Министерствонауки и образования Украины
Донбасскаягосударственная машиностроительная академия
Кафедраавтоматизации производственных процессов
Расчетно-пояснительнаязаписка
к курсовойработе по дисциплине
«Электроникаи микросхемотехника»
Спроектироватьдвенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включениемвентилей
г.Краматорск
2005
Исходные данные
Силовая схемавыпрямителя:
— номер рисунка: 1.8.б
— напряжение питания: Uc=660В
— напряжение на нагрузке:Ucp=260В
— ток нагрузки: Icp=80А
— глубина регулирования:Д=25
— рекомендуемая схемаСИФУ: рис. 1.16
Реферат
Курсовая работа содержит 26страниц, 11 иллюстраций, 1 приложение и 1 чертеж (принципиальная электрическаясхема управляемого выпрямителя в сборе).
Объектом разработки является двенадцатипульсныйсоставной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей.
Целью курсовой работы является расчет элементовуправляемого выпрямителя, системы импульсно-фазового управления на операционныхусилителях, источника питания СИФУ, а так же проектировка принципиальной электрическойсхемы управления реверсивного выпрямителя.
Проектированиеуправляемого выпрямителя предполагает проектировку сначала силовой части(вентильного выпрямителя), а затем системы управления выпрямителем (СИФУ иисточника питания).
Т.к. в выпрямителеиспользуется 12 тиристоров, то для управления каждым предназначаетсямногоканальная система импульсно-фазового регулирования. Функциональные схемыСИФУ одинаковы, но отличаются фазами синхронизирующих напряжений (они сдвинутына 120 градусов так же, как и в соответствующих анодных цепях тиристоров).
Источником питания каждойСИФУ является параметрический стабилизатор напряжения. Спроектированнаяпринципиальная схема управления выпрямителем требует больших аппаратных затрат,однако проста в сборке, управлении и наладке, предполагает возможностьмодификации, а так же обладает высокой надёжностью в работе, может применятьсяв различных областях.
Ключевые слова:
схема, выпрямитель, диод, тиристор,оптопара, СИФУ, стабилизатор.
Содержание
1. Расчет схемы управляемого выпрямителя
1.1 Выбор схемы и расчет основныхпараметров выпрямителя
1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме
1.3 Выбор элементов управляемого выпрямителя
1.4 Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителя
1.4 Выбор защиты тиристоров отперегрузок по току и напряжению
2. Проектирование СИФУ
2.1 Расчет параметров пусковыхимпульсов
2.2 Расчет цепи управлениятиристорами
2.3 Расчет выходного каскада СИФУ
2.4 Расчет входного каскада СИФУ
2.6 Расчет разделительной цепи
2.7 Расчет схемы сравнения
2.8 Расчет схемы подавления помех
3. Расчет источника питания
3.1 Выбор схемы и расчет основныхпараметров источника питания
3.2 Расчет однофазного мостовоговыпрямителя и трансформатора
4. Моделирование силовой части
Выводы
Приложение А
Список литературы
Введение
Цель данной курсовойработы — спроектировать управляемый выпрямитель и систему импульсно-фазовогоуправления для него.
Выпрямитель — устройство,преобразующее переменный ток в постоянный. Он состоит из трансформатора,преобразующего напряжение питающей цепи в требуемое по величине; вентильногоблока, преобразующего переменное напряжение в пульсирующее; сглаживающегофильтра, уменьшающего (сглаживающего) пульсации выпрямленного напряжения дотребуемой для нормальной работы потребителя величины. В данной курсовой работерассматривается трехфазный полностью управляемый выпрямитель, построенный наиспользовании управляемых вентилей (тиристоров), и представляющий собойпараллельное соединение двух трехфазных выпрямителей. В таком выпрямителеиспользуется трансформатор с тремя обмотками. Вторичных обмоток две: однасоединяется звездой, а вторая — треугольником. Сглаживающие фильтры выполненына основе дросселей.
Для управлениятиристорами, использующимися в данном выпрямителе, используется системаимпульсно-фазового управления. Такой способ управления мощными тиристорами внастоящее время считается наиболее приемлемым. Суть способа состоит вовключении запертых тиристоров почти положительными прямоугольными импульсами,подаваемыми на управляющий электрод тиристора сдвинутыми по фазе на угол αотносительно момента естественного включения неуправляемых вентилей. Таким образом,основной задачей системы импульсно-фазового управления является преобразованиевходного регулирующего напряжения в соответствующий угол регулирования α(т.е. угол открытия тиристоров). Так как в данном выпрямителе используется 12тиристоров, то для управления ими используется многоканальная системаимпульсно-фазового управления. При этом схемы всех каналов одинаковы иотличаются только фазами синхронизирующих напряжений, которые сдвинуты по фазеотносительно друг друга, как и в соответствующих анодных цепях тиристоров.Каждое напряжение синхронизации синхронизирует начало рабочего интервалаизменений угла α с точкой 0 естественного включения соответствующеготиристора.
Для питания схемы системыимпульсно-фазового управления используется стабилизированный источник питания сCRC-фильтром.
/>1. Расчетсхемы управляемого выпрямителя/> 1.1Выбор схемы и расчет основных параметров выпрямителя
В соответствии с заданиемпринимаем схему двенадцатипульсного составного управляемого выпрямителя спараллельным включением вентилей.
/>
Рис.1.1 —Двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включениемвентилей
В начале расчет проводимв неуправляемом режиме, т.е. при />. В связи с тем, что напряжение сети может колебатьсяв пределах />, определим величинывыпрямленных напряжений на нагрузке:
/>
где />выпрямленное напряжение на нагрузкепри нормальном напряжении сети;
/> выпрямленное напряжение приповышенном напряжении сети.
Из прил.2 определяем:
/>— максимальное обратное напряжение натиристорах;
/>— среднее значение тока тиристора.
Определяем активноесопротивление фазы трансформатора:
/>,
где />
/> — коэффициент, зависящий от схемывыпрямления
B — магнитная индукция вмагнитопроводе
S — число стержней магнитопровода длятрансформаторов
Определяем индуктивностьрассеяния обмоток трансформатора:
/>,
где />.
Определяем напряжениехолостого хода с учетом сопротивления фазы трансформатора /> и падения напряжения на дросселе />:
/>
где />— число пульсаций в кривойвыпрямленного напряжения за период сети.
/>— падение напряжения на тиристорах;
/>— падение напряжения на дросселях; />.
Напряжение на вторичныхобмотках трансформатора />.
Действительный токвторичной обмотки />.
Коэффициент трансформациидля обмоток «треугольник-треугольник» /> коэффициент трансформации для обмоток«треугольник-звезда» /> тогда действительный ток первичной обмоткитрансформатора />
Действительное значениетока тиристора />
Типовая мощностьтрансформатора:
/>
Определяем уголкоммутации:
/>.
Определяем минимальнодопустимую индуктивность дросселя фильтра:
/>.
Внутреннее сопротивлениевыпрямителя:
/>.
КПД выпрямителя:
/>
/>— коэффициент полезного действиятрансформатора;
/>— потери мощности на выпрямительныхдиодах;
N — число тиристоров в схеме./> 1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме
Определяем максимальный иминимальный углы регулирования:
/>
Минимальное напряжение нанагрузке
/>
В управляемом режимеработы выпрямителя находим:
/>
Минимальный имаксимальный углы проводимости тиристоров:
/>
Ток в тиристоре />
Максимальное обратноенапряжение />/>1.3 Выбор элементов управляемоговыпрямителя
Тиристоры выбираем по />: тиристор Т242-80-8 и типовойохладитель М-6А./>1.4Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителя
Общая расчетная формуладля всего семейства нагрузочных характеристик:
/>
/>
Рис.1.2 — Регулировочнаяхарактеристика выпрямителя/> 1.4Выбор защиты тиристоров от перегрузок по току и напряжению
Для защиты тиристоров отперегрузок используем быстродействующие плавкие предохранители. Достаточнопоставить два предохранителя в первичной обмотке для обеспечения защиты.
Ток плавкой вставки:
/>
Выбираем плавкую вставкуПНБ-5-380/100.
Для ослабленияперенапряжений используем />-цепочки,которые включаются параллельно тиристору. Такая цепочка совместно синдуктивностями цепи коммутации образует последовательный колебательный контур.Конденсатор ограничивает перенапряжения, а резистор — ток разряда этого конденсаторапри отпирании и предотвращает колебания в последовательном контуре. Параметрыцепочек определим по следующим соотношениям:
/>
Величина напряжения наконденсаторе />ток разряда контура />
Мощность рассеяния нарезисторе />
По справочнику выбираемконденсаторы C2 — КСЛ-310 пФ, резисторы R2 — ПЭВ-100-620±10%.
/>
Рис.1.3 — Схемауправляемого выпрямителя с защитой
/>2.Проектирование СИФУ/> 2.1Расчет параметров пусковых импульсов
Определяем требуемуюдлительность импульса управления />, исходя из знания угла коммутации />, определенного при расчете силовыхсхем:
/>/>2.2 Расчет цепи управления тиристорами
Для тиристоров Т242-80-8определяем токи и напряжения управления:
/>
Цепи управлениятиристорами питаются от импульсного усилителя через оптрон и ограничивающиесопротивление и шунтирующий диод:
/>
Рис.2.1 — Цепь управлениятиристором
По значению /> выбираем оптрон ТО125-12,5с параметрами:
/>
Определяем параметрыэлементов, входящих в цепь управления:
/>
По току /> выбираем шунтирующий диод типаКД202А.
По значениям /> и /> выбираем резистор типа МЛТ-1-11Ом±5%.
Внутреннее сопротивлениеуправляющего перехода тиристора
/>2.3 Расчет выходного каскада СИФУ
Нагрузкой выходного каскада на транзисторе VT2 является ток управления />оптотиристора(рисунок 2.2). Следовательно, в режиме насыщения через транзистор VT2 должен протекать ток коллектора /> не менее тока управления /> оптотиристора.
В связи с этим принимаем />. Так как СИФУ питаетсядвухполярным напряжением, то выходной каскад подключен на напряжение
/>.
Учитывая, что />имеем:
/>.
По напряжению /> итоку /> выбираемтранзистор VT2 типа КТ611А с параметрами />, />, />, />.
/>
Рисунок 2.2 — Выходнойкаскад СИФУ
Определяем величинуограничивающего сопротивления резистора R13:
/>
где /> — падение напряжения на открытомтранзисторе,
/> — падение напряжения на светодиоде оптотиристора.
Определяем мощностьрассеивания на резисторе />:
/>
Принимаем резистор /> типа МЛТ-2-240Ом±10%.
Определим ток базытранзистора VT2:
/>
Определяем ток коллектора/> транзистора VT1:
/>
Вычисляем мощностьрассеяния на транзисторе VT1:
/>.
По току /> , напряжению /> и мощности рассеивания /> выбираем транзистор VT1 типа КТ301Б с параметрами: />
Определим минимальный токбазы транзистора VT1:
/>2.4 Расчет входного каскада СИФУ
Входной каскад СИФУвыполняет две функции: функцию синхронизации и функцию генератора прямоугольныхимпульсов. Функция синхронизации импульсов управления и анодного напряженияоптотиристора в управляемом выпрямителе осуществляется путём подключениявходного трансформатора TV1 и силового трансформатора к одной и той же фазенапряжения сети. В исходной схеме прямоугольные двухполярные импульсыобразуются на стабилитронах VD1, VD2 (рисунок 2.3).
/>
/>
Рисунок 2.3 — Схемаобразования прямоугольных двухполярных импульсов.
Для получения импульсов,близких к прямоугольным, на стабилитронах VD1 и VD2 должновыполняться условие:/>.
Принимаем: />
Выбираем из справочникастабилитроны VD7, VD8 типа КС133А с
параметрами:/>,
а также принимаем кустановке трансформатор со следующими параметрами:
/>.
Определяем величинусопротивления ограничительного резистора R7:
/>
Находим мощностьрассеивания на резисторе R7:
/>
Принимаем резистор R7 типа МЛТ-1-270Ом ±5%.
2.5 Расчет генераторатреугольных импульсов
Генераторы треугольныхимпульсов (рисунок 2.4) реализуются на базе генератора прямоугольных импульсови интегратора. Параметры импульсов:
амплитуда:/>
частота: />
Определим длительностьвходных импульсов:
/>.
Определим ток нагрузкивходного каскада /> и входной ток интегратора из того условия, что:
/>
По справочнику выбираемоперационный усилитель DA1типа К153УД5 с параметрами:
/>
/>
При подаче на входинтегратора постоянного напряжения на его выходе
получаем линейноизменяющееся напряжение:
/>
где />.
Принимаем: />тогда:
/>.
Исходя из того, чтозначение/> очень мало, принимаем:
резисторы R8, R9 типа МЛТ-0,125-100кОм ±10% ,
конденсатор С7типа К73-5-0,1мкФ ±5%.
Величина выходногонапряжения на выходе интегратора составит:
/>,
где/> — входное напряжениеограничителя./>
/>
Рисунок 2.4 – Генератортреугольных импульсов
2.6 Расчет разделительной цепи Разделительнаяцепь С8, R10 (рисунок 2.5) выполняет две функции:разделяет постоянные составляющие напряжений и уменьшает дрейф операционныхусилителей.
Постоянная времениразделительной цепи равна:
/>
и выбирается исходя изусловия минимального искажения выходного сигнала:
/>.
Величина сопротивлениярезистора R10 по условиям разряда конденсаторане должна быть меньше величины сопротивления резистора R8.
Принимаем: постояннуювремени разделительной цепи />, авеличину сопротивления резистора R10=R8=100(кОм). Тогда величина емкостиконденсатора С8 составит:
/>.
Выбираем конденсатор С8типа К73-5-1мкФ±10%.
Резисторы R10 типа МЛТ-1-100кОм±10%.
/>
/>
Рисунок 2.5 — Разделительная цепь2.7 Расчет схемы сравнения
В качестве схемы сравнения напряженияпитания Uп и напряжения регулирования Uр (оно женапряжение управления Uу) используем нелинейный режим работыоперационного усилителя. Передаточная характеристика операционного усилителясодержит участок положительного и отрицательного насыщения в зависимости отвеличин входных напряжений на входах: Uвх1, Uвх2.Поскольку коэффициент усиления КUоу очень велик, то напряжениепереключения (Uвх1 — Uвх2) весьма мало. Выходноенапряжение операционного усилителя при ½ Uвх1 — Uвх2 ½> Uпер зависит от того,какое из входных напряжений больше, т.е. операционный усилитель является схемойсравнения напряжений (рисунок 2.6).
Учитывая, что:
напряжение регулирования Up= UВХ1 = ± 3,3(В),
амплитуда треугольногонапряжения Uп = UВХ2 = ± 3,3(В),
максимальный ток нагрузкиIН=IБ1=0,0008(А),
минимальное выходноенапряжение Uн min = UБЭ1 = 3(В),
принимаем в качествесхемы сравнения операционный усилитель DA2 типа К153УД5 у которого:
Uвых.max=10(B), Iвых.мах=5(мА), Rвых.оу=150(Ом); Коу=125*10 3.
/>
/>
Рисунок 2.6 — Схемасравнения СИФУ
Определим напряжениепереключения операционного усилителя:
/>
Величина сопротивлениярезистора R* определяется из соотношений:
R*>Rвых.оу=150(Ом);
/>
Принимаем резистор R* типа МЛТ-0,125-2,4кОм±10%.
Величины сопротивленийрезисторов R11=R12 определим из следующих условий:
/>
/>
Принимаем резисторы R11, R12 типа МЛТ-0,5-2,7мОм±10%
Величину сопротивлениярезистора R13 (делителя напряжения) определим,если примем, что ток делителя напряжения Iд=(5…10)Iвх.оу.
/>
Исходя из этого,принимаем резистор R13 типа СП-0,15-2,4(мОм)±20%.
2.8 Расчет схемыподавления помех
В данной схеме(рисунок.2.7) резисторы R14,и R15 являются разрядными и в тоже времявыполняют роль делителя напряжения Еп. Обычно ток делителя принимаютв 10 раз меньше тока потребления, т.е. 10 Iд = Iпотр./>
/>
Рисунок 2.7– Схемаподавления помех
Ток потребления СИФУсоставит:
/>
Ток делителя черезрезисторы R14 и R15 составит:
/>
Величина резистора R14 определяется из условий:
/>
Принимаем резисторы R14 и R15 типа МЛТ-0,5-1600Ом±5%.
Ёмкость конденсатораопределим по следующей формуле:
/>
Тогда:
/>
Из справочника принимаемконденсаторы С9 и С10 типа К73-5-0,3мкФ±5% .
3. Расчёт источникапитания
3.1Выбор схемы и расчет основных параметров источникапитания
Для выбора схемыисточника питания рассчитаем суммарный ток нагрузки:
/>,
где /> — ток нагрузки,
/> — общий ток потребления СИФУ (в схемеих 12 штук, подключённых параллельно к стабилизатору).
Зная ток нагрузки /> и напряжение нагрузки /> примем в качестве схемыстабилизатора схему параметрического стабилизатора напряжения (рисунок 3.1) ./>
/>
Рисунок 3.1– Схема источника питания
Посправочнику по известному току нагрузки выбираем 2 стабилитрона Д815В соследующими параметрами:
/> />/>
Следуетотметить, что в схеме стабилитроны VD7 и VD8 ставятся последовательнодля обеспечении стабилизации нужного напряжения и в сумме дают необходимоенапряжение (одного не хватает).
Рассчитаемпараметрический стабилизатор исходя из следующего из условия: />.
Воспользуемсяследующей формулой:
/>
где /> — выходное напряжение,
/> — минимальный ток стабилитрона,
/> — максимальный ток стабилитрона,
/> — балансное сопротивление;
/> — сопротивление нагрузки;
/> — входное напряжение.
Определяем /> и /> из уравнений приведенныхвыше учитывая то, что напряжение сети может колебаться в пределах +0,05 U1…-0,15U1:
/>
Решивданную систему уравнений, получим:
/> />
Такимобразом, минимальное и максимальное напряжения принимают следующие значения:
/>
/>
Длявыбранных /> и /> определим минимальный имаксимальный токи стабилизации:
/> />
Определяеммощность рассеяния на резисторе RБ:
/>
По справочнику выбираем:
Резистор RБ типа ПЭВ-18-27Ом±10%.
конденсаторС11 типа К50-6-100 мкФ±5%.
конденсатор С12 типа К50-6-1000 мкФ±5%.
3.2 Расчёт однофазногомостового выпрямителя и трансформатора
Найдём величинувыпрямленного напряжения:
/>
Определим анодный ток/> на диодах:
/>
Определим максимальноеобратное напряжение на диодах:
/>
Необходимо учесть, что из-заиспользования фильтра максимальное обратное напряжение на диодах приметудвоенное значение:
/>
По справочнику выбираемдиоды VD11-VD14 типа КД226В с параметрами:
/> />
Определим основные параметрысилового трансформатора:
-напряжение на вторичнойобмотке:
/>
-ток на вторичной обмотке:
/>
-типовая мощностьтрансформатора:
/>
-коэффициент трансформациитрансформатора:
/>
-ток первичной обмоткитрансформатора:
/>
/>Выводы
Большим преимуществомдвенадцатипульсного выпрямителя является маленький коэффициент пульсации иполучение большой выходной мощности. Таким образом, применение такоговыпрямителя дает практически выпрямленный ток на выходе.
Подобные выпрямителиполучили широкое распространение в различных отраслях промышленности, например,в электролизных установках, на железнодорожном транспорте для питаниядвигателей постоянного тока, заряда аккумуляторных батарей, в сварочныхаппаратах и дуговых печах, электрофильтрах, источниках вторичногоэлектропитания радиоэлектронной аппаратуры и др.
Приложение АПоз. Наименование Количество Примечание Выпрямитель TV1 ТПП 1 VS1-VS12 Т242-80-8 12 C2 КСЛ-310пкФ±10% 12 R2 ПЭВ-100-620±10% 12 FU1-FU3 ПНБ-5-660/100 2 Блок С1 — СИФУ 12 VT1 КТ301Б 12 VT2 КТ611А 12 R0 МЛТ-1-11Ом±5% 12 R7 МЛТ-1-270Ом±5% 12 R8, R9 МЛТ-0,125-100кОм±10% 24 R10 МЛТ-1-100кОм±10% 12 R11, R12 МЛТ-0,5-2,7мОм±10% 24 R13 СП-0,15-2,4мОм±20% 12 VD1 КД202А 12 VD7, VD8 КС133А 24 C7 К73-5-0,1мкФ±5% 12 C8 К73-5-1мкФ±10% 12 C9, C10 К73-5-0,3мкФ±5% 24 Vш КД202А 12 DA1-DA2 К153УД5 24 Ul ТО125-12,5 12 TV2 ТПП 12
Поз. Наименование Количество Примечание Блок A1 — Блок питания СИФУ 1 C1 К5016-3000мкФ-25В±10% 3 C2 К5016-3000мкФ-25В±10% 3 R1 МЛТ-1-23±10% 3 R2 МЛТ-0,25-6кОм±10% 3 R3 МЛТ-1-1кОм±10% 3 R4 МЛТ-0,25-4кОм±10% 3 R5 МЛТ-0,25-1,5кОм±10% 3 R6 МЛТ-0,25-570±10% 3 R7 МЛТ-0,25-2кОм±10% 3 VT1 ГТ403А 3 VT2 П214 3 VT3 МП39 3 TV1 ТПП 3 VD5 Д811 3
/>Списоклитературы
1. Приборы и устройства промышленнойэлектроники / В.С. Руденко, В.И. Сенько, В.В. Трифонюк (Б-ка инженера). —К.: Техника, 1990. — 368 с.
2. Полупроводниковыеприемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Терещук Р.М.,Терещук К.М. — К.: Наукова думка, 1981. — 670 с.
3. Тиристоры: справочник / ГригорьевО.П., Замятин В.Я. — М.: Радио и связь, 1982. —272 с.
4. Транзисторы для аппаратуры широкогоприменения: справочник / Перельман В.П. — М.: Радио и связь, 1982 — 520 с.