Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Нижегородский Государственный Технический Университет

Кафедра «Промышленная электроника»

Пояснительная записка к Курсовому проекту

Проектирование и расчет непосредственного преобразователя частоты

Выполнил: студент группы М14-ПЭ

Веселов С.С.

Принял: Асабин А.А.

Нижний Новгород 2014

Содержание

Задание

Введение

Описание принципа работы устройства

Расчет элементов силовой части преобразователя

Выбор тиристоров

Выбор автоматического выключателя

Расчет RC-цепей тиристоров

Описание принципа работы блоков управления и расчет их элементов

Генератор треугольного напряжения

Схема инвертирования и сдвига задающего напряжения

Мультивибратор

Датчик напряжения

Генератор пилообразного напряжения

Компараторы

Схемы совпадения

Импульсный усилитель

Приложение

Перечень элементов схемы управления

Перечень элементов силовой части преобразователя

Литература

преобразователь инвертирование генератор напряжение

Задание

Разработать однофазно-трехфазный преобразователь частоты (НПЧ), выполненный на базе двух трехфазных мостовых вентильных групп. При разработке использовать совместное управление вентильными группами.

Исходные данные для расчета:

Мощность	25 кВА;
Линейное напряжение питающей сети	660 В;
Частота изменения выходного напряжения	12,5 Гц;
Закон управления вентильными группами	линейное изменение угла управления

Введение

Заданная схема силовой части непосредственного преобразователя частоты (НЧП) представлена на листе №1 приложения. Она состоит из двух трехфазных вентильных мостов (VS1-VS6 и VS7-VS12), соединенных встречно-параллельно через уравнительные реакторы Lл и Lп. К средним выводам уравнительных ректоров подсоединены выходные зажимы Х1 и Х2 преобразователя. В целях ограничения скорости нарастания напряжения на силовых вентилях, последние шунтированы RC цепями. Подключение преобразователя к питающей сети, а также защита вентилей при внешних или внутренних коротких замыканиях, выполняются с помощью автоматического выключателя QF.

Описание принципа работы устройства

Принцип работы НПЧ заключается в следующем. Положительная полярность напряжения на выходных зажимах НПЧ обеспечивается путем перевода вентильного моста VS1-VS6 в выпрямительный режим работы. Поэтому, в целях исключения режима короткого замыкания и обеспечения контура протекания реактивного тока нагрузки, при указанной полярности выходного напряжения вентильный мост VS7 - VS12 переводится в инверторный режим работы. Для выравнивания средних значений напряжений вентильных мостов при разработке НПЧ рекомендуется согласованное управление тиристорами. Следует отметить, что даже совместное согласованное управление тиристорами не обеспечивает равенства мгновенных значений напряжений вентильных мостов. Поэтому последние соединены через уравнительные реакторы, обеспечивающие ограничение уравнительного тока на уровне 10% от номинального тока нагрузки НПЧ.

Функциональная схема системы управления НПЧ с синусоидальным выходным напряжением и линейным изменением угла управления приведена на листе №1 приложения.

Схема состоит из трех идентичных фазосмещающих устройств (ФСУ), инвертирующего усилителя задающего напряжения с коэффициентом усиления Ку = 1 и мультивибратора. Разберем принцип действия ФСУ на примере фазы А. Она состоит из:

· Датчика напряжения (ДН), формирующего сигналы интервалов положительных и отрицательных значений напряжения сети:

· Двух генераторов пилообразного напряжения (ГПН1, ГПН2), синхронизированных сигналами датчика напряжения;

· Четырех компараторов (А1, А2, А3, А4), формирующих интервалы подачи управляющих импульсов на включение тиристоров;

· Формирователя задающего напряжения (ФЗН) и операционного усилителя (ОУ) для инвертирования сигнала;

· Четырех схем совпадения выходных сигналов компараторов и мультивибратора, построенных на логических элементах «И» (DD1, DD2, DD3, DD4);

· Мультивибратора (МВ);

· Четырех импульсных усилителей (ИУ1, ИУ2, ИУ3, ИУ4).

Работа ФСУ фазу А системы управления заключается в следующем. Выходной сигнал U₊ датчика напряжения ДН, соответствующий положительному полупериоду линейного напряжения (U_CA) сети, поступает на вход синхронизации генератора пилообразного напряжения ГПН1. На выходе последнего, в указанном полупериоде, формируется пилообразное напряжение и подается на прямой вход компаратора A1. На инверсный вход этого же компаратора подается инвертированный сигнал задающего напряжения с выхода усилителя ОУ1. В интервалах, соответствующих превышению пилообразным напряжением задающего напряжения, на выходе компаратора формируется сигнал разрешения подачи управляющих импульсов на тиристор. При наличии данного сигнала высокочастотные импульсы с выхода мультивибратора МВ через схему совпадения DD1 поступают на вход импульсного усилителя ИУ1. Последний обеспечивает усиление управляющих сигналов по мощности и гальваническую развязку системы управления от силовой части преобразователя. С выхода импульсного усилителя высокочастотные импульсы подаются на управляющий электрод тиристора VS1. Аналогично работает симметричная часть ФСУ с той разницей, что пилообразное напряжение начинает вырабатываться при отрицательном интервале напряжения сети.

Линейное изменение угла управления получается путем использования в качестве задающего напряжения напряжения треугольной формы. Оно симметрично относительно среднего значения пилообразного напряжения. В этом случае на выходе НПЧ формируется кусочно-синусоидальное напряжение, среднее значение которого меняется по синусоидальному закону.

Далее на рисунках приведены диаграммы изменения напряжения, построенными при номинальном значении напряжения управления (рисунки 1-3) и значении напряжения управления, равном половине номинального напряжения (рисунки 4-6).

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Расчет элементов силовой части преобразователя

Выбор тиристоров

Исходя из полученных данных, выбирается тиристор марки Т142-40 со следующими параметрами:

Iос.мах = 40 А

Iзс = 15 мА

Iвкл = 210 мА

Iу.пр = 2.5 мА

Iуд = 120 мА

Iу.от = 150 мА

Uос.мах = 1.95 В

Uзс.мах = 1300…2000 В

Uу.от = 4 В

dUзс/dt = 50…1000 В/мкс

(dIос/dt)кр = 100 А/мкс

Rт = 0.5 С/Вт

Uпор = 1.25 В

T = -50…+125 C

Класс тиристора по напряжению 15 - 1500 В, по скорости нарастания напряжения 6 - 500 В/мкс.

Выбор автоматического выключателя

Далее необходимо выбрать автоматический выключатель. В данном случае необходимо применить выключатель COMPACT NS100L c расцепителем STR22SE, рассчитанного на линейное напряжение 660-690 В и на ток до 100 А. Время срабатывания выключателя при действующем токе перегрузки 100 А - 0.005 с. Сравнивая время срабатывания с перегрузочной способностью тиристора, можно сделать вывод, что тиристор выбран правильно.

Расчет RC-цепей тиристоров

Из справочных материалов необходимо выбрать конденсатор и резистор с ближайшими большими значениями.

Конденсатор: 0.47 мкФ.

Резистор: 10 Ом.

Описание принципа работы блоков управления и расчет их элементов

Генератор треугольного напряжения

Рисунок 7

Как показано на рисунке 7, генератор треугольного напряжения состоит из последовательно включенных триггера Шмитта и интегратора.

Интегратор интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера Шмитта скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера.

Изменяя постоянную интегрирования, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения. Амплитуда треугольного напряжения зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта.

,

где U_макс - граница насыщения операционного усилителя DA1. Период колебаний равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменилось от -U до +U. Отсюда

.

Таким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня границы насыщения операционного усилителя.

В качестве операционных усилителей выберем усилитель К140УД1408А со следующими параметрами:

Uп = 4.5…17 В

Uвых = 10 В

Uсм = 2 мВ

Kу = 68 дБ

Kос.сф = 62 дБ

Vuвых = 0.05 В/мкс

Питание ОУ будет осуществляться от источника питания 10 В.

Амплитуду выходного напряжения генератора треугольного напряжения примем 5 В, тогда резисторы R21 и R22 подбираем следующими:

.

Регулирование (уменьшение) амплитуды выходного сигнала осуществляется путем изменения (увеличения) сопротивления R22, то есть в качестве сопротивления R22 целесообразно применить резистор типа СПО-0,15 с границами регулирования номинального сопротивления от 100 Ом до 1 МОм.

Период изменения задающего напряжения равен . Тогда

Изменяя амплитуду выходного сигнала, следует помнить о том, что, уменьшая её с помощью резистора R22, уменьшается период выходного сигнала. Следовательно, увеличивая сопротивление R22 необходимо увеличивать сопротивление R23 пропорционально изменению сопротивления R22, чтобы отношение R23/R22 оставалось неизменным. То есть в качестве резистора R23 также применен СПО-0,15.

Схема инвертирования и сдвига задающего напряжения

Рисунок 8

Для использования полученного треугольного напряжения в качестве задающего сигнала необходимо чтобы он был симметричен относительно среднего значения пилообразного напряжения. Следовательно, надо сдвинуть сигнал на половину амплитуды пилообразного напряжения, то есть на 5 В. Так же для системы управления понадобится прямой и инвертированный сигналы, то так же необходимо проинвертировать задающее напряжение (сдвинуть по фазе на 180^О).

На рисунке 8 изображена схема данного блока. В качестве инвертирующего устройства применен инвертор на операционном усилителе DA4. Для поднятия задающего сигнала до среднего значения пилообразного напряжения используются неинвертирующие сумматоры на операционных усилителях DA3 и DA5.

В инверторе применен операционный усилитель К140УД1408А. Коэффициент усиления данного блока равен 1, следовательно, резисторы R29, R30 выбираются одинаковые.

.

В сумматорах применены операционные усилители К140УД1408А.

Чтобы выходное напряжение усилителя определялось выражением

,

должно выполняться условие

.

Отсюда

.

Аналогично

.

Так как среднее значение пилообразного напряжение равно 5 В, то на один из входов сумматора подается треугольное напряжение, а на другой напряжение +5 В.

Здесь и далее для улучшения АЧХ операционного усилителя вводится частотная коррекция ОУ с помощью корректирующего конденсатора емкостью 3 пФ.

Мультивибратор

Рисунок 9

Мультивибратор предназначен для формирования высокочастотных импульсов для открывания тиристоров. Для надежного открывания ключевого элемента мультивибратор должен подавать на управляющий электрод пачку импульсов, следовательно, его частота должна превышать частоту выходного сигнала. Пусть его частота превышает заданную в 256 раз.

В качестве мультивибратора применен программируемый таймер КР(Ф)1006ВИ1, который представляет собой таймер формирования импульсов напряжения длительностью, определяемой внешними времязадающими элементами.

Длительность импульса определяется по формуле

,

длительность паузы

,

частота выходного напряжения

Подача напряжения питания +5В обеспечивает совместимость выходного напряжения и тока с уровнями напряжений и токов микросхем серии ТТЛ. Это обстоятельство позволяет подавать выходное напряжение напрямую на вход схемы совпадения.

Частота выходного сигнала мультивибратора равна

,

Период

.

Задаваясь t1 и t2, определим параметры элементов

или ,

откуда при

Получим

.

Датчик напряжения

Рисунок 10

В качестве датчика напряжения применен трансформатор ОСМ-0,063-УХЛЗ со средним отводом производства «ЭнергоСпецТехника». Номинальная мощность трансформатора 0,063 кВА. Номинальные напряжения обмоток: высокого напряжения - 660 В, низкого напряжения 12 В.

Линейное напряжение сети подается на обмотку высокого напряжения, а сигналы положительных и отрицательных значений напряжения сети снимаются с обмотки низкого напряжения, причем средний отвод трансформатора заземлен (рисунок 10).

Генератор пилообразного напряжения

Рисунок 11

На рисунке 11 изображен генератор пилообразного напряжения (ГПН1). Он предназначен для формирования пилообразного напряжения высокой линейности в периоды, когда на его вход поступает напряжение положительной полярности.

На вход данного блока поступает напряжение с датчика напряжения. Сигнал однополупериодного выпрямленного напряжения, поступает на вход компаратора DA7.1, который сравнивает данный сигнал с 0. На выходе компаратора при наличии сигнала формируется прямоугольный сигнал положительной полярности с амплитудой 2.5 В, при отсутствии сигнала - отрицательной. Далее сигнал поступает на вход сумматора, выполненного на операционном усилителе DA8, который смещает данный сигнал на величину его амплитуды, то есть на 2.5 В. В результате на выходе сумматора формируется прямоугольный сигнал управления транзистором VT5 с амплитудой 5 В.

Сам генератор пилообразного напряжения выполнен на транзисторе VT5 и конденсаторе C10, а также в него входят: источник питания +5 В, резистор R9 и операционный усилитель DA9, охваченный положительной и отрицательной обратными связями с помощью резисторов R1, R2, R43. Управление работой генератора производится транзистором VT1, осуществляющим разряд конденсатора до нуля и обеспечивающим малое время обратного хода формируемого напряжения. Длительность открытого состояния транзистора определяется длительностью входного импульса напряжения положительной полярности.

В качестве диода VD9, VD10 выбирается элемент 2А526А-5, рассчитанным на частоту 35 ГГц, максимальный прямой ток 100 мА, максимальное обратное напряжение 40 В.

В качестве компаратора DA7 выбирается микросхема К1401СА3, на которую подается напряжение питания +2.5 В.

В качестве операционного усилителя DA8 принимается микросхема К140УД1408А, сопротивления резисторов неинвертирующего сумматора подбираются аналогично описанному выше, то есть

.

Выходное напряжение ГПН изменяется линейно при выполнении условия

.

Для того, чтобы обеспечить амплитуду пилообразного напряжения на уровне 10 В, необходимо выбрать конденсатор емкостью 0.5 мкФ.

Отсюда

.

Сопротивление R10 находим из условия обеспечения коэффициента насыщения q = 1.5.

.

DA9 выполнен на микросхеме К140УД1408А. В качестве транзистора VT5 применен КТ815Б.

ГПН2 имеет аналогичные параметры:

,

,

.

DA10, DA11 выполнены на микросхемах типа К140УД1408А. В качестве транзистора VT6 применен КТ815Б.

Компараторы DA7.1 и DA7.2 выполнены на микросхеме К1401СА3.

Компараторы

Компараторы DA13.1, DA13.2, DA13.3, DA13.4 выполнены на одной микросхеме К1401СА1.

Они формируют сигнал разрешения подачи управляющих импульса на тиристор в интервалах, соответствующих превышению пилообразным напряжением задающего напряжения.

Схемы совпадения

Выполнены на логических элементах 2И-НЕ и НЕ. С помощью данного блока с выхода мультивибратора импульсы поступают на вход импульсного усилителя лишь тогда, когда с выхода компаратора подается сигнал разрешения.

Логические элементы DD1.1, DD1.2, DD1.3, DD1.4 выполнены на микросхеме К131ЛА3. Элементы DD2.1, DD2.2, DD2.3, DD2.4 выполнены на микросхеме К131ЛН1.

Импульсный усилитель

Рисунок 12

Сигнал (пачку импульсов) с логических элементов необходимо усилить для непосредственного использования для управления тиристором, а также выполнить гальваническую развязку системы управления и силовой части. Для этого используется высокочастотный транзисторный однотактный преобразователь, выполненный на транзисторе VT2, трансформаторе TV3, источнике питания +10 В, диодах VD1, VD5 и резисторах R1, R5, R13, R14.

В качестве трансформатора применен импульсный микротрансформатор МИТ4В с коэффициентом трансформации равным 1 и максимальным током до 200 мА.

При открытом состоянии VT1 энергия через разделительный трансформатор передается в нагрузку (на тиристор). Ток разряда трансформатора замыкается через диод VD5.

В данном случае применен транзистор КТ815Б.

Сопротивление R5 находим из условия обеспечения коэффициента насыщения q = 2. Сопротивление обмотки трансформатора равно 0.3 Ом.

.

В качестве диода VD5 выбирается элемент 2А526А-5, рассчитанным на частоту 35 ГГц, максимальный прямой ток 100 мА, максимальное обратное напряжение 40 В.

Практически все напряжение, приложенное к первичной обмотке VT2 трансформируется во вторичную обмотку, для управления тиристором необходимо напряжение 4 В и ток 210 мА. Отсюда

.

В качестве диода VD5 выбирается элемент КА537Б, рассчитанным на частоту 100 ГГц, максимальный прямой ток 500 мА, максимальное обратное напряжение 150 В.

Приложение

Перечень элементов схемы управления

№	Обозначение	Наименование	Количество	Примечание
1	2	3	4	5
1	DA1, DA2, DA3, DA4, DA5, DA8, DA9, DA10, DA11	К140УД1408А	9
2	DA6	КР(Ф)1006ВИ1	1
3	DA7	К1401СА3	1
4	DA13	К1401СА1	1
5	DD1	К131ЛА3	1
6	DD2	К131ЛН1	1
7	VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6	КТ815Б	6
8	VD1, VD2, VD3, VD4	КА537Б	4
9	VD5, VD6, VD7, VD8, VD9, VD10	2А526А-5	6
10	TV1	ОСМ-0,063-УХЛЗ	1
11	TV2, TV3, TV4, TV5	МИТ4В	4
12	R1, R2, R3, R4, R9, R11	ТВО-1-10к	6
13	R5, R6, R7, R8	ТВО-0,25-3.3	4
14	R10, R12	ТВО-1-270к	2
15	R13, R15, R17, R19	ТВО-1-33	6
16	R14, R16, R18, R20	ТВО-1-680	6
17	R21	ТВО-1-10кОм	1
18	R22, R23	СПО-0,15	2
19	R24, R25, R26, R28, R31, R32, R33, R35	ТВО-1-10к	8
20	R29, R30	ТВО-1-1к5	2
21	R27, R34	УЛИ-0,125-20к	2
22	R36, R37	ТВО-1-10к	2
23	R38, R39, R40, R42, R43, R44, R45, R46, R48, R49	ТВО-1-10к	10
24	R41, R47	УЛИ-0,125-20к	2
1	2	3	4	5
25	C1	КМ-3-М47	1
26	C2, C3, C4, C5, C6	КМ-3-3П	5
27	C7	КМ-3-М01	1
28	C8, C9, C11, C12	КМ-3-3П	4
29	C10, C13	КМ-3-М47	2

Перечень элементов силовой части Преобразователя

№	Обозначение	Наименование	Количество	Примечание
1	QF	COMPACT NS100L STR22SE	1
2	VS1, VS2, VS3, VS4, VS5, VS6, VS7, VS8, VS9, VS10, VS11, VS12	T142-40-15-6	12
3	R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12	ТВО-0,5-10	12
4	С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8, С9, С10, С11, С12	КМ-3-М47	12
5	Lл, Lп		2	0,216 Гн

Литература

1. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы: Справ. М.: Энергия, 1975.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982.

3. Малинин Р.М. Резисторы. М.: Энергия, 1969.

4. Гусев В.Н. Смирнов В.Ф. Электрические конденсаторы постоянной емкости. М.: Советское радио, 1968.

Размещено на Allbest.ru

...