Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Полупроводниковые выпрямительные агрегаты нашли широкое применение в различных областях промышленности, на железнодорожном транспорте, судах самолетах и т. д. Они используются для питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности; для питания системы электропривода двигателей постоянного тока различного назначения и мощности; для возбуждения крупных электрических генераторов; для тяговых подстанций и магистральных электровозов переменного тока и для удовлетворения многих других потребностей народного хозяйства.

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. В то же время значительная часть электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Это связано с тем, что часть потребителей может работать только на постоянном токе. Другая часть потребителей имеет на постоянном токе лучшие характеристики и параметры.

Для преобразования переменного тока в постоянный в настоящее время почти исключительно применяются полупроводниковые преобразователи электрической энергии – выпрямители.

Значительный прогресс в преобразовательной технике связан с созданием силовых полупроводниковых вентилей. Высокие электрические параметры, малые габариты и масса, простота конструкции и обслуживания, высокая эксплуатационная надежность полупроводниковых вентилей позволяют широко использовать их в схемах преобразования переменного тока в постоянный.

Возможности преобразователей существенно расширяются с разработкой и использованием тиристоров. Тиристорные выпрямители обеспечивают глубокое изменение выходных параметров в любом требуемом диапазоне; обладают высоким быстродействием и точностью автоматического регулирования; позволяют переводить преобразователь в инверторный режим и тем самым обеспечивать рекуперацию электроэнергии в сеть.

Указанные качества тиристорных преобразователей делают их весьма перспективными устройствами для питания систем электроприводов постоянного тока с плавным регулирование частоты вращения в широком диапазоне, для возбуждения крупных электрических генераторов и других целей [1].

1. Актуальность темы

В настоящее время большое внимание уделяется развитию полупроводниковых преобразователей для регулирования скорости асинхронных, синхронных, шаговых, вентильных, вентильно-индукторных и других типов электродвигателей.

Несмотря на это не утратила актуальности задача создания тиристорного преобразователя для электропривода (ЭП) постоянного тока. Потому, что и сейчас во многих отраслях промышленности широко применяется ЭП постоянного тока. Поэтому нет оснований утверждать, что в ближайшем будущем произойдёт полное вытеснение электропривода постоянного тока электроприводом переменного тока.

За границей больших успехов в развитии тиристорных преобразователей для ЭП постоянного тока достигли такие известные фирмы как Siemens, ABB, Emerson и многие другие. Однако использование результатов их разработок в этой области оказывается практически невозможным из-за засекреченности информации [2].

Именно поэтому магистерская работа посвящена актуальной научной задаче разработки силовой схем тиристорного преобразователя.

2. Цель магистерской работы

Целью магистерской работы является разработка и исследование силовой схемы тиристорного преобразователя постоянного напряжения, разработка схемы и платы формирователя импульсов для управления тиристорами и поиск путей оптимизации потребления тока от источника питания данным устройством.

3. Назначение, состав и схемы тиристорных преобразователей


Электропривод на основе тиристорных преобразователей в настоящее время является основным типом промышленного регулируемого электропривода постоянно тока. Это объясняется рядом достоинств этого типа электропривода, основные из которых следующие:

В тоже время тиристорным электроприводам свойственны недостатки:

По назначению тиристорные преобразователи подразделяются:

По исполнению тиристорые преобразователя подразделяются:

Самой эффективной для тиристорных преобразователей признана трехфазная мостовая (шестипульсная) схема выпрямления (рис. 1) [3 с. 11–12].

Потому что она обладает рядом преимуществ, такими как:

И незначительным недостатком: двойное падение напряжения на вентилях, что особенно важно при малых напряжениях [4 с. 120]

Именно трехфазная мостовая схема выпрямления для нереверсивного тиристорного преобразователя и будет применяться в данной работе.

Рисунок 1 – Трехфазный мостовой выпрямитель

Рисунок 2 – Диаграммы тока и напряжения трехфазного мостового выпрямителя при угле α= 0

Рассмотрим принцип действия схемы (рис. 1) с активным характером нагрузки (ключ К замкнут). Начиная с момента ν1 ток проводят тиристоры VS1 и VS6, остальные тиристоры выключены. В этом случае к нагрузке Rd приложено линейное напряжение uab и ток id протекает по контуру: обмотка фазы а – тиристор VS1 – нагрузка Rd – тиристор VS6 – обмотка фазы b. Этот процесс в схеме продолжается до момента ν2, т.е. в течение времени, соответствующего π/3, когда потенциал фазы b станет положительным. Начиная с этого момента напряжение ubc принимает положительное значение (прямое напряжение для тиристора VS2). При подаче в этот момент времени импульса управления на тиристор VS2 он начинает проводить ток, тиристор VS6 выключается (происходит коммутация между тиристорами VS6 и VS2). Для выключившегося тиристора VS6 напряжение ubc является обратным. Тиристоры VS1 и VS2 находятся в проводящем состоянии, остальные тиристоры выключены.

В момент ν3 подается импульс управления на тиристор VS3 и он включается. Тиристор VS1 выключается, так как потенциал фазы b становится выше потенциала фазы а. Далее через интервалы времени, равные π/3, коммутируют следующие тиристорные пары: VS2-VS4, VS3-VS5, VS4-VS6, VS5-VS1. Таким образом, в течение периода питающего напряжения происходят шесть коммутаций через интервал π/3 каждая, причем три из них – в катодной группе тиристоров VS1, VS3 и VS5 (имеющих объединенные катоды) и три – в анодной группе тиристоров VS4, VS6 и VS2 (имеющих объединенные аноды). Нумерация тиристоров в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при условии соблюдения фазировки трансформатора, указанной на рис. 1.

Поочерёдная работа различных пар тиристоров в схеме приводит к появлению на сопротивлении Rd выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора (см. рис. 2). Моменты коммутации совпадают с моментами прохождения через нуль линейных напряжений (когда равны два фазных напряжения, например ua и ub). Длительность прохождения тока через каждый тиристор равна 2π/3, в течение остального времени к нему приложено обратное напряжение, состоящее из частей соответствующих линейных напряжений [5].

На рисунке 3 показан процесс выпрямления переменного напряжения, в постоянное напряжение происходящий в тиристорном преобразователе. Переменное напряжение из сети поступая на трансформатор (Т) понижается, далее оно идет на управляемый выпрямитель (УВ), которым управляет система управления (СУ). На выходе УВ переменное напряжение становится постоянным пульсирующим, проходя через сглаживающий дроссель (СД) поступает на обмотку якоря машины постоянного тока М.

Рисунок 3 – Процесс выпрямления в тиристорном преобразователе
(анимация: 5 кадров, 7 циклов, 77 Кб)

4.Формирователи импульсов управления тиристорами


Функции формирователей импульсов управления выполняют усилители, предназначенные для усиления информационного сигнала управления в сигнал с параметрами, необходимыми для гарантированного включения и выключения полупроводникового ключа. Помимо требований к мощности сигнала управления ключом часто предъявляются требования к форме сигнала, поэтому иногда ФИУ называют усилителями–формирователями импульсов управления. Схемотехника ФИУ в первую очередь зависит от типа управляемого прибора и его статических и динамических свойств.

При наличии на традиционном тиристоре прямого напряжения формируется импульс управления. Полярность напряжения, формирующего ток управления, соответствует положительному напряжению на управляющем электроде тиристора относительно катода, что соответствует прямому смещению управляющего p-n перехода.

Параметры импульса тока управления должны соответствовать входным характеристикам тиристора. Импульс управления должен иметь большую скорость нарастания тока и повышенную амплитуду при включении. Это ускоряет процесс включения и снижает возможность выхода тиристора из строя из-за повышенной скорости нарастания анодного тока di/dt. После завершения процесса включения импульс управления желательно сделать равным нулю, так как продолжительный импульс увеличивает потери мощности в тиристоре. Однако необходимо учитывать, что при наличии в нагрузке индуктивной составляющей процесс включения затягивается, и в этом случае импульс должен быть повышенной длительности для гарантированного включения тиристора [6].

4.1 Схема и плата формирователя импульсов


Рисунок 4 – Формирователь импульсов. Схема электрическая принципиальная

В данной схеме управления тиристором применяется импульсный трансформатор TV1, который осуществляет передачу коротких импульсов с наименьшими искажениями при работе в переходных процессах, а также гальваническую развязку силовых и управляющих цепей. Импульсный трансформатор дает возможность изменить уровень и полярность образуемого импульса напряжения. Диод VD1 не допускает перенапряжения на транзисторе VT1 в момент его запирания, а диод VD2 предотвращает появление обратного напряжения на управляющем электроде тиристора VS1. Резистор R1 ставиться из-за большой емкости затвор-канал возникающей при работе транзистора на больших частотах переключения (быстро изменяющееся напряжение стока может вызвать на затворе переходной ток достаточный для перегрузки управляющих микросхем или микроконтроллера). Резистор R4 ограничивает ток управляющего электрода тиристора. Конденсатор C1 применяется в качестве фильтра для подавления высокочастотных помех.

Принцип работы схемы

Подаем питание между стоком и истоком VT1 любой полярности, далее на затвор транзистора подадим прямоугольные импульсы напряжения, возникнет электрическое поле, при достижении напряжения затвора-истока своего порогового значения произойдет открытие VT1. В процессе открытия и закрытия транзистора на вход TV1 поступают прямоугольные импульсы напряжения определенной величины, в первичной обмотке постепенно появляется электрический ток, сила которого постепенно увеличивается. Рост величины тока повлечет за собой изменение магнитного потока, и во вторичной обмотке трансформатора появится электродвижущая сила. В этом случае искажение входного сигнала практически не произойдет. Потери тока настолько малы, что можно ими пренебречь. Во вторичной обмотке появится также и отрицательная часть импульса, VD2 предотвратит ее появление на управляющем электроде тиристора VS1. Положительный импульс напряжения поступит на управляющий электрод и при присутствии прямого напряжения на аноде и катоде тиристора откроет его.

На рисунке 5 приведена готовая плата формирователя импульсов.

Рисунок 5 – Готовая плата формирователя импульсов

4.2 Моделирование работы формирователя импульсов


На рис. 6 показана модель для исследования в программе Electronics Workbench 5.11. Моделирование проводилось при допущениях, что транзистор и диод идеальны. Первичная обмотка импульсного трансформатора представлена в виде последовательного соединения индуктивности L1 и активного сопротивления R1. Диод VD1 служит для пропускания тока, проходящего при выключении транзистора VT1 за счет энергии, запасенной в индуктивности первичной обмотки импульсного трансформатора.. При включении транзистора VT1 в момент t1, напряжение источника питания прикладывается к первичной обмотке импульсного трансформатора (к обмотке прикладывается импульс напряжения), а когда он выключается в момент t2, ток нагрузки протекает за счет энергии, запасенной в индуктивности обмотки L1, и замыкается через диод VD1 и активное сопротивление R1. В момент t3 процессы повторяются.

Рисунок 6 – Модель для исследования работы импульсного трансформатора в режиме холостого хода

Для того чтобы регулировать напряжение поступающее на первичную обмотку импульсного трансформатора изменяем длительность включенного состояния транзистора, но частоту подачи импульсов задающего генератора (ZG) на транзистор оставляем постоянную – f=const. В данной модели частота подачи импульсов (частота модуляции) fм была принята равной 40 кГц, что соответствует паспортным данным на импульсный трансформатор [7].

На рисунке 7 в) приведены диаграммы тока, которые должны быть при минимальном потреблении тока от источника питания.

Рисунок 7 – Диаграммы напряжения uk и тока id

В ходе процесса моделирования были определены значения Iнач. и Iкон. (соответственно начальные и конечные значения тока пульсаций потребляемого от источника питания). При этом определение среднего значения пульсаций тока Iср.пул., потребляемого от источника, возможно в соответствии с выражением:

Тогда амплитуда пульсаций тока ΔI:

Среднее значение тока Id, потребляемого от источника питания за период Т:

В ходе процесса моделирования изменялись значения сопротивления R1 (рис.2) и коэффициента заполнения γ. Для наглядности результата исследования, исходя из расчётов,приведен график Id = f(γ) (рис.4).

Рисунок 8 – График зависимости Id = f(γ)

Из рис. 8 видно, что ток Id уменьшается с уменьшением γ, и увеличением сопротивления разряда индуктивности первичной обмотки. При этом минимальная длительность γ определяется кратным (3-5 раз) временем открывания тиристора [4].

В ходе исследования было определено, что значение потребления тока от источника питания зависит от величины сопротивления R1 расположенного в цепи разряда индуктивности L1. Определено значение R1 в пределах 20-32 Ом, при котором осуществляется минимальное потребление тока от источника питания.

Выводы

В результате проделанной работы была разработана электрическая принципиальная схема формирователя импульсов, осуществлено моделирование работы формирователя импульсов, в результате которого была сформирована методика для снижения потребления тока устройством от источника питания. Разработана макетная плата для отпирания тиристора, работающего на активную нагрузку в виде лампы накаливания в асинхронном режиме.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Vuz-24.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vuz-24.ru..
  2. Сергеев Александр Георгиевич. Разработка и исследование тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для широкорегулируемого электропривода : диссертация кандидата технических наук : 05.09.12 / Сергеев Александр Георгиевич; [Место защиты: Чуваш. гос. ун-т им. И.Н. Ульянова] Чебоксары, 2007 152 c. : 61 07-5/5255 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com...
  3. Лалетин В.И. Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока: Учебное пособие. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2006. – 131 с.: ил.
  4. Гельман М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие / М. В. Гельман, М. М. Дудкин, К. А. Преображенский. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 425 с.
  5. Справочник по силовой электронике / Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин ; под ред. Ю.К. Розанова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2014. — 472 с., ил. с. 205-207.
  6. Розанов Ю. К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. 2-е изд., стереотипное. – М. : Издательский дом МЭИ, 2009. – 632 с.: ил.
  7. Datasheet: Pulse Transformer with Double Secondary Winding - Schaffner IT249 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.farnell.com....