Расчет одноканальной системы управления трехфазного полууправляемого мостового выпрямителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет одноканальной системы управления трехфазного полууправляемого мостового выпрямителя

Введение

полууправляемый выпрямитель схема связь

Задачей данной курсовой работы является исследование и расчет 3-х фазного мостового полууправляемого выпрямителя. Нагрузкой является двигатель постоянного тока мощностью 10 кВт. Цель работы - разработка блок-схемы, которая состоит из системы управления, силовой части и датчика обратной связи. Затем с помощью справочников и другой технической литературы необходимо произвести выбор функциональных блоков и электрических элементов. Также необходимо построить принципиальную схему работы системы и временные диаграммы.

1.Техническое задание

Разработка одноканальной системы управления 3-х фазного мостового полууправляемого выпрямителя, нагрузкой которого ДПТ мощностью 10 кВт. С обратной связью по скорости.

2. Разработка блок-схемы системы управления

Для открытия тиристоров необходимо получить прямоугольные импульсы. Их можно получить, сравнив пилообразное напряжение с постоянным заданным напряжением. Поэтому полученное пилообразное напряжение ГРН подаем на нуль-орган (куда также подается постоянное напряжение с выхода блока управления) и, сравнивая два этих напряжения, на выходе имеем импульсы прямоугольной формы. Далее эти импульсы подаются на распределитель импульсов, а с него - на выходные устройства. Выходное устройство формирует окончательную форму импульсов и подает их на силовые тиристоры.

В качестве датчика обратной связи используем датчик скорости.

Рис.1. Блок схема системы управления с обратной связью по скорости.



УС - устройство синхронизации.

ФДИ - формирователь длинных импульсов.

ФКИ - формирователь коротких импульсов.

? - сумматор импульсов.

ГРН -генератор развёртывающего напряжения.

НО - нуль-орган.

РИ - распределитель импульсов

ПУ - промежуточное устройство.

ВУ - выходное устройство.

ДС - датчик скорости.

ИП - источник питания.

БУ - блок управления.

Назначение блоков

УС - синхронизирующий трансформатор.

Н - Нагрузкой, в нашем случае, является электродвигатель.

ВС Вентильная схема или силовая часть. Представляет собой 3-х фазный полууправляемый мостовой выпрямитель на тиристорах и диодах.

ВУ. Выходное устройство. Предназначено для формирования импульсов управления. В нашем же случае в качестве выходного устройства используем генератор одиночных импульсов. Предназначен для управления тиристорами с помощью прямоугольных импульсов.

НО. Нуль-орган. Это узел сравнения. Пилообразное напряжение сравнивается по амплитуде с напряжением управления Uу. Представляет собой обычный операционный усилитель. В нашем же случае используем операционный усилитель серии К140УД7.

ГРН. Генератор развёртывающего напряжения. Служит для получения пилообразного напряжения, построенный по схеме коммутатора на транзисторе. Транзистор VT1 серии КТ302А.

ИП. Источник питания. В качестве источника питания, от которого питается операционный усилитель, используем трансформатор и двухполярный стабилизатор серии К142ЕН6.

Для питания транзистора VT1 используем стабилизатор серии К142ЕН8В, который подключен таким образом, что представляет собой стабилизатор тока.

БУ. Блок управления. С помощью этого блока изменяем значение напряжение управления U_у. В качестве БУ используем трансформатор и интегральный стабилизатор серии К142ЕН18А.

РИ. Распределитель импульсов. Распространяет импульсы управления по каналам. В качестве распределителя импульсов использую три D - триггера.

2.Описание блок-схемы системы управления

2.1 Синхронизирующий трансформатор

Как правило, принято переходы сетевой синусоиды фиксировать через ноль, а угол управления отсчитывать от точки естественной коммутации, т. о. в синхронизирующем трансформаторе необходимо предусмотреть сдвиг в 30. Обычно это достигается включением обмоток трансформатора по схеме “треугольник-звезда”.

Рис 2. Устройство синхронизации

Uсети - напряжение питающей сети

Uстр - напряжение синхронизирующего трансформатора

Расчет параметров трансформатора приведено на странице

2.2 Формирователь длинных импульсов

Фиксирует переходы сетевых синусоид через ноль, и в качестве ФДИ можно применять пороговые цифровые микросхемы или операционные усилители. В нашем случае используем интегральную микросхему, построенную на шести логических элементах с пороговым элементом (триггером Шмидта), серии К555ТЛ2. Суть его работы такова, что при подаче на вход триггера напряжения больше 0В, на выходе получаем напряжение низкого уровня («логический ноль»), т.е. получаем импульс длиной в 180⁰.

Триггер Шмидта (К555ТЛ2)

Микросхема представляет собой три триггера Шмидта. Содержит 144 интегральных элемента. Корпус типа 201.14-1, масса не более 1г.

Обозначения

1, 3, 5, 8, 11, 13 - выводы входа;

2, 4, 6, 9, 10, 12 - выводы выхода;

7 - общий;

14 - вывод напряжение питания.

Рис.3 Устройство формирования длинных импульсов

Таблица 1. Электрические параметры

Номинальное напряжение питания	5(5)В.
Выходное напряжение низкого уровня	0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня	2,7 В
Ток потребления при низком уровне выходного напряжения	21 мА
Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения	16 мА
Входной ток низкого уровня	0,4 мА
Входной ток высокого уровня	0,02 мА
Время задержки распространения входного сигнала при включении (выключении)	22 нс

2.3 Формирователь коротких импульсов

Формирует короткие импульсы по фронту длинных импульсов. Длительность коротких импульсов не зависит от внешних факторов, а зависит от параметров RC-цепочки. В качестве ФКИ обычно применяют одновибраторы, а также ждущие мультивибраторы. В нашем случае в качестве формирователя коротких импульсов возьмем одновибратор серии К555АГ3, у которого на выходе Q напряжение высокого уровня по отрицательному фронту импульса ФДИ.

Одновибратор ( К555АГ3)

Микросхема представляет собой два одновибратора с повторным запуском. Содержат 238 интегральных элементов. Корпус типа 238.16-1, масса не более 1,2 г.

Обозначения:

1, 2, 9, 10 - вывод входа

3, 11 - вывод входа «сброс»

13, 5 - вывод прямого выхода

4, 12 - вывод инверсного выхода

6, 14 - вывод внешней ёмкости

7,15 - вывод внешнего компонента

8 - общий

16 - вывод напряжение питания

Таблица 2. Электрические параметры

Номинальное напряжение питания	5 (5) В
Выходное напряжение низкого уровня	0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня	2,7 В
Входной ток низкого уровня	-0,4 мА
Входной ток высокого уровня	0,02 мА
Ток потребления при низком уровне выходного напряжения	20 мА
Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения
Время задержки сигнала при переходе из 1 в 0 при U=0.5 В	56 нс
Время задержки сигнала при переходе из 0 в 1 при U=0.5 В	45 нс

2.4 Сумматор импульсов

Предназначен для суммирования импульсов с трех каналов в один. Используем микросхему К555ЛЛ6



Рис.5 Устройство суммирования

Номинальное напряжение питания	5 (5) В
Выходное напряжение низкого уровня	0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня	2,7 В
Входной ток низкого уровня	-0,36 мА
Входной ток высокого уровня	0,02 мА
Ток потребления при низком уровне выходного напряжения	6,2 мА
Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения	9,8 мА
Время задержки сигнала при переходе из 1 в 0 при U=0.5 В	22 нс
Время задержки сигнала при переходе из 0 в 1 при U=0.5 В	22 нс

2.5Генератор развертывающего напряжения

Предназначен для получения пилообразного напряжения. В нашем случае используем генератор развертывающего напряжения, построенный по схеме коммутатора на транзисторе.

Рис.6 Генератор развертывающего напряжения

VT1 - транзистор серии КТ315Е

R₁ - резистор, регулирующий ток базы транзистора

С₁ - конденсатор

R₂- резистор, регулирующий ток заряда конденсатора

Элементы схемы ГРН и их параметры:

Транзистор кремниевый n-p-n - эпитаксиальный высокочастотный. Область применения: разночастотные и высокочастотные усилители мощности, мобильная телефония. Параметры при рабочей температуре: +25С.

КТ315Е - транзистор для устройства ГРН

Напряжения коллектор-база ………………………… 10В.

Напряжение коллектор-эммитер максимальный…… 35В.

Напряжение база-эммитер максимальный…………….6В.

Ток коллектора макс …………………………………...0,1А

2.6 Нуль-орган

Нуль-орган является узлом сравнения. Пилообразное напряжение сравнивается по амплитуде с напряжением управления Uу. Представляет собой обычный операционный усилитель. В нашем же случае используем операционный усилитель серии К140УД7.

Рис.7. Схема нуль органа

R3, R4, R5 - входные сопротивления

R6 - сопротивление звена коррекции

R7 - выходное сопротивление

D5- диод срезающий отрицательные импульсы

Электрические параметры

Напряжение питания………………………………………….. 518 В

Дифференциальное входное напряжение…………………… 30 В

Синфазное входное напряжение…………………………….. 15 В

Напряжение на каждом входе………………………………... 15 В

Емкость нагрузки……………………………………………… 100 пФ

Сопротивление нагрузки……………………………………… 1 кОм

2.7 Распределитель импульсов

Режим работы	Входы	Выходы
	/S	/R	D	C	Q	/Q
Асинхронная установка	0	1	X	X	1	0
Асинхронный сброс	1	0	Х	Х	0	1
неопределенность	0	0	Х	Х	1	1
Загрузка "1" (установка)	1	1	1	_/	1	0
Загрузка "0" (сброс)	1	1	0	_/	0	1

Распределитель импульсов предназначена для перераспределение импульсов по каналам. РИ построен на трех D - триггерах.

Рис. 8 Условное обозначение и цоколевка микросхемы ТМ2

Таблица

Номинальное напряжение питания	5 (5) В
Выходное напряжение низкого уровня	0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня	2,7 В
Входной ток низкого уровня	-0,4 мА
Входной ток высокого уровня	0,02 мА
Ток потребления при низком уровне выходного напряжения	0,02 мА
Ток потребления при высоком уровне выходного напряжения	0,04 мА
Время задержки сигнала при переходе из 1 в 0 при U=0.5 В	25 нс
Время задержки сигнала при переходе из 0 в 1 при U=0.5 В	40 нс

2.8 Выходное устройство

Предназначено для формирования импульсов управления. В нашем же случае в качестве выходного устройства транзистор включённый по схеме с общим коллектором.

Рис.9 Схема выходного устройства

VT2 - транзистор серии КТ302А

R8 - сопротивление

R9 - сопротивление ограничивающий тока базы

R11 - сопротивление, ограничивающие ток подаваемый на вентили силовой схемы

D 6 - обратный диод

D 8- служит в качестве автономного запирающего смещения

Выбор транзистора.

КТ315Е - транзистор для выходных устройств

Напряжения коллектор-база ………………………… 10В.

Напряжение коллектор-эммитер максимальный…… 35В.

Напряжение база-эммитер максимальный…………….6В.

Ток коллектора макс …………………………………...0,1А.

2.10 Источник питания

В качестве источника питания, от которого питается операционный усилитель используем трансформатор и двухполярный стабилизатор К142ЕН6.Для выходного устройства используем трансформатор и однополярный стабилизатор серии К142ЕН8Б.Принципиально практически все стабилизаторы серии К142ЕН похожи, разница заключается лишь в их электрических параметрах.

Рис. 10 источники питания

Двухполярный стабилизатор К142ЕН6 Однополярный стабилизатор

К142ЕН5(8)

Обозначения: Обозначения:

6, 15 - выводы входа 4 - вывод входа

4, 13 - выводы выхода 1- вывод вывода

11, 17 - вывод внешних емкостей (С1,С2) 8 - общий

8 - общий

2 - вывод напряжения питания; С1, С2, С3 ,С4- внешние емкости.

2.11 Блок управления

С помощью этого блока изменяем значение напряжение управления U_у. В качестве БУ используем трансформатор и интегральный стабилизатор серии КР142ЕН18А. Т.к. используемый стабилизатор принадлежит семейству стабилизаторов серии К142ЕН, то принципиальная схема аналогична, приведенной выше для источника питания.

Параметры стабилизаторов ИП и БУ

КР142ЕН5А (ИМ)

Входное напряжение………………1015 B

Выходное напряжение……………..5 B

Выходной ток……………………….1,5А

К142ЕН6 (ОУ)

Входное напряжение………………+40B; -40В

Выходное напряжение……………..+15B; -15В

Выходной ток……………………….0,2А

КР142ЕН8В (ВУ) (ГРН)

Входное напряжение………………17,535 B

Выходное напряжение……………..15 B

Выходной ток……………………….1,5А

КР142ЕН18А (БУ)

Входное напряжение………………530 B

Выходное напряжение……………..1,226,5 B

Выходной ток……………………….1А

3.Описание силовой части

3.1 Вентильная схема

Рис 11. Вентильная схема

Вентильная схема представляет собой трехфазный полууправляемый мостовой выпрямитель. В схему 3-х фазного выпрямителя входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Первичные обмотки соединяются звездой или треугольником.

3.2 Нагрузка

В качестве нагрузки мы выбрали ДПТ: 2ПН180L

Таблица 5 Технические характеристики

Тип двигателя	2ПН180L
Рн, кВт мощность двигателя	10
nН, об/мин -номинальная скорость	970
UЯН, В - номинальное напряжение	110
IЯН, А - номинальный ток	105
Сопр.обмотки (200С),Ом	RЯ.ОБМ	0,042
	Rдп	0,03
Число пар полюсов, р	2
КПД,н %	82,5

3.3 Выбор силовых тиристоров

Расчет силового трансформатора

Силовой трансформатор необходим для согласования напряжения питающей сети с напряжением двигателя.

Расчетное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2ф выбирается из заданных условий работы нагрузки с учетом возможного понижения сети и допустимых токовых перегрузок:

U_2ф = К_СК_UК_аК_RU_бH,

где К_С - коэффициент схемы (табл.3), равный отношению теоретической ЭДС вторичной обмотки силового трансформатора Е_2ф к среднему значению выпрямленного напряжения U_бн;

K_U - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения в сети. Значение коэффициента принимается равным K_U = 1,05 - 1,1 [4];

К_а - коэффициент запаса, учитывающий снижение напряжения на выходе выпрямителя за счет ограничения угла открывания тиристора в реверсивных преобразователях с совместным управлением К_б = 1,05 - 1,1 - для реверсивных схем с согласованным управлением. Для нереверсивных и реверсивных схем с раздельным управлением К_а=1;

К_R - коэффициент, учитывающий падение напряжения на вентилях и обмотках трансформатора, а также наличие углов коммутации, К_R = 1,05;

U_бн - номинальное значение напряжения на нагрузке

U_бн = U_лн = 110 В

U_2ф =0,427·1,1·1·1,05·110 =60 В

Действующее значение линейного тока вторичной обмотки трансформатора, А:



где К₁ - коэффициент тока, зависящий от схемы выпрямителя, значение которого приведено в табл. 3;

К_З - коэффициент запаса по току, учитывающий возможную перегрузку преобразователя. В зависимости от характера нагрузки К_З = 1,05 2,5;

К_i - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока тиристора от прямоугольной. По экспериментальным данным принимается К_i =1,05 - 1,1;

I_бн - номинальный ток нагрузки, на стороне выпрямленного напряжения. I_бн = I_лн =105 А.

I_2л =0,82·1,5·1,1·105=140В

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, А,

,

где:

К_ТР = - коэффициент трансформации трансформатора

К_ТР == 3,66

I_1л =140/3,66 =38,25 А

Расчетная типовая мощность силового трансформатора, кВ·А,

,

где S_T - теоретическое значение типовой мощности трансформатора,

S_T=К_S ·U_бн· I_бн,

К_S- коэффициент схемы по мощности (табл.3.1);

I_бн - среднее значение выпрямленного тока, равное номинальному току двигателя;

U_бн - среднее значение выпрямленного напряжения, равное номинальному напряжению двигателя.

S_T = 1,05·110·105 =12128 В·

S_рас =12127,5·1,1²·1,1²·1,05·1,1·10^-3 =21 кВ·А

По полученному значению расчетной мощности выбирают силовой трансформатор (принимают ближайший больший по мощности), наиболее близкий по техническим характеристикам расчетному, из условия

В качестве трансформатора выбираем ТСЗП -25/0,7.

Таблица 6 Данные трансформатора ТСЗП -25/0,7

Тип трансформатора	Номинальная мощность Sн кВ·А	Номинальное Напряжение, В	Потери Вт	Напряжениекороткогозамыкания, % от Uн	Ток холостого хода % от I2н	Схема соединения бмоток
		Первичное U1	Вторичное U1	Холостого хода	Короткогозамыкания
ТСЗП -25/0,7	25	380	115	170	1300	5,2	3	Y/Y0

3.4 Выбор тиристоров

Выбор тиристоров производится по среднему значению тока и максимальному значению обратного напряжения.

Требуемое среднее значение тока I_В тиристора с воздушным охлаждением, с учетом пусковых токов и условий охлаждения, определяется по формуле:

где K_Зi = 2 2,5 - коэффициент запаса, учитывающий пусковые токи;

K_охл - коэффициент, учитывающий условия охлаждения.

При скорости охлаждающего воздуха V =12 м/с K_охл = 1; при V = 6 м/с K_охл = 1,4;

а при V = 0 К_охл = 2,5;

I_dн - номинальный ток нагрузки (двигателя);

m₂ - число фаз вторичной обмотки трансформатора

I_в = 175 А

Выбор номинального тока тиристора I_вн осуществляют по условию

Характеристики тиристора приведены в таблице

Выбранный тиристор проверяют на устойчивость при коротком замыкании на стороне постоянного тока по формуле

где - ток короткого замыкания;

U_K% - напряжение короткого замыкания согласующего трансформатора или сети после токоограничивающего реактора;

15 - кратность допустимого кратковременного тока через тиристор.

I_к = 139,66 =2685 А

15 - кратность допустимого кратковременного тока через тиристор.

I_вн = 200 А ? = 180 А

Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемая к вентилю, определяется по формуле, В,

U_ВM = K₀U_dн,

где K₀ - коэффициент схемы (см. табл. ).

U_ВР = 1,05•110=115,5В

Расчетное максимальное обратное напряжение на тиристоре, В,

U_ВРМ = К_U К_б К_R U_ВМ.

К_u=1,1 K_a =1,1 Kr =1,05

U_ВРМ = 1,1•1,1•1,05•115,5 = 147 В

3.5 Выбор тиристора

В качестве тиристора для построения трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя выбираем тиристор Т171-200

Электрические параметры

Тип прибора	Т171-200
U, обр, макс В -- максимально допустимое постоянное обратное напряжение	300-1600
Uзс.п,max, В -- постоянное напряжение в закрытом состоянии
Iос.,ср.,Iос.,п., А -- средний ток в открытом состоянии	200
Iос.,и, А -- средний импульсный ток в открытом состоянии	500
Uос.,и, Uос., В - импульсное напряжение в открытом состоянии	0,45
Uу.,нот, В - неотпирающее постоянное напряжение управления	1,75
Iзс.,п., Iзс., мА - постоянный ток в закрытом состоянии	30
Iобр.,п., Iобр., мА - постоянный обратный ток	30
Iу.,от., Iу,з,и, мА - отпирающий постоянный ток управления Iу, от	200
Uу.,от, Uу,от,и, В - постоянное отпирающее напряжение управления	3,5
dUзс/dt, В/мкс - критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии	20-1000
tвкл, мкс - время включения тиристора	25
tвыкл, мкс - время выключения тиристора	250

3.6 Выбор диода

В качестве диода выбираем Д161-200-12

Тип прибора	Д161-200-12
Максимальное импульсное обратное напряжение, В	1200
Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток,А	200
Максимально допустимый прямой импульсный ток,А	314
Максимальный обратный ток,мкА	40000
Максимальное прямое напряжение,В при Iпр.,А = 200	1.35
Рабочая частота,кГ	2
Максимальное время восстановления ,мкс	20
Рабочая температура,С	-60…190
Способ монтажа	в охладитель

3.7 Выбор датчика скорости

Тахогенератор постоянного тока ТП-80-20-0,2

Тахогенератор ТП-80-20-0,2 предназначены для комплектации электродвигателей (в том числе серии 2П, 4П и др..), работающих в широкорегулируемых электроприводах постоянного тока.

Тахогенератор с возбуждением от постоянных магнитов состоит из якоря и магнитной системы.

Якорь устанавливается непосредственно на вал, а магнитная система крепится к корпусу электродвигателя.

Основные технические данные тахогенератора

Крутизна выходного напряжения, мВ/мин -1	20+4
Номинальная частота вращения, мин -1	3000
Максимальная частота вращения, мин -1	6000
Минимальная частота вращения, мин -1	0,1
Нагрузочное сопротивление, кОм, не менее	10
Погрешность в диапазоне частот вращения 30-4000 мин -1, % не более	0,2
Коэффициент пульсации при максимальной частоте вращения, %	1,0

Спецификация элементов принципиальной схемы

№п/п	Обозначение на схеме	Тип	Питание В	Описание, стр	Кол-во штук
Цифровые микросхемы
	DD1	К555ТЛ2	5		1
	DD2, DD3	К555АГ3	5		2
	DD4	К555ЛЕ6	5		1
	DD5, DD6	К555ТМ2	5		2
Аналоговые микросхемы
	ОУ	К140УД7	15		1
Стабилизаторы напряжения питания
	DA3	КР142ЕН5А	15		1
	DA2	К142ЕН6	40		1
	DA4, DA5	КР142ЕН8В	35		2
	DA1	КР142ЕН18А	30		1
Транзисторы
	VT1, VT2, VT3, VT4,	КТ315Е	_		4
Диоды
	D1-D14	Д161-200-12	_		3
Диодный мост
	DM1, DM2,DM3	DI100S	50		3
Контактор
	КМ1	К03С-40	230		1
Тахогенератор
	ТГ	ТП80-20-0,2 УХЛ	60		1
Двигатель
	М	2ПН180L	220		1
Тиристоры
	T1,T2,T3	ТО171-200			3

Сопротивления

№	Обозначение на схеме	Сопротивление, Ом	Кол-во штук
	R1	10000	2
	R2 ,R7	1000	2
	R3,R4,R5	20000	2
	R6	1000000	2
	R8,R12,R16	1500	2
	R9,13,17	1500	2
	R10,R14,R18	15	2
	R11,R15,R19	15	2

Конденсаторы

№	Обозначение на схеме	Емкость, мкФ	Кол-во штук
24	С1	3,3	1
25	С2,С3С4,С5,С7,С8,C9 С10,C11	270	10
27	C12,C13	1500	2
	С14	0,33



Размещено на Allbest.ru

...