Курсовая работа (т): Зависимый преобразователь переменного напряжения в постоянное

Для автомата на постоянном токе:

Iном = Id max = 100 (A);ном = Ud = 300 (B).

По справочнику (5) выбираем автоматический выключатель А3120Р с параметрами:ном = 100 (А);ном = 300 (В) , комбинированный расцепитель;= 800 (A) - уставка по току срабатывания.

Для автомата на переменном токе:

Iном = I1 = 95,718 (A);ном = Uвх = 380 (B)

По справочнику (5) выбираем автоматический выключатель А3115Р с параметрами:ном = 100 (А);ном = 380 (В) , комбинированный расцепитель;= 400 (A) - уставка по току срабатывания.

Автоматические выключатели серии 3100Р рассчитаны на переменный ток 50 Гц напряжением до 500 В и на постоянный ток напряжением до 220 В. Они обеспечивают уверенное размыкание силовой цепи при токах короткого замыкания больших или равных току уставки за 0,04 с.

Для защиты вентилей от перенапряжений используют RC - цепи, включаемые параллельно с вентилями. Параметры RC - цепи выбирают исходя из максимального прямого тока вентиля Iпр max , максимального обратного напряжения Uобр max и максимального обратного тока Iобр max по следующим формулам:

(пФ);

(кОм), где

Uк - напряжение короткого замыкания трансформатора в относительных единицах;

ω = 2πf = 2·3.14·50 = 314 рад/с - угловая частота питающей сети.

.5 Расчёт параметров выходного фильтра

Сглаживающие входные фильтры применяют для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для сглаживания пульсаций до уровня, требуемого по условиям эксплуатации в устройствах, питаемых данным выпрямителем. Эффективность фильтра оценивается коэффициентом сглаживания основной гармоники, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра:

, где

 - коэффициент пульсаций на входе фильтра;= 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения питания;вых = 0.0125 (5% от kn вх);

.

Используем в проекте простой однозвенный Г - образный LC - фильтр. Рассчитаем его параметры для kcг = 20. Индуктивность фильтра выбирается из соотношения:

 мГн, где

Ом.

Примем ld = 100 мГн, тогда ёмкость фильтра:

 мкФ, где

ф = λ·kсг ≈ kсг = 20 - коэффициент фильтрации.

5. Разработка принципиальной схемы системы управления (СУ).

.1 Расчет диапазона регулирования угла управления тиристором

Расчет минимальных углов управления при ΔUвх=(+10÷-5) (%):

Расчет максимальных углов управления при ΔUвх=(+10÷-5) (%)

Таким образом полный диапазон изменения угла регулирования  при сохранении  в заданном диапазоне (300…90) (В) составит

Расчет цены деления  при его задании в виде двоичного кода градус/бит:

 (градус/бит)

.2 Функциональная схема и принцип работы СУ

Система управления предназначена для формирования управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры. Для управления несимметричным мостовым трёхфазным выпрямителем будем использовать одноканальную синхронную СУ, функциональная схема которой представлена на рис. 5.

Ny

ФСУ

Рис. 5. Функциональная схема СУ

Схема управления состоит из следующих блоков:

ГВЧ - генератор импульсов высокой частоты;

ФСУ - фазосдвигающее устройство, состоит из счётчика С и компаратора К;

ФИ - формирователь импульсов;

УС - устройство синхронизации;

РИ - распределитель импульсов;

УИ1-3 - усилители импульсов.

Работа схемы управления заключается в следующем. Устройство синхронизации формирует синхронизирующие импульсы в момент времени равенства двух фазных напряжений. Генератор импульсов высокой частоты формирует импульсы с частотой в 28 =256 раз большей, чем частота синхроимпульсов. Эти импульсы поступают на счётчик, где производится их подсчёт. С приходом каждого синхроимпульса показания синхросчётчика сбрасываются. На входе счётчика формируется 8 - разрядный двоичный код с кодом управления Ny. В момент совпадения двух кодов на выходе компаратора формируется короткий импульс. Этот импульс запускает формирователь импульсов, который в свою очередь вырабатывает импульс длительностью 50 мкс, достаточный для отпирания тиристора. Чтобы каждый тиристор открывался в нужное время используется распределитель импульсов, также управляемый устройством синхронизации. Усилители импульсов усиливают управляющие импульсы до мощности, необходимой для надёжного отпирания тиристоров. Для питания системы управления используется специальный стабилизированный блок питания, который не изображён на функциональной схеме (рис.5).

.3 Принципиальная схема СУ

Принципиальная схема системы управления реализована на цифровых микросхемах ТТЛ серий 155 и 555, а также операционных усилителях К140УД8А, транзисторах КТ315Б, КТ815А. Генератор импульсов высокой частоты собран на логических элементах И-НЕ DD1.1, DD1.2, DD1.3 микросхемы К155ЛА3. Восьмиразрядный счётчик составлен из двух четырёхразрядных счётчиков DD4, DD5 на К155ИЕ7, включённых последовательно. По такому же принципу из двух четырёхразрядных компараторов DD6, DD7 на К555СП1 составлен восьмиразрядный компаратор. На второй вход компаратора подаётся код управления Ny, который может быть создан с помощью восьми переключателей, на первый вход подаётся выходной код от счётчиков. В качестве формирователя импульсов используется одновибратор К155АГ3 (DD3.2). Устройство синхронизации собрано на операционных усилителях DA1 - DA3 К140УД8А и одновибраторах DD2.2, DD2.1, DD3.1 типа К155АГ3. Операционные усилители в данной схеме используются как аналоговые компараторы. Например операционный усилитель DA1 сравнивает фазные напряжения Ua и Uc . Когда Ua> Uc напряжение на его выходе положительное, когда Ua< Uc - отрицательное. Стабилитрон VD10 КС139А ограничивает выходное напряжение операционного усилителя до уровня, допустимого для входов ТТЛ - микросхем. Положительный перепад этого напряжения соответствует углу управления α=0 для тиристора VS1. В этот момент одновибратор DD2.1 формирует синхроимпульс длительностью 1мкс для тиристора VS1. Аналогично два других одновибратора формируют синхроимпульсы для тиристоров VS2, VS3. Полученные импульсы складываются элементом ИЛИ-НЕ DD8.1 и через инвертор DD1.4 идут на вход сброса восьмиразрядного счётчика. Кроме того импульсы на выходах одновибраторов запоминаются в регистре DD10 и затем используются для работы распределителя импульсов. Распределитель импульсов собран на логических элементах И DD9.2, DD9.3, DD9.4. С его выхода импульсы через усилители импульсов, собранные на транзисторах VT1 - VT6 и импульсные трансформаторы Т3 - Т6 поступают на управляющие электроды тиристоров..

.4 Расчёт и выбор элементов схемы СУ

Расчёт генератора импульсов высокой частоты.

Частота импульсов ГВЧ:гвч = 2Nf3 = 28·50·3=38400 (Гц), где= 8 - количество разрядов;= 50 Гц - частота сети переменного тока.

Частота генерации схемы, собранной на элементах D1.1 - D1.3:

 (Ф) ,где= 560 (Ом), принимаем С7 = 0,047(мкФ).

Расчёт и выбор элементов устройства синхронизации.

Устройство синхронизации состоит из трёх идентичных каналов. Рассчитаем один из них, собранный на микросхемах DA1 и DD2.1.

Максимальная амплитуда напряжения вторичной обмотки силового трансформатора:

.

Делитель напряжения R1R2 рассчитаем так, чтобы амплитуда напряжения на входе DA1 не превышала половины допустимого дифференциального напряжения Uдиф max = 6 B.

Условие выбора элементов делителя:

, при R2 =100 (кОм) получим

 (МОм), примем R1 = 17 (МОм).

Конденсатор С1 выбираем из условия XC1 << R1 + R2 , при этом погрешность не должна превышать 0.5 электрических градусов:

, где

, откуда

 (мкФ), принимаем

С1 = 1 (мкФ).

Цепочка С2R3R4 точно такая же как и рассчитанная выше С1R1R2, поэтому С2 = С1 = 1 (мкФ), R1 = R3 = 17 (МОм), R2 = R4 = 100 (кОм).

Стабилитрон VD1 должен ограничивать выходное напряжение DA1 до уровня логической единицы. Для микросхем ТТЛ напряжение высокого уровня должно быть не менее 2.4 (В) и не более 5.5 (В). Этим условиям удовлетворяет стабилитрон КС139А с параметрами:т =3.9 (В), Iст = 5 (мА).

Напряжение на резисторе R5:= Uвых DA1 max - Ucт = 10 - 3.9 = 6.1 (В), гдевых DA1 max =10 (В) - максимальное выходное напряжение ОУ,

Тогда

 (Ом), где

вх DA1 max = 0,04 мА - максимальный входной ток высокого уровня, принимаем R5 = 1,2 (кОм).

Для длины импульса, формируемого микросхемой DD2.1 равной 1 мкс пользуясь графиком приведенным в справочнике 9 на рис 1.138д подбираем номиналы времязадающей цепи: С8=240 (пФ) , R29=10 (кОм).

Для гальванической развязки СУ с сетью выпрямителя примем согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации равной 1.

Рис.6 Согласующий трансформатор.

Выбор элементов формирователя импульсов

Длина импульсов управления тиристорами принимается τу = 50 (мкс). Для микросхемы К155АГ3 длина импульса при Сτ > 1000 (пФ) рассчитывается по формуле:

τвых = 0.28·Rτ·Cτ·(1+0.7/Rτ), отсюда

, примем R27 = 100 (кОм), тогда

 (пФ), принимаем

С11 = 1800 (пФ).

Выбор и расчёт элементов усилителей мощности импульсов.

Поскольку все усилители импульсов одинаковы, рассчитаем один из них, собранный на транзисторах VT1, VT2, управляющий тиристором VS1. Ток коллектора транзистора VT2 в открытом состоянии равен току управления тиристора:VT2 = Iy = 150 (мА), а напряжение Ukэ = Uпит =15 (В).

По этим данным выбираем низкочастотный мощный n-p-n транзистор КТ815А с параметрами:

-Ik max = 1.5 (A);

Ukэ max = 25 (B);

-Ukэ нас =0.6 (В);

Uбэ нас = 1.2 (В);

h21 э = 40 - коэффициент усиления по току;

-Uбэ max = 5 (B);

-Pk max =10 (Вт).

Ток базы VT2:

 (мА).

 (Ом), примем R30 = 3,6 (кОм).

Когда транзистор VT1 открыт, его коллекторный ток равен:

 (мА).

В качестве VT1 выбираем высокочастотный маломощный транзистор КТ315Б с параметрами: -Ik max = 100 (мА);

Ukэ max = 25 (В);

Ukэ нас = 0.4 (В);

Uбэ нас = 1.2 (В);

h21 э = 100;

Uбэ max = 6 (В).

Ток базы VT1:

 (мкА).

Ток через резистор IR28 = 200 (мкА);

Напряжение на нём: UR28 = Uвых DD9.2 - Uбэ нас VT1= 5 - 1.2 =3.8 (B), гдевых DD9.2 = 5(В) - номинальное выходное напряжение высокого уровня.

Отсюда найдем.  (кОм) , примем R28 =18 (кОм).

Ток через резистор R29:= IR28 - Iб VT1= 200 - 40 =160 (мкА).

 (Ом), примем R29 = 7.5 (кОм).

Напряжение импульса на вторичной обмотке импульсного трансформатора Т1:T1 = kU1 T1 = k(Uпит - Uкэ нас VT2) = 1(15 - 0.6) = 14.4 (B), где- коэффициент передачи импульсного трансформатора.

Тогда UR37 = U2 T1 - Uy VS1 = 14.4 - 12 = 2.4 (B).

 (Ом), принимаем R37 = 16 (Ом).

Мощность, рассеиваемая на резисторе:

 (Вт).

Используем в качестве R37 резистор типа МЛТ-1; ограничительные резисторы R23, R24, R25 принимаем типа МЛТ-0.125-3 (кОм); R17, R18, R19, R26, R40 принимаем типа МЛТ-0.125-1.5 (кОм).

Выбираем согласующий трансформатор, коэффициент трансформации которого равен 1.

Рис.7 Согласующий трансформатор

Требования к блоку питания системы управления.

Для надёжной работы схеме необходим стабилизированный источник питания, вырабатывающий постоянные напряжения: 5В, ±15В. Он может быть реализован на интегральных стабилизаторах напряжения серии КР142ЕН.

Токи потребляемые схемой.

На напряжение 15В: I15 = 3IDA1+3IkVT2+3IR30 = 3·5+3·150+3·7.75=487 (мА);

На напряжение -15В: I-15 = 3IDA1 = 3·5=15 (мА);

На напряжение 5В: .

Токи, потребляемые микросхемами:

IDD1 = IDD9 = 22 (мА);= IDD3 = 66 (мА);= IDD5 = 102 (мА);= IDD7 = 20 (мА);= 26 (мА);= 63 (мА);= 509 (мА).

Потребляемые мощности соответственно:= I15·15=487·15=7.305 (Вт);= I-15·15=15·15=0.225 (Вт);= I5·5=509·5=2.545 (Вт).

Общая мощность, потребляемая схемой управления:=P15+P-15+P5=7.305+0.225+2.545=10.075 (Вт).

Рис. 8 Временные диаграммы

6. Спецификация элементов