Курсовая работа (т): Расчет электронного трансформатора

Расчет электронного трансформатора

Курсовая работа

по курсу «Силовые ПЭЭ»

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Содержание

Введение

. Назначение основных блоков электронного трансформатора

. Выбор и расчет входного выпрямителя и фильтра

3. Выбор и расчет схемы силового инвертора

4. Расчет трансформатора

5. Выбор и расчет выходного выпрямителя и фильтра

6. Разработка системы управления силового инвертора

. Блок защиты

Заключение

Список использованных источников

Введение

Электронным трансформатором называется такое устройство, которое преобразует напряжение или ток одной величины в другое, с минимальными потерями электрической энергии, а так же при этом имеет наименьшие массогабаритные величины. Это достигается путем преобразования входной величины с одной частотой в величину с большей частотой с помощью силового выпрямителя и инвертора.

Основными частями электронного трансформатора являются: силовой выпрямитель, сглаживающий фильтр, инвертор, трансформатор.

Блок схема источника питания будет иметь вид:

Рисунок 1 - Блок схема электронного трансформатора

Обозначения на рисунке:

В - выпрямитель

Ф - сглаживающий фильтр

И - инвертор, Т - трансформатор

Н - нагрузка

Выпрямитель служит для преобразования энергии переменного напряжения в энергию постоянного напряжения.

Сглаживающий фильтр необходим для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Инвертор необходим для преобразования энергии постоянного напряжения в энергию переменного напряжения. Трансформатор, предназначен для или понижения напряжения сети до необходимой величины и гальванической развязки системы.

1.      Назначение основных блоков электронного трансформатора

Рисунок 2- Функциональная схема

Функциональная схема такой системы приведена на рис. 2 и содержит следующие блоки:

В - сетевой выпрямитель;

Ф - низкочастотный сглаживающий фильтр;

И - инвертор (регулирующий орган);

Тр - силовой трансформатор;

Н - блок нагрузок;

СУ - схема управления;

БЗ - блок защиты;

БОС - блок обратной связи.

Входной сетевой выпрямитель в зависимости от питающей сети может быть одно или трехфазным, неуправляемым, а для расширения функциональных возможностей (изменения уровня выпрямленного напряжения) - управляемым.

Сглаживающий фильтр выполняет функции фильтрации (уменьшения) переменной составляющей выпрямленного напряжения до уровня, который требуется по условиям эксплуатации для регулирующего органа, питающегося от входного выпрямителя, ограничения зарядного тока конденсатора фильтра, компенсации кратковременных провалов напряжения питающей сети.

Задача инвертора (И) заключается в преобразовании входного постоянного напряжения в переменное, прямоугольное или ступенчато-синусоидальное с одновременным регулированием его значения.

Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от питающей сети и служит для согласования уровней входного и неограниченного числа, в общем случае, выходных напряжений, в частном случае он может быть исключен.

Схема управления предназначена для обеспечения работоспособности системы во всех режимах и по принципу действия может быть реализована как аналоговой, так и с использованием дискретных полупроводниковых элементов; цифровой, в которой функциональные узлы могут быть выполнены на базе логических элементов или цифровых интегральных микросхем более высокого уровня. Еще более высокий уровень интеграции достигается использованием микропроцессорной техники. Наиболее распространены комбинированные схемы управления, в которых используется и аналоговая, и цифровая, включая процессоры, схемотехника. Схема управления инвертором основного канала формирует сигналы управления силовыми ключами по заданному алгоритму и обеспечивает тем самым возможность регулирования выходного напряжения в требуемом диапазоне. Структура построения схемы управления может быть либо одноканальной, в которой разделение сигналов управления осуществляется на последнем этапе, либо многоканальной - в ней управляющие каждым ключом сигналы формируются независимыми каналами.

Для поддержания одного или нескольких выходных параметров системы с заданной точностью при воздействии возмущающих факторов последняя должна быть замкнута с помощью отрицательных обратных связей по этим параметрам. Задача обратной связи заключается в измерении выходной величины и передаче сигнала с выхода системы на информационный вход схемы управления. При этом сигнал должен быть приведен к виду, удобному для сравнения его с задающим, и соответствовать ему по уровню. В электрических системах наиболее часто стоит задача стабилизации либо выходного напряжения, либо тока нагрузки. Если в устройстве есть обе отрицательные связи, то они не должны работать одновременно. При работе одной из них другая должна быть отключена, и наоборот. На блок защит возлагается задача ограничения несанкционированного изменения тока и напряжений, превышающих допустимые техническими условиями эксплуатации значения, на полупроводниковых и других элементах системы. Использование традиционных средств защиты от аварийных перегрузок (плавких предохранителей, токовых реле теплового или электромеханического действия) не обеспечивает защиты полупроводниковых элементов ввиду недостаточного быстродействия при высоких скоростях развития опасных процессов (сверхтоков и перенапряжений). Поэтому схемы защиты выполняются в виде электронных схем, воздействующих на схему управления или дополнительные элементы с целью ограничения контролируемых параметров в допустимых пределах.

.        Выбор и расчет входного выпрямителя и фильтра

Однофазная питающая сеть переменного тока и безтрансформаторный вход предусматривают мостовую схему выпрямителя, приведенную на рис. 3. При учете диапазона изменения напряжения питающей сети (отклонение вниз от номинала на 10 %) значение напряжения на выходе входного фильтра не превышает

даже на холостом ходу (конденсатор входного фильтра заряжен до напряжения, равного амплитуде напряжения питающей сети). В рабочем режиме  будет еще ниже на величину падения напряжения на диодах выпрямителя, элементах фильтра. Так как вход выпрямителя бестрансформаторный, коммутационными потерями можно пренебречь и величину выпрямленного напряжения можно считать по соотношениям для идеального выпрямителя.

Рисунок 3 - Входной выпрямитель и фильтр

Наибольшее значение напряжения на выходе фильтра (режим холостого хода - конденсатор фильтра заряжен до амплитуды входного переменного напряжения) определится соотношением:

Для определения электрических параметров диодов выпрямителя и элементов фильтра необходимо определить мощность, потребляемую инвертором через характеристики нагрузки и примерные КПД узлов, последовательно включенных в силовой цепи.

- номинальная мощность на нагрузке

 - КПД трансформатора ( = 0,99÷0,94). Для трансформатора средней мощности примем η _тр = 0,96;

 - КПД фильтра на выходе инвертора (как правило, задаются падением напряжения на активном сопротивлении дросселя (2...3) % от , которое и определяет основные потери фильтра) примем  = 0,98;

 - КПД инвертора (практический опыт и анализ технической литературы показывают, что КПД колеблется в пределах 0,95-0,98 для высоковольтных инверторов) примем равным 0,96.

Наибольшее среднее значение тока, потребляемого инвертором, определится при минимальном напряжении питающей сети

Среднее значение тока диодов входного выпрямителя

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя:

Выбираем диоды выпрямителя 2Д245A с параметрами_обр.max = 400 В; I_VD = 10 А; f_max = 200 кГц.

Так как жестких требований к качеству напряжения на выходе входного фильтра нет, и величина пульсаций в нем зачастую определяется допустимой амплитудой переменной составляющей напряжения конденсатора, зададимся значением К′_П = 0,05, удовлетворяющим большинству используемых конденсаторов. Учитывая, что коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя К_П = 0,67, определим коэффициент сглаживания фильтра как

Расчет электрических параметров элементов однозвенного LC-фильтра ведется по выражениям:

б) из условия непрерывности тока в дросселе находится его критическая индуктивность

выбираем двухобмоточный дроссель Д274-2,4-0,4. Обмотки дросселя соединяем параллельно. Общая индуктивность равна L_др=1,2 Гн, а допустимый ток подмагничивания 0,8 А;

с) далее после выбора дросселя определяется величина емкости конденсатора

Устанавливаем два конденсатора К50-29-22 мкФ - 450 В, и К50-29-10 мкФ - 340 В соединенные параллельно, с суммарной емкостью 32 мкФ;

д) производится проверка фильтра на отсутствие резонансных явлений, при этом должно быть соблюдено условие:

Проверка фильтра показала, что резонансные явления в нем отсутствуют, следовательно, фильтр работает нормально.

3.      Выбор и расчет схемы силового инвертора

Центральным узлом, определяющим выбор схемных решений других блоков силовой цепи, является регулируемый инвертор. В качестве ключей в автономных инверторах могут служить транзисторы, одно - или двухоперационные тиристоры. При использовании однооперационных тиристоров схему дополняют элементами, обеспечивающими искусственную коммутацию тиристоров. Одним из главных элементов узла искусственной коммутации является конденсатор. Кроме задачи запирания тиристоров, конденсаторы могут формировать кривую выходного напряжения инвертора. В связи с этим различают три группы инверторов: инверторы напряжения, инверторы тока, резонансные инверторы.

Для инвертора напряжения (рис. 4) в качестве источника питания необходим источник напряжения (выпрямитель с конденсаторным выходом для шунтирования источника питания по переменному току). Для возврата реактивной энергии нагрузки в источник питания параллельно ключам устанавливаются обратные диоды. Выходное напряжение инвертора имеет прямоугольную форму.

Рисунок 4 - Инвертор напряжения

К наиболее важным моментам расчета следует отнести определение параметров и выбор типа силового транзистора. Необходимыми параметрами для выбора транзистора являются ток транзистора в открытом состоянии и напряжение, прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии.

Рисунок 5 - Временные диаграммы работы инвертора

электронный трансформатор силовой инвертор

В схеме инвертора, приведенной на рис. 6, напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, определяется напряжением источника питания.

Рисунок 6 - Мостовой инвертор с защитой ключей от перенапряжения и сверхтоков

Это сеть переменного тока с выпрямленным напряжением U_dmax = 379 В

Следовательно, максимальное напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, равно 379 В. Максимальный ток, протекающий через транзистор, определяется выражением:

где 2ΔU_VT = 2 В - падение напряжения на транзисторах инвертора.

Током намагничивания трансформатора можно пренебречь, т.к. он составляет единицы процентов от тока нагрузки, приведенного к первичной обмотке. С учетом коэффициента загрузки, не превышающего 70 % по каждому параметру, выбираем транзистор 2Т847Б с параметрами: U_кэ = 650 В; I_к = 15 А; βmin = 8; U_БЭ = 1,5 В; ΔU_кэ = 1,5 В; t_вкл = 1 мкс; t_выкл = 1,5 мкс; I_к0 = 1,5 mА.

В инверторе, работающем на активно-индуктивную нагрузку, возникает необходимость возврата реактивной энергии нагрузки. Обратные диоды обеспечивают возврат ее в конденсатор входного фильтра и формирование нулевых пауз в выходном напряжении инвертора. Максимальное напряжение, прикладываемое к диодам, определяется напряжением источника питания U_VDобр.max = 379 В, а максимальное значение тока, протекающего по ним, не превышает тока транзистора. Выбираем диод 2Д2990А, имеющий следующие характеристики:_обр = 600 B; Iп = 20 А; f _max = 200 кГц; t _восст = 0,15 мкс.

Инвертор, выполненный на биполярных транзисторах без RCD-цепей, при работе на активно-индуктивную нагрузку имеет большие динамические потери, как при включении, так и при выключении, вследствие того, что по ключам протекает максимальный ток при напряжении на них, равном напряжению источника питания (рис. 7). Для обеспечения нормального теплового режима работы ключей необходимо определить мощность потерь в ключах (транзисторах и обратных диодах). Суммарные потери в транзисторах инвертора при синусоидальной модуляции выходного напряжения складываются из статических и динамических в коллекторной цепи транзистора и потерь в цепи его управления.

Рисунок 7 - Временные зависимости тока и напряжения транзисторов инвертора, работающего на индуктивную нагрузку