Силовой согласующий трансформатор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В современной технике используются источники электрической энергии двух видов: постоянного и переменного напряжения (тока). Исполнительные двигатели также могут применяться двух видов: постоянного и переменного тока. Таким образом, независимо от вида входного сигнала, в общем случае вытекает, необходимость в использовании усилительно-преобразовательных устройств четырёх видов:

с питанием на переменном токе и выходом на переменном токе;

с питанием на переменном токе и выходом на постоянном токе;

с питанием на постоянном токе и выходом на переменном токе;

с питанием на постоянном токе и выходом на постоянном токе.

Наиболее общими требованиями к вентильным преобразователям являются:

минимальные габариты, вес, стоимость, минимальное количество потребляемой электроэнергии, максимальные КПД и коэффициенты мощности, совместимость с питающей сетью и д.р.

Задачами курсового проектирования по преобразовательной технике является закрепление полученных из лекционного материала знаний по дисциплине и её дальнейшее самостоятельное изучение. Студент должен овладеть методиками расчёта силовых полупроводниковых преобразователей, ознакомиться с характеристиками преобразователя и алгоритмом его работы в различных режимах, научиться работать самостоятельно, используя дополнительную учебную и справочную литературу.

Целью данного курсового проекта является освоение различных схем выпрямления тока, разработка системы импульсно-фазового управления преобразователем, выбор согласующего трансформатора и устройств защиты силовых вентилей, а так же построение временных диаграмм работы преобразователя в различных режимах.

1. Расчёт параметров и выбор силового согласующего трансформатора

ток трансформатор преобразователь импульсный

Функциональная схема силового преобразователя имеет следующий вид:

Рис.1. Функциональная схема преобразователя.

1.1 Расчёт напряжения вторичной обмотки трансформатора U2ф

В соответствии с [1], Таблица 5 принимаем:

, где Ud0 - среднее значение выпрямленного напряжения при угле регулирования б=0°; U2ф - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. Тогда:

1.2 Расчёт действующего значения тока во вторичной обмотке трансформатора I2

В соответствии с [1], Таблица 5 принимаем:

, где Id0 - среднее значение выпрямленного тока при угле

регулирования б=0°; откуда:

I2 = 0.82 · Id0 = 0.82 · 90 = 69.7 (А).

1.3 Расчёт коэффициента трансформации трансформатора Кт

1.4 Расчёт действующего значения тока в первичной обмотке трансформатора I

В соответствии с [1], Таблица 5 принимаем:

тогда имеем:

I1 = 0.82·Кт ·Id0 =0.82·0.505·90 = 35.199 (А).

Расчёт мощности Pd.

Pd=Ud0·Id0 =270•90 = 22.1(кВА).[1], стр. 22

Расчёт номинальной мощности согласующего трансформатора SТ.Н..

В соответствии с [1], Таблица 5 принимаем:

тогда получаем:

ST. H. = 1.045·Pd = 1.045•22,1 = 23.095 (кВА).

Выбор силового согласующего трансформатора.

По каталожным данным ([1], Таблица 6) выбираем силовой трёхфазный трансформатор типа ТС3-25/,066 со следующими характеристиками:

Номинальная мощность трансформатора, ST н 25 (кВА)

Номинальное напряжение первичной обмотки 220 (В)

Фазное напряжение вторичной обмотки (заказывается на заводе- изготовителе) 133 (В)

Потери холостого хода, ДРx.x.180 (Вт)

Потери короткого замыкания, ДРк.з. 560 (Вт)

Напряжение короткого замыкания, Uк.з. 4.5 %

Коэффициент полезного действия, з..97 %

Вес трансформатора240 (кг).

Определение сопротивлений трансформатора.

Активное сопротивление равно:

,

где m - число фаз трансформатора;

Индуктивное сопротивление равно:

4.



2. Расчёт параметров силовых вентилей и выбор тиристоров

2.1 Расчёт максимального напряжения UBT, прикладываемого к тиристору

В соответствии с [1], Таблица 5 принимаем:

тогда:

UBT =1.05·Ud0 =1.05·270 = 293 (В).

2.2 Определение действующего значения тока тиристора Iа

По [1], Таблица 5 определяем: L

тогда:

Iа = 0.577 • Id0 = 0.577•90 = 49.045 (А).

2.3 Определение среднего значения тока тиристора 1аср

В соответствии с [1], Таблица 5 принимаем:

тогда:

Ia.cp. = 0.33·Id0 =0.33·90 = 28.05 (A).



2.4 Выбор силовых тиристоров

По справочнику ([2], стр. 362) выбираем тиристоры типа Т141-63-7 со следующими электрическими и предельными эксплутационными параметрами:

Время включения при Uзс. =100 (В), Iос.и. = Iос.ср.max' Iу .пр.и = 0.45 (А), ty= 50 (мкс), не более10 (мкс) Время задержки при Uзс.=100(B), 1ос.и = Iос.ср.max' Iу.пр.и = 0.45 (А),

(А/мкс), t = 50 (мкс), не более 2 (мкс)

Время выключения при Uзс.и.=0.67·Uзс.п' Uобр.и.=100(В), Iос.и. = Iос.ср.max' = 5 (А/мкс), Тп = 125°С, не более63-250 (мкс)

Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, Uзс.п 100-1200 (В)

Неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 111-1333 (В)

Рабочее импульсное напряжение в закрытом состоянии80-960 (В)

Максимально допустимое постоянное напряжение в закрытом состоянии..60-720 (В)

Повторяющееся импульсное обратное напряжение, Uo6p.и..100-1200 (В)

Неповторяющееся импульсное обратное напряжение.111-1333 (В)

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение.60-720 (В)

Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии при Uзс.и.=0.67·Uзс.п, Ry=?, Tп=125°С,1000(В/мкс) (группа 7)

Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при f = 50 (Гц), в = 180°,

Тк = 85°С..63 (А)

Максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии при

f= 50 (Гц), в = 180°, Тк = 85°С .98.9 (А)

Защитный показатель при Uo6p = 0, tи = 10 (мс), Тп = 125°С1200 (А)

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии при

Uзс.и.=Uзс.п., Iос.и.=2·Iос.ср.max, (А/мкс), f=1ч5(Гц), t =50 (мкс),

Тп = 125°С.100(А/мкс)

Минимально допустимый прямой импульсный ток управления..0.6 (А)

Максимально допустимый прямой импульсный ток управления.2.5 (А)

Температура перехода.От -50°С до +125°С

Температура корпуса..От -50°С до +125°С. .



3. Расчёт параметров и выбор устройств защиты силового преобразователя

Принципиальная схема тиристорного блока с необходимыми устройствами защиты выглядит следующим образом:

Рис.2. Принципиальная схема тиристорного блока с защитными устройствами.

Расчёт индуктивности токоограничивающего реактора Lp.

[1],стр. 84

3.1 Расчёт сопротивления и ёмкости шунтирующей цепочки Rш и Сш соответственно

[1],стр. 84

пример: Rm = 12 (Ом), Сш =0.1 (мкФ).

Найдём индуктивность токоограничивающего реактора Lр , при которой не превышает допустимого значений:



Таким образом, окончательно принимаем следующие значения:

Lp = 4(мкГн);

Rш=12(OM);

Сш = 0.1 (мкФ).

Правильность выбора проверяем по следующему соотношению:

[1],стр.27

6.325<12<12.649 - соотношение выполняется.

Выбор элементов цепи управления тиристора.

Элементы цепи управления тиристора выбираются в соответствии с рекомендациями

([3], стр. 93):

R1=100(Om);

R2 =100 (Ом);

С1[ = 0.1 (мкФ).

Выбор охладителя тиристора.

В соответствии с рекомендациями ([2], стр. 574) выбираем охладитель по типу тиристора серии 0241. Для данного типа охладителей максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при естественном охлаждении тиристора тина Т-141-80-7 равен ..27 (А).

Выбор плавкой вставки FU.

В соответствии с [1], Таблица 15 выбираем предохранитель с плавкой вставкой быстродействующий типа ПП61 со следующими техническими данными:

Номинальный ток плавкой вставки63 ( А)

Напряжение переменное380 (B)

Интеграл квадрата тока..100 (Л -с)

Отключающая способность100 (кЛ)

В соответствии с рекомендациями по выбору плавкой вставки ([1], стр. 78) при выборе быстродействующих предохранителей необходимо, чтобы интеграл квадрата тока (джоулев интеграл) при отключении предохранителя (I2 * 1)прсд; был меньше допустимого джоулева интеграла полупроводникового прибора (тиристора) (I2 * t)приб. Тогда:

(I2-t)пред<(I2-t)приб;

100(А2·с)<3200 (А2·2) - требуемое условие выполняется.

Разработка принципиальной схемы системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и выбор её элементов. Построение диаграмм, поясняющих принцип работы СИФУ

Принципиальная схема СИФУ для одного канала управления представлена на следующем рисунке:

Номинальные параметры элементов СИФУ представлены в спецификации в приложении 1.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы СИФУ приведены на следующем рисунке:



Система импульсно-фазового управления (СИФУ) состоит из следующих узлов:

фильтра (Ф) на элементах Rl, R2, СЗ, двух пороговых элементов (ПЭ1, ПЭ2) на транзисторах VI V4;

формирователя синхронизирующих импульсов (ФСИ) на микросхеме D1; генератора пилообразного напряжения (ГПН) на элементах Y5, С5, Rl.1; нуль-органа (НО) на микросхеме А1.2; RS-триггера на микросхеме D2;

формирователя длительности импульсов (ФДИ) на элементах С7, V7. Диаграмма работы СИФУ приведена на рис. 4., при этом по вертикальной оси даны диаграммы напряжений на элементах схемы, а в кавычках указаны точки схемы, в которых снимается конкретное напряжение. Схема работает следующим образом:

Синхронизирующее фазное напряжение сдвигается фильтром Ф на угол 30 эл. градусов. С выхода фильтра напряжение с помощью пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2 преобразуется в прямоугольные противофазные импульсы.

При логическом сигнале "0" на выходах обоих пороговых элементов на выходе ФСИ формируется синхроимпульс (сигнал логической "1"), который осуществляет разряд конденсатора С5 ГПН через открывшийся транзистор V5. Напряжение ГПН начинает снова линейно нарастать от нуля до 10В. Момент превышения напряжения ГПН над управляющим напряжением Uy, поступающим через резистор R12, фиксирует нуль-орган НО, который изменяет своё состояние с логической единицы "1" на логический ноль "0", и происходит переключение RS- триггера, вызывающего появление на выходе ФДИ импульса, который совместно с сигналами пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2 формирует управляющие импульсы. То есть, для управления тиристорами необходимы сигналы "8", "9" и "7". Сигналы "8" и "9" определяют, какой тиристор в полумосте будет управляться, а сигнал "7" определяет угол управления тиристором б.

Расчёт и построение регулировочных характеристик преобразователя Ud(a), определение максимального угла управления выпрямителем атах, расчёт заданных значений углов управления а2 и а3 и определение для этих углов средних значений выпрямленного напряжения Uda и величин противо-ЭДС в цепи нагрузки и Е2

Расчёт и построение регулировочных характеристик преобразователя Ud(б) и определение максимального угла управления преобразователем бmax.

Общий вид зависимости, для построения регулировочной характеристики при чисто индуктивной нагрузке (Ld>?), имеет следующий вид:

Ud(a) = Ud0 ·[1+cosa .

Общий вид зависимости, для построения регулировочной характеристики при чисто активной нагрузке (Ld-->0), имеет следующий вид:

Ud (a) = Ud0 •[1 + cos(б + 60)].(7.2.)

Определение активного сопротивления нагрузки Rd.

Определение индуктивного сопротивления нагрузки Xd. В соответствии с заданием:

,где фd - постоянная времени цепи нагрузки ;

тогда:

Ld = фd · Rd = 3 ·10-3 · = 0.0092 (Гн);

Xd = щ ·Ld = 2 · р · f · Ld = 2·р·50· 0.0092 = 2.8888 (Ом).

Определение угла нагрузки цd7.1.4. Расчёт максимального угла управления выпрямителем бmax.

Рассмотрим режим работы преобразователя, при котором Ud=0 (В), при увеличении индуктивности нагрузки Ld от 0 (ц1=0°) до бесконечности (ц2=90°), при этом изменение угла нагрузки равно:

Дц=ц2 - ц1=90° - 0°=90°.

Для поддержания напряжения преобразователя на прежнем уровне необходимо изменять угол регулирования б в пределах от 90° до 120°. Тогда:

Дб=120° - 90°=30°.

Изменение угла ц при изменении нагрузки от нуля до заданной равно:

Дцd =43.30 - 0°=43.3°.

Учитывая, что Дб при увеличении нагрузки и Ud=const пропорционально изменению угла ц, составим следующую пропорцию:

откуда:

Максимальный угол регулирования при заданной нагрузке равен:

бmax=120?-Дбd=120?-14.434?=105.566?

Расчёт и построение регулировочной характеристики преобразователя Ud(б) при заданной нагрузке.

Приведём пример расчёт регулировочной характеристики преобразователя. . Зададимся напряжением Ud:

Ud=10 (В);

рассчитаем значения углов управления преобразователем, соответственно для регулировочных характеристик при чисто индуктивной нагрузке (б1) и при чисто активной нагрузке (б2), при заданном значении напряжения Ud:

найдём соответствующее этим углам значение Дб:

Дб' =б2' -б1'= 105.165°-88.09° = 17.075°;

рассчитаем значение Дбd' из соотношения (5.3):

тогда:

биск=б'2-Дб'd=105.165?-8.215?=96.95?.

На основе приведённого выше примера выведем формулу, для расчёта искомой регулировочной характеристики:

(7.4)

Рассчитаем искомую регулировочную характеристику по приведённой выше формуле и занесём результаты расчёта в следующую таблицу:

Таблица 1 - Регулировочные характеристики при заданной активно индуктивной нагрузке

Ud,B	0	10	20	30	40	50	60
биск,град	105.566	96.949	92.81	89.396	86.351	83.538	80.885
70	80	90	100	110	120	130	140
78.348	75.9	72.52	71.194	68.908	66.664	64.423	62.207
б,град	0	30	45	60	75	90	105	120
Ud,B при Ld>?	270	265.81	222.13	150	77.65	0	-	-
Ud,B при Ld>0	-	-	-	150	87.87	40.19	10.22	0

Результаты расчёта регулировочных характеристик для случаев чисто активной и чисто индуктивной нагрузки приведём в следующей таблице:

Регулировочные характеристики для случаев чисто активной и чисто индуктивной нагрузки (таблица 5.2.) и для случая активно- индуктивной нагрузки при заданных Rd и Ld (таблица 5.1.) приведены на следующем рисунке:

Определение заданных значений углов управления преобразователем а2 и а3. В соответствии с заданием:

тогда:

б2 = 0.25 · б max =0.25·105.566 = 26.392°; аналогично:

б3 = 0.5·бmах =0.5·105.566 = 52.783°.

Определение средних значений выпрямленного напряжения, соответствующих углам управления преобразователем б2 и б3, Udб2 и Udб3.

По регулировочной характеристике определим значения Udб2 и Udб3:

б1=0°;

Udбl=Ud0 = 270(B);

б2=26.392?;

Udб2=Ud0 •cos(б2) = 270•cos(26.392) = 242.901(B);

б3=52.783?;

Udб3 = Ud0 •cos(б3) = 270•cos(52.783) = 167.257(B).

Определение значений противо-ЭДС в цепи нагрузки Е1 и Е2.

В соответствии с заданием:

тогда для каждого угла управления запишем:

Расчёт и построение семейства внешних характеристик преобразователя Ud(Id), отвечающих углам управления б1 б2 и б3

Построение внешних характеристик преобразователя производится по следующей формуле:

,

где m=3-число фаз преобразователя; подставив в это выражение значения Ra. т. и Ха.т., получим:

Тогда для каждого угла управления получим:

Расчёт величин коэффициентов мощности, коэффициентов искажения тока, потребляемого из сети, и коэффициентов пульсаций напряжения и тока на выходе преобразователя при активно-индуктивной нагрузке для заданных значений углов управления б1 б2 и б3

Приведём подробный пример расчёта коэффициента мощности, коэффициента искажения тока, потребляемого из сети, и коэффициентов пульсаций напряжения и тока на выходе преобразователя для угла управления б1=0°:

В соответствии с [1], Рис. 11. принимаем:

Коэффициент искажения тока в сети вычислим по следующей формуле:

подставив численные значения в предыдущее выражение получим:

Коэффициенты пульсаций напряжения и тока на выходе преобразователя определим из графиков ([1], Рис. 5., Рис. 6., соответственно):

Кп(U)=0.1;



Кп(i)= [1],стр.33.

Кп(i)=

Аналогичным образов вычислим все искомые величины для других углов управления преобразователем. Результаты расчёта сведём в следующую таблицу:

Таблица 2 - «Значения величин коэффициентов мощности, коэффициентов искажения тока, потребляемого из сети, и коэффициентов пульсаций напряжения и тока нВ выходе преобразователя при активно-индуктивной нагрузке для заданных значений углов управления б1,б2 и б3»

Углы управления	б1=0?	б2=26.392?	б3=52.783?
Активная мощность, Рф	0.52	0.38	0.14
Реактивная мощность, Qф	0	0.24	0.31
Полная мощность, Sф	0.56	0.48	0.14
Коэффициент мощности, л	0.95	0.85	0.66
Коэффициент искажения тока в сети, г	0.93	0.94	2.43
Коэффициент пульсации напряжения, Кп(U)	0.1	0.162	0.35
Коэффициент пульсации тока, Кп(i)	0.00887	0.0184	0.0302

Расчёт и построение временных диаграмм, отвечающих указанным в задании режимам работы преобразователя

Расчёт и построение временных диаграмм при чисто активной нагрузке (Ld=0) и угле регулирования б 2=26.392°.

Найдём полное активное и индуктивное сопротивление цепи нагрузки:

Rd? = Rd + 2•Ra.т. =3.059+ 2•0.591 = 4.241(Ом);

Xd? = Xd + 2•Ха.т. = 2.8888+ 2•0.0313= 2.951(Ом).

Найдём полную индуктивность цепи нагрузки:



Тогда постоянная времени цепи нагрузки будет равна:

Найдём угол нагрузки:

(

Запишем фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора:

;

.

Найдём среднее значения выпрямленного напряжения:

Udср = Ud0•cos(б2) = 270• cos(26.392°) = 242.901 (В).,

Найдём среднее значение выпрямленного тока: Уравнение для расчёта тока на тиристоре (на примере тиристоров VS1 и VS6) будет иметь следующий вид:

Найдём среднее значение тока на тиристоре:

Ток первичной обмотки силового согласующего трансформатора будем рассчитывать по следующему выражению:

,

где Кт - коэффициент трансформации.



Заключение

В ходе разработки курсового проекта я освоил различные схемы выпрямления тока, разработку системы импульсно-фазового управления преобразователем, выбор согласующего трансформатора и устройств защиты силовых вентилей, а так же построение временных диаграмм работы преобразователя в различных режимах.



Список использованной литературы

1. Характеристики и защита полупроводниковых преобразователей: Учеб. пособие / H.JI. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Н. Литвинский; Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2000. - 96 с.

2. В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, В.М. Петухов. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. -М., Радио и связь, 1988.

3. Руководство по проектированию систем управления электроприводами: Учеб. пособие / Н.А. Архангельский, А.Б. Виноградов, С.К. Лебедев; Иван. гос. энерг. ун- т.-Иваново, 1999.



Приложение 1

Обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
С1, С2	Конденсатор К-73-17-250В	2	Номинал: 0.1 мкФ
СЗ, С5	Конденсатор К-73-17-250В	2	Номинал: 0.22 мкФ
С4, С6	Конденсатор КД2	2	Номинал: 100 мкФ
С7	Конденсатор К-73-17-400В	1	Номинал: 0.022 мкФ
R1, R2	Резистор постоянный MJ1T (±5%) или С2-23 (±5%)	2	Номинал: 15 кОм
R3	Резистор постоянный MJ1T (±5%) или С2-23 (±5%)	1	Номинал: 22 кОм
R4,R5,R7, R11.R14	Резистор постоянный MJ1T (±5%) или С2-23 (±5%)	7	Номинал: 10 кОм
R6, R15	Резистор постоянный MJ1T (±5%) или С2-23 (±5%)	2	Номинал: 4.7 кОм
R8	Резистор постоянный MJ1T (±5%) или С2-23 (±5%)	1	Номинал: 47 кОм
R9	Резистор постоянный MJ1T (±5%) или С2-23 (±5%)	1	Номинал: 12 кОм
R10	Резистор постоянный МЛТ (±5%) или С2-23 (±5%)	1	Номинал: 6.8 кОм
R16	Резистор постоянный МЛТ (±5%) или С2-23 (±5%)	1	Номинал: 27 кОм
R17	Резистор постоянный МЛТ (±5%) или С2-23 (±5%)	1	Номинал: 1.2 кОм
D1, D2	Микросхема К511ЛА5	2
А1	Микросхема К15 7УД2	1
V1	Транзистор КТ315Б	1
V2	Транзистор КТ203Б	1
V3	Транзистор КТ315В	1
V4, V5, V6	Транзистор КТ315В	3
V7	Транзистор КТ3256	1

Список элементов системы импульсно-фазового управления (для одного канала)

Размещено на Allbest.ru

...