Министерство образования Украины
Донбасская государственная машиностроительнаяакадемия
Кафедра автоматизациипроизводственных процессов
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА»
тема: «Расчет управляемоговыпрямителя и СИФУ»
Выполнил студент
гр. АПП-98-1 А. Ткаченко
Руководитель доцент С. Сус
2000
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Вариант 2-19
а) силовая схемавыпрямителя:
номер рисунка: 1.1.б;
напряжение питания:Uc=127 В;
напряжение на нагрузке:Ucp=80 В;
ток нагрузки: Icp=40 А;
глубина регулирования:Д=10;
б) СИФУ:
номер рисунка: 1.10;
напряжение питания:Uc=220В;
напряжение управления:Uу=0..10В;
в)схема источника питания:
номер рисунка: -;
напряжение питания: -;
выходное напряжение:Eк=20В;
ток нагрузки: Iн=0.2А;
коэффициент стабилизации:Kст=50;
2ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОРАБОТКИ
а) расчет силовой части;
б) моделирование и расчетСИФУ;
в) моделирование частисхемы;
РЕФЕРАТ
Курсовая работа содержит21 страницу, 9 иллюстраций, 1 приложение и 2 чертежа — схема управляемоговыпрямителя в сборе, функциональная схема с характеристиками, 4 источника.
Цель курсовой работы –расчет управляемого выпрямителя по схеме с нулевым диодом, СИФУ (в данномслучае — системы амплитудно-импульсного управления), источника питания, которыйвключен в схему СИФУ.
В курсовом проектеприводится описание схемы управляемого выпрямителя, обоснование выбораэлементов, разработана защита устройства от аварийных режимов, при расчетеучитывалось колебание величины питающего напряжения, для устранениянесинусоидальных сигналов на входе выпрямителя предусмотрен нулевой вентиль.
Разработанныйвыпрямитель может использоватьсядля питания двигателей постоянного тока и управления скоростью их вращения,зарядки аккумуляторов, в сварочных аппаратах, электроаппаратуре.
Схема рассчитанноговыпрямителя имеет следующие достоинства: относительная простота, использованиеодной СИФУ, малое количество элементов, простота в управлении, наладке исборке. К недостаткам можно отнести большой коэффициент пульсации и в следствиеэтого необходимость применения в некоторых случаях дополнительно стабилизатора.
Сделан подробныйрасчет схем выпрямителей, стабилизатора, триггера Шмидта, являющихся элементамиСИФУ, что позволяет в случае необходимости модифицировать схему, включив в нееустройства, выполняющие функции указанных, но по некоторым причинам являющиесяболее предпочтительными.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Расчет схемы управляемоговыпрямителя
1.1 Выбор схемы и расчет основныхпараметров выпрямителя
1.2 Основные параметры выпрямителя вуправляемом режиме
1.3 Выбор элементов управляемоговыпрямителя
1.4 Расчет регулировочнойхарактеристики управляемого выпрямителя
1.5 Выбор защиты тиристоров отперегрузок по току и напряжению
2. Проектирование СИФУ
2.1 Расчет параметров пусковыхимпульсов
2.2 Расчет цепи управлениятиристорами
2.3 Расчет элементов триггера Шмидта
2.4 Расчет стабилизатора напряжения,выпрямителей
2.4.1 Расчет источника питания
2.4.2 Расчет выпрямителя по схеме снулевым выводом
2.5 Расчет элементов схемы импульсногоусилителя
3. Моделирование выпрямителя
Выводы
Приложение А Перечень элементовуправляемого выпрямителя и СИФУ
Список литературы
/>ВВЕДЕНИЕ
В настоящее системыпреобразования переменного синусоидального напряжения и тока в постоянныепрактически полностью представлены полупроводниковыми выпрямителями. Оченьчасто также необходимо регулировать величину полученного постоянногонапряжения. Экономически выгодно снабдить выпрямитель системой импульсно-фазовогоуправления в силу относительной ее дешевизны, высокого КПД и компактности.
В данной курсовой работерассматривался двухполупериодный управляемый выпрямитель. Его назначение –преобразование напряжения, изменяющегося по синусоидальному закону впульсирующее. Данный выпрямитель состоит из следующих составных частей:трансформатор – для преобразования напряжения питания в требуемое по величине;блок вентилей, изменяющих форму напряжения в требуемую; нулевой диод,устраняющий отрицательные выбросы напряжения на нагрузке.
Используемый выпрямительпостроен на управляемых вентилях (тиристорах), для управления которымииспользуется система аплитудно-фазового управления. Ее задача – подать науправляющие электроды тиристоров прямоугольные импульсы с требуемым сдвигом пофазе относительно самостоятельного включения вентиля.
/>1. РАСЧЕТ СХЕМЫ УПРАВЛЯЕМОГОВЫПРЯМИТЕЛЯ
/>
1.1 Выбор схемы ирасчет основных параметров выпрямителя
В соответствии с заданиемпринимаем схему выпрямителя с нулевым диодом.
/>
Рисунок 1.1 — Управляемыйвыпрямитель с нулевым диодом
В начале расчет проводимв неуправляемом режиме, т.е. при />. Таккак напряжение сети может колебаться в пределах />,определим величины выпрямленных напряжений на нагрузке:
/>,
где />выпрямленное напряжение нанагрузке при нормальном напряжении сети;
/> выпрямленное напряжение приповышенном напряжении сети.
Из [5] определяем:
/>— максимальное обратное напряжение натиристорах;
/>— среднее значение тока тиристора.
Определяем активноесопротивление фазы трансформатора:
/>,
где />
/> — коэффициент, зависящий от схемывыпрямления
B — магнитная индукция вмагнитопроводе
S — число стержнеймагнитопровода для трансформаторов
Определяем индуктивностьрассеяния обмоток трансформатора:
/>,
где />.
Определяем напряжениехолостого хода с учетом сопротивления фазы трансформатора /> и падения напряжения надросселе />:
/>
где />— число пульсаций в кривойвыпрямленного напряжения за период сети.
/>— падение напряжения на тиристорах;
/>— падение напряжения на дросселях;
/>.
Напряжение на вторичныхобмотках трансформатора />.
Действительный токвторичной обмотки />.
Коэффициент трансформациидля обмоток «треугольник-треугольник»
/>
Типовая мощностьтрансформатора:
/>
Определяем уголкоммутации:
/>.
Определяем минимальнодопустимую индуктивность дросселя фильтра:
/>.
Внутреннее сопротивлениевыпрямителя:
/>.
КПД выпрямителя:
/>
/>— коэффициент полезного действиятрансформатора;
/>— потери мощности на выпрямительныхдиодах;
N — число тиристоров всхеме. N=1, поскольку в каждый момент времени работает 1 тиристор.
/>
1.2 Основные параметрывыпрямителя в управляемом режиме
Определяем максимальный иминимальный углы регулирования:
/>
Минимальный имаксимальный углы проводимости тиристоров:
/>
Минимальное напряжение нанагрузке />
Ток в тиристоре />
Ток в нагрузке />
Максимальный ток черездиод />
/>1.3 Выбор элементов управляемоговыпрямителя
Тиристоры выбираем по
/>:
тиристор Т222-20-12 итиповой охладитель М-6А.
Для нулевого вентиля:
/> - диод ВЛ50 с типовым охладителемМ-6А./>/>
1.4 Расчетрегулировочной характеристики управляемого выпрямителя
Общая расчетная формуладля всего семейства нагрузочных характеристик:
/>
/>
Рисунок 1.2 —Регулировочная характеристика выпрямителя/>/>
1.5 Выбор защитытиристоров от перегрузок по току и напряжению
Для защиты тиристоров отперегрузок применяем плавкий быстродействующий предохранитель. Достаточнопоставить предохранитель в цепи нагрузки.
Ток плавкой вставки: />
Выбираем плавкую вставкуПНБ-5-380/100.
Для ослабленияперенапряжения используем /> -цепочки, которые включаются параллельно тиристору. Такая цепочка совместно синдуктивностями цепи коммутации образует последовательный колебательный контур.Конденсатор ограничивает перенапряжения, а резистор — ток разряда этогоконденсатора при отпирании и предотвращает колебания в последовательномконтуре. Параметры цепочек определим по следующим соотношениям:
/>
Величина напряжения наконденсаторе />ток разрядаконтура
/>
Rдv1 – динамическоесопротивление открытого тиристора.
Мощность рассеяния нарезисторе />
По справочнику выбираемконденсаторы C2, С3 – MБM-5.6мкФ-320В/>,резисторы R2, R3 – ПЭВ-100-100-/>
/>
Рисунок 1.3 — Схемауправляемого выпрямителя с защитой
/>2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИФУ
/>
2.1 Расчет параметровпусковых импульсов
Определяем требуемуюдлительность импульса управления />, исходяиз знания угла коммутации />,определенного при расчете силовых схем:
/>
Принималось во внимание,что 1 электрический градус примерно равен 56мкс.
Для тиристоров Т222-20-12определяем токи и напряжения управления:
/>
/>Напряжение управления:/>.
2.2 Расчет цепиуправления тиристорами
/>
Рисунок 2.1 — Схемавходной цепи тиристора
Находим внутреннесопротивление управляющего перехода тиристора
/>’:/>
Находим величину,сопротивления:
/>
Определяем мощностьрассеяния на резисторе Ro и выбираем по каталогу: /> РезисторМЛТ-0.7-33/>
Определим выноснуюмощность импульсного усилителя:
/>
Диод выбираем по токууправления и обратному напряжению – в данном случае напряжению управления –2Д201Б с допустимым прямым током 5(А) и обратным напряжением 100(В).
/>2.3 Расчет элементов триггера Шмидта
/>
Рисунок 2.2 — ТриггерШмидта
Примем /> тогда амплитуда выходныхимпульсов /> Период следованияимпульсов запуска /> Минимальнаядлительность запускающих импульсов />
Максимальная длительностьвыходного импульса порогового устройства />
Выбираем транзисторы VT4и VT5 из условия /> которомуудовлетворяют транзисторы типа КТ817, с параметрами:
/>
Ток насыщения />
Резистор /> мощность рассеяния нарезисторе R5 /> Выбираемрезистор МЛТ-0,8-510/>
Величина R4:
/> Мощность рассеяния на резисторе R4:
/> Принимаем резистор ПЭВ-2.4Вт -1.5кОм/>
/>
Принимаем резисторМЛТ-0.25-1.2 кОм/>.
Находим сопротивление R3:
/>/>
Мощность на резисторе />
Выбираем сопротивлениетипа МЛТ-0.62-360/>.
/>Диод Vd8 выбираем по току I=0,04(A);Uобр=20(В) Выбираем диод КД103А
2.4 Расчет стабилизатора напряжения,выпрямителей
/>
Рисунок 2.3 — Стабилизатор напряжения, выпрямитель с нулевым выводом
2.4.1 Расчет источникапитания
Находим />
/>
/>
По этим параметрамвыбираем диоды типа VD5, VD6 — КД105А
Сопротивление резистораR2 определяется в результате наладки.
Суммарный ток нагрузкиисточника питания – 0,2(А).
Определим минимальнодопустимое входное напряжение стабилизатора:
/>
Номинальное имаксимальное значения напряжения на входе стабилизатора при колебании сети на+10%:
/>
максимальное падение нарегулирующем транзисторе:
/>
Максимальная мощностьрассеяния на транзисторе VT2:
/>
Выбираем регулирующийтранзистор П214 с параметрами:
/>
Выбираем стабилитрон2C220Ж.
Определяем величинусопротивления R1
/>
Определяем мощностьрассеяния:
/>
Выбираем сопротивлениетипа МЛТ-0,15Вт-680Ом/>
Величина выходнойемкости:
/>
Принимаем С2К5016-20В-150 мкФ/>
2.4.2 Расчетвыпрямителя по схеме с нулевым выводом
Величина выпрямленногонапряжения />
Определяем анодный ток иобратное напряжение для диодов VD1..VD4:
/>
Определяем параметрысилового трансформатора:
/>
Находим коэффициенттрансформации трансформатора:
/>
Ток первичной обмоткитрансформатора />
Выбираем диоды типаКД105А
По мощности выбираемтрансформатор ТПП
2.5 Расчет параметровэлементов схемы импульсного усилителя/>/>
/>
Рисунок 2.4 — Схемаипульсного усилителя
При подаче напряжения наконденсатор динистор Vs1 закрыт, следовательно, максимальное напряжение наконденсаторе — />
Транзистор VT4 выбираемпо напряжению коллектор-эмиттер, большему чем напряжение питания, и токуэмиттера, большему тока питания. Этим условиям удовлетворяет транзистор КТ814Бс параметрами Uкэ=40(В), Uбэ=5(В), Ik=1.5(A).
Емкость конденсатораопределяем из соотношения:
/>
Отсюда выбираемКонденсатор типа К5016-20В-56мкФ/>
Зададимcя током базы в10(мА), примем Um =6 (B), тогда /> мощностьрезистора – />(Вт), выбираем резистортипа МЛТ-0,25Вт-680Ом/>
Определим параметрытрансформатора:
/>; />
Выбираем импульсныйтрансформатор на ферритовом кольце типа К20х10х1500 из феррита марки 1500Нм.Параметры ферритового кольца:
Начальная магнитнаяпроницаемость – Mg=1500 Гн/м.
Фазная длина магнитнойлинии lc=43.55 нм.
Площадь поперечногосечения Sc=22.02 />
Находим индуктивностьнамагничивания сердечника трансформатора:
/>
где /> — ток намагничиваниясердечника трансформатора.
Находим количество витковпервичной и вторичной обмоток трансформатора:
/>витков.
/>.
Выбираем динистор КН102Ас параметрами: />
Транзистор регулирующегоблока принимаем по напряжению и току источника питания КТ102А.
Резистор R10 определим изсоотношения:
/>,
задавшись токомколлектора /> получим:
/>
Определим мощностьрассеяния на резисторе R10:
/>
Выбираем резисторМЛТ-1Вт-22Ом/>
Максимальное напряжениена транзисторе VT5 – 10(B), поскольку />то/>. Задавшись током базы в 10(мА), получим
/>
определим мощностьрассеяния: /> Выбираем резистор R9 типаМЛТ-0.125 на 510 (Ом).
Зададимся токомуправления в 0,05(А), тогда
/>
Принимаем Rэ=220(Ом).Мощность рассеяния на сопротивлении: /> ВыбираемR7 типа СПОЕ на 220 (Ом)
/>
3.Моделирование выпрямителя
Для моделирования схемыблока питания СИФУ использовалась программа Electronics Workbench ProfessionalEdition v5.12.
/>
Рис 3.1 — Схема модели
Поскольку моделировантолько выпрямитель, тиристоры заменены диодами. Использован источниксинусоидального переменного напряжения действующим значением 127(В) Из-заособенностей программы моделирования был использован трансформатор скоэффициентом передачи, равным единице. В результате получены осциллогрраммы,снятые с индуктивности и сопротивления:
/>
Рисунок 3.2 Осциллограммынапряжения на резисторе и индуктивности.
/>ВЫВОДЫ
В силу рассмотренныхпреимуществ данная схема СИФУ и выпрямителя является предпочтительной длявыпрямления однофазного синусоидального тока и напряжения. Напряжение на выходеобладает высоким коэффициентом пульсации, поэтому необходимо так же в некоторыхслучаях использовать дополнительно стабилизатор. От этого недостатка избавленытрехфазные выпрямители, но они состоят из значительно большего количестваэлементов и более сложны. Таким образом, данная система дает хорошие результатыпри небольших затратах. В быту трехфазное напряжение часто недоступно, это вомногом определяет область применения устройства.
ПРИЛОЖЕНИЕ АФормат Зона Позиция Обозначение Наименование Кол. Примеча ние FU1,FU2 ПНБ-5-380/100 1 R1
МЛТ 0,15Вт-680Ом/> 1 R10
МЛТ 1Вт-22Ом/> 1 R11,R14
МЛТ 0.7Вт-33Ом/> 2 R12, R13
ПЭВ 100Вт-100Ом-/> 1 R3
МЛТ 0.62Вт-360Ом/> 1 R4
ПЭВ 2.4Вт -0.5кОм/> 1 R5
МЛТ 0,8Вт-510 Ом-/> 1 R6
МЛТ 0.25Вт-1.2 кОм/> 1 R7 СПОЕ 0.6Вт-220Ом 1 R8
МЛТ 0,25Вт-680Ом/> 1 R9
МЛТ 0.125Вт-510Ом/> 1 TV1 ТПП 1 TV2 Ферритовое кольцо типа К20х10х1500 1 TV3 ТПП 1 TV3 ТПП 1 VD10 ВЛ50 1 VD1-VD4 КД105А 4 VD5,VD6 КД105А 2 VD7 2C220Ж 1 VD8 КД103А 1 VD9,VD11 2Д201Б 2 VS1 КН102А 1 VS2, VS3 Т222-20-12 2 VT1 П214 1 VT2,VT3 2Д201Б 2 VT4 КТ814Б 1 VT5 КТ102А 1 С1
К5016 20В-150/> 1 С2
К5016 20В-150/> 1 С3
К5016 20В-56мкФ/> 1 С4, С5
МБМ 5.6мкФ-320В/> 2
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
Приборы и устройства промышленнойэлектроники / В.С.Руденко, В.И.Сенько, В.В.Трифонюк (Б-ка инженера). —К.: Технiка, 1990. — 368 с.
Полупроводниковыеприемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / Терещук Р.М.,Терещук К.М. — К.: Наукова думка, 1981. — 670 с.
Тиристоры: справочник / Григорьев О.П.,Замятин В.Я. — М.: Радио и связь, 1982. —272 с.
Транзисторы для аппаратуры широкогоприменения: справочник / Перельман В.П. — М.: Радио и связь, 1982 — 520 с.