Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Національно технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра «Теоретичні основи електротехніки»

Курсова робота

з промислової електроніки

Виконав:

студент Гавалешко С.

Группа ОА-82

Курс ІІ

Номер залікової книжки ОА82-02

Київ - 2010

Зміст

1. Вступ

2. Керований випрямляч

2.1 Однофазний керований випрямляч

2.1.1 Зсередньою точкою

2.1.2 Одно та двопівперіодний

2.1.3 Мостовий

3. Вихідні дані

4. Електричний розрахунок КВ

4.1 Розрахунок діапазону регулювання

4.2 Розрахунок елементів схеми випрямляча

4.3 Розрахунок згладжувального фільтру

5. Система керування

5.1 Принцип роботи СК

5.2 Електричний розрахунок

6. Висновки

Список використаної літератури

1. Вступ

Постійний прогрес в області електроніки призвів до неперервного вдосконалення елементарної бази електронних обладнань, що дає можливість розробляти нові обладнання, що на відміну з розробленими раніше володіють важливими перевагами, такими як:

- покращення основних параметрів;

- підвищення надійності;

- простота схемної реалізації;

- зручність в експлуатації;

- універсальність;

- більш низька собівартість та ін.

Керовані випрямлячі (КВ) широко увійшли в сучасну техніку і успішно витісняють електромашинні перетворювачі. Успіхи в створенні напівпровідникових керованих вентилів великої потужності -- тиристорів -- відкрили нові перспективи подальшого розширення областей застосування випрямлячів і привели до бурхливого розвитку наукових, проектних і виробничих робіт по створенню все можливих вентильних установок и важких автоматичних систем, які мають КВ. КВ в сучасній техніці все більше і більше грають роль органів управління автоматичних систем.

Тепер з розвитком мікроконтролерної галузі і виникненням оптотиристорів на більші струми та напруги з'явилася можливість спроектувати керовані випрямлячі по дуже простій схемі.

Застосування оптотиристорів призвело до спрощення вихідної частини схеми керування. Застосування мікроконтролерів призвело до:

- спрощення схеми управління майже до однієї мікросхеми;

- включити в себе функцію короля вхідних та вихідних напруг;

- автоматичне регулювання вихідної напруги по заданому алгоритму в залежності від зовнішніх факторів;

- віддаленому контролю та керуванню випрямлячем.

2. Керований випрямляч

Керованим називається випрямляч, який окрім випрямлення змінної напруги одночасно регулює середнє значення випрямленої напруги (постійну складову). Регулювання здійснюється шляхом затримання відмикання тиристора в межах півперіоду сітьової напруги, де кут затримування відмикання тиристора називається кутом керування ,чим менше кут затримки, тим менше значення . Середнє значення випрямленої напруги випрямлячів, які побудовані на керованих вентилях - діодах, залежить від напруги на вторинній обмотці трансформатора.

У керованих випрямлячах некеровані вентилі (або частина вентилів) замінені керованими вентилями - тиристорами. На відмінну від напівпровідникового діода, тиристор у додатний період змінної напруги не відкривається до моменту подачі імпульсу напруги на керуючий електрод. Керівний імпульс напруги зсунутий на фазовий кут відносно початкового моменту додатного півперіоду напруги живлення, тому цей фазовий кут називають кутом відпирання.

До моменту подачі керівного імпульсу тиристор закритий, і напруга живлення не надходить до споживача. З моменту подачі керованого імпульсу тиристор стрибком відкривається, з'єднуючи споживача з джерелом живлення. Вимикається тиристор зворотною напругою в момент початку від'ємного періоду змінної напруги. Зі збільшенням фазового кута тривалість ввімкненого стану тиристора зменшується і відповідно зменшується середнє значення випрямленої напруги на споживачі.

Таким чином, у тиристорному керованому випрямлячі зміна випрямленої напруги здійснюється не за рахунок зміни амплітуди змінної напруги, підведеної до споживача, а за рахунок тривалості ввімкнення споживача до мережі в кожному періоді змінної напруги живлення.

2.1 Однофазний керований випрямляч

На мал.1 зображена типова схема однофазного керованого випрямляча

Мал.1

Однофазний керований випрямляч має як переваги, так і недоліки:

Переваги :

Мінімальна кількість

Простота реалізації;

Простота схеми управління.

Недоліки:

Низький ККД;

Висока пульсація випрямленої напруги.

2.1.1 Однофазний керований випрямляч з середньою точкою

Схема одно фазного керованого випрямляча з середньою точкою зображена на мал.2



Мал.2

Переваги:

Розвантаження режиму роботи тиристорів;

Високий ККД;

Низька пульсація випрямленої напруги.

Недоліки:

Ускладнена схема керування;

Збільшені розміри трансформатора.

2.1.2 Однофазний одно - та двухпівперіодний керований випрямляч

На мал.3 зображена схема керованого однофазного однопівперіодного випрямляча

Мал.3

Управління вихідною випрямленою напругою зводиться до управління в часі моментом відпирання тиристора. Це здійснюється короткими імпульсами з крутим фронтом (голка). Якщо тиристор відкритий на протязі всього півперіоду, то на виході отримуємо пульсуючу напругу, аналогічно некерованому випрямлячу. При змінні часу затримки відпирання тиристорів змінюється випрямлена напруга в сторону зменшення. Це видно з графіків нижче. Для кожної затримки відповідає визначений кут зрушення по фазі між напругами на тиристорі і сигналом управління. Цей кут і є кутом управління і визначається б=щtз. tз - час затримки, щ - кутова частота (щ=2рf).

Мал.4

На мал.4 зображений принцип керування випрямленою напругою затримкою відкривання тиристорів.

Нижче на мал.6 зображена схема однофазного двопівперіодного випрямляча імпульсно-фазовим керуванням.



Мал. 6

Напруга з виходу фазообертача R1C1 поступає на вхід підсилювачів-обмежувачів (VT1, VT2). Діоди VD5, VD6 зрізують позитивні півхвилі цієї напруги. Напруга трапецеїдальної форм з виходу підсилювача-обмежувача поступає на диференціюючі ланцюги R4C2, R5C3, а потім на керуючі входи тиристорів VS1, VS2. Діоди VD7, VD8 запобігають падінню негативних імпульсів на керуючі електроди тиристорів. Підсилювачі-обмежувачі живляться від окремого випрямляча VD1-VD4.

2.1.3 Однофазний мостовий керований випрямляч

У однофазній мостовій схемі можна усі чотири діода замінити тиристорами, однак це не є принципово необхідним. Оскільки в мостовій схемі послідовно з навантаженням завжди ввімкнені два вентилі, досить, щоб хоч один із них був керованим. Розглянемо роботу мостового випрямляча, у якого як вентилі у катодній групі використовують оптронні тиристори (мал.7).



(мал.7).

При позитивній полярності напруги живлення, поки на тиристори від системи керування СК не поданий керуючий сигнал , вони будуть закриті, і напруга на навантаженні дорівнюватиме нулю. У момент часу від системи керування СК на тиристор VS1 подається керуючий сигнал. Тиристор відкривається і до навантаження прикладається протягом частини півперіоду синусоїди вхідної напруги (мал.8,а,б,в). У момент часу напруга в мережі змінює полярність і під дією зворотної напруги тиристор VS1 закривається.

Напруга на навантаженні знову дорівнює нулю. У момент часу від системи керування надходить імпульс для відкривання тиристора VS2 і до навантаження знову прикладена частина півперіоду синусоїди вхідної напруги. Зміщуючи момент подавання імпульсу керування відносно моменту проходження через нуль напруги мережі живлення, подають на навантаження більшу або меншу частину півперіоду напруги живлення, чим регулює середнє значення випрямленої напруги.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал.8

Інтервал (електричний кут) затримки відкривання вентиля , який відраховується відносно моменту природного відкривання вентиля,називається кутом керування. Середнє значення випрямленої напруги залежить від кута керування:

Якщо кут керування , керований випрямляч працює аналогічно некерованому і середнє значення випрямленої напруги

З урахуванням цього залежність середнього значення випрямленої напруги від кута керування, яка називається регульованою характеристикою випрямляча, може бути описана так:



Графік регульованої характеристики подано на мал.9.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал.9

З графіка видно, що із зміною кута керування від 0 до середнє значення випрямленої напруги плавно змінюється від максимального значення до нуля. Таким чином, основна перевага керованого випрямляча - це можливість плавного регулювання середнього значення випрямленої напруги на навантаженні. Проте, коли використовуються керовані випрямлячі, виникають такі ускладнення:

- треба вводити додатковий пристрій - СК, у числовій частині схеми діоди треба замінити тиристорами, що ускладнює схему і збільшує її вартість;

- збільшується коефіцієнт пульсації випрямленої напруги;

- при регулюванні збільшується фазовий зсув першої гармоніки струму, який споживається від мережі, відносно напруги мережі, що призводить до зниження коефіцієнта потужності із збільшенням кута керування .

В даному курсовому проекті я використовую однофазний мостовий випрямляч з LC - згладжувальним фільтром



Мал.10

випрямляч тиристор діапазон фільтр

Також подані часові діаграми при роботі схеми випрямляча (мал.11)

Мал.11

Вибір даного керованого випрямляча серед попередньо розглянутих обумовлений такими їх переваги порівняно з іншими:

- оптимальне використання можливостей трансформатора;

- високий ККД;

- низька пульсація випрямленої напруги.

Для згладжування пульсацій випрямленої напруги до рівня, при якому відбувається нормальна робота споживача, я в розроблену схему включаю LC- фільтр, що складається з двох фільтрів: ємнісного та індуктивного. Ємнісний згладжувальний фільтр представляє собою конденсатор, включений паралельно навантаженню, а індуктивний - котушку індуктивності (дросель), яка ввімкнена послідовно з навантаженням. Спочатку даємо пульсації в індуктивність, потім решту в конденсатор.

3. Вихідні дані

1. Напруга мережі В;

2. Нестабільність напруги мережі , ;

3. Частота мережі Гц;

4. Діапазон регулювання напруги на навантаженні:

В;

В;

В;

5. Опір навантаження Ом;

6. Коефіцієнт пульсації напруги на навантаженні К=5%.

4. Розрахунок однофазного мостового керованого випрямляча

4.1 Розрахунок діапазону регулювання

З урахуванням падіння напруги на елементах схеми визначаємо максимальну випрямлену напругу:

В;

де - падіння напруги на діоді і тиристорі випрямляча; - падіння напруги на активному опорі відповідно дроселя фільтру та обмоток трансформатора.

2. З урахуванням нестабільності мінімальна напруга мережі

В,

де /у відносних одиницях/;

3. З рівняння регулювання характеристики визначаемо min кут керування:

Оскільки значно відрізняється від , треба використати узгоджуючи й силовий трансформатор. Приймаємо і визначаємо

В;

В

4. Мінімальне середнє значення випрямленої напруги

В.

5. З урахуванням нестабільності максимальне значення напруги мережі

В;

6. Максимальне значення кута керування відповідає напрузі мережі і випрямленій напрузі :

;

7. Максимальне, мінімальне і номінальне значення струму навантаження:

А;

А;

4.2 Розрахунок елементів схеми випрямляча

Елементи схеми випрямляча вибирають, виходячи з умов забезпечення надійної роботи в найбільш важко можливому режимі. Для розглядуваного випрямляча такий режим буде реалізовано при максимальній напрузі мережі і мінімальному куті керування. Для забезпечення запасу параметрів елементів схеми розрахунок виконують для кута керування , тобто для некерованого режиму.

8. Режим роботи навантаження при і напрузі:

В;

А.

Знайдемо параметри трансформатора:

Вт

9. Основні параметри вентилів випрямляча. Оскільки характер навантаження випрямляча індуктивний /використовується LC-згладжуючий фільтр/:

а) максимальна зворотна напруга на діодах і тиристорах і максимальна пряма напруга на тиристорах

В

б) середній струм череп діоди та тиристори

А;

в) діючий струм через вентилі випрямляча

А.

З урахуванням обчислених параметрів вибираємо оптронні тиристори типу ТО2-10, які мають такі параметри:

100 В;

10 мкс;

10 мкс;

2,5 В;

0,12 А;

10А.

4.3 Розрахунок згладжувального фільтра

Для забезпечення заданого коефіцієнта пульсації напруги на навантаженні /%/ на виході випрямляча потрібно поставити LC - згладжувальний фільтр.

10. Максимальне значення коефіцієнта пульсації випрямленої напруги відповідає куту керування

11. Необхідний коефіцієнт згладжування фільтра

.

12. Визначаємо добуток для фільтра:

ГнФ,

де .

13. Потрібна індуктивність фільтра, яка забезпечує режим безперервного струму у дроселі фільтра та навантаженні:

Гн.,

де .

З урахуванням здобутого значення індуктивності і максимального струму навантаження. Приймаємо стандартний дросель Д271Т, який має такі параметри:

9 A;

0,01 Гн;

1,75 Ом

Падіння напруги на обмотках дроселя:

14. Визначаємо ємність фільтра :

 мкФ.

З урахуванням, що В вибираємо конденсатор типу К50-76 ємністю 4,7-2200мкФ робочою напругою 6,3-450В.

5. Система керування

Для зміщення керуючих імпульсів на кут і розподілу сигналів керування на відповідні тиристори необхідна система керування випрямлячем. Нині найбільше застосовується система керування, яка реалізує принцип вертикального керування.

Структурна схема такої системи керування наведена на мал. 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал.12

Змінна напруга з частотою постачальної мережі подається на вхід сигналізатора С, який задає частоту роботи генератора пилкподобної напруги ГПН. На входи пристрою порівняння (ПП) надходить пилкоподібна напруга з виходу ГПН і керуюча напруга . У момент рівності цих напруг ПП виробляє імпульс керування. Змінюючи керуючу напругу , можна регулювати кут . Імпульси керування з виходу ПП через розподільник імпульсів РІ і підсилювачі-формувальники ПФ1 І ПФ2 надходять на керуючі електроди відповідних тиристорів VS1 і VS2 керованого випрямляча.

Принцип роботи СК

Системи керування перетворювальних пристроїв будуються, як правило, на основі інтегральних схем. Такі СК досить прості, мають малі габарити і вагу, споживають незначну потужність. Досить просто СК випрямляча може бути побудована на основі інтегральних операційних підсилювачів (рис. 2.4). Часові діаграми для даної СК показані на рис. 2.5.

На діодах VD1 і VD2 виконаний обмежник напруги, формуючий з синхронізуючої синусоїдальної напруги напругу, яка за формою наближається до прямокутної (рис. 2.5,а). Ця напруга надходить до інтегратора, зібраного на мікросхемі ДАІ. На вході його формується трикутна лінійно змінена напруга (рис. 2.5,б) ,яка подається на один з входів схеми порівняння (компаратор), зібраного на мікросхемі ДАЗ. На другий вхід компаратора - напруга регульованого подільника напруги ( R12 - R13 - R14) -. У момент рівності трикутної напруги і напруги, яка подається з розподільника, компаратор перемикається з одного насиченого стану у протилежний (рис. 2.5,а).

На виході компаратора вмикається диференціючий ланцюг R15- C4,який формує у момент перемикання компаратора імпульс керування тиристором (рис. 2.5,г). Цей імпульс підсилюється за потужністю еміторними повторювачами VT1 та VT2 і через обмежуючий резистор R18 надходить до керуючого електрода одного з тиристорів випрямляча.

Для формування імпульсів керування другого тиристора, які зміщені на 1800 відносно імпульсів керування першого тиристора, призначено другий канал СК, зібраний на підсилювачі - інверторі ДА2, компараторі ДА4 і підсилювачі потужності на транзисторах VT3 і VT4. Підсилювач на мікросхемі ДА2 має коефіцієнт підсилювання . На його виході формується лінійна трикутна напруга, яка міститься у проти фазі з вихідною напругою інтегратора (рис. 2.5,б). Далі сигнал керування у другому каналі формується аналогічно першому.



Мал2.4

Мал. 2.5

5.2 Розрахунок системи керування

Як підсилювач ДА1...ДА4 у розглядуваній СК можна використати інтегральні операційні підсилювачі загального призначення. Вибираємо операційні підсилювачі типу К140УД7 з такими параметрами:

Напруга живлення= ±15±10% В

Вхідна напруга 0,1 В

Вихідна напруга ±10,5В ;

Вхідний струм =400нА

Коефіціент підсилення К=30 000

Обмежувач напруги

Як діоди обмежника напруги доцільно використовувати діоди з малим динамічним опором прямої частини ВАХ. Вибираємо діод КД510А,які мають такі параметри:

В

А;

В.

Для одержання синхронізуючої напруги, яка відповідає за формою прямокутній, необхідно, щоб амплітуди синхронізуючої синусоїдної напруги вибирали за умовою:

В.

Отже, діюче значення синхронізуючої синусоїдної напруги

, В

Вибираємо стандартне значення напруги В. Задаємося максимальним струмом через обмежуючі діоди VD1 й VD2, який дорівнює 0.2 А, і визначаємо величину обмежуючого резистора R1:

Ом.

Розраховуємо потужність Р1 для резистора R1:

Вт, де А.

Вибираємо резистор класу С 2-33: С2-33-0.125-36 Ом±5%

Інтегратор на операційному підсилювачі ДА1

Для здійснення повільного регулювання кута керування амплітуда трикутної напруги повинна мати достатню величину. Беремо В.

Для обмеження вхідних струмів операційного підсилювача при його роботі у лінійному режимі для використаного типу операційних підсилювачів рекомендовано послідовно зі входом ставити резистор порядку /10...100/ кОм. Вибираємо резистори R2 й R3 номіналом 51 кОм класу С 2-33.

С2-33-0,125-52КОм±5%

Розраховуємо потужність Р2,Р3 для резисторів R2,R3:

Вт

Вихідна напруга інтегратора:



Оскільки в даному випадку 1,1 В, c,

час інтегрування

мс

дорівнює половині періоду сітьової напруги, а

В.

Знаходимо ємність конденсатора С1:

;

Вибираймо стандартний конденсатор ємністю 20нФ КМ5-А. Для поліпшення характеристик інтегратора використовуємо від'ємний зворотний зв'язок /ВЗЗ/ за постійним струмом за допомогою резистора R4. Його номінал вибираємо за умови, що кОм, тобто номінал резистора класу С 2-33 дорівнює 510 кОм.

Розраховуємо потужність Р4 для резистора R4:

Вт

Компаратор на операційних підсилювачах ДА3 і ДА4

У схемі компаратора операційний підсилювач працює в імпульсному режимі. Для даного режиму обмежуючі резистори, які відімкнені послідовно із входами підсилювача, рекомендовано обрати порядку /10...50/ кОм. Вибираємо номінали резисторів кОм класу С 2-33.

Розраховуємо потужність Р5,Р6,Р10,Р11 для резисторів R5,R6,R10,R11:

Вт

Підсилювач-інвертор на операційному підсилювачі ДА2

Щоб дістати коефіцієнт підсилення , необхідно виконати умову . Рекомендована величина кОм. Отже, кОм; тобто номінал резистора класу С 2-33 дорівнює 51кОм;

Розраховуємо потужність Р7,P8 для резистора R7,R8:

Вт;

опір резистора повинен дорівнювати опору паралельно ввімкненим резисторам й . Вибираємо кОм класу С 2-33.

Розраховуємо потужність Р9 для резистора R9:

Вт;

Розподільні конденсатори С2 й СЗ

Дані конденсатори не пропускають постійну напругу зміщення на вхід компараторів. Ємність вибирають за умовою

де ; - період синхронізуючої напруги; с, тоді

Ф =5мкФ.

Приймаємо стандартний конденсатор КМ5-А.

Регулюючий дільник напруги

Дільник напруги живиться від сумарної напруги джерела живлення В.

Для забезпечення регулювання кута керування у повному діапазоні в крайніх положеннях движка потенціометра дільник має забезпечувати напругу:

В; В;

Отже, на резисторі має падати напруга

В.

Прийнявши струм дільника мА знаходимо опір резистора

кОм.

Розраховуємо потужність Р11 для резистора R11:

Вт;

Номінал резистора класу С 2-33 дорівнює 2,2кОм.

Загальний опір

кОм.

Оскільки резистори та мають однаковий номінал, їх опір

кОм.

Розраховуємо потужність Р12,P13 для резистора R12,R13:

Вт;

Номінал резистора класу С 2-33В дорівнює 1,96 кОм.

Диференціюючі ланцюги .

У загальному випадку диференціюючий ланцюг вибирають за умови тиристора.

При індуктивному характері навантаження імпульс керування тиристора повинен мати більшу тривалість. Беремо .

Отже, кОм. .

Знаходимо ємність конденсаторів та за умовою

;

Ф.

Приймаємо стандартний конденсатор КМ5-А.

Розраховуємо потужність Р16,P17 для резистора R16,R17:

мВт;

Номінал резистора класу С 2-29В дорівнює 20 кОм

Розрахунок підсилювача.

6. Висновки

В даній курсовій роботі був розрахований однофазний керований випрямляч. Керованим називається випрямляч, який окрім випрямлення змінної напруги одночасно регулює середнє значення випрямленої напруги. У керованому випрямлячі некеровані вентилі замінені керованими вентилями - тиристорами.

Регулювання здійснюється шляхом затримання відмикання тиристора в межах півперіоду сітьової напруги, де кут затримування відмикання тиристора називається кутом керування .

Також був розрахований діапазон регулювання, елементи схеми випрямляча. Для зміщення керуючих імпульсів на кут і розподілу сигналів керування на відповідні тиристори необхідна система керування випрямлячем.

Під час розрахунків було визначено номінали елементів схеми, параметри їх робочого режиму, найважливіші енергетичні і якісні показники пристрою.

На підставі розрахункових даних із довідників було вибрано стандартні елементи (напівпровідникові прилади,резистори,конденсатори, мікросхеми та ін.)

З метою уніфікації і підвищення технологічності пристрою допускається використовувати стандартні моточні вузли - трансформатори, дроселі, фільтри, застосування яких не повинно погіршувати енергетичні, якісні та економічні показники. Коли трансформатор і дросель не можна вибрати з числа стандартних, слід виконати електричний розрахунок.

Список використаної літератури

1. Чиженко І.М, Руденко В.С, Сенько В.І. «основи перетворювальної техніки». - М.: Высш.шк., 1974.

2. О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин «Силовые полупроводниковые приборы (справочник)». - М.:Энергоатомиздат, 1985.

3. И.Н. Сидоров, В.В. Мукосеев, А.А. Христинин «Малогабаритные трансформаторы и дроссели (справочник)». - М.:Радио и связь, 1985.

4. Г.С. Кучинский «Электронные конденсаторы и конденсаторные установки (Справочник)». - М.: Энергоиздат, 1987.

5. И.И. Четвертков, В.М. Терехов «Резисторы (справочник)». - М.:Радио и связь, 1991.

6. Б.В. Тарабин «интегральные микросхемы». - М.: Радио и связь, 1983.

Размещено на Allbest.ru

...