Силовые преобразователи электрической энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Выбор и обоснование силовой части

2. Расчет силовой части схемы

3. Разработка систем управления и защиты

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Преобразователями постоянного тока называют устройства, преобразующие энергию постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения.

По принципу действия импульсные преобразователи постоянного тока подразделяются на параметрические, непрерывного действия и импульсные.

Преобразователи параметрические и непрерывного действия, в силу ряда своих особенностей, применяются только в системах малой мощности.

Импульсные преобразователи постоянного тока (ИППТ) применяются в системах средней и большой мощности. ИППТ подразделяются на нереверсивные и реверсивные.

Нереверсивные импульсные преобразователи преобразуют напряжение источника питания в однополярное импульсное, обеспечивая тем самым широтно-импульсное регулирование выходного напряжения. В соответствии со своим принципом действия нереверсивные преобразователи чаще применяются в автономных системах электропитания.

Реверсивные преобразователи преобразуют напряжение источника питания в импульсное постоянной амплитуды, но различной полярности и длительности импульсов. Такого рода преобразователи находят широкое применение в реверсивных электроприводах постоянного тока.



1. Выбор и обоснование силовой части

Так как необходимо спроектировать ИППТ тока с последовательным ключевым элементом, то из всех схем импульсных преобразователей выбираю схему ИППТ повышающе-понижающего типа (рисунок 1.1), это обоснованно тем, что только она имеет последовательный ключевой элемент относительно других схем ИППТ.

Рисунок 1.1 - Базовая схема ИППТ с последовательным элементом и диаграммы, поясняющие ее работу

Схема изображенная на рисунке 1.1 состоит из следующих обязательных элементов:

1.Силового ключа Кл, осуществляющего высокочастотную коммутацию тока (обычно роль ключа выполняет мощный биполярный или полевой транзистор);

2. Разрядного диода VD;

3. Низкочастотного сглаживающего фильтра L,C;

4. Схемы управления и обратной связи, осуществляющей стабилизацию тока;

Рабочий цикл данной схемы состоит из двух фаз: фазы «накачки» энергии и фазы разряда на нагрузку. Рассмотрим их подробнее.

Рисунок 1.2 - Рабочий цикл ИППТ с последовательным элементом

Фаза 1- «накачка энергии». Эта фаза протекает на протяжении времени . Ключевой элемент замкнут и проводит ток , который течет от источника питания к нагрузке через дроссель L, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор C. Работа элементов в этой фазе показана на рисуноке 1.3

Рисунок 1.3 - Работа схемы в фазе «накачки энергии»

Фаза 2- «разряд» Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении характеристик цепи, всегда стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому, по окончании фазы 1 происходит размыкание ключа Кл, ток , поддерживаемый индуктивным элементом, вынужден замыкаться через разрядный диод VD. Поскольку источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому он начинает разряжаться по цепи «диод-нагрузка», как показано на рисунке ниже. Через некоторый промежуток времени ключ вновь замыкается и рабочий цикл повторяется. Работа элементов в этой фазе показана на рисунке 1.4

Рисунок 1.4 - Работа схемы в фазе «разряда»

2. Расчет силовой части схемы

Нахожу основные параметры схемы, с учетом того что:

Рассчитываю ток протекающий через нагрузку:

,

Принимаю частоту работы схемы управления:

Принимаю коэффициент заполнения

Нахожу период коммутации схемы управления по [2, стр. 128]:

,

Нахожу время фазы «накачки энергии» по [2, стр. 128]:

,

Нахожу время фазы «разряда»:

,

Рассчитываю сглаживающий, однозвенный Г-образный LC-фильтр:

Принимаю коэффициент сглаживания по [2, стр. 137]: .

Из формулы , [2, стр. 137]выражаю и нахожу значение LC:

,

Нахожу номинальные значения индуктивности и ёмкости по [2, стр. 138]:

,

,

Рассчитываю дроссель:

Определяю энергоемкость дросселя по [2, стр. 151]:

,

Задаюсь эквивалентной магнитной проницаемостью сердечника по рекомендации [2, стр. 160]:



Э

Коэффициент теплоотдачи для индуктивного элемента, находящегося в обычных условиях( в воздухе) по [2, стр. 151]:

.

Допустимый перегрев принимаю: .

Рассчитываю объем занимаемый ферромагнетиком по [2, стр. 151] :

,

Выбираю из стандартного ряда сердечник Ш6х6 из феррита марки 600НМ со следующими параметрами, данные взяты из [3]:

Площадь окна:

,

Площадь поперечного сечения магнитопровда:

Длинна средней силовой линии:

Вычисляю объем магнитопровда по [2, стр. 153]:

,

Условия нормального теплового режима выполнено, т.к.

Определяю величину немагнитного зазора по [2, стр. 153]:



,

Определяю число витков обмотки дросселя по [2, стр. 154]:

,

Принимаю число витков обмотки дросселя .

Произвожу проверку сердечника по условию максимальной магнитной индукции по [2, стр. 154]: импульсный преобразователь ток конденсатор

,

Проверю степень заполнения окна медью обмоток из условия выбора плотности тока в проводах 1.7,.

Выбираю провод ПЭВ-2 сечением 1.14 и проверяю степень заполнения окна проводом по [2, стр. 161]:

,

Где - площадь «меди» в окне.

Обмотка разместится в окне магниопрвовода без проблем.

Произвожу расчет необходимый для выбора конденсатора:

Из [21, стр. 178, 6.50] выражаю емкость конденсатора:

,

Нахожу разность напряжения на нагрузке, с учетом коэффициента пульсации:

,

Определяю ёмкость конденсатора:

,

Из [2, стр. 83] выбираю конденсатор К50-6, алюминиевый оксидно-электролитический(полярный).

Он имеет следующие параметры:

Номинальное напряжение: 160,В;

Номинальная емкость: 2, мкФ.

Выбор диода:

Выбираю диод прямой ток которого не менее 1,7 А, а обратное напряжение не менее 120

По рекомендации [2, стр. 147] и по по [2, стр. 150] выбираю диод HFA04TB60 , он имеет следующие параметры:

Обратное напряжение: 600,В;

Прямой ток :4,А;

Время восстановления: 42, нС.

Выбор транзистора:

Максимальный ток коллектора транзистора:

Максимальное напряжение на запертом транзисторе:

,

Выбираю из [4] транзистор КП923Г, он имеет следующие параметры:

Максимальное допустимое постоянное напряжение между стоком и истоком: 50,В;

Максимальное допустимое постоянное напряжение между затвором и истоком: 20,В;

Максимальный допустимый постоянный ток стока: 4,А;

Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на транзисторе: 50,Вт;

3. Разработка систем управления и защиты

Разработку систем управления произвожу по рекомендациям [1, стр. 212-215]

Система управления:

Система управления и защиты ИППТ включает в себя элементы, необходимые для регулирования коэффициента заполнения импульсов силового ключа- транзистора. Схема управления имеет вид представленный на рис.5.

Рисунок 1.5 - Структурная схема системы управления ИППТ

Схема изображенная на рис.5 включает в свой состав:

1.ГПН- генератор пилообразного напряжений;

2.К-компаратор;

3.ДН- датчик напряжения;

4.ФИУ- формирователь импульсов управления.

Принцип работы данной системы заключается в следующем:

Генератор пилообразного напряжения формирует последовательность пилообразных импульсов постоянный частоты и амплитуды. Эти импульсы сравниваются в компараторе с напряжением , в результате чего формируются прямоугольные импульсы с длительностью , которая может регулироваться уровнем напряжения управления . Так как силовой ключ транзисторный, то для его управления усиливаем сигнал компаратора при помощи формирователя импульсов управления.

Для стабилизации выходного напряжения преобразователя, применяется контур обратной связи, с применением датчика напряжения и сумматора. Это позволяет сгладить выходные напряжение с учетом его пульсаций, так как в следствии изменения , будет изменятся , тем самым регулируя длительность импульсов компаратора . Если превысит значение , то система управления перестанет подавать прямоугольные импульсы, так как .

Диаграмма, поясняющая работу системы управления изображена на рис.6

Рис.6 Диаграмма, поясняющая работу системы управления

Система защиты:

Система зашиты выбирается с естественной коммутацией. Схема системы защиты ИППТ приведена на рис.7.

Принцип работы системы защиты заключается в следующем:

Потенциометром можно регулировать уровень напряжения управления от нуля до максимального значения, определяемого амплитудой пилообразного напряжения, при котором система управления полностью запирается и формирование импульсов управления не происходит.

Рис.7 схема защиты ИППТ.

В случае возникновения аварийного режима сигналом с датчика напряжения включается тиристор защиты и подает на вход системы запирающее напряжение,под действием которого формирование импульсов управления прекращается.



Заключение

В данном курсовом проекте был разработан импульсный преобразователь постоянного тока с последовательным ключевым элементом. Был произведен выбор силовой части, ее обоснование, расчет и выбор входящих в ее состав компонентов, были подобранны принципиальные схемы систем защиты и управления. Спроектированный импульсный преобразователь постоянного тока полностью удовлетворяет представленным в техническом задании требованиям.



Список использованной литературы

1. Петрович В.П., Воронина Н.А., Глазачев А.В. «Силовые преобразователи электрической энергии», Томск, 2009

2. Семенов Б.Ю. «Силовая электроника для любителей и профессионалов», Москва,2001

Размещено на Allbest.ru

...