Проект выполнил

Студент ГР. 3821К

Тарасов Д.Е.

Руководитель

Орлов А.Р.

Санкт-Петербург2011

Задание на курсовое проектирование

Вторичный источник питания должен преобразовывать электрическую энергию сети переменного тока в электрическую энергию сети постоянного тока. Параметры входной сети и выходной сети приведены в таблице 1.

Таблица 1

Температура окружающей среды +25С

Проектируемый ВИП должен иметь защиту от токов короткого замыкания и перенапряжений. Срабатывание защиты должно происходить за время, при котором напряжения, токи, мощности элементов не превысят предельно допустимых значений в переходном режиме в соответствии с техническими условиями на них. Устройства защиты повышают надежность ВИП и комплекса, который от него питается.

Введение

Вторичные источники питания (ВИП) - это устройства предназначенные для преобразования входной энергии переменного или постоянного напряжения при заданном качестве энергии на выходе. Система вторичного электропитания - это совокупность функций связанных источников или одного ВИП, устройств управления, коммутации, распределения, защиты, контроля и сигнализации, обеспечивающая необходимое для цепей нагрузки питающее напряжение с требуемыми параметрами.

трансформатор выпрямитель фильтр преобразователь

1. Классификация ВИП

1. По виду входной энергии:

o Работающие от сети переменного тока (одно- и много фазной )

o Работающие от сети постоянного тока

o Работающие от сети постоянного тока и переменного тока

2. По выходной мощности:

o Микромощные

o Малой мощности

o Средней мощности

o Повышенной мощности

o Большой мощности

3. По числу выходов:

o Одноканальные

o Многоканальные

4. По виду выходной энергии:

o С выходом на переменном напряжение

o С выходом на постоянном напряжение

o Комбинированные

5. По номинальному значению выходного напряжения:

o До 100В - с низким напряжением

o От 100В до 1000В - со средним напряжением

o Свыше 1000В - с высоким напряжением

6. По наличию стабилизации выходного напряжения:

o Нестабилизированные

o Стабилизированные

7. По методу стабилизации:

o С параметрической стабилизацией

o С компенсационной стабилизацией

§ С непрерывным регулированием

§ С импульсным регулированием

8. По значению пульсации выходного напряжения:

o С малым коэффициентом пульсации (менее 0,1%)

o Со средним (от 0,1 до 1%)

o С большим ( более 1%)

9. По допустимому отклонению выходного напряжения от номинального:

o Низкой точности Uотн > 5%

o Средней точности 1 %< Uотн < 5%

o Высокой точности 0,1% < Uотн < 1%

o Прецизионной точности менее 0,1%

2. Выбор структурной схемы ВИП

В задании дана схема c использованием сетевого трансформатора, трехфазная.

Структурная схема приведена на рис.1

Рис 1. Структурная схема ВИП с сетевым трансформатором

Согласование уровней входного и выходного напряжений, а также гальваническую развязку входной и выходной цепей выполняет трансформатор ТОК. Принципиальная схема ВИП приведена на рис. 2

3. Выбор выпрямителя

Выпрямитель выбирается по и .

Выбираем вентили с коэффициентом запаса по току и напряжению равным 2. параметры выбранного диодного моста приведены ниже.

4. Выбор сглаживающего фильтра

В качестве сглаживающего фильтра будем использовать C-фильтр. Необходимая емкость фильтра Cф рассчитывается по формуле:

Выбираем конденсатор SBE 700D349, параметры которого приведены ниже.

5. Расчет трансформатора

· Расчетная мощность трансформатора

· Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Определим номинальное значение напряжения на выходе выпрямителя

Задаемся падениями напряжений

Определим мощность на стороне постоянного тока

Требуемое значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

- коэффициент преобразования схемы

- коэффициент учитывающий уменьшение напряжения в сети

Значение напряжения при

Примечание:

Определим расчетную мощность трансформатора

Проведем расчет трансформатора по упрощенной методике

(берем равным 2)

Так как заданная частота 50Гц то

- плотность тока (плотность тока берем равную 2)

Выберем сердечник ШЛ 40?80. Параметры сердечника указаны в таблице 3.

Таблица 3 Параметры сердечника

Расчет обмоток трансформатора

Определим число витков на 1 вольт

Определим w1 и w2

Определим коэффициент трансформации трансформатора

Определим сечение проводников на первичной и вторичной обмотках трансформатора

Для определения сечения нужно вычислить ток на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Берем провода прямоугольного сечения параметры приведены в таблице 4.

Таблица 4 Параметры выбранных проводов

Проверка выполнимости трансформатора

Следовательно сечение окна выбрано верно.

6. Выбор сглаживающего фильтра

Выбираем конденсатор WIMA DC-LINK HC, параметры которого приведены ниже.

Capacitance range:

4500 µF

Rated voltages:

800 VDC

Capacitance tolerances:

G20%, G10%, (G5% available subject

to special enquiry)

Operating temperature range:

-40° C to +100° C

Insulation resistance at +20° C:

U 30 000 sec (MS x µF)

(mean value: 100 000 sec)

Measuring voltage: 100 V/1 min.

Dissipation factors at +20° C:

See General Data

Mounting Recommendation

Excessive mechanical strain, e.g. pressure

or shock onto the capacitor body, is to be

avoided during mounting and usage of the

capacitors. When fixing the capacitor the

screw torque is to be limited to max. 5 Nm.

Test voltage:

1.1 U , 2 sec.

r

Dielectric absorption:

0.05 %

Reliability:

Operational life >100 000 hours at 40° C

Failure rate < 36 fit (0.5 x U and 40° C)

r

Specific dissipation:

See General Data

Voltage derating:

A voltage derating factor of 1.35% per K

must be applied from +85° C for DC

voltages and from +75° C for AC voltages

7. Расчёт загрузки диодов выпрямителя

Среднее значение тока диода

IVD.ср=Iнг*0,5=100*0,5=50А.

Обратное напряжение на диодах выпрямителя равно напряжению нагрузки Uнг=600В.

Выбираем диоды с учетом коэффициентов запаса по току kз.т=2 и Среднее значение тока диода

IVD.ср=Iнг*0,5=100*0,5=50А.

напряжению kз.н=2.

IVD N?50А и Uв.обр.max?600В.

RURU10060 (FAIR)

Диод Standard: 600 В, 1 x 100 А

§ Производитель: Fairchild Semiconductor

Документация

8. Выбор системы управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

В качестве усилителей DA, DА4.Выбирают операционные усилители К14ОУД1Б. Для питания их необходим источник ± 12В.

1) Ограничитель напряжения.

Выбираем диоды с малым Rвдин Д223А, имеющие следующие параметры ?Uпр = 0,8 В, Imax= 50 мА, Uобрmax = 100 В

Для получения синхронизирующего напряжения близкого по форме прямоугольному, необходимо, чтобы амплитуда синхронизирующего синусоидального напряжения выбиралась из условия:

Действующее значение Uсинхр = 5,7 В. Выбирают стандартное Uc = 6 В.

В качестве трансформатора синхронизации выбираем маломощный трансформатор ТТ12-220-400Т.

Задавшись максимальным током ограничивающих диодов VD1 и VD2 равным 30 мА определяем:

Для осуществления плавной регулировки угла управления амплитуда треугольного напряжения должна иметь достаточную величину.

Примем:

Um=0.5·6=3В

Для ограничения входных токов операционного усилителя при его работе в линейном режиме для используемого типа операционных усилителей рекомендуется последовательно с входом включить резистор, выбираем резисторы R2 и RЗ равными по 91 кОм.

Выходное напряжение интегратора

Так как Uвх(t) = const = 0,8 В, а время интегрирования t=0,5 Тс=10 мс. А

?Uвых=2·Um

?Uвых=2·3=6В

Находим емкость С1:

нФ

Выбираем стандартную емкость конденсатора С1 равную 15 нФ.

3) Компараторы на DA3 и DA4.

В схеме компаратора ОУ работает в импульсном режиме. Для дальнего режима ограничивающие резисторы, включаемые последовательно со входами усилителя рекомендуется брать на порядок меньше, чем в линейном режиме, то есть R6 = R5 = R10 = R11 = 20 кОм.

4) Усилитель -- инвертор на DA2.

Для получения Ку = -1 необходимо чтобы R7 = R8. Рекомендуемая Величина R8 = 91 кОм. Сопротивление R9 должно быть равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R7 и R8. Выбираем R9 = 4 7 кОм.

5) Разделительные конденсаторы С2 и С3

Условие, которое необходимо выполнить:

?=С2·R5=C3·R10?5·T

где Т=Тс=0,0025с

мкФ

Выбираем конденсатор К10-73, ёмкостью 0.68мкФ.

6) Регулируемый делитель напряжения R12-R13-R14.

Делитель питается от источника Еп = 24 В. Для обеспечения регулировки угла управления ? в полном диапазоне, в крайних положениях движка потенциометра R13,

Umin=12В

Um=12-3=9В

Umax=12+3=15В

делитель должен обеспечивать напряжения:

кОм

кОм

7) Дифференцирующая цепь C4 - R1, C5 - R9

В общем случае дифференцирующая цепь выбирается из условия t > tвкл тиристора, индуктивный характер нагрузки, импульс управления тиристора должен иметь большую длительность. Принимаем ? = 10t. Следовательно принимая R15 = 20 кОм, находим емкость С4 и C5:

Выбираем конденсаторы К10-43.

8) Усилители мощности.

В качестве усилителя мощности принимаем эмиттерный повторитель. Размах напряжения на выходе компаратора:

?Umax?2·Uнас.min=2·6=12В.

Принимаем амплитудное значение импульса управления Uymax = 12 В. С учетам допустимого значения тока управляющего электрода тиристора Iymax = 0,3 А. Сопротивления ограничивающих тиристоров R18 и R22:

Ом

В качестве транзисторов VT1 и VT2 выбираем транзисторы типа КТ312В, а в качестве транзисторов VT3 и VT4 выбираем транзисторы типа КТ313В, имеющих параметры Uкэmax = 40 В, Iксрmax = 0,1 А, h21э = 20.

Для надежной работы при повышенной температуре в эмиттерные цепи транзисторов ставим резисторы R16, R17, R20, R21 по 2 кОм каждый. Для окончательного выбора элементов схемы системы управления необходимо определить выделяемую мощность в резисторах и максимальное рабочее напряжение на конденсаторах. У нас:

Рmax?0.5Вт

Uраб<Еп=24В.

Конденсаторы выбираем типа К73-24.

Для блока питания СИФУ выбираем трансформатор ТР 37-115-400

Микросхема для СИФУ: 1114ЕУ3

- потребляемый ток микросхемы

9. Разработка защиты ВИП

Целью защиты ВИП является предотвращение выхода из строя полупроводниковых элементов. В проектируемом ВИП полупроводниковыми элементами являются тиристоры, которые можно надёжно защитить, используя плавкие предохранители.

Схема защиты вентилей с помощью плавких предохранителей представлена на рис.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Критерий надежной защиты:

Мощность нагрузки:

Примем КПД ВИП 0,85

Рассчитаем интеграл отключения предохранителя F и тиристора, затем проверим выполнение критерия надежности:

Ударный ток для диодного составляет 300А при температуре 25 градусов Цельсия.

Как видно из приведенных выше расчетов, критерий надежной защиты выполняется, следовательно, тиристоры защищены.

10. Расчет потерь и коэффициента мощности преобразователя

Выше были определены потери мощности трансформатора

?Ртр= ?Рэл.тр+ ?Рм.тр=0,728+1,0584=1,7864Вт;

Потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя

?Рдр=I2нг*RL=1002*235,2*10-3= 2.352*10-3.Вт

Потери мощности в транзисторах включают две составляющие:

Потери на транзисторе имеют две составляющие - статические потери,

?Рvт ст, и динамические, ?Рvт дин.

-статические потери

?Рvт ст = ?Uкэ нас * Ivт ср = 0,7*2,448 =1,71Вт.

-динамические потери

?Рvт.дин.=Uвх*Ivт.ср*fр*(tвкл+tвыкл)/2=380*3,74*5000*(50+50)*10-9/2=8,9Вт

Суммарные потери мощности на одном транзисторе ?Рvт=1,7352Вт, а на двух последовательно включенных транзисторах

??Рvт =2*1,836=3,4704Вт.

Потери мощности на диодах выпрямителя

?РVD= IVD.ср* ?Uв.пр=2,5*0,57=1,425Вт.

Итак, суммарные потери мощности на элементах схемы преобразователя

??Рп= ?Ртр+ ?Рдр+??Рvт+ ?РVD=1,7864+8,9+3,4704+1,425=15,6 Вт.

Коэффициент полезного действия преобразователя

?=Рнг/(Рнг+??Рп)=100*600/(100*600+15,6)=0,98.

11. Расчет площади радиатора для транзистора, Sp

Sp > 1000 /( Rр.с* ?т)

где Sp - площадь радиатора;

?т - коэффициент теплоотдачи от радиатора в окружающую среду;

Rр.с - тепловое сопротивление радиатор - окружающая среда;

Rр.с << Rт - Rп.к - Rк.р

Rт - суммарное тепловое сопротивление;

Rп.к = 0,3 ?С / Вт - тепловое сопротивление р-n переход - корпус транзистора ( из справочных данных транзистора);

Rк.=0,33 ?С / Вт - тепловое сопротивление корпус-радиатор;

Rт <( ?п.доп - ?ср) / Pvт;

?п.доп - допустимая температура перехода транзистора ;

?ср - температура окружающей среды (указана в задании на проектирование);

Rт < (125 - 30) / 15,14 = 6,27 ?С / Вт;

Rр.с << 6,27 - 0,3 - 0,33 = 5,64 ?С / Вт;

Sp > 1000 / (5,64*1,5) = 118,20 см2..

Площадь радиатора следует выбирать с запасом не менее чем в 1,5-2 раза. Форма пластинчатого радиатора приведена на рисунке 49. Для приведенного здесь примера примем площадь радиатора равной 230 см2.

Вывод

В курсовой работе был рассчитан ВИП преобразователем. КПД преобразователя составило 98%. Суммарные потери мощности на элементах схемы преобразователя составили 15,6 Вт.

Список литературы

1. Проектирование вторичных источников питания. А.А.Мартынов СПбГУАП 2000г.

2. Справочные данные по элементарной базе для курсовых проектов по дисциплинам: «Проектирование электроприводов», «проектирование вторичных источников питания», «Полупроводниковые устройства систем управления». А.А.Мартынов 2003г.

3. Трансформатор для вторичных источников питания. А.А.Мартынов СПбГУАП 2001г.

Размещено на Allbest.ur