЦАП то на выходе компаратора появляется высокий уровень напряжения т.е. 1 а если входные сигналы равны (Uвх = Uоп) то на выходе компаратора низкий уровень напряжения т.е. 0.
Система управления имеет алгоритм управления реализующий минимально достаточный набор функциональных преобразований управляющих сигналов в импульсные последовательности. Эти последовательности используются для управления ключами силовой части системы.
В результате работы над курсовым проектом получены навыки расчета неуправляемого выпрямителя и ШИП работающего на двигатель постоянного тока. Рассчитана силовая часть система управления построены необходимые графики.
Акимов Н.Н. Резисторы конденсаторы трансформаторы дроссели коммутирующие устройства РЭА: справочник Н.Н. Акимов Е.П. Ващуков В.А. Прохоренко Ю.П. Ходоренок. – Минск: Беларусь 1994. – 591с.
Грузов В.Л. Преобразовательная техника: Пособие по курсовому проектированиюВ.Л. Грузов. – Вологда: ВоГТУ 2002. – 92с.
Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые вентили: справочникА.Г. Моисеев Ю.В. Сахаров. – М.: Энергия 1975. – 512с.
Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учеб. для вузов В.С. Руденко В.И. Сенько. – М.: Выс. шк. 1974. – 430с.
Микросхема представляет собой операционные усилители средней точности с внутренней частотной коррекцией и защитой входа и выхода от короткого замыкания и установкой нуля (балансировкой) с помощью одного резистора. Содержит 35 интегральных элементов.
Рисунок 8.- Схема балансировки микросхемы КР140УД
Назначение выводов: 39 - балансировка; 4 - вход инвертирующий; 5 - вход неинвертирующий; 6 - напряжение питания (-Uп); 10 - выход; 11 - напряжение питания (+Uп); 12 - коррекция.
При питании микросхемы напряжениями менее +-12 В максимальные значения синфазных и дифференциальных входных напряжений должны быть
Электрические параметры
Номинальное напряжение питания±15 В±10
Ток потребления при Uп = ±15 В Ян = 2 Ом ≤ 3.5мА
Входной ток при Uп = ±15 В Ян = 2 кОм ≤ 400на
Разность входных токов при Uп = ±15 В Ян = 2 Ом ≤ 200нА
Напряжение смещения нуля при Uп = ±15 В Ян = 2 кОм ≤ ±9мВ
Максимальное выходное напряжение при Uп = ±15 В Ян = 2 кОм .±10.51