Расчет элементов управляемого выпрямителя, системы импульсно-фазового управления на операционных усилителях

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство науки и образования Украины

Донбасская государственная машиностроительная академия

Кафедра автоматизации производственных процессов

Курсовая работа

по дисциплине: Электроника и микросхемотехника

Выполнил студентгруппы АПП 03−2 Скрипка А. Е.

Руководитель доцент Сус С. П.

г. Краматорск

2005

ДГМА

кафедра АПП

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Электроника и микросхемотехника»

студенту группы АПП03−2 Скрипке А.

Вариант №_______

Спроектировать двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Силовая схема выпрямителя:

— номер рисунка: 1.8. б

— напряжение питания: Uc=660В

— напряжение на нагрузке: Ucp=260В

— ток нагрузки: Icp=80А

— глубина регулирования: Д=25

— рекомендуемая схема СИФУ: рис. 1. 16

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОРАБОТКИ

а) расчет силовой части выпрямителя;

б) расчет СИФУ;

в) моделирование силовой части;

Задание выдано: 14 сентября 2005 г.

Срок выполнения: 28 ноября 2005 г.

Руководитель ____________ (Сус С.П.)

Задание принято к исполнению ____________ (Скрипка А.)

Реферат

Курсовая работа содержит 25 страниц, 13 иллюстраций, 1 приложение и 1 чертеж (принципиальная электрическая схема управляемого выпрямителя в сборе).

Объектом разработки является двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей.

Целью курсовой работы является расчет элементов управляемого выпрямителя, системы импульсно-фазового управления на операционных усилителях, источника питания СИФУ, а так же проектировка принципиальной электрической схемы управления реверсивного выпрямителя.

Проектирование управляемого выпрямителя предполагает проектировку сначала силовой части (вентильного выпрямителя), а затем системы управления выпрямителем (СИФУ и источника питания).

Т.к. в выпрямителе используется 12 тиристоров, то для управления каждым предназначается многоканальная система импульсно-фазового регулирования. Функциональные схемы СИФУ одинаковы, но отличаются фазами синхронизирующих напряжений (они сдвинуты на 120 градусов так же, как и в соответствующих анодных цепях тиристоров).

Источником питания каждой СИФУ является параметрический стабилизатор напряжения. Спроектированная принципиальная схема управления выпрямителем требует больших аппаратных затрат, однако проста в сборке, управлении и наладке, предполагает возможность модификации, а так же обладает высокой надёжностью в работе, может применяться в различных областях.

Ключевые слова:

схема, выпрямитель, диод, тиристор, оптопара, СИФУ, стабилизатор.

Содержание

  • 1. Расчет схемы управляемого выпрямителя
    • 1.1 Выбор схемы и расчет основных параметров выпрямителя
  • 1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме
    • 1.3 Выбор элементов управляемого выпрямителя
  • 1.4 Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителя
    • 1.5 Выбор защиты тиристоров от перегрузок по току и напряжению
  • 2. Проектирование СИФУ
    • 2.1 Расчет параметров пусковых импульсов
    • 2.2 Расчет цепи управления тиристорами
    • 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 основных параметров источника питания
    • 3.2 Расчет однофазного мостового выпрямителя и трансформатора
    • 4. Моделирование силовой части
  • Выводы
  • Приложение А
  • Список литературы
  • Введение
  • Цель данной курсовой работы -- спроектировать управляемый выпрямитель и систему импульсно-фазового управления для него.
  • Выпрямитель -- устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Он состоит из трансформатора, преобразующего напряжение питающей цепи в требуемое по величине; вентильного блока, преобразующего переменное напряжение в пульсирующее; сглаживающего фильтра, уменьшающего (сглаживающего) пульсации выпрямленного напряжения до требуемой для нормальной работы потребителя величины. В данной курсовой работе рассматривается трехфазный полностью управляемый выпрямитель, построенный на использовании управляемых вентилей (тиристоров), и представляющий собой параллельное соединение двух трехфазных выпрямителей. В таком выпрямителе используется трансформатор с тремя обмотками. Вторичных обмоток две: одна соединяется звездой, а вторая -- треугольником. Сглаживающие фильтры выполнены на основе дросселей.
  • Для управления тиристорами, использующимися в данном выпрямителе, используется система импульсно-фазового управления. Такой способ управления мощными тиристорами в настоящее время считается наиболее приемлемым. Суть способа состоит во включении запертых тиристоров почти положительными прямоугольными импульсами, подаваемыми на управляющий электрод тиристора сдвинутыми по фазе на угол б относительно момента естественного включения неуправляемых вентилей. Таким образом, основной задачей системы импульсно-фазового управления является преобразование входного регулирующего напряжения в соответствующий угол регулирования б (т.е. угол открытия тиристоров). Так как в данном выпрямителе используется 12 тиристоров, то для управления ими используется многоканальная система импульсно-фазового управления. При этом схемы всех каналов одинаковы и отличаются только фазами синхронизирующих напряжений, которые сдвинуты по фазе относительно друг друга, как и в соответствующих анодных цепях тиристоров. Каждое напряжение синхронизации синхронизирует начало рабочего интервала изменений угла б с точкой 0 естественного включения соответствующего тиристора.
  • Для питания схемы системы импульсно-фазового управления используется стабилизированный источник питания с CRC-фильтром.

1. Расчет схемы управляемого выпрямителя

1.1 Выбор схемы и расчет основных параметров выпрямителя

В соответствии с заданием принимаем схему двенадцатипульсного составного управляемого выпрямителя с параллельным включением вентилей.

Рис. 1.1 -- Двенадцатипульсный составной управляемый выпрямитель с параллельным включением вентилей

В начале расчет проводим в неуправляемом режиме, т. е. при. В связи с тем, что напряжение сети может колебаться в пределах, определим величины выпрямленных напряжений на нагрузке:

где выпрямленное напряжение на нагрузке при нормальном напряжении сети;

выпрямленное напряжение при повышенном напряжении сети.

Из прил.2 определяем:

--

максимальное обратное напряжение на тиристорах;

--

среднее значение тока тиристора.

Определяем активное сопротивление фазы трансформатора:

,

где

-- коэффициент, зависящий от схемы выпрямления

B -- магнитная индукция в магнитопроводе

S -- число стержней магнитопровода для трансформаторов

Определяем индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

где.

Определяем напряжение холостого хода с учетом сопротивления фазы трансформатора и падения напряжения на дросселе:

где -- число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за период сети.

-- падение напряжения на тиристорах;

-- падение напряжения на дросселях;

.

Напряжение на вторичных обмотках трансформатора

.

Действительный ток вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации для обмоток «треугольник-треугольник»

коэффициент трансформации для обмоток «треугольник-звезда» тогда действительный ток первичной обмотки трансформатора

Действительное значение тока тиристора

Типовая мощность трансформатора:

Определяем угол коммутации:

.

Определяем минимально допустимую индуктивность дросселя фильтра:

.

Внутреннее сопротивление выпрямителя:

.

КПД выпрямителя:

-- коэффициент полезного действия трансформатора;

-- потери мощности на выпрямительных диодах;

N -- число тиристоров в схеме.

1.2 Основные параметры выпрямителя в управляемом режиме

Определяем максимальный и минимальный углы регулирования:

Минимальное напряжение на нагрузке

В управляемом режиме работы выпрямителя находим:

Минимальный и максимальный углы проводимости тиристоров:

Ток в тиристоре

Максимальное обратное напряжение

1.3 Выбор элементов управляемого выпрямителя

Тиристоры выбираем по

: тиристор Т242−80−8 и типовой охладитель М-6А.

1.4 Расчет регулировочной характеристики управляемого выпрямителя

Общая расчетная формула для всего семейства нагрузочных характеристик:

Рис. 1.2 -- Регулировочная характеристика выпрямителя

1.5 Выбор защиты тиристоров от перегрузок по току и напряжению

Для защиты тиристоров от перегрузок используем быстродействующие плавкие предохранители. Достаточно поставить два предохранителя в первичной обмотке для обеспечения защиты.

Ток плавкой вставки:

Выбираем плавкую вставку ПНБ-5−380/100.

Для ослабления перенапряжений используем -цепочки, которые включаются параллельно тиристору. Такая цепочка совместно с индуктивностями цепи коммутации образует последовательный колебательный контур. Конденсатор ограничивает перенапряжения, а резистор -- ток разряда этого конденсатора при отпирании и предотвращает колебания в последовательном контуре. Параметры цепочек определим по следующим соотношениям:

Величина напряжения на конденсаторе ток разряда контура

Мощность рассеяния на резисторе

По справочнику выбираем конденсаторы C2 -- КСЛ-310 пФ, резисторы R2 -- ПЭВ-100−620±10%.

Рис. 1.3 -- Схема управляемого выпрямителя с защитой

2. Проектирование СИФУ

2.1 Расчет параметров пусковых импульсов

Определяем требуемую длительность импульса управления, исходя из знания угла коммутации, определенного при расчете силовых схем:

2.2 Расчет цепи управления тиристорами

Для тиристоров Т242−80−8 определяем токи и напряжения управления:

Цепи управления тиристорами питаются от импульсного усилителя через оптрон и ограничивающие сопротивление и шунтирующий диод:

Рис. 2.1 -- Цепь управления тиристором

По значению выбираем оптрон ТО125−12,5 с параметрами:

Определяем параметры элементов, входящих в цепь управления:

По току выбираем шунтирующий диод типа КД202А.

По значениям и выбираем резистор типа МЛТ-1−11Ом±5%.

Внутреннее сопротивление управляющего 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 питается двухполярным напряжением, то выходной каскад подключен на напряжение

.

Учитывая, что имеем:

.

По напряжению и току выбираем транзистор VT2 типа КТ611А с параметрами, ,, .

Рисунок 2.2 -- Выходной каскад СИФУ

Определяем величину ограничивающего сопротивления резистора R13:

где — падение напряжения на открытом транзисторе,

— падение напряжения на светодиоде оптотиристора.

Определяем мощность рассеивания на резисторе:

Принимаем резистор типа МЛТ-2−240Ом±10%.

Определим ток базы транзистора VT2:

Определяем ток коллектора транзистора VT1:

Вычисляем мощность рассеяния на транзисторе VT1:

.

По току , напряжению и мощности рассеивания выбираем транзистор VT1 типа КТ301Б с параметрами:

Определим минимальный ток базы транзистора VT1:

2.4 Расчет входного каскада СИФУ

Входной каскад СИФУ выполняет две функции: функцию синхронизации и функцию генератора прямоугольных импульсов. Функция синхронизации импульсов управления и анодного напряжения оптотиристора в управляемом выпрямителе осуществляется путём подключения входного трансформатора TV1 и силового трансформатора к одной и той же фазе напряжения сети. В исходной схеме прямоугольные двухполярные импульсы образуются на стабилитронах VD1, VD2 (рисунок 2. 3).

Рисунок 2.3 -- Схема образования прямоугольных двухполярных импульсов.

Для получения импульсов, близких к прямоугольным, на стабилитронах VD1 и VD2 должно выполняться условие:.

Принимаем:

Выбираем из справочника стабилитроны VD7, VD8 типа КС133А с

параметрами: ,

а также принимаем к установке трансформатор со следующими параметрами:

.

Определяем величину сопротивления ограничительного резистора R7:

Находим мощность рассеивания на резисторе R7:

Принимаем резистор R7 типа МЛТ-1−270Ом ±5%.

2.5 Расчет генератора треугольных импульсов

Генераторы треугольных импульсов (рисунок 2. 4) реализуются на базе генератора прямоугольных импульсов и интегратора. Параметры импульсов:

амплитуда:

частота:

Определим длительность входных импульсов:

.

Определим ток нагрузки входного каскада и входной ток интегратора из

того условия, что:

По справочнику выбираем операционный усилитель DA1 типа К153УД5 с параметрами:

При подаче на вход интегратора постоянного напряжения на его выходе получаем линейно изменяющееся напряжение:

где.

Принимаем: тогда:

.

Исходя из того, что значение очень мало, принимаем:

резисторы R8, R9 типа МЛТ-0,125−100кОм ±10%, конденсатор С7 типа К73−5-0,1мкФ ±5%. Величина выходного напряжения на выходе интегратора составит:

,

где- входное напряжение ограничителя.

Рисунок 2.4 — Генератор треугольных импульсов

2.6 Расчет разделительной цепи

Разделительная цепь С8, R10 (рисунок 2. 5) выполняет две функции: разделяет постоянные составляющие напряжений и уменьшает дрейф операционных усилителей.

Постоянная времени разделительной цепи равна:

и выбирается исходя из условия минимального искажения выходного сигнала:

.

Величина сопротивления резистора R10 по условиям разряда конденсатора не должна быть меньше величины сопротивления резистора R8.

Принимаем: постоянную времени разделительной цепи, а величину сопротивления резистора R10=R8=100(кОм). Тогда величина емкости конденсатора С8 составит:

.

Выбираем конденсатор С8 типа К73−5-1мкФ±10%.

Резисторы R10 типа МЛТ-1−100кОм±10%.

Рисунок 2.5 — Разделительная цепь

2.7 Расчет схемы сравнения

В качестве схемы сравнения напряжения питания Uп и напряжения регулирования Uр (оно же напряжение управления Uу) используем нелинейный режим работы операционного усилителя. Передаточная характеристика операционного усилителя содержит участок положительного и отрицательного насыщения в зависимости от величин входных напряжений на входах: Uвх1, Uвх2. Поскольку коэффициент усиления КUоу очень велик, то напряжение переключения (Uвх1 — Uвх2) весьма мало. Выходное напряжение операционного усилителя при Uвх1 — Uвх2 > Uпер зависит от того, какое из входных напряжений больше, т. е. операционный усилитель является схемой сравнения напряжений (рисунок 2. 6).

Учитывая, что:

напряжение регулирования Up = UВХ1 = ± 3,3(В),

амплитуда треугольного напряжения Uп = UВХ2 = ± 3,3(В),

максимальный ток нагрузки IН=IБ1=0,0008(А),

минимальное выходное напряжение Uн min = UБЭ1 = 3(В),

принимаем в качестве схемы 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 -- Схема сравнения СИФУ

Определим напряжение переключения операционного усилителя:

Величина сопротивления резистора R* определяется из соотношений:

R*> Rвых. оу=150(Ом);

Принимаем резистор R* типа МЛТ-0,125−2,4кОм±10%.

Величины сопротивлений резисторов R11=R12 определим из следующих условий:

Принимаем резисторы R11, R12 типа МЛТ-0,5−2,7мОм±10%

Величину сопротивления резистора 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 схемы подавления помех

В данной схеме (рисунок.2. 7) резисторы R14, и R15 являются разрядными и в тоже время выполняют роль делителя напряжения Еп. Обычно ток делителя принимают в 10 раз меньше тока потребления, т. е. 10 Iд = Iпотр.

Рисунок 2. 7- Схема подавления помех

Ток потребления СИФУ составит:

Ток делителя через резисторы R14 и R15 составит:

Величина резистора R14 определяется из условий:

Принимаем резисторы R14 и R15 типа МЛТ-0,5−1600Ом±5%.

Ёмкость конденсатора определим по следующей формуле:

Тогда:

Из справочника принимаем конденсаторы С9 и С10 типа К73−5-0,3мкФ±5%.

3. Расчёт источника питания

3. 1 Выбор схемы и расчет основных параметров источника питания

Для выбора схемы источника питания рассчитаем суммарный ток нагрузки:

,

где — ток нагрузки,

— общий ток потребления СИФУ (в схеме их 12 штук, подключённых параллельно к стабилизатору).

Зная ток нагрузки и напряжение нагрузки примем в качестве схемы стабилизатора схему параметрического стабилизатора напряжения (рисунок 3. 1).

Рисунок 3.1 — Схема источника питания

По справочнику по известному току нагрузки выбираем 2 стабилитрона Д815 В со следующими параметрами:

Следует отметить, что в схеме стабилитроны VD7 и VD8 ставятся последовательно для обеспечении стабилизации нужного напряжения и в сумме дают необходимое напряжение (одного не хватает).

Рассчитаем параметрический стабилизатор исходя из следующего из условия:.

Воспользуемся следующей формулой:

где — выходное напряжение,

— минимальный ток стабилитрона,

— максимальный ток стабилитрона,

— балансное сопротивление;

— сопротивление нагрузки;

— входное напряжение.

Определяем и из уравнений приведенных выше учитывая то, что напряжение сети может колебаться в пределах +0,05 U1… -0,15 U1:

Решив данную систему уравнений, получим:

Таким образом, минимальное и максимальное напряжения принимают следующие значения:

Для выбранных и определим минимальный и максимальный токи стабилизации:

Определяем мощность рассеяния на резисторе RБ:

По справочнику выбираем:

Резистор RБ типа ПЭВ-18−27Ом±10%.

конденсатор С11 типа К50−6-100?мкФ±5%.

конденсатор С12 типа К50−6-1000?мкФ±5%.

3.2 Расчёт однофазного мостового выпрямителя и трансформатора

Найдём величину выпрямленного напряжения:

Определим анодный ток на диодах:

Определим максимальное обратное напряжение на диодах:

Необходимо учесть, что из-за использования фильтра максимальное обратное напряжение на диодах примет удвоенное значение:

По справочнику выбираем диоды VD11-VD14 типа КД226 В с параметрами:

Определим основные параметры силового трансформатора:

-напряжение на вторичной обмотке:

-ток на вторичной обмотке:

-типовая мощность трансформатора:

-коэффициент трансформации трансформатора:

-ток первичной обмотки трансформатора:

Выводы

Большим преимуществом двенадцатипульсного выпрямителя является маленький коэффициент пульсации и получение большой выходной мощности. Таким образом, применение такого выпрямителя дает практически выпрямленный ток на выходе.

Подобные выпрямители получили широкое распространение в различных отраслях промышленности, например, в электролизных установках, на железнодорожном транспорте для питания двигателей постоянного тока, заряда аккумуляторных батарей, в сварочных аппаратах и дуговых печах, электрофильтрах, источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры и др.

Приложение А

Поз.

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

КД202А

12

DA1-DA2

К153УД5

24

Ul

ТО125−12,5

12

TV2

ТПП

12

Блок БП -- Блок питания СИФУ

1

C11

К50−6-100мкФ±5%

1

C12

К50−6-1000мкФ±5%

1

ПЭВ-18−27Ом±10%

1

VD11-VD14

КД226В

4

TV3

ТПП

1

VD9,VD10

Д815В

2

Список литературы

Приборы и устройства промышленной электроники / В. С. Руденко, В. И. Сенько, В. В. Трифонюк (Б-ка инженера). -- К. :Техника, 1990. -- 368 с.

Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Терещук Р. М., Терещук К. М. -- К. :Наукова думка, 1981. -- 670 с.

Тиристоры: справочник / Григорьев О. П., Замятин В. Я. -- М. :Радио и связь, 1982. --272 с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения: справочник / Перельман В. П. -- М. :Радио и связь, 1982 -- 520 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой