Нулевая схема выпрямителя

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

Факультет электронной техники

Кафедра промышленной электроники

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 

 

по курсу:

«Основы преобразовательной техники»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Полурезов. А. А.

Проверил:

Кабышев А.М.

 

 

 

 

Владикавказ 2014

Содержание

 

Приложение..………….………………………………………………………….20

 

 

 

Задание

 

Разработать систему, состоящую из регулятора переменного напряжения однофазного управляемого нулевого выпрямителя.

Напряжение питания: 220В, частота: 50Гц.

Напряжение нагрузки: 500В, тока: 0.1А.

 

 

Введение

 

Выпрями́тель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры. Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором. Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

По виду переключателя выпрямляемого тока:

• механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока;
• механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока;
• с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);
• электронные синхронные (например, транзисторные)  — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией;
• с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);

 

По мощности:

• силовые выпрямители;
• выпрямители сигналов;

 

По степени использования полупериодов переменного напряжения:

• однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну[6];
• двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны;
• неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны;
• полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны;

По схеме выпрямления:

• мостовые, с умножением напряжения,
• трансформаторные, с гальванической развязкой,
• бестрансформаторные и пр.;

По количеству используемых фаз:

однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;

• по типу электронного вентиля — полупроводниковые  диодные, полупроводниковые тиристорные ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и пр.;
• по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные);
• по количеству каналов — одноканальные, многоканальные;
• по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 100 В), средневольтовые (от 100 до 1000 В), высоковольтные (свыше 1000 В);
• по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр.;
• по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые;
• по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные;
• по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые;
• по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой, цифровой);
• по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные;
• по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами;
• по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.

Наиболее важным и распространенным является преобразование переменного тока в постоянный ток. Исторически выпрямители развивались в следующем порядке. 

1.Вращающиеся преобразователи: двигатели - генераторы и одноякорные преобразователи.

2.Ионные (ртутные) преобразователи.

3.Полупроводниковые преобразователи на полупроводниковых диодах.

Промышленные полупроводниковые преобразователи, широкое применение которых началось в конце 50-ых годов, выполнялись на базе германиевых, а позднее кремниевых диодов.  Для регулирования напряжения использовались дроссели насыщения с подмагничиванием постоянным током.

       4.Полупроводниковые преобразователи на управляемых полупроводниковых вентилях.

  Появление тиристоров  резко расширило возможность использования преобразовательных устройств для автономного преобразования постоянного тока в переменный (автономные инверторы) и преобразования частоты (преобразователи частоты).

Параметры преобразовательных устройств весьма различны.  Различны и предъявляемые к ним требования, а также режимы и условия их работы. Выпрямленный ток установок изменяется в широком диапазоне от единиц ампер до сотен тысяч ампер, а выпрямленное напряжение от десятков до сотен тысяч вольт.

  Разнообразны требования  и к режиму регулирования. Так  большая группа установок работает  при нерегулируемом выпрямленном  напряжении. Наряду с этим на других установках требуется не только регулирование напряжения, но и преобразование постоянного тока в переменный ток. Существенен для работы преобразовательных устройств также и характер графика нагрузки – от совершенно ровного (электролиз) до резкого неравномерного (тяга).

Диапазон  параметров  устройств  зависимого  инвертирования  также  как  и  выпрямительных  устройств  очень  обширен:  от  нескольких  ампер  до  десятков  тысяч  ампер,  от  десятков вольт до сотен тысяч вольт.

Диапазон параметров автономных инверторов более скромен. Максимальные токи и напряжения редко превосходят нескольких тысяч ампер и несколько сотен вольт.

При проектировании  преобразовательных  устройств  необходимо  составить  рациональную общую схему со стороны как переменного так и постоянного тока, определить параметры и число рабочих и резервных преобразователей, выбрать коммутационную, защитную  и  контрольную  аппаратуру,  составить  схему  регулирования,  схему  вспомогательных

устройств и собственных нужд. Все перечисленные вопросы должны решатся не изолированно друг от друга, а совместно, преследуя общую цель – создание установки определенного назначения, обеспечивающую максимальную экономичность и нужную для конкретных

условий степень надежности при минимальных затратах. Для правильного решения необходимо принять  во  внимание  ряд  факторов:  особенности  питающей  сети  переменного  тока, график нагрузки, степень требуемой потребителем бесперебойности, особенности заданного режима  работы  преобразователей,  условия  эксплуатации  и,  наконец,  условия  размещения оборудования.

Анализ электромагнитных процессов в преобразовательных устройствах и разработка на этой основе методов расчета схем преобразователей является главным содержанием курса «Основы преобразовательной техники».

Методика расчета  преобразователей  малой  мощности  несколько  отличается  от  методики расчета преобразователей большой мощности, что объясняется специфическими особенностями этих устройств, но электромагнитные явления в них имеют один и тоже характер. Анализ электромагнитных процессов производится на основе метода анализа нелинейных и в большинстве случаев линейных электрических цепей.

В настоящее время широко применяются преобразователи с регулированием и стабилизацией напряжения, тока, частоты. При этом регулирование и стабилизация режима питания предполагает наличие устройств автоматически поддерживающих заданную величину тока, напряжения или частоты при изменении внешних условий. В преобразовательных устройствах предусматривается средства выполняющие вспомогательные операции: пуск, защиту, коммутацию и т.д.

Существующие типы преобразователей электрического тока (напряжения) могут быть представлены в виде двух структурных схем, показанных на рисунках 1 и 2.

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема с замкнутой системой преобразования переменного напряжения в постоянное.

 

 

Рисунок 2 – Структурная схема замкнутой системы преобразования постоянного напряжения в переменное

 

На  рисунке 1  изображена  замкнутая  система  преобразования  и  автоматического  регулирования постоянного напряжения. В этой системе в напряжение источника переменного напряжения (ИПрН)  с  помощью  выпрямителя (В)  преобразуется  в  пульсирующее  напряжение  одного  знака,  которое  потом  сглаживается  фильтром (Ф)  до  приемлемого  для  нагрузки (Н) уровня. Цепь обратной связи (ОС), состоящая из автоматического регулятора (АР) и системы управления (СУ) может осуществлять либо стабилизацию, либо автоматическое регулирование напряжения  на  нагрузке  согласно  программе,  которая  заложена  в  программное устройство (ПУ). Для ограничения токов КЗ при аварийных режимах работы выпрямителя предусмотрен блок токовой отсечки (БТО) который через систему управления ограничивает ток до безопасного уровня.

На  рисунке 2 представлена  замкнутая  система  преобразования  и  автоматического  регулирования переменного напряжения. Система осуществляет преобразование постоянного напряжения от источника (ИПсН) с помощью инвертора (И) в переменное напряжение, которое через промежуточное устройство (ПУ) подводится к нагрузке. ПУ согласует инвертор с нагрузкой. Оно включает в себя фильтры по переменному току, компенсаторы, а также элементы обеспечивающие устойчивую работу инвертора  при изменении нагрузки, выходной частоты и напряжения.

  Обратная связь осуществляется  автоматическим регулятором АР и системой управления СУ, в которую  входит генератор управляющих импульсов, преобразователь фаз и генератор  задающей  частоты.  В  схеме  также  имеется  система  аварийного  отключения  САО,  с помощью которой производится отключение инвертора при аварийных режимах работы.

На основе описанных структурных схем могут быть построены системы преобразования электрического тока без цепей обратной связи (например, разомкнутая система преобразования и регулирования постоянного напряжения, представленная на рисунке 3, где С - стабилизатор). А также более сложные преобразователи, осуществляющие преобразование постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, преобразование переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты.

 

 

 

 

Рисунок 3 – Структурная схема разомкнутой системы преобразования переменного напряжения в постоянное, где ИПН – источник переменного напряжения; В – выпрямитель; СФ – сглаживающий фильтр; С – стабилитрон; Н - нагрузка 

В курсе “Основы преобразовательной техники” основное внимание уделяется анализу электромагнитных процессов таких устройств как выпрямители, регуляторы, электрические фильтры, стабилизаторы, инверторы и другие. Системы электропитания в целом, как замкнутые или разомкнутые системы автоматического регулирования рассматриваются в другом курсе.

Разработка новых полупроводниковых преобразователей во многом определяется успехами в развитии полупроводниковых приборов. В современных условиях развитие полупроводниковых приборов складывается в основном из двух направлений:

а)совершенствование технологических способов изготовления приборов с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных показателей;

б)разработка принципиально новых приборов.

Особое внимание уделяется разработке и совершенствованию мощных приборов, работающих как переключатели электрического тока (тиристоры, силовые транзисторы, запираемые тиристоры). Такие приборы при незначительных потерях могут управлять огромными

мощностями, подводимыми к нагрузке, что открывает широкие перспективы для их применения в различных областях техники, где требуется высокоэффективное регулирование режимов работы потребителя.

Силовые полупроводниковые преобразовательные устройства выпускаются на малые, средние и большие мощности, поэтому они используются для электролиза на химических и алюминиевых предприятиях, для тяговых подстанций, для электрифицированного железнодорожного транспорта, для регулируемого электрического привода, для питания различного рода подъёмников, лифтов, в бортовых системах электропитания различного назначения и т.д.

Среди разнообразных требований, предъявляемых к преобразователям, общими являются обеспечение максимального коэффициента полезного действия и коэффициента мощности отдельных узлов и элементов, а также максимальной надёжности и устойчивости. Полупроводниковые  преобразующие устройства наиболее качественно удовлетворяют  перечисленным  требованиям.  Они отличаются малыми габаритами и весом, потребляют очень малую мощность управления, их коэффициент усиления превышает 100000. Они почти безынерционны. Отсутствие подвижных частей, возможная универсальность создания отдельных блоков преобразователей открыли  широкую возможность их применения.

Структурная схема выпрямителя с фильтром и стабилизатором приведена на рисунке 3.

Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

 

Описание принципиальной схемы

 

Аналоговая система управления работает так: когда открывается транзистор VT1(а открывается он, когда пила, создаваемое конденсатором С1, сравнивается с напряжением на компараторе), от источника питания 5В, через светодиоды потечет, т.е. светодиоды будут гореть, а раз они будут гореть, то включатся либо первый, либо второй тиристорный оптрон. Напряжение на нагрузке регулируется управляемым резистором R6.

Цифровая схема: напряжение на нагрузке регулируется уже кнопкой SB1. При удерживании SB1, меняется напряжение на нагрузке. На выходе компаратора DA2 формируются квадратные импульсы, величина интервала «нуля» которого задается резистором R9 (подстроечным). Когда низкий уровень – транзистор VT3 закрыт, именно тогда синусоида питающего напряжения прошла через «ноль». Микроконтроллер должен «увидеть» момент, когда закрыт транзистор, и отправить +5В на диоды. В этот момент необходимо начать увеличивать содержимое регистра. А когда кнопку отпустили, прекратить запись. Далее проверяется уровень напряжения на RA1, если VT3 закрыт, это значит, что синусоида прошла через «ноль» и с той же частотой, что мы заполняли регистр, теперь его надо уменьшать. И как только в нем получился «ноль», надо подать +5В с порта RB0, т.е. открылись тиристоры регулятора.

 Когда синусоида проходит через «ноль» закрывается транзистор VT3, система увидела это и формирует задержку. А задержка – пока не уменьшится до «нуля» содержимое регистра. Отсчитался этот регистр до «нуля» и открыли транзистор VT4. Т.е. мы открыли один из тиристоров. Потом снова пройдет синусоида через «ноль», закрылся транзистор VT3 и снова будет пауза (величина паузы зависит от регистра, в который с запасного регистра скидывается предыдущее значение, которое увеличивается при нажатии и «отпущении» кнопки). Сформировали импульс, открылся транзистор VT4. Включился какой-то из тиристоров, и т.д.

 

 

3. Расчетная часть

 

E1= 220В, f=50Гц.

Id = 0,1А

Ud = 500В

IdVD = = = 0,05А

IdVD max =А

Uобр max = В

 

E1 = В

n =

I2 = =0,078A 

I1 = 1.11*n* Id = 0,28А

ST = 1,48*Id* Ud = 74Вт

 

 

 

 

          Программа для PIC контроллера

 

                org         0                         

               bsf         STATUS,5         

                movlw       b'00011111'

                movwf       TRISA

                clrf        TRISB

                            bcf         STATUS,5          

                            clrf        PORTB                

                movlw       b'00000000'     

                MOVF     AAA  

                MOVF    BBB  

           m1            btfss       PORTA,0           

                goto       m1

           m11        btfsc       PORTA,0          

                goto       m11   

 m2          btfss       PORTA,1         

                goto        m2

    MOVWF  AAA  

    incf  AAA,F 

                movf        AAA     

    MOVWF  AAA  

    MOVF  BBB  

    movwf       BBB  

nuLLb    decfsz      BBB, F  

                goto PauseStart  

              movlw       B'00000001' 

              movwf       PORTB 

   call  Pause  

               clrf        PORTB   

               goto        m1  

PauseStart

                   call  Pause    

               goto  nuLLb  

Pause   movlw       .188  

              movwf       Reg_1

              movlw       .69

             movwf       Reg_2

              movlw       .2

           movwf       Reg_3

wr        decfsz      Reg_1, F

             goto        wr

             decfsz      Reg_2, F

             goto        wr

             decfsz      Reg_3, F

             goto        wr

              return

           end                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1.Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам. - М.: Радио, 2005.-208с.

2.Горбачёв Г.Н. Промышленная электроника: учебник для вузов. – М: Энергоатомиздат, 1988.-320с.

3.Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов. – М: Высшая школа, 1982.-496с.