Иркутский национальный исследовательский

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 8Следующая ⇒

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт Энергетики

Кафедра «Электропривода и электрического транспорта»

Допускаю к защите

                                                     Руководитель ________Илющенко В.В.

РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛя

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Промышленная электроника в электроприводе»

1.003.00.00 ПЗ

обозначение документа

Выполнил студент: ЭАПБ-19-1      ______________ Багаев Ф.Г.

                     Шифр группы             подпись                   И.О. Фамилия

Нормоконтроль                                _____________      Илющенко В.В.

                                              подпись                  И.О. Фамилия

Курсовой проект защищен с оценкой __________________

Иркутск 2021 г.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

По курсу «Промышленная электроника в электроприводе»

Студенту Багаеву Ф.Г.

Тема проекта _ РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛя

Исходные данные: выполнить проектирование согласно данному варианту.

Таблица 1 - Технические данные двигателей

Рекомендуемая литература:

1. И.И.Алиев. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. – Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 480 с.

2. Промышленная электроника в электроприводе: Учебное пособие для бакалавров направления 140400. - Иркутск, 2011. - 123 с..

3. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. – Спб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. – 304 с.

Приложения на 3 листах.

Дата выдачи задания 09.03.2021 г.

Задание получил                             ______________________Багаев Ф.Г.

Дата представления проекта руководителю “ ” ____2021 г.

Руководитель курсовой работы                                              В.В. Илющенко

Содержание

Введение............................................................................................................................................ 5

1 Теоретические сведения............................................................................................................. 6

1.1 Принцип действия.................................................................................................................. 6

1.2 Энергетические показатели силовых схем УВ............................................................... 7

1.3 Однофазная мостовая схема............................................................................................... 8

1.4 Системы управления УВ...................................................................................................... 9

1.5 Защита УВ............................................................................................................................. 11

2 Расчет элементов силовой части............................................................................................ 12

2.1 Выбор трансформатора..................................................................................................... 12

2.2 Расчет и выбор тиристоров............................................................................................... 12

2.3 Выбор сглаживающего дросселя.................................................................................... 13

2.4 Расчет активного сопротивления трансформатора..................................................... 14

2.5 Расчет активного сопротивления сглаживающего дросселя.................................... 14

2.6 Расчет сопротивления тиристора..................................................................................... 14

2.7 Расчет коммутационного сопротивления при включениитиристоров................... 15

2.8 Расчет активного сопротивления УВ.............................................................................. 15

3 Расчет элементов системы управления................................................................................. 16

3.1 Выбор транзистора VT1..................................................................................................... 16

3.1.2. Выбор отсекающего диода VD1............................................................................... 17

3.1.3. Выбор ограничивающего резистора R1................................................................. 17

3.1.4 Выбор цепи заряда генератора С₁, R₂...................................................................... 18

3.2. Расчет элементов компаратора....................................................................................... 18

3.2.1 Выбор транзистора VT2.............................................................................................. 18

3.2.2 Выбор транзистора VT3.............................................................................................. 19

3.2.3 Выбор ограничивающего резистора R₃................................................................... 19

3.2.4. Выбор резистора смещения R₄................................................................................. 20

3.3 Расчет элементов усилителя-формирователя импульсов управления................... 21

3.3.1 Выбор транзистора VT4.............................................................................................. 21

3.3.2 Расчет формирователя коротких импульсов управления С₂, R₆........................ 21

3.4 Выбор элементов гальванической развязки импульсов управления...................... 22

3.5. Выбор элементов блока питания и задатчика напряжения управления................ 23

3.5.1 Выбор понижающего трансформатора блока питания....................................... 23

3.5.2 Выбор выпрямителя и сглаживающего фильтра блока питания....................... 23

3.5.3 Величина емкости сглаживающего конденсатора С4 определяется................ 24

4 Выбор автоматического выключателя.................................................................................. 26

4.1. Выбор автоматического выключателя QF₁................................................................... 26

4.2. Выбор автоматического выключателя QF₂................................................................... 26

4.3 Выбор амперметра PA₁...................................................................................................... 26

4.4 Выбор вольтметра PV₁....................................................................................................... 26

5 Расчет характеристик УВ......................................................................................................... 27

5.1 Регулировочная характеристика...................................................................................... 27

5.2 Выходная характеристика................................................................................................. 28

Заключение..................................................................................................................................... 29

Библиографический список........................................................................................................ 30

Приложение 1. Перечень элементов принципиальной схемы УВ.................................. 31

Приложение 2. Принципиальная схема системы управления УВ.................................. 32

Приложение 3. Принципиальная схема силовой части УВ............................................. 33

Введение

Преобразование переменного тока в постоянный является в настоящее время наиболее распространенным видом преобразования электрической энергии. Полупроводниковые управляемые выпрямители нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: на железнодорожном транспорте, питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности, в системах возбуждения крупных электрических генераторов, для питания систем электропривода постоянного тока различного назначения и мощности, на тяговых подстанциях и магистральных электровозах и т.д.

При всем разнообразии схем и нагрузок методика расчета данного класса преобразователей одинакова и может быть сведена к расчету и выбору элементов одного комплекта управляемого выпрямителя.

Теоретические сведения

Принцип действия

Рассмотрим принцип регулирования напряжения на примере включения тиристора по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (см. рисунок 1.1).

t

0 a t1 t2

t3a t4

VS1

Рисунок 1.1 - регулирования напряжения на примере включения

Управляющие импульсы образуются с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ), служащего для изменения угла регулирования a. Допустим, что на УЭ тиристора VS1 от СИФУ подан импульс в момент времени t₁. Этот импульс открывает тиристор, и к нагрузке Z_н скачком будет приложено напряжение, которое будет изменяться по кривой U_н. В момент времени t₂ напряжение U_н становится равным нулю и тиристор закрывается, т.к. к нему приложено напряжение отрицательной полуволны. На интервале t₂ - t₃ ток через нагрузку не протекает. В момент t₄ на УЭ тиристора подается следующий импульс управления с СИФУ и работа схемы повторяется. На рис.2 показан график зависимости U_н от угла открывания тиристора a. Максимальное напряжение U_нo получается при полностью открытом тиристоре, когда угол a=0 (естественное открывание относительно синусоиды напряжения питания). При изменении угла a можно изменять среднее значение выпрямленного напряжения.

Аналогично протекают процессы открывания и закрывания тиристоров и в других схемах УВ, например, в однофазной мостовой. Выпрямленные напряжение и ток содержат постоянную и переменную составляющие. Наличие пульсаций (переменной составляющей) ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока и увеличивает потери в них. Поэтому на выходе УВ устанавливается индуктивный фильтр, включаемый последовательно с якорем двигателя (нагрузкой). Этот фильтр обладает большим реактивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока, которая значительно уменьшается. Падение напряжения от этой составляющей на активном сопротивлении фильтра незначительно. Другим средством уменьшения пульсаций является использование многофазных схем выпрямления.

Системы управления УВ

Для управления тиристорными преобразователями наиболее часто применяются системы импульсно-фазового управления (СИФУ), осуществляющие вертикальный способ управления тиристорами. СИФУ позволяют изменять угол регулирования a в пределах от 0 до 180^о, обеспечивая тем самым, изменение выходного напряжения от 0 до номинального значения.

К СИФУ предьявляются следующие требования:

- должна быть обеспечена линейная зависимость угла отпирания тиристора от напряжения управления a=f(U_у) в пределах от 0 до 180^о,

- амплитуда импульса должна быть достаточной для надежного отпирания тиристора (обычно U_уэ = 8…10 В, I_уэ ≤ 1 А),

- импульс управления должен быть узким, с крутым передним фронтом, продолжительностью в 2-3 раза больше, чем время включения тиристора (≥100 мкс).

ГПН

К

Uс

Uу

VS

ИСН

УФ

ГР

Функциональная схема одного канала СИФУ и диаграммы работы его элементов показаны соответственно на рисунке 2 и рисунке 3.

Рисунок 1.3 - Функциональная схема одного канала СИФУ

На схеме обозначены:

ИСН - источник синхронизирующего напряжения, обычно выполняется в виде понижающего маломощного трансформатора или(реже) в виде резистивного делителя напряжения. Необходим для синхронизации работы тиристора и его канала управления (СИФУ).

ГПН - генератор периодического напряжения, как правило,линейно нарастающего ("пилообразного").

К - компаратор. Здесь сравниваются дванапряжения - с выхода ГПН и напряжение управления. На выходе компаратора вырабатывается угол регулирования a.

УФ - усилитель-формирователь импульсов управления, формирующий необходимые параметры импульса управления тиристором:амплитуду, длительность и форму.

ГР - гальваническая развязка, необходимая для разделения высокого потенциала силовой части тиристорного преобразователя и низкого потенциаласистемы управления, а также для согласования выходного сопротивления УФ с входным сопротивлением тиристора. Обычно выполняется на импульсном трансформаторе или оптроне.

t

t

t

t

t

Uисн

Uгпн

Uк

Uуф

Uгр

Uу

0

0

0

0

0

0

a

a

Ри сунок 1.4 – диаграммы работы канала СИФУ

Защита УВ

Силовой согласующий трансформатор и силовая схема УВ должны быть защищены от токов короткого замыкания (к.з.) и токов перегрузки. Как правило, такие виды защит осуществляются автоматическими выключателями (автоматами) с комбинированными расцепителями. Расцепитель токов к.з. рассчитан на мгновенное срабатывание автомата при токе (2…10)I_н, а расцепитель токов перегрузки - на задержанное срабатывание автомата при токе (1,1…2,0)I_н . Номинальный ток автомата выбирается равным или немногим больше номинального тока защищаемого устройства.

Достоинства УВ:

1. Высокий КПД (до 98-99%).

2. Высокая удельная мощность.

3. Естественное закрывание тиристоров.

4. Относительная простота и надежность.

Недостатки УВ:

1. Ухудшение гармонического состава питающей сети.

2. Уменьшение коэффициента мощности при увеличении угла управления.

3. Ограничения по быстродействию.

Область применения УВ:

1. Управляемый электропривод постоянного тока.

2. Электротехнологические установки.

3. Зарядные устройства.

Система управления УВ строится на основе функциональной схемы, приведенной на рисунке 4.

Выбор трансформатора

Мощность выбираемого трансформатора S_т рассчитывается по формуле:

                                                   S_т = k _и × I _н × U _н,                                  (2.1)

где k_и  - коэффициент использования;

I_н – номинальный ток двигателя, А;

U_н – номинальное напряжение двигателя, В.

Напряжение вторичной обмотки U _2н выбирается по формуле (2.2) и округлятся до стандартного значения в большую сторону:

                                                    U _2н ≥ U _н / К_сх,                                                               (2.2)

где U_2н – номинальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора, В;

К_сх – коэффициент схемы (для однофазной мостовой схемы К_сх = 0,9).

U _2н = 220 / 0,9 = 244,44 В = 260 В

Таблица 2.1 - Технические данные трансформатора

Расчет и выбор тиристоров

Для выбора нужного тиристора силовой части УВ необходимо рассчитать средний ток тиристора I _ср и максимальное обратное напряжение U _{обр.макс .} по формулам (2.3) и (2.4). По данным расчета, округленным до стандартного значения в большую строну, выбираем тип тиристора и его предельные параметры.

                                                                                        (2.3)

где К_запаса – принять равным от 1,25…2;

I_d – средниый выпрямительный ток (I_d = I_н), А;

К_о - коэффициент, учитывающий способ охлаждения тиристора (К_о=1 при водяном охлаждении, К_о =0,3 при естественном воздушном охлаждении, К_о =0,3...0,6 при принудительном воздушном охлаждении);

n - число тактов выпрямления схемы, n =1 (однофазная однополупериодная), n =2 (однофазные нулевая и мостовая)

                                                                             (2.4)

Таблица 2.2 - Тиристор силовой части

Выбор транзистора VT 1

Выбор транзистора VT1 производится по максимальным напряжению U_кэ и току коллектора I_к, коэффициенту усиления по току β и мощности Р_доп.

Учитывая, что условия работы транзистора соответствуют условиям работы предварительного каскада усиления (малая мощность Р_доп ≤ 0,3 Вт, ток коллектора I_к ≥ 0,05 А, коэффициент усиления β ≥20), напряжение питания СИФУ (U _п = 24 В) и вид транзистора (p - n - p),

Таблица 3.1 - Технические данные транзистора

Выбор транзистора VT 2

Выбор транзистора VT2 производится по максимальным напряжению U_кэ и току коллектора I_к, коэффициенту усиления по току β и мощности Р_доп.

Учитывая, что условия работы транзистора соответствуют условиям работы предварительного каскада усиления (малая мощность Р_доп ≤ 0,3 Вт, ток коллектора I_к ≥ 0,05 А, коэффициент усиления β ≥20), напряжение питания СИФУ (U _п = 24 В) и вид транзистора (p - n - p)

Таблица 3.6 - Технические данные транзистора VT2

Выбор транзистора VT 3

Выбор транзистора усилителя сигнала компаратора VT3 производится по максимальным напряжению U_кэ и току коллектора I_к, коэффициенту усиления по току β и мощности Р_доп.

Учитывая, что условия работы транзистора соответствуют условиям работы промежуточного каскада усиления (малая мощность Р_доп ≤ 0,3 Вт, ток коллектора I_к ≥ 0,1 А, коэффициент усиления β ≥20), напряжение питания СИФУ (U _п = 24 В) и вид транзистора (n - p - n)

Таблица 3.7 - Технические данные транзистора VT3

3.2.3 Выбор ограничивающего резистора R ₃

Резистор R₃ ограничивает ток базы транзистора VT3.

Сопротивление резистора R₃ определяется по формуле

                                           R₃ ≥ ,                                 (3.5)

                                       R₃ Ом = 5100 Ом

                                                   ,                                       (3.6)

Вт

Таблица 3.8 - Сопротивление резистора R₃

где U_п– напряжение питания СИФУ, В;

I_к- максимальный ток коллектора выбранного транзистора VT3, А;

β_мин  - минимальный коэффициент усиления VT3

3.2.4 Выбор резистора смещения R ₄

Резистор R₄ подает необходимое напряжение смещения на базу транзистора VT3 для наилучшего усиления выходного напряжения компаратора.

Сопротивление резистора R₄ определяется по формуле

                                                      R₄= 0,2∙ R₃                                                                 (3.7)

R₄= 0,2 * 5100 = 1020 Ом    

                                                       ,                                          (3.8)

P   

Таблица 3.9 - Сопротивление резистора смещения R₄

3.2.5 Выбор ограничивающего резистора R ₅

Резистор R₅ ограничивает ток коллектора транзистора VT3.

Сопротивление резистора R5 определяется по формуле

                                                     R₅ ≥ ,                                     (3.9)

Ом

                                                          ,                                       (3.10)

 Вт

Таблица 3.10 - Сопротивление ограничивающего резистора R₅

Выбор транзистора VT 4

Выбор транзистора VT4 производится по максимальным напряжению U_кэ и току коллектора I_к, коэффициенту усиления по току β и мощности Р_доп.

Учитывая, что условия работы транзистора соответствуют условиям работы выходного каскада усиления (большая мощность Р_доп ≥ 3 Вт, ток коллектора I_к ≥ 1,5 А, высокий коэффициент усиления β ≥20), напряжение питания СИФУ (U _п = 24 В) и вид транзистора (p - n - p)

Таблица 3.11 - Технические данные транзистора VT4

3.3.2 Расчет формирователя коротких импульсов управления С₂, R ₆

Сначала задаются емкостью конденсатора С₂, а затем определяют сопротивление резистора R₆ из следующего соотношения:

                                            R₆ = ,                                     (3.11)

                                        R₆ Ом

где t_вкл– время включения тиристора, указано в таблице 2.2, с;

С₂– емкость конденсатора, Ф.

Рекомендуется выбрать С₂=0,25 мкФ

Таблица 3.12 - Технические характеристики конденсатора С₂

Мощность сопротивления R₆ определяется по формуле

                           Р ≥ ,                                      (3.12)

                           Р= Вт

где R₆ – выбранное номинальное значение резистора.

Таблица 3.13 - Сопротивление R₆

Расчет характеристик УВ

Рисунок 5.1 - Регулировочная характеристика

Выходная характеристика

                                            U_вых = U_d0 - I×R_п,                              (5.2) U_вых = 117-4,1*0,933 ≈113 В

Рисунок 5.2 - Выходная характеристика

Заключение

В данном проекте был произведен расчет управляемого выпрямителя для двигателя типа 4ПО80А1. Расчет был произведен, исходя из заданных параметров варианта. Проект состоит четырех составляющих:

1. Расчет элементов силовой части состоит из выбора трансформатора TV1 и выбора тиристоров.

2. Расчет системы импульсно-фазового управления состоит из расчета генератора периодического напряжения, расчета компаратора, выбора гальванической развязки и выбора ограничивающих сопротивлений и емкостей.

3. Расчет блока питания системы импульсно-фазового управления состоит из выбора понижающего трансформатора TV2, расчета полупроводниковых диодов и выбора сглаживающей емкости.

4. Расчет датчика напряжения управления состоит из выбора сопротивлений и развязывающей емкости.

    В ходе данного проекта был произведен расчет и выбор элементов, образующих управляемый выпрямитель, составлена спецификация на каждый элемент схемы.

Библиографический список

1. И.И.Алиев. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. – Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 480 с.

2. Промышленная электроника в электроприводе: Учебное пособие для бакалавров направления 140400. - Иркутск, 2011. - 123 с..

3. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. – Спб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. – 304 с.

Приложение 1. Перечень элементов принципиальной схемы УВ

R1

R2

R5

R3

R4

R6

R5

R3

R4

R2

C1

а

9

0

-24 в

4

3

2

1

VT1

VT2

VT3

VT4

VD1

VD2

VD3

R1

C2

TИ1

VD4

СИФУ-1

C1

R6

в

9

0

-24 в

8

7

6

5

VT1

VT2

VT3

VT4

VD1

VD2

VD3

C2

TИ1

VD4

СИФУ-2

Приложение 2. Принципиальная схема системы управления УВ

Приложение 2.  Принципиальная схема системы управления УВ

Пров.

Илющенко

Р

1

1

Т. контр.

Каф. ЭЭТ

гр.ЭАПб-18-1

Н. контр.

Илющенко

Утв.

Илющенко

1.017.00.00 ЭЗ

РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Разраб.

Рузавин

<

12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров