Курсовая работа (т): Система импульсно-фазового управления полупроводниковым преобразователем

Система импульсно-фазового управления полупроводниковым преобразователем

ГОУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт горного дела, геологии и геотехнологий

Кафедра Электрификации горно-металлургического производства

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: Преобразовательная техника

Тема: Система импульсно-фазового управления полупроводниковым преобразователем

Содержание

преобразователь тиристор напряжение импульс

1. Расчет силовой части

.1 Выбор силовой схемы преобразователя

.2 Выбор тиристоров

.3 Построение временной диаграммы

. Структурная схема СИФУ

. Диаграммы закона регулирования

. Синхронизирующее устройство

. Расчет делителя для синхронизирующего устройства

. Расчет формирователя опорного напряжения и фазосдвигающего устройства

.1 Расчет интегратора

.2 Расчет сумматора

.3 Расчет инвертора

.4 Расчет компаратора

. Расчет формирователя импульсов и выходного устройства

.1 Расчет формирователя импульсов и выходного устройства для тиристора управляемого относительно катода

.2 Расчет формирователя импульсов и выходного устройства для оптронного тиристора

8. Расчет блока питания

Список используемых источников

1. Расчет силовой части

.1 Выбор силовой схемы преобразователя

Исходные данные (согласно таблице вариантов, вар. 58):

Число фаз: 3

Схема выпрямления: с нулевой точкой

Тип выпрямителя: нереверсивный

Номинальное выпрямленное напряжение, U0: 460В

Номинальный ток нагрузки, Iн: 22А

│Uу макс│6,5В

Рисунок 1 - Силовая схема преобразователя

.2 Выбор тиристоров

Для силовой части схемы выпрямления выбираем по справочнику тиристорные ключи. для данной схемы выпрямления принимаются оптроны, ток которых фактически соответствует выходному току схемы управления.

Все коэффициенты в формулах принимаем для заданной схемы управления из таблицы 1.

Таблица 1

Условные обозначения в таблице:

U0 - среднее значение выпрямленного напряжения;

U2ф-фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

I2 - ток вторичной обмотки трансформатора;

I0 - среднее значение выпрямленного тока;

P0 - мощность на выходе выпрямителя;

S2 - полная мощность на выходе выпрямителя;

S1 - полная мощность на первичной обмотке трансформатора;

St - полная мощность трансформатора (габаритная);

UVSmax-максимальное обратное напряжение на тиристоре;

IVS -среднее значение тока через тиристор;

kП(2)-коэффициент пульсации выпрямленного напряжения, расчитанный для 2й гармоники.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора (на входе схемы):

Из таблицы 1:

откуда следует:

Максимальное обратное напряжение на тиристоре:

Из таблицы 1:

откуда следует:

Среднее значение выпрямленного тока должно соответствовать номинальному току нагрузки, поэтому: I0 = Iн = 22А

Среднее значение тока через тиристор:

Из таблицы 1:

откуда следует:

IVS = 0,33*I0 = 0,33*22 = 7,26А;

Выбираем тиристор по следующим условиям:

IVSmax > 1,2*IVS = 1,2*7,26 = 8,71А

UVSmax > 1,2*IVS = 1,2*961,4 = 1153,68В;

На основании полученных данных по справочнику принимаем тиристор, и выписываем его основные параметры.

Выбираем оптронный тиристор ТО2-10-10

Основные параметры тиристора сводим в таблицы 2 и 3:

Таблица 2

Таблица 3

где Iос.ср.max,А - средний максимальный ток в открытом состоянии;

Тк, оС - температура корпуса;

Uзс.п,В - повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии;

Uобр.п,В - повторяющееся импульсное обратное напряжение;

Iос.удр,А при tи=10мс, Uобр=0 - ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии при tи=10мс длительность импульсного тока в открытом состоянии;

(duзс./dt)кр,В/мкс - критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии;

(diос./dt)кр,В/мкс - критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии;

Тп.max оС - максимально допустимая температура перехода;

Iу.пр.и,А - прямой импульсный ток управления;

Uу.пр.и max, В - максимальное прямое импульсное напряжение управления;

Uос.и,В - импульсное напряжение в открытом состоянии;

Iос.и, А - импульсный ток в открытом состоянии;

Iу. от,мА-отпирающий постоянный ток управления;

Uу. от,В - отпирающее постоянное напряжение управления;

tвкл, мкс- время включения;

tзд, мкс- время задержки;

tвыкл, мкс- время выключения;

Iзс.п, мА - повторяющий импульсный ток в закрытом состоянии;

Iобр.п, мА - повторяющий импульсный обратный ток;

RТп- к,оС/Вт- тепловое сопротивление переход-корпус.

Рисунок 2 - Тиристор типа ТО125-10-12

.3 Временная диаграмма

Строим диаграммы мгновенного значения напряжения на нагрузке для заданного угла управления.

Находим среднее значение выпрямленного напряжения, среднее значение выпрямленного тока и среднее значение тока, протекающего через тиристор, при угле управления α = 30о:

Рисунок 3 - временная диаграмма работы выпрямителя

Рисунок 4 - Регулировочная характеристика Ud = f(α)

- При активной нагрузке.

- При активно-индуктивной нагрузке.

2. Структурная схема СИФУ

Рисунок 5 - структурная схема СИФУ

СУ - синхронизирующее устройство, предназначенное для синхронизации управляющих импульсов с силовой сетью (для временной "привязки" управляющих импульсов к моментам естественной коммутации).

ФОН - формирователь опорного напряжения, предназначенный для получения опорного напряжения Uоп, изменяющегося по косинусоиде в диапазоне регулирования тиристора. При этом в начале диапазона оно равно Uуmax, а в конце диапазона равно нулю (рисунок 6).

ФСУ - фазосдвигающее устройство, предназначенное для получения сдвига фаз между синхронизирующим напряжением и управляющим импульсом на угол управления α в зависимости от величины напряжения управления.

ФИ - формирователь импульсов, формирует импульсы заданной длительности и амплитуды в моменты включения тиристоров.

ВУ - выходное устройство, передающее сформированный импульс на тиристор, предварительно усиливая его.

3. Диаграмма закона регулирования

Для аналоговой системы управления принимаем косинусоидальный закон управления, при котором опорное напряжение Uоп изменяется по косинусоиде в диапазоне регулирования тиристора.

Строим диаграмму закона регулирования для заданной схемы выпрямления:

Рисунок 6 - Диаграмма закона регулирования

Uc=Uдоб=6,5/(1+0,87)=3,48 В,

Uоп=3,48+3,48=6,96 В

4. Синхронизирующее устройство

Схема синхронизирующего устройства формирует напряжения, совпадающие по фазе с силовым напряжением на тиристорах, и изолирует СИФУ от сети. Напряжения получают с помощью трансформатора, схема соединения которого обеспечивает получение необходимых Uc.

Рисунок 7 - Синхронизирующее устройство для трехфазной схемы выпрямления с нулевой точкой

Выбираем трансформатор синхронизирующего устройства из условия:

U2ф>Uc, U2ф>3,48 В

Выбираем трансформатор марки ТАН1-127/220-50, стержневой U1=220 В, I1=0,215 А

Рисунок 8 - Схема выбранного трансформатора

Напряжение еа отводах первичных обмоток трансформатора ТАН1 на127/220В:

между выводами 1 и 2, 4 и 5 - 110В;

между выводами 2 и 3, 5 и 6 - 7В.

При использовании трансформатора ТАН1-127/220В на 127В необходимо:

соединить выводы 1 и 4, 3 и 6, при этом первичные обмотки соединяются параллельно;

подать напряжение на выводы 1 и 3 или 4 и 6.

При использовании трансформатора ТАН1-127/220В на 220В необходимо:

соединить выводы 2 и 4;

подать напряжение на выводы 1 и 5.

Таблица 4 - Номера вторичных обмоток трансформатора и соответствующие напряжения:

Для получения необходимого напряжения используем три трансформатора ТАН1 - 127/220, а именно выводы 19 - 20 этих трансформаторов (см. рис. 8). U2ф>Uc, 5>3,48 В

5. Расчет делителя для синхронизирующего устройства

Рисунок 9 - Делитель синхронизирующего устройства

Напряжение на выходе делителя должно удовлетворять следующему условию:

Uвых=1,2*Uс,

Uвых=1,2*Uс=1,2*3,48=4,18В;

Для большинства операционных усилителей (ОУ) можно принять

Iвх оу=1мА. Для правильного подбора сопротивлений делителя должно выполняться условие:

IR2=10* Iвх оу;

IR2=10* Iвх оу=10*0,001=0,01А;

По первому закону Кирхгофа:

IR1= IR2+Iвх оу=0,01+0,001=0,011А;

Находим сопротивления делителя, принимая:

R2=R3=2/3*Rд, где:

Rд=Uвых/IR2=4,18/0,01=418Ом;

R2=R3=2/3*418=279Ом;

Из ряда стандартных принимаем ближайшее значение сопротивления:

R2=R3=270Ом;

Резистор R3 выбирается подстроечным и для создания Uвых=4,18В настраивается таким образом, чтобы сопротивление было равно Rд- R2.

Напряжение на выходе трансформатора равно 5В, поэтому:

UR1=U2ф-Uвых=5-4,18=0,82В;

R1= UR1/ IR1=0,82/0,011=74,5Ом;

Из ряда стандартных принимаем ближайшее значение сопротивления:

R1=75Ом;=UR12/R1=0,822/75=0,009Вт;+ PR3= Uвых2/ R2+R3=4,182/540=0,032Вт2=PR3=0,016Вт;

Выбираем резисторы; R1 -МЛТ - 0,125 75Ом+5%

R2 -МЛТ - 0,125 270Ом+5%

R3 -СП3 - 4а - 0,125 270Ом+5%

6. Расчет формирователя опорного напряжения и фазосдвигающего устройства

Формирователь опорного напряжения, предназначен для получения опорного напряжения Uоп, изменяющегося по косинусоиде в диапазоне регулирования тиристора. Он состоит из интегратора, сумматора и инвертора.

ФСУ - фазосдвигающее устройство, предназначенное для получения сдвига фаз между синхронизирующим напряжением и управляющим импульсом на угол управления α в зависимости от величины напряжения управления. Оно выполняется на основе компаратора напряжений.

Коэффициенты передачи первых трех блоков должны быть такими, чтобы из напряжения Uвых получилось напряжение Uоп.

Рисунок 10 - структурная схема формирователя опорного напряжения и фазосдвигающего устройства

Интегратор, сумматор, инвертор и компаратор напряжения выполняются на основе операционного усилителя и имеют различные схемы включения. Марка операционного усилителя для различных схем включения может быть одна, поэтому для интегратора, сумматора, инвертора и компаратора выбираем операционный усилитель К153УД2

Таблица 5 - Номинальные данные операционного усилителя

Рисунок 11 - Схема включения операционного усилителя

.1 Расчет интегратора

Рисунок 12 - Схема интегратора

Оптимальное входное сопротивление интегратора из условия независимости работы входной цепи ОУ и внешней подключаемой цепи находим по формуле:

R'вх=U 'вх/(Iвх*103)=4,18/(1500*10-9*103)=2787Ом;

где U 'вх входное напряжение блока этой схемы равно Uвых делителя; Iвх входной ток ОУ(из справочника).

Для того чтобы из напряжения на выходе делителя получить опорное напряжение, необходимо выполнение следующего условия: