Черевко А.И. Проектирование полупроводниковых преобразователей. Учебное пособие - файл n1.doc

приобрести
Черевко А.И. Проектирование полупроводниковых преобразователей. Учебное пособие
скачать (3045.2 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc39815kb.22.03.2008 10:10скачать

n1.doc

  1   2   3   4
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Филиал «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный морской технический

университет» в г. Северодвинске


А.С. Исхаков М.М. Музыка

А.И. Черевко

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Учебное пособие


Северодвинск

2007
УДК 621.314.2
Исхаков А.С., Музыка М.М., Черевко А.И. Проектирование полупроводниковых преобразователей. Учебное пособие. – Северодвинск: Севмашвтуз, 2007. – 69 с.


Ответственный редактор к.т.н., доцент, и.о. зав. кафедрой

«Электроэнергетика и электротехника» М.Л. Ивлев
Рецензенты: к.т.н., профессор, зав. кафедрой

«Автоматика и управление в технических системах» А.Н. Манойленко;

главный инженер ОАО «СПО «АРКТИКА» П.И. Потего.


Учебное пособие соответствует дисциплине «Полупроводниковые преобразователи» специальности 180201.65 (140400) «Системы электроэнергетики и автоматизации судов» по государственному образовательному стандарту 2000 г., по направлению 180000 «Морская техника», высшего профессионального образования и предназначено для подготовки бакалавров и инженеров, а также для студентов 3-го курса специальности «Системы электроэнергетики и автоматики судов» очной, очно-заочной и заочной формы обучения.

Учебное пособие содержит сведения о силовой и информационной частях полупроводниковых преобразователей, о последовательности проектирования силовой части преобразователей, выборе согласующего трансформатора, выходного фильтра и элементов защиты. В пособии приведена методика расчета силовых вентилей по току и напряжению, а также сведения о принципах управления полупроводниковыми преобразователями и даны рекомендации по выбору способа управления преобразователями. Особо следует отметить наличие примера по оформлению курсового проекта

Печатается по решению редакционно-издательского совета Севмашвтуза.


ISBN 5-7723-0727-4 © Севмашвтуз, 2007 г.



ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.




Введение

4



Состав управляемого выпрямителя

5



Структура и содержание технического задания

6



Последовательность проектирования

9



Разработка принципиальной схемы силовой части

10



Схема вентильного блока

10



Схема трансформатора

11



Схема выходного фильтра

12



Элементы защиты

12



Расчет параметров и выбор оборудования

13



Выбор вентилей

13



Расчет вентилей по току

13



Расчет вентилей по напряжению

15



Система охлаждения вентилей

17



Расчет параметров выходного фильтра

18



Разработка принципиальной схемы системы управления

18



Выбор способа преобразования сигналов управления в угол отпирания

18



Управление напряжением тиристорного преобразователя

23



Диапазон управления

25



Структура системы управления

25



Принципиальная схема системы управления

28



Требования к блоку питания

28



Требования к оформлению курсового проекта

28




Заключение

29




Приложение 1. Бланк задания

30




Приложение 2. Рекомендуемые значения коэффициентов нагрузки диодов и тиристоров по главным параметрам СПП

32




Приложение 3. Таблица вариантов заданий на проектирование по курсу

«Судовые энергетические полупроводниковые преобразователи».

36




Приложение 4. Пример выполнения Курсового Проекта.

37




Список использованной литературы по курсовой работе

73


ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия ХХ века характеризовались широким внедрением на судах и плавсооружениях отечественного флота мощных полупроводниковых преобразователей электрической энергии, причем на некоторых судах и плавучих сооружениях они стали основными элементами судовой электроэнергетической системы (например, атомоходы “Арктика” и ”Сибирь”, плавучие буровые установки ”Бакы”, ”Каспий” и др.).

В конце первого десятилетия XXI века, после длительного периода застоя, появились программы возрождения Российского флота, что требует развития судовой преобразовательной техники, причем на новой элементной базе.

Судовые полупроводниковые преобразователи (СПП) позволяют существенно улучшить энергетические характеристики соответствующих устройств и систем, однако для успешного их обслуживания, эксплуатации и ремонта необходимо знать режимы их работы, процессы, происходящие в схемах преобразователей, и их характеристики.

В общем случае СПП представляют собой установки, имеющие информационную часть, или систему управления и защиты и энергетическую, или силовую часть, которая включает в себя согласующий трансформатор, блок силовых вентилей, входной и выходной фильтры. В зависимости от потребности нагрузки структуры СПП могут кардинально отличаться друг от друга. Обычно СПП подразделяются по мощности, напряжению, числу преобразуемых фаз, способу коммутации вентилей и т.п. Именно вопросам проектирования силовой и информационной частей СПП в зависимости от мощности и характера нагрузки уделяется здесь основное внимание.

В учебном пособии излагаются вопросы проектирования ведомых сетью полупроводниковых преобразователей переменного напряжения в постоянное.

Учебное пособие соответствует дисциплине «Полупроводниковые преобразователи» специальности 180201.65 (140400) «Системы электроэнергетики и автоматизации судов» по направлению 180000, Морская техника.

Пособие предназначено для использования при курсовом проектировании по дисциплине «Полупроводниковые преобразователи», а также может использоваться при дипломном проектировании.
1. СОСТАВ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Функциональная схема управляемого выпрямителя, показанная на рис.1, состоит из двух частей - силовой и информационной. Силовая часть осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное и содержит коммутационные аппараты для подключения к сети переменного тока (1) и к нагрузке (6), согласующий трансформатор (2), входной (3) и выходной фильтр (5), блок силовых вентилей (4) и нагрузку (7).



Рисунок 1 - Функциональная схема выпрямителя

К информационной части обычно относят систему управления (СУ). В состав выпрямителя входят также (Рисунок 2) блоки питания (БП), защиты (ЭЗ), сигнализации (БС) и диагностики (БД). Кроме перечисленных устройств в состав выпрямительного агрегата входит система охлаждения, предназначенная для обеспечения требуемого теплового режима полупроводниковых вентилей, играющая важную роль для мощных выпрямителей, а также некоторые другие элементы функционального назначения, связанные с конкретными условиями работы выпрямителя.

В ряде случаев некоторые из перечисленных устройств могут отсутствовать, например, трансформатор, выходной фильтр, БД и другие, но блок вентилей с системой управления присутствует в любой схеме, так как именно эти устройства определяют функциональное назначение управляемого выпрямителя. Наличие тех или иных устройств зависит от технических требований и решений, принимаемых разработчиком при проектировании.

Указанные требования излагаются в техническом задании (ТЗ) на разработку устройств с конкретными техническими характеристиками. Техническое задание является основным документом, на базе которого осуществляется проектирование, вообще говоря, любых устройств. Учитывая эту роль ТЗ, остановимся вкратце на его содержании применительно к устройствам рассматриваемого типа.

2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Составление ТЗ является ответственным этапом при разработке любых изделий и от уровня проработанности его деталей зависят в конечном итоге качественные и количественные характеристики готовой продукции. Поэтому в составлении ТЗ обычно принимают участие представители как заказчика, так и разработчика. Этот этап именуется














Рис. 2 Структурная схема управляемого выпрямителя






Рис. 3 Вольтамперная характеристика силового вентиля




Рис. 4 Вольтамперная характеристика тиристора. Сплошной линией обозначена ВАХ при
? = 0o, а штриховой линией – при ? > 0o.

Технический раздел, именуемый техническими требованиями, содержит информацию относительно количественных характеристик, как правило, к ним относятся входные и выходные данные проектируемого полупроводникового преобразователя. Применительно к управляемому выпрямителю ко входным данным относятся основные параметры электроэнергии питающей сети переменного тока:

Этими данными обычно ограничиваются в том случае, если питание выпрямителя предполагается производить от стандартной электроэнергосистемы, напряжение которой имеет синусоидальную форму. Если питающее напряжение несимметрично и отличается от синусоидального, то форма напряжения и его параметры специально оговариваются.

В России используется напряжение частотой 50 Гц, при этом для питания маломощных потребителей, применяется однофазное напряжение величиной 220 В. Напряжение питания в автономных электротехнических комплексах и системах, а также питание промышленных потребителей в основном производится трехфазным напряжением 380 В с частотой 50 Гц. В других странах уровень напряжения и частота могут быть иными, например, в США и Японии частота питающего напряжения равна 60 Гц.

Относительно выходных данных выпрямителей задаются следующие требования:

Вместо данных о токе нагрузки может быть указана мощность на выходе.

Кроме перечисленных могут быть сформированы требования к другим параметрам выпрямителя - динамическим показателям системы регулирования, надежности и так далее, а также специальные требования, учитывающие конкретные условия работы оборудования, например климатические условия. Могут быть ограничены все или отдельные габаритные размеры выпрямителя и (или) его вес, а также установлены ограничения на вибрационные характеристики выпрямительных агрегатов.

При выполнении курсовых и дипломных проектов в стенах учебных заведении в качестве заказчика выступает кафедра в лице руководителя проекта, а исполнителем является студент. В задании на проектирование в этих случаях указываются технические данные выпрямителя, содержание и объем проекта, сроки выполнения отдельных этапов и дата представления готового проекта на кафедру для проверки, утверждения и назначения срока зашиты. Типовая форма бланка для курсового проектирования приведена в Приложении 2.

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Проектирование полупроводникового преобразователя начинается с анализа требований технического задания с целью разработки принципиальной схемы силовой части выпрямителя. Так как эта часть содержит трансформатор, вентильный блок и выходной фильтр, то на данном этапе основными вопросами являются:

При решении этих вопросов, определяется принципиальная схема силовой части и осуществляется расчет и выбор элементов этих устройств. Для этого определяются значения основных параметров, по которым выбираются максимальные напряжения на закрытых вентилях и токов через открытые вентили. Эти данные используются для выбора вентилей по каталогам, а также для расчета параметров защитных RC-цепей.

В процессе работы вентили нагреваются и для отвода тепла от них используются различные виды охлаждения, поэтому при выборе вентилей одновременно определяется и тип системы охлаждения. Далее, если обоснована необходимость, производится выбор силового трансформатора и рассчитываются параметры выходного фильтра. После этого осуществляется выбор коммутационных аппаратов (автоматических выключателей) для подключения выпрямителя к питающей сети и нагрузке. Кроме перечисленных вопросов при разработке принципиальной схемы силовой части учитываются и другие, не упомянутые здесь, требования технического задания.

Параллельно с разработкой силовой части осуществляется разработка структурной и принципиальной схемы системы управления (СУ). СУ строится в соответствие с набором требований, которые зависят: от типа вентилей используемых в преобразователе, режима работы преобразователя (выпрямительного, инверторного, реверсивного, нереверсивного), характера нагрузки и глубины регулирования выходного напряжения. При этом СУ должна обеспечивать высокую надёжность и быстродействие, иметь малые габариты и массу, а также малую потребляемую мощность. В последние годы, в связи с применением в СУ цифровых интегральных микросхем и микропроцессоров, на СУ возлагаются задачи защиты, сигнализации и контроля работоспособности (диагностики) вентилей, элементов самой СУ и всего преобразователя в целом.

После разработки принципиальных схем осуществляется проработка конструкции выпрямительного агрегата, разрабатывается технология его изготовления и определяются его технико-экономические показатели. Они сравниваются с теми показателями, которые должны быть определены на начальной стадии проектирования, именуемой технико - экономическим обоснованием (ТЭО) проекта. Такова практика проектирования реальных устройств. Проектирование, выполняемое в учебных целях, как правило, не содержит этап ТЭО, поэтому оно завершается расчетом себестоимости изделия, если иное содержание экономической части не оговорено в задании.

Разработка принципиальной схемы с выполнением расчетов составляет основной объем работы при проектировании, поэтому ее основные пункты разъясняются более детально.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИЛОВОЙ ЧАСТИ

4.1. Схема вентильного блока

Вентильный блок представляет собой схему соединения силовых полупроводниковых вентилей. В качестве вентилей могут быть использованы различные типы приборов - диоды, тиристоры, симисторы, транзисторы, но обычно для построения судовых преобразователей переменного напряжения промышленной частоты в постоянное применяются диоды и тиристоры.

Такие преобразователи различаются числом фаз и конфигурацией схемы соединения вентилей. Работа полупроводниковых выпрямителей подробно изложена в учебной и научно-технической литературе [1-3] и здесь не рассматривается.

Если в задании на проектирование схема преобразователя не задана, то она выбирается исходя из таких требований, как диапазон регулирования выходного напряжения, мощность, коэффициент пульсации по току и/или напряжению и т.п.

После выбора схемы преобразователя, или если ее конфигурация оговорена в задании, производится выбор силового трансформатора.

4.2. Схема трансформатора

Трансформаторы в составе судовых полупроводниковых выпрямителей выполняют две основные функции – осуществляют гальваническую развязку силовой схемы выпрямителя и питающей сети и согласовывают высокое напряжение питающей сети с низким напряжением потребителя, подключаемого на выходе выпрямителя.

Если в соответствии с заданием требуется получить напряжение на нагрузке выше того значения, которое может обеспечить выпрямитель с нулевым углом отпирания при бестрансформаторном питании от сети, а также, если применение трансформатора обусловлено заданием, необходимо либо рассчитать его, либо произвести его выбор. Выбор трансформатора осуществляется с помощью справочников по трансформаторам на основании принципиальной схемы вентильного комплекта и данных о требуемой мощности и напряжения на входе выпрямителя, обеспечивающего максимально выпрямленное напряжение при минимальном угле отпирания.

В том случае, если подходящий трансформатор отсутствует в справочных данных, что означает невозможность использования готового оборудования, осуществляется расчет его параметров с применением учебного пособия по проектированию судовых трансформаторов, с целью разработки на трансформатор документации для его последующего изготовления. Такое оборудование относится к нестандартным, стоимость создания его, обычно, намного превышает цену сопоставимого готового трансформатора и тем самым существенно увеличивает стоимость преобразователя в целом. По этой причине после расчета трансформатора целесообразно по каталогу подобрать трансформатор ближайший по своим параметрам. Использовать нестандартные изделия в комплектации преобразователя не рекомендуется, но если, по мнению разработчика, без него обойтись нельзя, решение о разработке трансформатора необходимо согласовать с заказчиком (преподавателем).

4.3. Схема выходного фильтра

Выходной фильтр предусматривается в том случае, если в техническом задании ограничивается максимальная величина пульсаций выпрямленного напряжения и /или тока. Число различных видов сглаживающих фильтров сравнительно не велико и в зависимости от типов применяемых элементов сглаживающие фильтры разделяют на пассивные и активные. Пассивные выполняют на L, C - элементах, а к активным относятся транзисторные фильтры. Транзисторные фильтры применяют в стабилизаторах напряжения небольшой мощности, когда предъявляются высокие требования к качеству выпрямляемого напряжения [4]. В других случаях используются более простые однозвенные и многозвенные пассивные фильтры [1,2].

Простой однозвенный емкостной фильтр используется в неуправляемых выпрямителях небольшой мощности. На выходе управляемых выпрямителей средней и большой мощности чаще всего применяются однозвенные индуктивные фильтры, а также Г или Т-образные L, C фильтры, как наиболее простые в наладке и надежные в эксплуатации.

4.4. Элементы защиты

Основным устройством преобразователя является вентильный блок, обычно выполняемый на полупроводниковых приборах. Эти элементы весьма чувствительны к перегрузкам, как по току, так и по напряжению, из-за чего они зачастую выходят из строя. Поэтому, при проектировании реальных преобразователей необходимо предусматривать применение устройств, защищающих силовые вентили от перегрузок по току и по напряжению.

Следует отметить, что в преобразователе выделить отдельно блок, выполняющий функции защиты (рисунок 2), можно весьма условно. Эту роль, как правило, возлагают на систему управления выпрямителя, коммутационные аппараты, токоограничивающие дроссели и др. элементы. Так, установленные параллельно тиристорам R-C-цепи осуществляют защиту вентилей от перенапряжений, а коммутационные аппараты - защиту от токов короткого замыкания и перегрузки. Расчет элементов защиты можно выполнить в соответствии с [8].

5. РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

5.1. Выбор вентилей

После разработки принципиальной схемы вентильного блока производится выбор вентилей по справочным материалам и каталогам [5, 6]. Эта процедура представляет ответственный этап и в реальном проектировании является достаточно трудоемкой задачей [5]. Для курсового и дипломного проектирования может быть использована более простая процедура, основанная на расчете двух основных параметров вентилей - максимальной величины среднего значения выпрямленного тока в открытом состоянии вентиля и максимальной величины обратного напряжения приложенного к вентилю в закрытом состоянии. Приводимые в информационных материалах параметры и характеристики вентилей указаны для стандартных условий и режимов работы. В реальных электроустановках условиях воздействия на полупроводниковые приборы отличаются от стандартных, поэтому при проектировании преобразователей для работы в таких условиях предусматривается уменьшение на них нагрузок путем использования в расчетах специальных коэффициентов.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) диода и тиристора приведены на рис. 3 и 4 [5]. Обратная ВАХ диода и тиристора совпадают, а прямые ветви диода и тиристора отличаются, что связано с процессами управления.

5.1.1. Расчет вентилей по току

Классификационным параметром вентилей для выбора по току является допустимое средний среднее значение выпрямленного тока в открытом состоянии, для диода - IF(AV), для тиристора - IТ(AV), который определяется при следующих условиях - форма тока - однопериодная синусоидальная, угол проводимости ?=180 эл. град, частота f=50 Гц, режим длительный, температура корпуса, например, равна 85°С. При отличии условий эксплуатации, которые могут быть указаны в техническом задании, от классификационных, допустимый ток должен быть уменьшен.

Для выбора диодов и транзисторов по току определяется расчетный (приведенный) ток IAV по формулам [5]:









где IEM1 - максимальный выпрямленный ток; m - число параллельных приборов в эквивалентном вентиле; КДТ - коэффициент равномерности деления тока по параллельным вентилям; К? - коэффициент, зависящий от угла проводимости и формы импульсов тока; Кf - коэффициент, зависящий от частоты; КA - коэффициент амплитуды; ?1AV - коэффициент, зависящий от преимущественного технико - экономического показателя; КН1 - коэффициент нагрузки вентиля током, зависящий от частоты f, длительности импульсов t1 на интервале ?1 и условий охлаждения; КН2 - коэффициент нагрузки вентиля током, зависящий от di/dt, частоты f импульсов тока на интервале ?1 и условий охлаждения.

Формула (1) используется при f=500 Гц и при синусоидальной или трапециидальной форме тока, (2) - при f=500 Гц и синусоидальном токе, (3) - при f>500 Гц и трапециидальном токе. Число m выбирают минимально возможным. При m=1 коэффициент КДТ=1, при m>1 величина КДТ = 0.7-0.8. Такая равномерность деления тока должна обеспечиваться специальными мерами.

Остальные коэффициенты в формулах (1) - (3) определяются из таблицы и графиков, приведенных в Приложении 1.

После вычисления IAV по справочнику [6] или другим информационным материалам производят выбор вентилей так, чтобы прямой ток выбранных диодов IF(AV) или тиристоров IТ(АV) совпадал с IAV, либо имел значение равное или большее расчетного.

Возможность использования вентилей с током, равным расчетному, объясняется тем, что в формулах (1) - (3) используются усредненные коэффициенты, поэтому фактические значения тока могут отличаться от усредненных как в большую, так и в меньшую сторону.

5.1.2. Расчет вентилей по напряжению

Уровни напряжений, прикладываемых в схеме к вентилям и показанные на рис. 5, обычно разделяют на следующие [5]:



а)



б)

Рисунок 5 Уровни напряжений, прикладываемых в схеме СПП к вентилям

а) импульсное рабочее напряжение UWM пли рабочее постоянное напряжение UWC,

б) повторяющиеся переходные напряжения U(RM), определяемые работой схемы, например, коммутацией вентилей,

в) неповторяющиеся переходные напряжения U(SM), возникающие из-за внешних причин, например, при срабатывании защиты, грозовых разрядах, и т.д., при этом предполагается, что результат его действия полностью исчезает до появления следующего импульса неповторяющегося напряжения.

В справочных данных для диодов и транзисторов приводятся максимальные значения допустимых напряжений, соответствующие указанным величинам (рис.5):

URWM - импульсное рабочее обратное напряжение, исключая повторяющиеся и неповторяющиеся переходные напряжения,

UR - постоянное обратное напряжение,

URRM - повторяющееся импульсное обратное напряжение, исключая неповторяющиеся переходные напряжения,

URSM - неповторяющееся импульсное обратное напряжение.

Кроме того, для тиристоров приводятся соответствующие значения напряжений для закрытого состояния в прямом направлении UDWM, UD, UDRM, UDSM (принято считать, что UDWM=URWM, UD=UR, UDRM=URRM, UDSM=URSM).

Класс тиристора и диода равен значению URRM (UDRM), деленному на 100.

Параметры URWM (UDWM), UR (UD), URSM (UDSM) установлены изготовителем приборов по отношению к значению URRM (UDRM) для конкретных типов вентилей. Например, для диодов Д161-320 URWM/URRM=0.8, UR/URRM=0.75, URSM/URRM=1.16 [5].

В свою очередь отношение URSM/UBR = 0.7 - 0.8 представляет собой запас, который закладывает в приборы изготовитель, но конкретная величина этого запаса ни в каких информационных материалах не приводится и проектант не в праве закладывать его в расчеты.

Допустимое напряжение вентиля определяют по формуле [5]:

,



где UEM - наибольшая амплитуда рабочего напряжения, прикладываемого к эквивалентному вентилю: n - число последовательно соединенных вентилей, KДН - коэффициент равномерности деления напряжения по последовательно соединенным вентилям (при n=1 KДН=1, при n>2 KДН=0.8), ?UW - коэффициент нагрузки, определяемый по таблице приведенной в Приложении 2. Если специально число n не оговаривается, то для эквивалентного вентиля выбирают минимальное значение n, обычно равным единице.

После расчета значения URRM по формуле (4) в справочных материалах выбирают вентиль с наиболее близким классом по напряжению. Далее по значению URRM определяют URSM(UDSM).

Устройства ограничения напряжений, устанавливаемые в вентильном блоке должны ограничивать переходные повторяющиеся и неповторяющиеся напряжения до значений:



U(RM ) ? ?UR URRM,

U(SM) ? ?USU URRM,

U(SM )? ?US URSM,







где ?UR, ?USU, ?US - коэффициенты нагрузки выбираются из таблицы Приложения 1 [5]. Выбрав конкретный тип вентиля по току и напряжению, записывают условное обозначение и указывают его особенности и основные параметры.

5.2. Система охлаждения вентилей

Способ и параметры системы охлаждения силовых вентилей выбирают в соответствии с требованиями ТЗ. Если в ТЗ отсутствуют эти требования, то целесообразно выбирать наиболее простое естественное воздушное охлаждение, причем здесь следует использовать для данного типа вентиля охладитель рекомендованный в справочной литературе, например, силуминовые радиаторы. При принудительном воздушном охлаждении в выпрямительном агрегате устанавливают вентилятор, который должен обеспечить скорость охлаждающего воздуха не менее 6 м/сек, а в случае принудительного водяного охлаждения в выпрямительном агрегате устанавливают насос, который должен обеспечить скорость охлаждающего «агента» не менее 3 л/с [5].

5.4. Расчет параметров выходного фильтра

Выходной фильтр используется для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для сглаживания его пульсаций. Эффективность фильтра обычно оценивается коэффициентом сглаживания основной гармоники, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе:





По заданной величине коэффициента сглаживания КСГ, определяются параметры выходного фильтра. Так, например, индуктивность однозвенного сглаживающего фильтра вычисляется по формуле

,



Расчет параметров более сложных фильтров, имеющих два и более элементов в общем случае является сложной задачей. На этапе проектирования можно воспользоваться упрощенными соотношениями. Так, параметры для Г- образного LC- фильтра могут быть рассчитаны по выражениям [2]:





6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

6.1. Выбор способов преобразования сигналов управления в угол отпирания

Разработка управляющей части преобразовательной установки представляет ответственный этап проектирования, так как именно система управления и регулирования (СУР) влияет на основные показатели источников электроэнергии.

Разработка принципиальной схемы начинается с выбора способа преобразования управляющих сигналов в угол отпирания. Управляющие сигналы могут быть представлены в аналоговом или цифровом виде. Исторически первыми появились аналоговые системы, они являются более простыми, чем цифровые.

Аналоговые системы целесообразно применять в тех случаях, когда не предъявляется особых требовании к точности регулирования. Если же преобразователь предназначен для работы в прецизионных системах регулирования, характеризуемой точностью выше 1%, то следует выбрать цифровой способ преобразования. Этот способ также выбирается для преобразователей, управляемых вычислительными устройствами, что может быть указано в техническом задании.

Для надежного отпирания силового управляемого вентиля система управления должна обеспечивать сигнал, характеризуемый значениями тока и напряжения, лежащими в области гарантированного управления «В», которая ограничена областью «А» (возможного управления), предельными вольт – амперными характеристиками С и D, а также линиями максимального допустимого напряжения Е, линией допустимой пиковой мощ­ности Рд, выделяемой в управляющем переходе и линией максимально допустимого тока F (Рисунок 6). Линии I и II на рисунке 6,б показывают, как изменяются необходимые для отпирания вентилей значения напряжения и тока управления в зависимости от температуры p-n-p-n-структуры. Как видно из рисунка, с понижением температуры обе эти величины возрастают. Необходимо отметить, что отпирающие величины тока и напряжения управления зависят также от величины анодного напряжения вентилей и от длительности импульса управления. Эти величины указываются в справочных данных. Изображенные на рисунке 6.б характеристики справедливы при Ua = 12, В и длительность импульса управления tу > 50 мкс.





Рисунок 6. Диаграмма управления тиристорами типа ТТ (ТТ-160, ТТ-200, ТТ250, ТТ320),

I – отпирающее напряжение управления, II – отпирающий ток управления, III - неотпирающее напряжение управления; а) область возможного управления, б) область гарантированного управления

Допустимая пиковая мощность импульса управления Рд для тиристоров зависит от длительности импульса tv и скважности. Нанесенные на рисунке 6,а линии Рд соответствуют частоте 50 Гц и длительностям импульса 104; 0,5·104; 100; 5 и 2 мкс (снизу вверх).

Если управление тиристорами ведется импульсами длительностью менее 50 мкс, то амплитуда отпирающего тока должна быть увеличена. Минимальная длительность отпирающих импульсов должна быть такой, чтобы за время существования импульса ток в анодной цепи тиристора мог нарасти до тока включения Iвкл. Должно быть учтено время включения тиристора. Это время, составляющее для разных тиристоров от 5 до 20 мксек, должно быть прибавлено к длительности импульса, определяемой ниже.

При непрерывном токе выражение для анодного тока вентиля на интервале нарастания имеет вид [2]:

,



где —амплитуда фазного напряжения; m—число фаз преобразователя.

Отсчет углов производится от точки естественной коммутации вентилей.

Полагая в формуле (1.1) t =, поставим условие, чтобы анодный ток был больше, чем ток включения тиристора ():

.



Из выражения (12) можно найти минимально необходимую длительность импульса управления tу для конкретной схемы и конкретного типа тиристоров.

Для режима прерывистого тока будет справедливо уравнение:

.



Решение этого уравнения можно найти графически. Можно предложить приближенную формулу для нахождения I, при прерывистом токе, полагая , получим:

.



Из формулы (14) можно установить, что требуемая ширина управляющего импульса максимальна при ? = 0 и минимальна при ? = 90. Объясняется это разной величиной приложенного анодного напряжения в момент начала про­текания тока в тиристоре: при ? = 0 оно равно 0, при ? = 90° оно равно .

Сравнив формулы (12) и (14), можно сделать вывод, что требуемая ширина импульсов управления для случая прерывистого тока значительно превосходит таковую для непрерывного тока, так как обычно Хн >>Хф.

При шунтировании тиристоров преобразователя защитными цепями (RC -цепями, активными делителями напряжения) приведенные выше формулы, связывающие угол управления, анодный ток и длительность управляющего импульса, теряют свою силу. В [3] показано, что в трехфазной мостовой схеме при наличии защитных RC - цепей помимо индуктивного тока нагрузки, рассмотренного выше, в тиристорах протекают: переходная составляющая емкостного тока, вызванная разрядом шунтирующей емкости при включении тиристора, и установившаяся составляющая емкостного тока, вызванная за­мыканием цепи тока через RС - цепи других фаз. Первая составляющая быстро затухает и может способствовать запуску преобразователя лишь в ограниченном числе случаев. Вторая составляющая соизмерима с током включения тиристора и, как показал анализ [3], отрицательна почти во всем интервале управления 0. Поэтому суммарный ток через тиристор уменьшается по сравнению с током при отсутствии защитных цепей и условия запуска преобразователи становятся более тяжелыми. Шунтирование тиристоров активными делителями напряжения облегчает условия запуска преобразователя.

В трехфазной полностью управляемой мостовой схеме необходимо, чтобы отпирающие импульсы присутствовали одновременно на двух следующих по порядку вентилях — одном из анодной группы, другом — из катодной группы. Это нужно для того, чтобы при запуске преобразователя или при прерывистом токе в нем была обеспечена возможность протекания тока нагрузки. Для этого на каждый тиристор должны подаваться управляющие импульсы длительностью > 60°+ , либо сдвоенные управляющие импульсы длительностью более ty , смещенные относительно друг друга на 60°.

Широкие импульсы могут быть двух видов — с неуправляемой и управляемой длительностью. Ширина импульсов первого типа устанавливается при регулировке соответствующего блока и в дальнейшем не изменяется или изменяется только вследствие ухода параметров элементов. Импульсы с управляемой длительностью включаются сигналом фазосмещающего устройства (ФУ) своей фазы и выключаются сигналом ФУ следующей фазы, совпадающей с концом интервала проводимости, например импульс фазы А мостовой трехфазной схемы выключается импульсом фазы В, импульс фазы В выключается импульсом фазы С и т. д. Следует отметить, что неуправляемые широкие импульсы в динамических режимах менее предпочтительны, чем управляемые. При движении импульсов влево конец неуправляемого по ширине импульса попадает в зону отрицательных анодных напряжений тиристора и ухудшает условия запирания, более того, у мостовой схемы могут оказаться одновременно включенными противофазные тиристоры, что может привести к короткому замыканию нагрузки.

Практически в преобразователях, предназначенных для работы на активную нагрузку или якорь двигателя постоянного тока, применяют в основном сдвоенные узкие импульсы длительностью . В преобразователях, работающих на обмотки возбуждения электрических машин, чаще всего применяют широкие импульсы длительностью 70—120°.

Оптимальным управляющим импульсом с точки зрения уменьшения времени включения тиристоров и ограничения потерь в тиристоре от тока управления является импульс, изображенный на рисунке 7.



Рисунок 7. Оптимальная форма сигнала управления

Крутой короткий пик значительной амплитуды в начале импульса предназначен для четкого включения тиристора с минимальным временем включения. Следующий за пиком «под­держивающий» импульс должен обеспечить нахождение рабочей точки входной вольтамперной характеристики тиристора в области «В» гарантированного управления (рисунок 6), однако при этом запас по току по отношению к границе области может быть минимальным. Ширина пика на уровне тока «поддержки» составляет примерно 50—100 мкс.

Такую форму импульсов желательно иметь как при узких, так и при широких импульсах управления.

Длительность переднего фронта управляющего импульса должна быть весьма малой. В [1] подробно рассмотрен механизм отпирания тиристора управляющим импульсом и показано, что при недостаточно крутом импульсе и большой скорости нарастания анодного тока dia/dt, возможно повреждение тиристора из-за неравномерного распределения анодного тока по площади полупроводниковой структуры. Рекомендуемая крутизна нарастания тока управления 0,2— 2 А/мкс. При работе в импульсных режимах, на повышенной ча­стоте и при групповом управлении вентилями крутизну анодного тока нужно выбирать ближе к верхнему пределу указанного диапазона.

6.2 Управление напряжением тиристорного преобразователя

Выходное напряжение тиристорных преобразователей с естественной коммутацией определяется напряжением сети питания преобразователя, фазой импульсов управления и углом проводимости вентильных ветвей преобра­зователя (Рисунок 8). В установившемся режиме выходное напряжение m -фазного преобразователя [5]:

.



При ;

.



При

.



При

В формулах (15-16) U —среднее значение выходного напряжения преобразователя; U2—действующее значение фазного переменного напряжения питания; угол проводимости вентиля; — угол управления, отсчитываемый от точки естественного включения вентиля; —угол коммутации тока с одного вентиля на другой.



Рисунок 8. Временная диаграмма работы преобразователя с естественной коммутацией при работе в выпрямительном и инверторном режимах с разными углами управления

Основная задача СУ напряжением преобразователя состоит в получении выходного напряжения в функции напряжения управления Uy.

.



В идеальном случае воздействие на выходное напряжение осуществляется путем изменения угла управления . Комплект «СУ—преобразователь» по возможности должен быть инвариантен к возмущениям со стороны сети и нагрузки и представлять собой элемент системы автоматического регулирования с нормализованными статическими и динамическими параметрами, вносящий, минимальные дополнительные гармоники в сети постоянного и переменного токов.

Весьма желательно, учитывая чувствительность тиристорного преобразователя к токовым перегрузкам, возложить на систему управления функцию защиты вентилей от перегрузок по токам.

6.3. Диапазон управления

Из выражений (15) — (17) следует, что максимальный диапазон изменения угла управления составляет 120°. Однако этот диапазон практически никогда не используется — так как вводятся ограничения по минимальному () и максимальному () значению углов управления. Для гарантированного включения всех вентилей минимальный угол управления должен быть не менее:

,



где—максимальное отклонение угла управления вследствие асимметрии,—угол дрейфа системы в диапазоне заданных режимов СУ и преобразователя.

Коммутация тока с одного вентиля на другой в анодной или катодной группе происходит в течение угла коммутации . Если угол управления больше
предельно допустимого значения, то коммутация тока нагрузки с вентиля предыдущей фазы на вентиль последующей фазы может быть сорвана.

Численные значения минимального и максимального углов управления, при частоте сети 50 Гц .

6.4. Структура системы управления

Как аналоговый, так и цифровой способ преобразования управляющих сигналов в угол управления могут быть реализованы на базе различных структур. Все их многообразие может быть сведено к двум структурам: синхронной и асинхронной [1,2].

Любая структура системы импульсно - фазового управления применяется по одно- и многоканальному принципу. В одноканальных схемах используются одно фазосдвигающее устройство (ФСУ) для всех тиристоров преобразователя, в многоканальных системах количество ФСУ равно фазности преобразователя (Рисунок 9).

Одно- и многоканальные системы имеют свои достоинства и недостатки. Основной недостаток многоканальной системы, связанный с асимметрией управления разных фаз, устраняется при использовании цифровых ФСУ, в которых формирование сигнала развертки производится от общего для всех каналов высокочастотного генератора. Поэтому, учитывая возможности цифровых управляющих устройств в качестве универсальной структуры системы управления, можно рекомендовать цифровую структуру синхронного типа, в которой каждый канал управляет противофазными вентилями.

В качестве примера такой структуры на рисунке 10 представлена структурная схема трехканальной системы управления трехфазным мостовым выпрямителем. Каждый канал этой СУ содержит цифровое ФСУ на основе счетчика (С) со схемой совпадения (СС), формирователь импульсов (ФИ), распределитель импульсов (РИ) и усилители импульсов (УИ). Устройство синхронизации (УС) осуществляет синхронизацию работы системы управления с напряжением питающей сети. Счетчики каналов производят счет импульсов генератора высокой частоты (ГВЧ), формируя на выходе С линейно изменяющийся код nС. При достижении равенства nС с кодом управления NУ схема совпадения изменяет состояние, в этот момент срабатывает ФИ и импульс в зависимости от знака фазного напряжения через РИ поступает на вход одного из УИ, выход которого соединен с соединен с управляющими электродами тиристоров преобразователя.

Здесь используется общий ГВЧ, поэтому крутизна сигнала nс для всех каналов одинакова, что отличает этот тип ФСУ от ФСУ аналогового типа, где крутизна линейного изменяющегося напряжения различных каналов оказывается разной из-за технологического разброса параметров интеграторов. В итоге асимметрия управления рассматриваемой структуры практически сведится к нулю.

Трехканальная СУ может осуществлять не только функцию изменения угла управления. Для целей регулирования выходных параметров, например, выпрямленного напряжения, тока, частоты вращения двигателя она допускает использование дополнительных звеньев. В качестве такого дополнительного звена может быть использован цифровой вариант интегрального регулятора, который позволяет получить пропорциональную зависимость между управляющим кодом управления Nу и средним значением выходной координаты:







Рис. 9 Схема блока силовых вентилей



Рис. 10 Структурная схема трехканальной системы управления

6.5. Принципиальная схема системы управления

Для реализации описанной выше структуры СУ могут быть использованы цифровые микросхемы различных серий, выбор которых осуществляется по справочной литературе [9]. Предварительно следует выбрать разрядность преобразования. Если в техническом задании не оговариваются требования по точности регулирования, то можно остановиться на шести или восьмиразрядном преобразовании.

При известной разрядности преобразователя рассчитывается частота ГВЧ

,



которая, например, при N = 8 и f = 50, Гц дает величину 25.6 кГц. При этом дискретность изменения угла управления составит величину эл.град/2N, что для N=8 дает значение разброса углов управления около 0.7 эл.град.

Повышение разрядности уменьшает дискретность изменения угла управления и, соответственно, повышает точность регулирования.

6.6. Требования к блоку питания

После разработки принципиальных схем силовой части и системы управления преобразователем следует сформулировать требования к блоку питания СУ и произвести его расчет. Блок питания, в общем случае представляет собой преобразователь переменного напряжения в постоянное, с несколькими уровнями напряжений, количество которых определяется элементами использованными разработчиком в составе СУ.

7. Требования по оформлению курсового проекта

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части. Записка выполняется на стандартных листах формата А4. Первая и последняя страницы должны быть выполнены из плотной бумаги типа ватман. Первая страница одновременно является титульным листом (Пример оформления см. в приложении). Нумерация страниц производится по центру нижней части листа и начинается со второго листа, на котором указывается содержание проекта. Третьим листом является техническое задание. С четвертого листа, начиная с введения, излагается содержание проекта. Заканчивается проект заключением и списком литературы. Принципиальная схема системы управления, сопряженная с силовой схемой преобразователя, изображается на ватмане, формата А1 - A3, который подшивается в Пояснительную записку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные указания касаются в основном курсового проекта. При выполнении дипломного проекта на данную тему этот объем может быть дополнен другими вопросами, такими как разработка конструкции преобразователя, разработкой системы регулирования и анализом ее устойчивости, исследованием качества питающего и выходного напряжения, исследованием влияния характера нагрузки на качество питающего и выходного напряжения и энергетические характеристики преобразователей, моделированием режимов работы преобразователей, расчетом надежности преобразователя, расчетом себестоимости его изготовления и другими вопросами.
  1   2   3   4


Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации