Технические характеристики. Дисциплина: «силовая электроника»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Дисциплина: «силовая электроника»

Шифр работы КР

Вологда

2016г.

Задача 1.

Трехфазная управляемая схема с нулевым выводом и диаграммы работы схемы приведены на рис. 1.

Рис. 1. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 1) состоит из трех диодов. Анодные выводы диодов обычно подключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов. При активной нагрузке через каждый диод протекает в течение 1/3 периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно. В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора, называемых точками естественной коммутации диодов, ток прекращает проходить в одном диоде и начинает протекать через другой диод.

Так же как и в неуправляемых выпрямителях, индуктивности обмоток трансформатора представлены в виде включенных в цепи вторичных обмоток анодных сопротивлений Xa. Предполагается активно-индуктивная нагрузка. При рассмотрении режима работы также, обобщаются аналитические зависимости на m-фазную систему с тем, чтобы подставляя затем в результирующие формулы частные значения m=3 и m=6, получить зависимости для трехфазной и шестифазной схем с нулевым выводом.

Угол управления a отсчитывается вправо от точки естественной коммутации и находится в пределах до максимума синусоиды вторичного напряжения, как показано на рис. 1, б., на угол . Продолжительность работы вентилей зависит от отношения индуктивных сопротивлений в катодной и анодной цепях Xd и Xa к активному сопротивлению нагрузки Rd. На рис. 1, в. показан график анодного тока для случая Xd =0. Выпрямленный ток при этом угле a в этом случае получается прерывистым. Ток остается так же прерывистым если Xd и Xa имеют малое значение (пунктирные кривые на том же рисунке 1, в). На рис. 1, г. показан режим начально-непрерывный (граничный режим). Здесь уже нет разрывов в кривой тока, но нет и перекрытия кривых анодных токов (угол коммутации g=0). Режиму непрерывного тока с конечным значением угла коммутации соответствуют диаграммы анодных токов на рис. 1, д.

С переходом к режиму непрерывного тока, пока углы коммутации очень малы, среднее значение анодного и выпрямленного токов становятся зависимыми через угол коммутации g от соотношения катодного Xd и анодного Xa.

С переходом к начально-непрерывному току, когда время протекания тока через вентиль l становится равным , среднее значение выпрямленного напряжения независимо от соотношения индуктивных и активных сопротивлений в преобразовательном контуре определяется интегралом

Внешняя характеристика управляемого m-фазного выпрямителя будет характеризоваться семейством характеристик изменения Ed при различных значениях a= const в функции тока нагрузки Id (рис.2.)

Рис. 2. Внешние характеристики

управляемого трехфазного выпрямителя

Рис. 3. Регулировочные характеристики

Для трёхфазной нулевой схемы m=3

Выражение для внешней характеристики будет равно

Семейство характеристик представляет собой параллельные линии с наклоном, определяемым , имеющих своё значение выпрямленного напряжения при токе нагрузки Id =0.

Регулировочные характеристики Ed = f(a) трёхфазного нулевого выпрямителя могут быть построены по последнему уравнению при углах a (рис.3)

Задача 2.

MC34063 – универсальная микросхема для самых простых импульсных преобразователей. На ней без применения внешних переключающих транзисторов можно строить понижающие, повышающие и инвертирующие преобразователи. А это основные типы преобразователей, не имеющих гальванической развязки.

Основные технические характеристики MC34063:

Широкий диапазон значений входных напряжений: от 3 В до 40 В;

Высокий выходной импульсный ток: до 1,5 А;

Регулируемое выходное напряжение;

Частота преобразователя до 100 кГц;

Точность внутреннего источника опорного напряжения: 2%;

Ограничение тока короткого замыкания;

Низкое потребление в спящем режиме.

Рис. 4. Схема преобразователя

Выводы микросхемы:

- SWC (switch collector) - коллектор выходного транзистора

- SWE (switch emitter) - эмиттер выходного транзистора

- Tc (timing capacitor) - вход для подключения времязадающего конденсатора

- GND - земля

- CII (comparator inverting input) - инвертирующий вход компаратора

- Vcc - питание

- Ipk - вход схемы ограничения максимального тока

- DRC (driver collector) - коллектор драйвера выходного транзистора (в качестве драйвера выходного транзистора также используется биполярный транзистор).

Расчетные формулы:

Пояснения:

Ct – емкость конденсатора задающего частоту работы преобразователя. Ipk – пиковый ток через индуктивность. Именно на этот ток она и должна быть рассчитана.

Rsc – резистор который отключит микросхему если номинальный ток превышен. Убережет преобразователь от КЗ и другого неаккуратного обращения. Если сопротивление этого резистора слишком мало (меньше 1 Ома) то он собирается из нескольких включенных параллельно резисторов.

Lmin – минимальная индуктивность катушки. Больше можно, меньше – нет.

Co – конденсатор фильтра. Чем он больше тем меньше пульсаций, должен быть LOW ESR типа. В принципе можно им не увлекаться, а поставить еще LC фильтр. Это позволит очень значительно уменьшить пульсации.

R1, R2 – делитель напряжения который задает выходное напряжение. Один из этих резисторов можно сделать подстроечным, тогда можно будет точно установить выходное напряжение.

Диод должен быть сверхбыстрым (ultrafast) или диодом Шоттки (например 1N5817) с допустимым обратным напряжение не менее чем в 2 раза превышающим выходное.

Напряжение питания микросхемы не должно превышать 40 вольт, а ток Ipk не должен превышать 1.5А.

Ct=212 pF

Ipk=2 mA

Rsc=176.471 Ohm

Lmin=57637 uH

Co=0 uF

R1=2.7k R2=20k (10.51V)

Задача 3.

Рис. 5. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом

Рис. 6. Трехфазный мостовой выпрямитель

Расчет вентилей

Тиристоры выбираются по напряжению с учетом рассчитанного напряжения питания выпрямителя, возможного повторяющегося перенапряжения U_П и возможного неповторяющегося (случайного) перенапряжения U_НП. Для проектируемой схемы преобразователя напряжение на вентиле, определяющее его класс, находится по следующему соотношению:

Uкл = = 1.8 кВ

где k_п=1.25 - коэффициент учитывающий повторяющиеся перенапряжения;

k_н=1.5 - коэффициент учитывающий кратковременные перенапряжения.

Выбор вентилей по току должен осуществляться по максимальному току нагрузки, проходящему через вентиль:

Iv = λ * Iн/3,

Iv = 2,8 * 40/3 =37.3А

По справочнику выбирается тиристор Т142-63 и типовой охладитель О241-80.

Расчет дросселя.

Индуктивность сглаживающего дросселя:

Lдр = L_Σ - Lт - Lн,

Требуемая индуктивность силовой цепи будет:

L_Σ ≥ e_e* · E/(i* · Iн · Ω),

Где Ω= Ωc · m · n, e_e* принимается значение 0,23.

L_Σ ≥ 0,23 · 400/(0,02 · 40 · 0,23)

L_Σ ≥ 500Гн

Индуктивность фазы обмотки трансформатора:

Lт = 0,14 * Lн,

Lт = 0,14 * 2 * 10^-3 = 0,283 * 10^-3, Гн

Где Lт - индуктивность фазы обмотки трансформатора;

Lн - индуктивность нагрузки, принимается 2·10^-3 Гн.

Lдр = 3·10^-3 Гн

Мощность трансформатора для выпрямителя с нулевым выводом: Pтр1 = 1,35Рн

Мощность трансформатора для мостового выпрямителя:

Pтр2 = 1,05Рн

Мощность нагрузки Рн:

Рн = Iн·E

Рн = 40·400 = 16 кВт

Таким образом:

Pтр = 1,35·16000 21,6 кВт

Pтр = 1,05·16000 = 16,8 кВт

Сравнение технических характеристик схем выпрямления

Схема выпрямления	Число фаз выпрямления, m	Соотношение между электрическими параметрами схем выпрямления	Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения q = = 2/(m2 — — 1)
Выпрямленным и фазным напряжениями,	Максимальным обратным и выпрямленным напряжениями, Uобр max/	Фазным и выпрямленным токами, VId	Мощностью трансформатора и мощностью преобразователя,
Трехфазная нулевая		1,17	2,09	0,585	1,37	0,25
Трехфазная мостовая		2,34	1,045	0,817	1,05	0,057
Примечание. I2 — ток вторичной обмотки трансформатора.

Задача4.

Технические характеристики

Выход:
Напряжение постоянного тока	48V
Номинальный ток	7A
Диапазон тока	0-7A
Номинальная мощность	336W
Уровень шума на выходе	250mVp-p
Диапазон регулировки напряжения	40.8 - 55.2V
Допустимое отклонение напряжения	±1.0%
Нестабильность выходного напряжения по сети	±0.2%
Нестабильность по нагрузке	±0.5%
Время установки, время нарастания	1000ms, 50ms/230VAC 2500ms, 50ms/115VAC at full load
Время удержания	16ms/230VAC 16ms/115VAC at full load
Вход:
Диапазон напряжений	85 ~ 264VAC 120 ~ 370VDC
Диапазон частот	47 ~ 63Hz
КПД	89%
Переменный ток	3.5A/115VAC 1.8A/230VAC
Выдерживаемое напряжение	l/P-0/P:3KVAC l/P-FG:2KVAC O/P-FG:0.5KVAC
Пусковой ток	35A/115VAC 70A/230VAC
Коррекция коэффициента мощности	PF>0.95/230VAC PF>0.99/115VAC at full load

Защита:
Защита от перенапряжения	57.6-67.2V / Shut down o/p voltage, re-power on to recover
Защита от перегрузки	105- 135% rated output power / i: Constant current limiting, recovers automatically after fault condition is removed
Возможности:
Дистанционное управление	RC+ / RC-: 4 ~ 10V or open = power on; 0 ~ 0.8V or short = power off

Условия окр. среды:
Диапазон рабочих температур	-40 - +70°C
Рабочая влажность	20 - 90% RH non-condensing
Температурный коэффициент	±0.03%/℃(0 ~ 50℃)
Вибрация	10 - 500Hz, 5G 10min./1 cycle, 60min. each along X, Y, Zaxes
Температурно-влажностный режим хранения	-40 - +85°C,10- 95% RH
Безопасность и ЭМП:
Стандарты безопасности	UL60950-1, TUV EN60950-1 approved
Сопротивление изоляции	l/P-O/P, l/P-FG, 0/P-FG:100M Ohms / 500VDC / 25°C / 70% RH
Электромагнитная совместимость	Compliance to EN55022 (CISPR22) Class B, EN61000-3-2,-3
Электромагнитная помехоустойчивость	Compliance to EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11, EN55024, EN61000-6-2, heavy industry level, criteria A

Прочее:
MTBF (Средняя наработка на отказ)	176K hrs min. MIL-HDBK-217F (25℃)
Габаритные размеры	19910541mm (LWH)
Упаковка	0.95Kg;15pcs/15.3Kg/0.69CUFT

Принцип действия:

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП:

· повышающая (выходное напряжение выше входного),

· понижающая (выходное напряжение ниже входного),

· инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность).

Отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики. Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента — высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью). К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.