Шестиканальная синхронная система управления нестабилизированным и стабилизированным трехфазным двухполупериодным тиристорным выпрямителем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Кафедра Электротехники и Электротехнологии

Шестиканальная синхронная система управления нестабилизированным и стабилизированным трехфазным двухполупериодным тиристорным выпрямителем.

Курсовая работа

Студент группы 3024/1

Литвинов Д.В.

Руководитель

Смородинов В.В.

Санкт-Петербург

Оглавление

Введение

1. Принципиальная электрическая схема, временные диаграммы и основные расчетные соотношения, поясняющие работу трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

2. Функциональная схема шестиканальной синхронной системы управления

3. Синхронизирующий трансформатор, пассивный и активный фильтры

4. Формирователь разрядных импульсов и генератор пилообразного напряжения

5. Компаратор и формирователь длительности импульсов

6. Усилитель мощности

7. Датчик тока нагрузки трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

8. Пороговый элемент защиты и устройство пуска системы управления

9. Функциональная схема управления стабилизированного выпрямителя

10. Принципиальная электрическая схема усилителя рассогласования

Список литературы

Введение

Вариант 14

Тиристорные выпрямители широко используются в различных отраслях промышленности, в частности, для формирования частоты вращения двигателей постоянного тока, в установках для воздушно-плазменной резки, в установках для ручной дуговой, полуавтоматической и автоматической сварки, в установках для испытания электрических аппаратов и изоляционных материалов. Преимущественно применяются трехфазные двухполупериодные тиристорные выпрямители, схемы с уравнительным реактором, и для мощных установок, с мощностями более 1000 кВт “двенадцатипульсные” схемы тиристорных выпрямителей. Для управления такими выпрямителями используются многоканальные синхронные системы управления. А качестве тиристоров - низкочастотные тиристоры, например Т 123-100 (100 А; 2400ч3200 В), Т 123-500 (500 А; 400ч800 В), Т 123-500 (500 А; 1800ч2800 В), Т 193-3200 (3700 А;16ч2400 В) или лавинные тиристоры ТЛ 371-250 (250 А; 600ч1200 В). Значение пороговых напряжений у таких тиристоров составляет ? (0,8ч1,4), а динамические сопротивления - (0,2ч1,2)•10^-3 Ом, отпирающий постоянный ток управления (0,2ч0,5) А; отпирающее постоянное напряжение управления - (2,5ч3) В.

Данные значения:

1. Принципиальная электрическая схема, временные диаграммы и основные расчетные соотношения, поясняющие работу трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя: U₂=220 В k_n=0.05 ,R_н=10 Ом

2. Синхронизирующий трансформатор, пассивный и активный фильтры:

3. Формирователь разрядных импульсов и генератор пилообразного напряжения : U_{гпн.макс}=5В, I_c,VT2=1.5 мА

4. Компаратор и формирователь длительности импульсов: T_им=725 мкс

5. Усилитель мощности: I_{упр.макс}=1,1 А, I_{упр.мин}=1 А, T_им=650 мкс

6. Датчик тока нагрузки трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя: U_ф.с=220 В, U_дтн=5 В, P_R1=2 Вт, I_Eн=50А

7. Пороговый элемент защиты и устройство пуска системы управления: U_дтн=2,3 В

8. Функциональная схема управления стабилизированного выпрямителя.: U_ф.с.ном=220 В, U_{ф.с.макс}=240 В, U_ф.с.мин=200 В, U_{зад.ном}=5 В, , , , , I_0.ном.=100 А

9. Принципиальная электрическая схема усилителя рассогласования.U_{зад.ном}=5 В, U_{гпн.макс}=6 В, , ,

1. Принципиальная электрическая схема, временные диаграммы и основные расчетные соотношения, поясняющие работу трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

Принципиальная электрическая схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя приведена на рис.1.1

Рис. 1.1 Принципиальная электрическая схема трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

При изложении принципа работы выпрямителя и построении временных диаграмм, поясняющих его работу, применяем следующие допущения: силовой согласующий трансформатор Т1 и тиристоры V1 чV6 являются идеальными элементами без потерь; ток, протекающий через сглаживающие дроссели L_1.1 и L_1.2 , являются полностью сглаженными, содержит только постоянную составляющую тока. Тиристоры V1, V3, V5 - тиристоры катодной группы (катоды тиристоров соединены). Из тиристоров катодной группы проводит ток тот тиристор, который анодом подключен к фазе (a,b,c), имеющей в данный момент времени наибольшее положительное напряжение, и на который подан импульс управления. Два других тиристора катодной группы будут закрыты, так как к ним будет приложено отрицательное напряжение. Тиристоры V2, V4, V6 - тиристоры анодной группы (аноды тиристоров соединены). Из тиристоров анодной группы будет проводить ток тот тиристор. Который катодом подключен к фазе (a,b,c), имеющей в данный момент времени наибольшее отрицательное напряжение, и на который подан импульс управления. Два других тиристора анодной группы будут закрыты, так как к ним будет приложено отрицательное напряжение.

Временные диаграммы, поясняющие работу выпрямителя, при принятых допущениях приведены на рис.1.2.

Рис. 1.2 Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазного двухполупериодного выпрямителя

Для упрощения пояснения принципа работы выпрямителя на рис. 1 введена пунктирная линия, которая преобразует трехфазный двухполупериодный выпрямитель в два, работающих независимо друг от друга, трехфазных двухполупериодных выпрямителя на тиристорах V1, V3, V5 и на тиристорах V2, V4, V6.

Для интервала одновременной проводимости, например, тиристоров V1 и V4 первого и второго выпрямителей при принятых допущениях справедливы следующие уравнения:

(1)

(2)

(3)

(4)

На рис. 1.2 показан порядок следования управляющих импульсов и очередность работы тиристоров V1чV6.

В реальном трехфазном двухполупериодном выпрямителе пунктирная линия отсутствует, и при принятых допущениях на каждом временном интервале ток проводят всегда два тиристора, один из катодной группы, другой из анодной группы, а напряжение на входе выпрямителя

,

несмотря на то, что при углах управления тиристорами выпрямителя , напряжение между точками M и N (см. рис. 1.1 и рис. 1.2) становиться отрицательным, ток через нагрузку все же протекает за счет энергии, запасенной в сглаживающих дросселях и .

Так как интервал повторения формы выходного напряжения выпрямителя равен и угол управления тиристорами выпрямителя может изменяться от до , но среднее напряжение на выходе выпрямителя можно рассчитать по следующей формуле:

(5)

Тогда при В, , Ом, график зависимости будет иметь следующий вид для :

Среднее значение тока, протекающего через нагрузку равно (при , В Ом):

А(6)

Так как

,

то имея (6) получаем: =1,287 А

Для расчета величины индуктивности сглаживающего дросселя

,

обеспечивающего заданную величину переменной составляющей тока, протекающей через нагрузку , необходимо знать гармонический состав выходного напряжения выпрямителя. Амплитудные значения синусоидальной и косинусоидальной составляющих первой гармоники переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя равен:

(7)

(8)

Тогда амплитудное значение переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя с частотой 300 Гц . Амплитудное значение переменной составляющей тока, протекающего через нагрузку и величину индуктивности сглаживающего дросселя можно рассчитать по следующим формулам:

, (9)

тогда имеем следующий график зависимости для :

Размещено на http://www.allbest.ru/

Найдем по полученному выше графику для значения , имеем В

,(10)

Гн (11)

где

Для нормальной работы выпрямителя во всем диапазоне изменения угла и для начального “запуска” выпрямителя на тиристоры выпрямителя V1чV6 должны поступать “сдвоенные” импульсы управления.

На рис. 1.3 приведены временные диаграммы, поясняющие формирование импульсов управления тиристорами выпрямителя.

Рис. 1.3 Временные диаграммы, поясняющие формирование импульсов управления тиристорами выпрямителя

Временные диаграммы, приведенные на рис. 1.3, построены для угла управления тиристорами выпрямителя . Жирными точками на рис. 1.3 обозначены точки “естественной” коммутации тиристоров V1,V6, V3,V2, V5,V4.

Задача системы управления тиристорами выпрямителя сформировать сдвоенные импульсы управления для тиристоров V1,V6, V3,V2, V5,V4 и иметь возможность синхронно изменять угол управления тиристорами выпрямителя в диапазоне от до . Поэтому такую систему управления называют: шестиканальная синхронная система управления.

2. Функциональная схема шестиканальной синхронной системы управления

Функциональная схема шестиканальной синхронной системы управления приведена на рис. 2.1, а временные диаграммы, поясняющие ее работу для одного канала приведены на рис.2.2.

Рис. 2.1 Функциональная схема шестиканальной синхронной системы управления тиристорами выпрямителя



Рис. 2.2 Временные диаграммы, поясняющие работу функциональной схемы синхронной системы управления

Назначение отдельных блоков шестиканальной синхронной системы управления рассмотрим на примере одного канала. Синхронизирующий трансформатор предназначен для формирования “низковольтного” (5ч7 вольт) синусоидального напряжения , совпадающего по фазе с каким-либо напряжением сети ( или ) таким чтобы выходное напряжение пассивного и активного фильтра проходило через нуль в точке естественной коммутации. Для первого канала это точка 1. Пассивный и активный фильтры предназначены для фильтрации (подавления, уменьшения) искажений напряжения питающей сети переменного тока (), которое может быть вызвано работой “силового” трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя. Кроме того, пассивный и активный фильтры обеспечивают такой сдвиг фаз по отношению к напряжению синхронизации, что выходное напряжение проходит через нуль в точке естественной коммутации.

Формирователь разрядных импульсов предназначен для управления работой генератора пилообразного напряжения, разрешающего формирование линейно нарастающего напряжения до значения при и формирующего при .

На выходе формирователя разрядных импульсов формируются однополярные прямоугольные импульсы напряжения с амплитудой , например, 5 вольт. Компаратор предназначен для сравнения напряжения управления и напряжения . В момент равенства этих напряжений формируются импульсы и . За счет изменения напряжения управления можно в заданных пределах изменять угол управления тиристорами выпрямителя:

,(2.1)

, (2.2)

.(2.3)

Формирователь длительности импульса и усилитель мощности формируют заданную длительность импульса и амплитуду тока управления , обеспечивающие “надежное” отпирание тиристоров выпрямителя. При этом ток, протекающий через тиристор, за время длительности импульса управления должен достичь значения, превышающего значение тока удержания тиристора в открытом состоянии.

3. Синхронизирующий трансформатор, пассивный и активный фильтры

Определить: Параметры элементов пассивного фильтра C₁ R₁,выбрать тип операционного усилителя A₁ и определить параметры элементов активного фильтра C₂ ,R₂ ,R₃

Принципиальная электрическая схема блока синхронизирующий трансформатор, пассивный и активный фильтры приведена на рис.3.1.

Рис. 3.1 Принципиальная электрическая схема блока синхронизирующий трансформатор, пассивный и активный фильтры

При анализе работы данной схемы и расчете параметров элементов принимаем следующие допущения: “работаем” всегда на линейном участке амплитудной характеристики усилителя

,

при ; коэффициент усиления

,

при расчетах принимаем равном нулю; входное сопротивление операционного усилителя , входной ток операционного усилителя принимаем равным нулю; выбираем входное сопротивление операционного усилителя Ом.

При расчете параметров элементов будем использовать символический метод и считать, что активный фильтр не влияет на работу пассивного фильтра, то есть

.

Тогда схемы замещения пассивного и активного фильтров для применения символического метода приведены на рис.3.2 и рис.3.3.

Рис. 3.2 Схема замещения пассивного фильтра



Рис. 3.3 Схема замещения пассивного фильтра

Векторные диаграммы, поясняющие работу активного и пассивного фильтра, приведены на рис. 3.4.

Рис. 3.4 Векторные диаграммы, поясняющие работу активного и пассивного фильтра

шестиканальный усилитель компаратор выпрямитель

Пример векторной диаграммы, изображенной на рис.3.4 показывает, что напряжение (выходное напряжение активного фильтра) опережает напряжение синхронизирующего трансформатора на угол равный .

Для того, чтобы выходное напряжение активного фильтра (см. рис. 2.2) проходило через нуль в точке естественной коммутации 1, необходимо на первичную обмотку синхронизирующего трансформатора подать напряжение , фазное напряжение фазы В. Тогда низковольтное напряжение ((5ч7) вольт) напряжение вторичной обмотки трансформатора , “пройдя” через пассивный и активный фильтры, сформирует напряжение (см. рис. 2.2) “опережающее” напряжение на , и пройдя через нуль в точке естественной коммутации 1.

Порядок расчета параметров элементов следующий:

1. При выбранном значении сопротивления резистора кОм задаем отношение

и рассчитываем значение емкости конденсатора

мкФ (3.10)

В качестве конденсатора используем лакопленочный конденсатор К76-4, В, мкФ.

2. После выбора емкости конденсатора для заданного значения рассчитаем величину сопротивления подстроечного резистора :

Ом (3.11)

В качестве резистора можно будем использовать переменный проволочный резистор СП5-1В мощностью 1 Вт и значением сопротивления =1000 Ом.

Для заданного значения и выбранного значения кОм рассчитаем значение емкости конденсатора :

мкФ(3.12)

и выберем конденсатор К76-4 с требуемым значением емкости 6,8 мкФ. Для получения такого типового значения емкости конденсатора используем резистор с другим значением сопротивления МЛТ (5,6 кОм)

3. В качестве операционного усилителя можно использовать следующие: К574, К1401, К140УД7. Выберем К140УД7.

Его параметры:

4. Определим амплитудное значение напряжения на конденсаторе (выходное напряжение пассивного фильтра )при =((5ч7) вольт:

а) При f=50 Гц:

В

б) При f=300 Гц:

В

5. Определим амплитудное значение выходного напряжения при Гц и при Гц:

а) При f = 50 Гц:

б) При f = 300 Гц:

4. Формирователь разрядных импульсов и генератор пилообразного напряжения

Принципиальная электрическая схема формирователя разрядных импульсов и генератора пилообразного напряжения приведена на рис.4.1.

Рис. 4.1 Принципиальная электрическая схема формирователя разрядных импульсов и генератора пилообразного напряжения

Принцип работы данной схемы заключается в следующем. Под действием напряжения (см. рис.4.2) на выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы напряжения с длительностью

сек

и частотой следования 50 Гц. При отрицательных значениях напряжения выходное напряжение компаратора приблизительно равно нулю, базовый и коллекторный токи транзистора V3 также равны нулю, транзистор V3 “закрыт”, находится в режиме отсечки.

На интервале закрытого состояния транзистора V3 напряжение на конденсаторе - под действием коллекторного тока транзистора V2 - изменяется по закону:

,(4.1)

если принять допущения, что ток постоянный и не изменяется. Транзистор V2 “работает” в активном, усиленном режиме:

,(4.2)

где - коэффициент передач тока эмиттера, а - сопротивление коллектора транзистора V2 в схеме с общей базой.

Ток эмиттера транзистора V2 можно определить из следующего уравнения:

,(4.3)

,(4.4)

где - напряжение стабилитрона V1.

Принимаем допущение, что постоянно и не изменяется, также постоянно и не изменяется. И <<, =15 В.

Для получения заданного значения

, (4.5)

задаем значение =(1ч2) mA и определяем величину емкости конденсатора :

.(4.6)

Если в уравнение (7.1) подставить значение тока из уравнения (4.2), то получим уравнение, из которого модно определить более точно:

,(4.7)

(4.8)

Если использовать разложение в ряд:

,(4.9)

учитывать только члены, содержащие первую и вторую степень t, то получим более простое выражение для :

(4.10)

Уравнение (4.10) позволяет для конкретных параметров элементов и значений, и , оценить “линейность” напряжения пилообразной формы. При положительных значениях напряжения выходное напряжение приблизительно равно:

,,,

транзистор V3 полностью “открыт”, находиться в режиме насыщения поэтому конденсатор разряжается до напряжения “нулевого” уровня. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис.4.2.



Рис. 4.2 Временные диаграммы, поясняющие работу формирователя разрядных импульсов и генератора пилообразного напряжения

Порядок расчета параметров элементов следующий:

1. Для заданного значения тока зарядки конденсатора

mА

выбирают тип р-n-р транзистора V2 по току коллектора и по напряжению .

Транзистор - 2Т202Г

Справочные данные:

1) Постоянное напряжение коллектор-эмиттер:

2) Постоянный ток коллектора:

3) Напряжение насыщения база-эмиттер:

4) Постоянная рассеиваемая мощность коллектора:

5) Задают значение напряжения на резисторе

В

и определяют величину сопротивления подстроечного резистора :

кОм (4.11)

3. Выбирают тип стабилитрона V1 на напряжение

и ток приблизительно равный

,

где - коэффициент усиления по току транзистора V2 .

Подбираем стабилитрон по напряжению 11В. Выбираем стабилитрон 2СМ211А.

Справочные данные:

1) Напряжение стабилизации: 11В

2) Разброс напряжения стабилизации: от 10В до 12В

3) Минимальный ток стабилизации: 3мА

4) Максимальный ток стабилизации: 10мА

Для него минимальный ток стабилизации 3 мА, поэтому ток на резисторе 2мА.(ток утечки базы примем 1мА)

4. Определяем величину сопротивления резистора

(4.12)

Для заданного значения и определяют величину емкости конденсатора :

(4.13)

Задают время разрядки конденсатора

и выбирают тип р-n-р транзистора V3 по току напряжению .

Выберем транзистор V3 - 2Т202Г

5. В качестве компаратора можно использовать компаратор 554СА3, для которых величина сопротивления надежного “отпирания” транзистора V3 величина сопротивлений резисторов и выбирается из условия:

, (4.14)

где - коэффициент усиления по току транзистора V3. Отсюда

5. Компаратор и формирователь длительности импульса

Принципиальная электрическая схема компаратора и формирователя длительности импульса приведена на рис.5.1.

Рис. 5.1 Принципиальная электрическая схема компаратора и формирователя длительности импульса

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, изображенной на рис. 5.1, приведены на рис. 5.2 при значении напряжения - пуска и защиты “равном” логической единице.

Рис. 5.2 Временные диаграммы, поясняющие работу компаратора и формирователя длительности импульса

В качестве компаратора можно использовать компаратор 554СА3

Справочные данные:

не более 6,0 мА

не более 5,0 мА

не более 3,0 мВ

не более 100 нА

не более 10 нА

не менее 1,5

не более 1,5 В

не более 300 нс

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации.

Напряжение между выводами 11 и 6 4,5…33 В

Синфазное входное напряжение В

Предельное входное напряжение 30 В

Напряжение между выводами 9 и 2 33 В

Мощность рассеивания при Т<=75 500мВт

А в качестве логических элементов логические элементы И-НЕ 155 серии. Выберем К155ЛА3

Справочные данные:

U,В не менее 2,4

U,В не более 0,4

t, нс не более 15

t, нс не более 22

U,В не более -1,5

раз 10

Примечания:

1 Т=+25С

2 U=4,75В

3 I=-0,4мА

Длительность импульса управления определяется параметрами дифференцирующей цепочки:

, (5.1)

где величина сопротивления резистора определяется выбранным типом логических элементов .

Отсюда, имея =1кОм, получим

Примем =1кОм

Так как для “нормального” функционирования тиристорного выпрямителя необходимо на тиристоры подать “сдвоенные” импульсы управления (см. рис. 1.3), то для получения в каждом из шести каналов управления сдвоенных импульсов осуществляется связь между каналами как это показано на рис. 9.1.

Угол управления тиристорами выпрямителя зависит от напряжения управления и определяется следующей зависимостью:

(5.2)

То есть, изменяя от 0 , получаем, изменяется от 0 до 90

6. Усилитель мощности

Принципиальная электрическая схема усилителя мощности приведена на рис.6.1.



Рис. 6.1 Принципиальная электрическая схема усилителя мощности

На вход усилителя мощности поступают “сдвоенные” с интервалом между импульсами и длительностью импульсы напряжения с выхода формирователя длительности импульса. При изменении напряжения управления изменяется и угол управления тиристором выпрямителя “V1” (см. рис.1.1). Упрощенная временная диаграмма, поясняющая работу усилителя мощности, приведена на рис.6.2. При построении временных диаграмм были приняты допущения, что трансформатор является идеальным (нет потерь и индуктивности рассеивания равны нулю), что на интервале открытого состояния транзистора V2 напряжение ,



Рис. 6.2 Временные диаграммы, поясняющие работу усилителя мощности

Так как реальный трансформатор управления имеет конечное значение индуктивности намагничивания , то реальная форма импульсов управления тиристором “V1” имеет вид, изображенный на рис.6.3.



Рис. 6.3 Временные диаграммы импульсов управления

Для расчета параметров трансформатора управления , обеспечивающего такую форму импульсов управления, используем расчетную схему замещения, приведенную на рис.6.4.

Рис. 6.4 Расчетная схема замещения для интервала открытого состояния транзистора V2

В расчетной схеме замещения трансформатор заменен индуктивностью намагничивания , сопротивление между управляющим электродом и катодом тиристора “V1”

принято постоянным и независящим от величины тока управления, падение напряжения на открытом транзисторе V2, диодах V1 и V4 принято равным нулю. Так как стандартное напряжение управления у низкочастотных тиристоров и лавинных тиристоров составляет приблизительно три вольта, то при напряжении питания 15 вольт целесообразно выбрать коэффициент трансформации

.

Тогда падение напряжения на резисторе без учета реального падения напряжения на V2 и V1 будет составлять 6 вольт. Резистор включен в схему, как будет показано ниже, для увеличения скорости нарастания тока управления .

При заданных для расчета значениях , и выбранном значении значения этих токов, приведенные к первичной обмотке равны:

Так как ток, протекающий через индуктивность, не может измениться мгновенно, то и

(6.2)

В области изображения преобразования Лапласа выражение для токов , , имеют следующий вид:

(6.3)

Обратное преобразование из области изображений в область оригиналов для уравнений (6.3), (6.4) и (6.5), имеет следующий вид:

(6.6)

(6.7)

, (6.8)

Для заданных значений тока и получим уравнение, из которого можно определить необходимое значение :

(6.9)

(6.10)

(6.11)

Определив величину индуктивности намагничивания трансформатора , в качестве магнитопровода выбираем тороидальный сердечник из феррита марки 2500 НМС1:

Гн/м

Тл

м

Рис. 6.5 Эскиз тороидального сердечника с обозначением размеров

Величину индуктивности намагничивания тороидального сердечника с числом витков первичной обмотки можно определить по следующей приближенной формуле:

(Гн) (6.12)

Где

м²

- сердечник магнитопровода,

м

- длина средней линии магнитопровода.

По формуле (6.12) найдем w:

витка

Тогда

витка

Для того, чтобы материал сердечника магнитопровода не “попадал” в область насыщения магнитная индукция не должна превышать :

(6.13)

(6.14)

Тогда подставляя полученный ток из формулы (6.14) в формулу, имеем

Используя уравнения (6.12), (6.13) и (6.14) можно подбором выбрать “правильные” размеры сердечника и число витков первичной обмотки. При выборе сечений проводов первичной и вторичной обмоток необходимо исходить из допустимой плотности тока, например, 2. А/мм². Окно магнитопровода должно иметь размеры достаточные для намотки проводов витков и , и расположения изоляционного материала между обмотками и .

Для расчета фронта нарастания тока управления и скорости нарастания тока управления необходимо знать индуктивность рассеяния трансформатора:

,

где

- индуктивность рассеяния первичной обмотки

- индуктивность рассеяния вторичной обмотки , приведенная к первичной обмотке.

Предположим, что первичная и вторичная обмотки намотаны равномерно по длине магнитопровода и имеется зазор между первичной и вторичной обмотками. Эскиз расположения обмоток с обозначениями размеров показан на рис.6.6:

Рис. 6.6 Эскиз расположения обмоток и на магнитопроводе

Площадь сечения рассеяния равна:

(6.15)

где - внешний и внутренний диаметры и высота магнитопровода и зазор между обмотками.

Тогда индуктивность рассеяния может быть определена по следующей формуле:

(6.16)

Для расчета длительности фронта тока управления воспользуемся упрощенной схемой замещения, приведенной на рис.6.7:

Рис. 6.7 Схема замещения для расчета длительности фронта импульса управления

В области изображения преобразования Лапласса выражение для имеет следующий вид:

(6.17)

В области оригиналов равно:

(6.18)

Уравнение (6.18) позволяет определить длительность фронта импульса управления при рассчитанных ранее значениях , , и

Выберем тип транзистора V2- n-p-n-транзистор серии ТМ10Б.

Справочные данные:

1) Постоянное напряжение коллектор-база и коллектор-эмиттер: 30В

2) напряжение эмиттер-база: 3В

3) Постоянный ток коллектора: 10 мА

4) напряжение насыщения база-эмиттер: 2В

Выберем сопротивления:

7. Датчик тока нагрузки трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

Датчик тока нагрузки предназначен для формирования низковольтного, сглаженного “напряжения пропорционального току нагрузки, которое необходимо использовать в аварийных режимах, как информационный сигнал”, для последующего использования.

Принципиальная электрическая схема датчика тока трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя приведена на рис. 7.1:

Рис. 7.1 Принципиальная электрическая схема датчика тока нагрузки трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя

Временные диаграммы, поясняющие работу датчика тока нагрузки при допущении, что ток нагрузки , полностью сглажен. Тиристоры, диоды и трансформаторы являются идеальными элементами без потерь. Коэффициент трансформации силового трансформатора равен единице.

Рис.7.2 Временные диаграммы, поясняющие работу датчика тока нагрузки

- действующее значение фазного напряжения трехфазной питающей сети переменного тока;

;

- коэффициент трансформации трансформаторов тока , и

- среднее значение тока нагрузки.

Максимальное значение напряжения (напряжение датчика тока нагрузки) равно:

(7.1)

Для временного интервала << на рис. 7.1 показана полярность напряжения на резисторах и и показано, что на этом временном интервале “пропускает” ток диоды V7, V10 маломощного выпрямителя на диодах V7чV12.

Так как уровень выходного напряжения датчика тока нагрузки должен быть согласован с уровнями напряжений, выбранных в системе управления тиристорами выпрямителя логических элементов, например, серии К 155 или К 561, то выбираем значение =(5ч6) В, задаем значение мощности выделяющейся в резисторах ч, , например, 1Вт или 2 Вт. Применение трансформаторов тока обеспечивает гальваническую разрядку низковольтного напряжения переменного тока.

Тогда для выбора величин сопротивлений резисторов ч и значений коэффициента трансформации трансформатора тока (ч) целесообразно воспользоваться следующими формулами:

, (7.2)

, (7.3)

, (7.4)

где - действующее значение тока, протекающего через резистор .

Подставим (7.3) в (7.2) и получим:

Ом

Определим значение емкости конденсатора фильтра , предназначенного для уменьшения пульсации напряжения с частотой 300 Гц

8. Пороговый элемент защиты и устройство пуска системы управления

Пороговый элемент защиты предназначен для блокирования импульсов управления тиристорами выпрямителя при превышении током нагрузки заданных значений в аварийных режимах.

Принципиальная электрическая схема порогового элемента защиты и устройства пуска системы управления приведена на рис.8.1.



Рис. 8.1 “Пороговый” элемент защиты и устройство пуска системы управления

Если выходной сигнал порогового элемента защиты и устройства пуска равен логической единице (=“1”), то импульсы управления поступают на тиристоры V1чV6 выпрямителя, так как (см. рис.5.1 и рис. 6.1) сигналы формирователя длительности импульса (“0” или “1”) могут беспрепятственно поступать на вход усилителя мощности.

Если выходной сигнал порогового элемента защиты и устройства пуска равен логическому нулю (=“0”), то импульсы управления тиристорами выпрямителя равны нулю, так как выходные сигналы логических элементов D1 и D3 формирователя длительности импульсов (рис.9.1) соответственно равны “0” и “1” и поэтому на вход усилителя мощности (рис.6.1) поступает сигнал логический нуль, транзистор V2 закрыт, импульс управления равен нулю.

в номинальном режиме работы, когда ток нагрузки не превышает заданную величину и на один из тиристоров выпрямителя V1чV6 не вышел из строя, напряжение меньше, чем напряжение установки защиты , входное напряжение компаратора DA1 <0, выходное напряжение компаратора DA1 равно логическому нулю, выходное напряжение (см. рис. 15.1) логического элемента D₄ равно логической единице, и поэтому сигнал логической единицы (разрешающий сигнал появление на выходе логического элемента D₅ сигнала логической единицы (=“1”).

В аварийных режимах и при превышении током нагрузки заданного значения >, >0, выходное напряжение компаратора DA1 равно логической единице, выходное напряжение логического элемента D₄ равно логическому нулю, =“1”,=“0”=. Это означает что на вход усилителя мощности (рис. 6.1) поступает сигнал логический нуль, импульсы управления тиристорами выпрямителя равны нулю, тиристоры выпрямителя “закрываются”, ток нагрузки становиться равным нулю (=0), =0.

Но несмотря на то, что =0 выходное напряжение компаратора DA1 остается равным логической единице, так как >0:

0<= (8.1)

Величины сопротивлений ч должны быть выбраны такими, чтобы было больше нуля при =0. В качестве компаратора DA1 может быть использован компаратор 554 СА3

Справочные данные:

не более 6,0 мА

не более 5,0 мА

не более 3,0 мВ

не более 100 нА

не более 10 нА

не менее

не более 1,5 В

не более 300 нс

Предельно допустимые электрические режимы эксплуатации.

Напряжение между выводами 11 и 6 4,5…33 В

Синфазное входное напряжение В

Предельное входное напряжение 30 В

Напряжение между выводами 9 и 2 33 В

Мощность рассеивания при Т<=75 500мВт

В качестве логических элементов D₁ч D₆,-логические элементы серии 155.

Выберем К155ЛА3

Справочные данные:

не менее 2,4 В

не более 0,4 В

не более 15 нс

не более 22 нс

не более -1,5 В

10

Примечания:

1) Т=+25 ⁰С

2) =4,75В

3) =-0,4мА

В нижнем положении переключателя S₁ (“стоп”) =“0”, =“1”, на тиристоры выпрямителя не поступают импульсы управления, тиристоры закрыты, ток нагрузки равен нулю.

Выберем резисторы ч,

=1,4кОм

Выберем тип светодиода Л₁. Так как U< 2,3В (для логического элемента серии 155), то ток

.

По справочнику выберем светоизлучающий диод 2Л101А.

Справочные данные:

1) Предельные прямой ток при t от 263 до 342 К 10мА

2) Постоянное прямое напряжение 5В

3) Цвет свечения желтый

9. Функциональная схема управления стабилизированного выпрямителя

Стабилизированный выпрямитель предназначен для стабилизации напряжения на нагрузке.

Функциональная схема управления стабилизированного выпрямителя приведена на рисунке:

Для того чтобы при изменении напряжения трехфазной питающей сети переменного тока и изменении сопротивления нагрузки напряжение на нагрузке или ток нагрузки оставались «неизменными» зависимости и должны иметь вид, изображенный на рисунке:

Зависимости и имеют два характерных участка: линейный участок и участок насыщения. Для стабилизации напряжения на нагрузке или тока нагрузки рабочая точка А должна всегда находится на линейном участке зависимостей и , и кроме того должно выполняться условие .

При анализе работы функциональной схемы системы управления стабилизированным выпрямителем введем следующие допущения: напряжение на нагрузке , ток нагрузки и напряжение обратной связи

Или

полностью сглажены, имеют постоянные составляющие, переменные составляющие равны нулю, длительность переходных процессов в системе управления и в выпрямителе равна нулю. Напряжение на нагрузке и ток, протекающий через нагрузку равны:

(9.1)

(9.2)

где - действующее значение фазного напряжения трехфазной питающей сети переменного тока, - угол управления тиристорами выпрямителя, - сопротивления нагрузки, коэффициент трансформации согласующего трансформатора (см. рис. 1.1) равен единице. Для первой и второй крайних рабочих точек зависимости можно написать следующие уравнения:

(9.3)

(9.4)

(9.5)

(9.6)

и получить выражения для точности стабилизации напряжения и тока:

(9.7)

(9.8)

Принцип стабилизации, например, напряжения на нагрузке заключается в следующем:

Предположим, что при номинальном значении напряжения питающей сети работали в точке А при и , то при увеличении в первый момент времени , , и , напряжение на нагрузке за счет увеличения угла уменьшается, несмотря на увеличения напряжения питающей сети. Для случая стабилизации тока нагрузки , то при уменьшении сопротивления нагрузки в первый момент времени ,, и , ток, протекающий через нагрузку, уменьшается - возвращается на прежнее значение, несмотря на уменьшение сопротивления нагрузки. Для получения точных количественных значений точности стабилизации напряжения и тока протекающего через нагрузку, необходимо использовать следующее уравнение:

(9.9)

Для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении значений напряжения питающей сети переменного тока , необходимо выбрать такой рабочий угол управления тиристорами выпрямителя при , чтобы при уменьшении значения напряжения уменьшением угла управления можно было бы восстановить прежнее значение . Если принять, что напряжение питающей сети изменяется в диапазоне , то можно принять равным тридцать градусов и выбрать для заданных значений ,,,, такое значение , которое обеспечивает необходимое значение и .

Для расчета коэффициента обратной связи необходимо в уравнение (9.8) подставить значения , , и :

(9.10)

(9.11)

(9.12)

В качестве примера для расчета используем следующие значения величин, входящих в уравнения (9.109.12):

= 220 В, = 200 В, = 240 В, = 5 В, = , = 0,02,

= , = , = 50 А.

= 50,02 = 0,1 В;

;

и уравнение (9.10) приобретает вид:

(9.13)

(9.14)

Для того чтобы определить значение при других значениях и , для рассчитанного значения необходимо найти значении из уравнения:

(9.15)

(9.16)

1.

Берём:

По (9,15) подставляем данное в левую часть:

Берём:

График 1

2.

Берём:

По (9,15) подставляем данное в левую часть:

Берём:

Берём:

График 2

Стабилизация тока нагрузки :

1.

Берём:

По (9,15) подставляем данное в левую часть:

Берём:



2.

Берём:

По (9,15) подставляем данное в левую часть:

Берём:

1)

Берём:

По (9,15) подставляем данное в левую часть:

Берём:

10. Принципиальная электрическая схема усилителя рассогласования

Усилитель рассогласования является одной из важных составляющих частей функциональной схемы управления стабилизированного выпрямителя.

Рис 10.1 Принципиальная электрическая схема усилителя рассогласования

Для заданных значений , , , , , можно определить:

(10.1)

(10.2)

(10.3)

, , , , .

;

;

Рассмотрим параметры элементов схемы, изображенной на рис. 10.1, которые обеспечивали бы также значения , и .

Усилители А1 и А2 выполнены по схеме инвертирующих операционных делителей.

Рис. 10.2 Расчетная схема инвертирующего операционного усилителя.

(10.4)

(10.5)

(10.6)

Так как коэффициент усиления по напряжению современных операционных усилителей составляет , то при значениях

можно использовать более простые уравнения для расчета :

, (10.7)

где выбираем приблизительно .

- входное сопротивление современных операционных усилителей составляет .

(10.8)

(10.9)

Причем , а .

При , ,

,

и должно быть равно .

(10.10)

Выбираем и тогда .

При

,

и с помощью потенциометра выставляем такое значение , чтобы

.

(10.11)

Из уравнения (10.11) определяем

.

Коэффициент усиления усилителя А1 - равен:

(10.12)

Выбираем величину сопротивлений резисторов , тогда

(10.13)

Список литературы

1. Лапин В. И., Савелов Н. С. Электроника: учебное пособие. Ростов на Дону, «Феникс», 2000; 448 с.

2. Куприянов А. С., Смородинов В. В. Электротехника и электроника: лабораторный практикум по электронике. Изд. СПбГПУ, 2005; 127 с.

3. Перельмутер В. М., Сидоренко В. А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. Москва, «Энергоатомиздат», 1988; 304 с.

4. Зельдин Е. А. Цифровые интегральные микросхемы в электронной измерительной аппаратуре. Ленинград, «Энергоатомиздат», 1986; 280 с.

5. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. Москва, Высшая школа, 1982; 496 с.

6. Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Тарабрина Б. В. Москва, Энергоатомиздат, 1985; 528 с.

Размещено на Allbest.ru

...