Курсова робота
Тиристорні перетворювачі
Зміст
Вступ
Принцип дії тиристора.
Аналіз тиристорних перетворювачів.
Розробка принципової схеми.
Розрахунок силового кола.
Розробка схеми керування тиристором.
Вибір тиристорів.
Розрахунок індуктивності згладжуючого реактора.
Висновки.
Список літератури.
Вступ
У зв’язку із ростом вимог до якості продукції, що випускається та
необхідністю підвищення продуктивності агрегатів все більше
розповсюдження отримують регульовані електроприводи різних виробничих
механізмів. Не дивлячись на великі досягнення у створенні регульованих
електроприводів змінного струму, основним видом таких електроприводів
залишається електропривід змінного струму, а в якості пристрою
керованого перетворювача енергії змінного струму в енергію постійного
струму виключно застосовують тиристорні перетворювачі.
В тиристорному електроприводі можна виділити силову частину та систему
управління. Силова частина складається із вузлів, котрі розраховані на
протікання в них повного струму, навантаження. До них відносяться
автоматичні вимикачі постійного та змінного струму, трансформатор
живлення або анодний реактор, електродвигун, силові тиристори, число та
схема з’єднань яких визначається номінальними даними та режимом роботи
електроприводу, лінійний контактор, коло динамічного гальмування,
вимірювальні шунти та ін.
Система управління регулює потік енергії від мережі змінного струму до
електродвигуна; назад шляхом формування в визначені моменти часу
відкриваючих імпульсів, котрі подаються на керуючі переходи тиристорів,
а також впливом на комутаційні апарати силової частини електроприводу.
Призначення системи управління – забезпечити зміну по заданому
оператором або системою управління більш високого рівня ієрархії закону
основної регульованої координати електроприводу, регулювання або
обмеження проміжних координат. А також захист установки в аварійних
режимах.
Таким чином, система управління електроприводом включає в себе систему
імпульсно-фазового управління (СІФУ), що формує послідовність
відпираючих імпульсів з потрібними електричними параметрами, моменти
появи яких визначаються вхідною напругою управління, а також деякими
додатковими сигналами управління, систему регульованих координат
електроприводу, котра на основі інформації про потрібне значення
основної регульованої координати та деякої додаткової інформації
виробляє напругу управління СІФУ таким чином, щоб забезпечити
відповідність основної регульованої координати заданому значенню деяким
оптимальним (або раціональним) чином при допустимих значеннях проміжних
координат; систему захистів та оперативного управління електроприводом.
Система імпульсно-фазового управління в свою чергу, складається із
вузла, що перетворює напругу управління в послідовність імпульсів
визначеної тривалості форми, моменти яких залежать від напруги
управління; вузла підсилення імпульсів, що формує імпульси з визначеними
електричними параметрами.
1. Принцип дії тиристора
Тиристор – чотирьохшаровий напівпровідниковий прилад, що має два стійкі
стани: стан низької провідності (тиристор закритий) та стан високої
провідності (тиристор відкритий).
Переведення тиристора із закритого стану у відкритий в електричному
колі здійснюється зовнішньою дією на прилад. В тріодних тиристорах, які
є найбільш вживаними, управління станом приладу здійснюється в колі
третього – керуючого електроду.
Тиристор являє собою чотирьохшарову структуру типу р-п-р-п з трьома
переходами (рис.1), в якому р-шар виконує функцію аноду, а n-шар –
катоду.
Керуючий електрод зв’язаний із р-шаром структури.
Рис.1.1. Напівпровідникова структура тиристора.
На рис. 2 показана схема включення тиристора.
Рис. 1.2. Структурна схема тріодного тиристора.
Напруга живлення подається на тиристор таким чином, що П1 та П3
відкриті, а перехід П2 – закритий. Опір відкритих переходів малий, тому
майже вся напруга живлення Uпр прикладена до закритого переходу П2, який
має великий опір. Звідси струм через тиристор дуже малий. При підвищенні
напруги Uпр струм тиристора збільшується до деякого критичного значення,
яке рівне напрузі переключення Uпер. Після цього починається
лавиноподібне збільшення струму через тиристор.
Для зменшення напруги переключення на керуючий електрод подають напругу
і струм керування Іу дозволяє тиристору переключитися при меншій
напрузі.
Вольт–амперна характеристика показана для різних струмів керування,
причому Іу2 * Іу1. (рис. 3)
Рис. 1.3- Вольт-амперна характеристика тиристора.
2. Аналіз тиристорних перетворювачів для електроприводу постійного
струму
Основним елементом перетворювачів є комутаційні пристрої, які періодично
переривають струм, або змінюють його напрям. Основним елементом
комутаційного пристрою є тиристор.
Вентильні перетворювачі на тиристорах (ТП) зараз стали основним видом
перетворювачів для системи перетворювач-двигун постійного струму.
Нереверсивні перетворювачі найчастіше виконують за трьохфазною мостовою
схемою із дроселем згладжування. Для реверсивних перетворювачів
застосовують два комплекси тиристорів.
Нереверсивні ТП і ТП по зустрічно паралельній схемі виконують також в
безтрансформаторній схемі. Ці схеми також можна використати і для
живлення обмоток збудження електричних машин.
При невеликих потужностях найчастіше використовують однофазні схеми.
Властивість тиристора надійно блокувати прикладену напругу, а при
поданні керуючого імпульсу, позитивній напрузі на аноді і в замкнутому
колі навантаження переходить в провідний стан, а також малий внутрішній
опір у відкритому стані визначити його використання в силових установках
з великими струмами та напругами. В свою чергу, неможливість закривання
тиристора сигналом управління визначило його широке використання в
схемах, де виключення досягається прикладанням від’ємної напруги до
аноду тиристора. Природно, що такі умови без всяких додаткових витрат
існують в схемах, де живлення навантаження здійснюють через тиристор від
знакозмінного джерела енергії. Прикладом такої схеми може бути
однофазна, однопівперіодична схема нереверсивного тиристорного
перетворювача, показана на рис. 4.
.
Рис.2.2. Схема перетворювача
а) схема електрична
від моменту ??? переходу напруги живлення через нуль, для миттєвої
напруги на навантаженні можна записати.
(1)
– кутова частота мережі живлення
t – біжучий час, що відраховується від моменту включення тиристора;
спад напруги на відкритому тиристорі.
Із (1) видно, що міняючи момент подачі сигналу керування Uk відносно
позитивної фази на тиристорі, тобто фазу подавання імпульсу керування,
можна міняти прикладену до навантаження напругу.
Ці міркування з врахуванням достатності керування не постійним
сигналом, а імпульсом необхідної тривалості та потужності і лежать в
основі назви – імпульсно-фазове управління.
Нехтуючи спадом напруги на відкритому тиристорі як малим в порівнянні з
падінням напруги на навантаження записуємо вираз для середньої напруги
на навантаженні:
.
Таким чином, звідси можна сформулювати наступні вимоги до засобів
керування. Генерація керуючих імпульсів для такої схеми повинна
здійснюватись в діапазоні тривалістю 180(, початковою точкою відліку
якого є перехід анодної напруги через нуль t0. Очевидно, що для
отримання точки відліку на кожному періоді мережі живлення необхідні
пристрої синхронізації системи управління з мережею, яка живить
перетворювач.
Виходячи із вищесказаного можна представити загальну структурну схему
системи імпульсного фазового управління (СІФУ) для простого
перетворювача, як на рис. 5.
Рис.2.2 Структурна схема однофазної СІФУ
ПС – пристрій синхронізації
ПФЗ – пристрій фазозміщення.
ПЗ – пристрій запуску
ПЖСІФУ – пристрій живлення СІФУ
СЧП – силова частина перетворювача
Але однотактні перетворювачі використовують рідко. Екологічно більш
вигідне багатоактне перетворення енергії. В цьому випадку (Рис. 6) в
системі повинно бути організовано m-каналів СІФУ.
В цих СІФУ фазу керуючого імпульсу відраховують від певної точки кривої
напруги живлення. Такі системи називають синхронними, тобто керуючі
імпульси для кожного каналу надають синхронно із періодом напруги
живлення.
Синхронні СІФУ здійснюють такі перетворення:
Рис.2.3. Структурна схема багатофазової СІФУ
ПС – пристрій синхронізації
ПГР – пристрій гальванічної розв’язки
СЧП – силова частина перетворювача
де W0t – кут включення іншого тиристора, який відраховують від початку
позитивної півхвилі напруги на першому тиристорі
кут синхронізації;
ni – номер тиристора силової схеми, що співпадає з номером каналу
генерації керуючого імпульсу;
кут включення тиристора, відрахований від точки синхронізації для
кожного каналу СІФУ. Цей кут ще називають кутом відкривання або кутом
управління.
Необхідний кут включення в пристрої фазозміщення може бути реалізованим
або найбільш розповсюдженим “вертикальним” способом, який широко
застосовували на ранніх стадіях розвитку статичних перетворювачів
струму.
Вертикальний спосіб управління полягає в тому, що зміну фази імпульсу
управління забезпечують зміною напруги управління відносно деякої
опорної напруги і генерація імпульсу управління відбувається при
рівності опорної і керуючої напруг.
`„?
`„?
???$@?ACBDuuuuuuuuuuuuuuoooessssssOOO
??
#пруга синхронізації Uc1 відносно анодної напруги на даної фази і за
рахунок цього міняється момент генерації імпульсу керування КІ.
Для вертикального способу фазозміщення найбільш широко використовують
два види опорних напруг: лінійну зміну в часі та синусоїдну.
3. Розробка принципової схеми
Виходячи із вищенаведеного аналізу і врахувавши умови завдання,
вибираємо схему трьохфазного тиристорного перетворювача, принципову
схему якого показано на рис. 7.
Рис.3.1. Схема тиристорного перетворювача для двигуна постійного струму.
(зірка з нульовим виводом) і до нульового виводу під’єднуємо
навантаження.
Для забезпечення заданого значення пульсацій струму навантаження
послідовно із обмоткою якоря двигуна під’єднаний згладжуючий дросель.
Щоб забезпечити регулювання величини напруги на вході тиристорного
перетворювача, необхідно змінювати кут відкривання силових тиристорів. В
кожному випадку зміна кута відкривання здійснює схема імпульсно-фазового
управління.
Після вибору схеми перетворювача проводимо електричний розрахунок його
елементів.
4. Розрахунок силового кола
Напруга умовно холостого ходу тиристорного перетворювача визначається
так:
середнє значення випрямленої напруги на якорі електродвигуна;
спад напруги на активному опорі згладжую чого дроселя;
можлива зміна напруги на виході тиристорного перетворювача, викликана
коливанням напруги в колі живлення змінного струму;
середнє значення падіння напруги на тиристорах.
При попередньому розрахунку доданків рівняння будемо керуватися
наступними:
Максимальне середнє значення випрямленої напруги необхідно вибрати
рівним номінальній напрузі електродвигуна
2. З метою збільшення жорсткості механічної характеристики
електродвигуна при його роботі від тиристорного перетворення згладжуючий
дросель повинен мати мінімальні втрати, а звідси і мінімальний активний
опір. Для більшості систем
3. Середнє значення падіння напруги на тиристорах:
– напруга спрямлення ВАХ, знятої на постійному струмі;
– динамічний опір тиристора;
– номінальний струм електродвигуна.
можна визначити по таких формулах:
порівняно мале, то в подальших розрахунках його можна не враховувати.
повинна бути
а з врахуванням цих коливань
З іншого боку, середнє значення випрямленої напруги рівне
= діюче значення фазної напруги.
регулюванням перетворювача.
5. Розробка схеми керування тиристором
=3В при температурі 25С, а опір керуючого переходу тиристора
Тоді приведений опір генератора
де D – дисперсія відхилень номінальних значень опору резисторів у
відносних одиницях;
– температурний коефіцієнт резистора;
t – робоча температура.
Для більшості сучасних резисторів звичайного виконання
= 0,001(С-1
Тоді
Вибираємо R2 = 10 Ом типу МЛТ
Оскільки в схемі застосовані операційні підсилювачі для живлення яких
використовується двополярна напруга (15В, то використаємо
нестабілізовану напругу 20В для живлення вихідного каскаду системи
імпульсивного управління (СІФУ).
Приймаючи напругу живлення рівною 20В, визначаємо коефіцієнт
трансформації імпульсного трансформатора
– мінімальна напруга холостого ходу генератора імпульсів, яка
визначається з рівняння
,
– коливання напруги в мережі живлення;
– мінімальна напруга холостого ходу.
Приймаємо коливання в мережі живлення ( 10%, тоді:
Опір резистора R рівний
Вибираємо R = 100 Ом типу МЛТ.
6. Вибір тиристорів
Максимальна зворотна напруга на вентилі
Середнє значення струму через тиристор при номінальному моменті
електродвигуна визначається по формулі:
При пуску тиристор повинен витримати струм
Вибираємо тиристор типу Т15-125 восьмого класу (напруга не нижча 200В)
Даний тиристор має такі параметри:
максимально допустимий середній струм у відкритому стані при
;
максимально допустимий діючий струм у відкритому стані при
;
;
;
динамічний опір при Тп = 125(С не більше R = 1,5мОм;
невідпираючий постійний струм управління І = 3мА;
відпираючий постійний струм управління при Uзс = 12В, не більше
І = 0,3А;
струм утримання І = 0,3А;
мінімально допустимий прямий імпульсний струм управління І = 2А;
максимально допустимий прямий імпульсний струм управління
І = 24А;
температура корпусу від –50 до +125(С;
відпираюча постійна напруга управління при Uзс = 12В, не більше
V = 3В.
Допустимі величини втрат в тиристорі при умові його роботи в
класифікаційній схемі
= 1,57 – коефіцієнт форми струму для класифікаційної схеми
випрямлення.
– середнє значення струму через тиристор;
Vo – напруга випрямлення.
Так, як в довідниках ВАХ тиристорів не приводять то напругу Uo можна
орієнтовно визначити із співвідношення:
Величина втрат на тиристорі
.
7. Розрахунок індуктивності згладжуючого реактора
Необхідна індуктивність згладжуючого дроселя
– відносна величина ефективного значення першої гармоніки випрямленої
напруги;
Ія – допустимі пульсації якоря електродвигуна;
I – струм навантаження перетворювача.
Індуктивність якоря двигуна визначається за рівнянням
еп. град ln. = 0,52.
Тоді індуктивність згладжувального дроселя рівна
Вибираємо згладжувальний дросель з такими параметрами Lзд=20мГн, Uзд. =
0,002.
Характеристика регулювання перетворювача при умові холостого ходу може
бути побудована за рівнянням
Залежність напруги на якорі електродвигуна від функції кута регулювання
перетворювача при незмінному моменті на валі двигуна можна визначити за
допомогою рівняння:
– сумарний активний опір якірного кола системи ТП-9.
Початковий кут регулювання можна визначити із рівняння:
– опір згладжуючого дроселя;
– опір згладжуючого дроселя;
-опір обмотки якоря двигуна;
– динамічний опір тиристорів
= 0,002+ 0,0015+ 0,004 = 0,008 Ом
Висновки
В даній курсовій роботі я засвоїв тиристорний перетворювач, а також
розробив принципову схему, схему керування тиристором, виконав на листі
R1 друковану плату та монтажну схему, зробив розрахунок силового кола,
також розрахунок індуктивності згладжуючого реактора.
Список літератури
1. Б.С.Гершунский. Основи електроніки і мікроелектроніки. – К.: Вища
школа, 1997.
2. Б.С.Гершунский. Справочник по основам электронной техники. – К.: Вища
школа, 1978.
3. В.Г.Герасимов. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая школа,
1986.
4. Б.С. Гершунский. Справочник по расчету электронных схем. – К.: Вища
школа, 1983.
Позначення Найменування Кільк – ість Примітка
R2R2R3R Резистор МЛТ-0,125-43 кОм 4
R5R6R7R Резистор МЛТ-0,125 10 кОм 4
R9 Резистор МЛТ-0,125 2к7 1
R10 Резистор МЛТ-0,125 10 к 1
R11 Резистор МЛТ-0,125 520 Ом 4
VT1.VT2 Транзистор ГТ 305 А 2
VD1.VD2 Діод КД 307 2
OA1 Мікросхема К 137 УД2 1
OA2 Мікросхема К 561 ТМ2 1
L1 Катушка індуктивності 1,3 мГн 1
L2 Катушка індуктивності 20 мГн 1
n1
Р2 n1
Р1
+
Vпр
П1
П2
П3
Iу
2
1
Vу
n1
Р2
П1
Р1
б)
O
wot
е2
t0
Uу
wot
е2
wot
е2
wot
е2
wot
е2
а)
T
Vу
V
е2=Е2msinwot
RH
ПС
+
+
О3Б
VS3
10
9
7
Т
ЗД
Д
ПФЗ
сн
ПЖСІФУ
ПЗ
C4
ZH
1
2
3
4
5
I
m-1
m
1 2 3 4 i m-1 m
RH
Vm
LH
Vm-1
Vi
V4
V3
V2
V1
До
Мере-жі
m-канальні ВК і
ПГР
m-канальна СІФУ
m-канальні ПС
Т
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
