Выпрямители (диодные) трехфазного переменного тока
Автор: student | Категория: Технические науки / Электроэнергетика | Просмотров: 2737 | Комментирии: 0 | 29-12-2013 20:24
СКАЧАТЬ: word.zip [284,95 Kb] (cкачиваний: 53)



Содержание

Введение.
1. Анализ технического задания на курсовую работу, обоснование и разработка общей структурной схемы устройства.
2. Обоснование и выбор функциональных узлов, разработка функциональной схемы устройства.
3. Разработка (составление) и расчет принципиальной схемы устройства.
3.1 Выбор элементной базы и разработка принципиальной схемы устройства.
3.2 Энергетический расчет устройства.
4. Расчет параметров функциональных узлов и элементов устройства.
4.1 Составление модели устройства в среде Matlab\Simulink и определение параметров узлов и элементов.
4.2 Выбор силовых полупроводниковых приборов, модулей (СПП, СПМ) по результатам расчета.
5. Заключение по курсовой работе.
6. Список литературы.
7. Приложения.
7.1 Приложение 1.
7.2 Приложение 2












Введение

Для многих современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока, термоэлектогенераторы и выпрямители. Наиболее распространенным источником постоянного тока является выпрямитель. Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. По сравнению с другими источниками постоянного тока выпрямители обладают существенными преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы. Структурная схема выпрямителя приведена на рисунке:

рис.1
Трансформатор 1 предназначен для изменения питающего напряжения сети с целью получения заданной величины выпрямленного напряжения на нагрузке 4. С помощью выпрямителя 2 осуществляют преобразование переменного напряжения в пульсирующее. Фильтр 3 предназначен для сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья приведенной структурной схемы, за исключением основного элемента - выпрямителя. Например, выпрямитель может быть включен в сеть без трансформатора или работа выпрямителя на нагрузку осуществляется без фильтра. С другой стороны, очень часто в состав выпрямителя входит стабилизатор напряжения или тока (схема, которая отслеживает все изменения напряжения или тока со стороны входа и выхода и поддерживает постоянным напряжение или ток на нагрузке), который можно включать на выходе (по постоянному току) или на входе (по переменному току). Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными, но существует соответственно и ещё один класс – многофазных выпрямителей (с нулевым выводом, мостовые  схема Ларионова).
Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды. В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения.

1. Анализ технического задания на курсовую работу, обоснование и
разработка общей структурной схемы устройства.
Основной целью выполнения курсовой работы по дисциплине «Силовая электроника в системах управления и контроля» является приобретение практических навыков в выборе и расчете параметров полупроводниковых приборов и других компонентов силовых электронных устройств (СЭУ), самостоятельного решения задач по разработке и анализу (расчету) схем СЭУ. Курсовая работа предусматривает выбор и расчет силовых устройств на основе полупроводниковых приборов, а также разработку схем систем управления, защиты различных СЭУ и выбор элементов в соответствии с расчетными параметрами. В ходе выполнения курсовой работы мы рассмотрим трехфазный выпрямитель.
Наиболее распространены трёхфазный выпрямитель по схеме Миткевича В.Ф. (на трёх диодах), предложенный им в 1901 г., и трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А.Н. (на шести диодах), предложенный им в 1923 г.. Менее известны трёхфазные выпрямители по схемам «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах) и другие, которые по многим параметрам превосходят и схему Миткевича и схему Ларионова. При этом требуются диоды со средним током через один диод почти вдвое меньшим, чем в схеме Ларионова.
Следует отметить, что выпрямитель Миткевича является четвертьмостовым параллельным, выпрямитель Ларионова является не полномостовым, как его часто считают, а полумостовым параллельным («три параллельных полумоста»). В зависимости от схемы включения трёхфазного трансформатора или трёхфазного генератора (звезда, треугольник) схема Ларионова имеет две разновидности: «звезда-Ларионов» и «треугольник-Ларионов», которые имеют разные напряжения, токи, внутренние сопротивления.
По схемам можно заметить, что схема Миткевича является недостроенной схемой Ларионова, а схема Ларионова является недостроенной схемой «три параллельных моста».
Из-за принципа обратимости электрических машин по этим же схемам строятся и преобразователи (инверторы).








2.Обоснование и выбор функциональных узлов, разработка функциональной схемы устройства.
Схема Ларионова.
Вентили 1,3,5 образуют катодную, а вентили 2,4,6 – анодную группы (рис.1). Из катодной группы ток пропускает тот вентиль, к аноду которого подводится большее положительное напряжение.

Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при условии соблюдения фазировки трансформатора (рис.2).




Рис. 1. Функциональная схема выпрямителя.

В любом промежутке времени должны быть включены два вентиля – один из катодной, а другой из анодной группы. Поочередная работа различных пар вентилей в схеме приводит к появлению на сопротивлении выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора (ось 2 на рис.2) .


Из рис.2 (оси 1 и 2) видно, что моменты коммутации совпадают с моментами прохождения через нуль линейных напряжений (когда равны два фазных напряжения).

В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение имеет напряжение , подаваемое к аноду вентиля 1, а наибольшее отрицательное значение – напряжение , подводимое к катоду вентиля 6. Следовательно, в этом промежутке одновременно включены вентили 1 и 6.

Через вентиль 1 положительное напряжение подводится к нижнему зажиму, а через вентиль 6 отрицательное напряжение подводится к верхнему зажиму сопротивления . Поэтому выпрямленное напряжение





Рис.2. Кривые токов и напряжения

В точке 01 напряжение , поэтому из анодной группы включается вентиль 2. Так как правее точки 01 напряжение имеет наибольшее отрицательное значение, вентиль 6 выключается. В промежутке (01-02) одновременно включены вентили 1 и 2 и выпрямленное напряжение

ud=ua-uc

Очевидно, что амплитуда выпрямленного напряжения

Ud.max= E2

К каждому закрытому вентилю приложено линейное напряжение, поэтому амплитуда обратного напряжения

Uv.max= E2

Число пульсаций выпрямленного напряжения m=6

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение) вычисляется для интервала повторяемости выпрямленного напряжения, равного :

Ed = (1)


где E2– действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора.

Действующее значение тока вторичной обмотки (ось 6)

I2 = , Id = (2)


Действующее значение тока первичной обмотки

(3)


Максимальное значение тока вентиля

Ivmax= Id (4)


Среднее значение тока вентиля

Iv сред = (5)


Действующее значение тока вентиля

Iv = (6)








3. Разработка (составление) и расчет принципиальной схемы устройства.

Данный раздел, определяет решение следующих вопросов: выбор элементной базы, разработка (составление) принципиальной схемы устройства; расчет параметров устройства и его элементов; выбор по результатам расчета, либо моделирования в среде Matlab\Simulink, полупроводниковых приборов и других элементов; расчет КПД или потребляемой мощности устройства.
Входными и выходными параметрами регулируемого выпрямителя являются:
 трехфазная промышленная сеть переменного тока 50 Гц ;
 напряжение сети Uсп=220/380B±10%;
 активное сопротивление каждой фазы сети rс=0.005Ом


Выходные параметры по вариантам приведены в таблице.
Варианты Uвых(Uн),В Rн,Ом КПД (η) при Uн max Коэфф. пульсации КПU Первичная сеть переменного тока
2.2 620 5 ≥0.91 0.025 промышленная

Решение указанных выше вопросов рассмотрим применительно к силовой части, т.е. нерегулируемого выпрямителя. Анализ исходных данных Uн(Uвых)=620 В, Rн=5 Ом, η≥0.91 при Uн.max, а также требование режима непрерывного тока нагрузки, показывают, что наиболее приемлемым являются использование диодов в качестве основных вентилей, при этом коэффициент трансформации силового трансформатора следует выбирать из условий: Uн.max =620 В или Ucп=380-10%=342 В и угле регулирования β = 0.


Рис. 2 Схема нерегулируемого выпрямителя


Таким образом, принципиальная схема диодного нерегулируемого выпрямителя, выполненная согласно заданию, приведена на рис. 2, где вентили 1,3,5 образуют катодную, а вентили 2,4,6 – анодную группы. Из катодной группы ток пропускает тот вентиль, к аноду которого подводится большее положительное напряжение.
Определим основные параметры выпрямителя и его элементов.
Действующее значение напряжения U2 а вторичной обмотке TV1 при Uн.max (U2)= 620 В равно:

При этом среднее значение тока нагрузки Id составит:

В режиме неразрывного тока нагрузки Rн имеет место соотношение:

из которого получим, что

При этом падение напряжения на rб составит:

Тогда с учетом ∆Urп и Uсп= 342 В напряжение U1 составит:

Для определения коэффициента трансформации KTV при условии U2 = 620 В, а β = 0 необходимо также учитывать падение напряжения ∆UVD па диодах выпрямителя, которое равно UVD ≈0.7 В.
В результате необходимое значение напряжения U’2 на вторичной обмотке TV1 составит

а при Ucп= 380+10% = 416 В, U’2=178,07 В.
В результате получим значение KTV из выражения:

Основные параметры трансформатора при Rн - нагрузке



Угол регулировании β=0 т.к выпрямитель неуправляемый.
Амплитудное значение первой гармоники:


Амплитудное значение обратного напряжения на диодах (VD1..6)

максимальная величина среднего тока через диод (VD)

Среднее значение тока чере диод IVDср

С учетом полученных значений IVDср, UVDm по справочнику выбираем диод VD типа ВЛ-320.
Энергетический расчет - заключается в определении КПД устройства, который может быть рассчитан как по суммарной мощности общих потерь на элементах, так и путем определения общего сопротивления (активного) потерь элементов . В результате выражения для определения КПД (η) устройства имеют следующий вид:
, .
При этом общие потери РОП в СПП на частотах до 400 Гц могут быть определены по выражению:

где U0, rд - пороговое напряжение и динамическое сопротивление предельной ВАХ СПП, Kф= IVS/IVSср - коэффициент формы тока. Для диода ВЛ-320, IVDср = 40,92 A,U0= 1,09 В, Kф = 42,6.
3. Энергетический расчет
Определяем суммарную мощность общих потерь в рассматриваемом устройстве, без учета потерь в TV1, которая состоит из потерь в диодах VD, сопротивлениях rп ,определяем при расчете ее основных параметров.
В результате потери составляют:






В результате получим, что:

Таким образом, условие задания η≥0.91 - выполняется (0.99>0.91).
Анализ полученных данных и решение показывают, что выбранная схема и расчет параметров нерегулируемого выпрямителя и его элементов удовлетворяют условиям и требованиям заданиям.

4.1.Расчет параметров функциональных узлов и элементов устройства.

Большие возможности для расчета параметров СЭУ, его элементов в установившемся и переходных режимах дает схемотехническое моделирование их в среде Matlab\Simulink , позволяющие как получить значения необходимых параметров элементов и характеристик устройства, так и наглядное представление о процессах в устройствах, т.е. осциллограммы токов и напряжений на элементах с временной привязкой. При этом определение (расчет) требуемых согласно заданию характеристик и параметров устройства и его элементов сводится к выполнению следующих элементов:
1) составлению схемы модели устройства с учетом всех элементов включения датчиков управления измерения визуального наблюдения токов и напряжений;
2) устройства с помощью окон настройки программы Matlab\Simulink заданных параметров источника питания, блока управления, нагрузки и входящих в схему модели других элементов;
3) исследование на модели стационарных (при необходимости переходных) процессов и определение характеристик устройства, измерение с помощью измерительных блоков и определение по осциллограммам необходимых временных параметров и значений (амплитудные, средние, действующие) токов и напряжений на элементах;
4) выбор СПП и других элементов устройства по справочникам, согласно полученных значений их параметров по результатам моделирования.




Рис. 3. Схема модели неуправляемого мостового выпрямителя






5.Заключение по курсовой работе.



Анализ полученных данных и результатов решения показывает то, что выбранная схема и расчет параметров выпрямителя трехфазного переменного тока и его элементов удовлетворяют условиям и требованиям задания






6.Список литературы

1. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. - Новосибирск.: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.
2. Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. - М.: Энергия, 1987. - 448 с.
3. Руденко В. С., Сенько В. Н., Чиженко Н. М. Преобразовательная техника. - Киев.: Высшая школа, 1978. -422 с.
4. Замятин В. Я, и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987. - 576 с.
5. Каламтаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.
6. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с.
7. Розанов Ю. К. Основы силовой преобразовательной техники.- М.: Энергия, 1979. - 392 с.
8. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.
9. Герман-Галкин С. Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. - Спб.: Корона принт, 2002. - 304 с.
10. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение. - М.: Додэка-ХХI,2001. - 384 с.
11. Отечественные транзисторы: БСЧТ, СЧТ, БТИЗ: Справочное пособие для вузов. - М.: Додэка-ХХI,2001. - 64 с.
12. Силовая электроника. Примеры и расчеты. - М.: Энергоиздат. 1982. -384 с.
13. Аитов И.Л. Силовые электронные устройства: учеб. пособие/И.Л. Аитов; Уфимск.гос.авиац.техн.ун-т.-Уфа:УГАТУ,2009.-371 с.











Приложение 2
Временная диаграмма осциллографа








Схема модели




Окно настройки трехфазных источников

Окно настройки выпрямителя