Классификация широтно – импульсных преобразователей

Могилев, 2004

Введение

 

Преобразователь относится к классу широтно-импульсных преобразователей и применяется в частности для регулирования напряжения питания в двигателях постоянного тока. Наличие тиристоров в роли силового управляемого вентиля позволяет использовать преобразователь для более высокой мощности, в отличие от транзисторов. В качестве источника условно постоянного напряжения выступает управляемый выпрямитель, собранный по мостовой схеме, согласованный с промышленной сетью при помощи трансформатора.

Цель практики

 

Технологическая практика студентов является важнейшей частью подготовки специалистов. Целью практики является закрепление теоретических знаний, полученных при изучении специальных дисциплин, а также овладение практическими навыками и передовыми методами организации труда необходимыми для эксплуатации, ремонта, монтажа и наладки электрооборудования на промышленных предприятиях.

 

Анализ вариантов технических решений по силовой части преобразователя, расчет элементов.

Классификация широтно – импульсных преобразователей.

Регулирование напряжения потребителя посредством преобразователей (ИП) называется импульсным регулированием.

С помощью импульсного преобразователя источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке.

Существующие схемы ШИП постоянного напряжения можно классифицировать по ряду признаков.

В зависимости от типа применяемых в силовой части полупроводниковых приборов импульсные преобразователи делятся на:

- ШИП на полностью управляемых вентилях (транзисторах и двух операционных тиристорах);

- ШИП на тиристорах.

И те, и другие делятся на нереверсивные и реверсивные.

Нереверсивные ШИП преобразуют плавно изменяющееся входное напряжение в импульсное с постоянной амплитудой и полярностью, но с разной длительностью.

Нереверсивные ШИП можно разделить на две большие группы – параллельные и последовательные.

В последовательных ШИП рабочий вентиль включается последовательно с нагрузкой. Характерной особенностью последовательных ШИП является невозможность получения напряжения на их выходе выше напряжения источника питания.

В параллельных ШИП рабочий вентиль или накопительный дроссель включается параллельно нагрузке. Характерной особенностью параллельных ШИП является возможность получения напряжения на нагрузке, превышающего по величине напряжение источника питания.

В зависимости от структуры цепей заряда и разряда коммутирующего конденсатора ШИП бывают с зависимой и независимой структурой. В первых—коммутирующий конденсатор при сохранении отрицательного напряжения на запираемом тиристоре перезаряжается током нагрузки, а во втором – током колебательного контура.

В зависимости от способа регулирования напряжения ШИП делятся на преобразователи с широтно-импульсным, частотно-импульсным и комбинированным регулированием.

 

 

1.2 Анализ вариантов технических решений

 

Во всех тиристорных ШИП с одноступенчатой коммутацией, несмотря на такое достоинство как сравнительно простая схема, существуют ряд недостатков. Это ограничение регулировочных и энергетических показателей преобразователя. Кроме того, если на входе ШИП стоит фильтр, то во избежание резонансных явлений частота собственных колебаний входного фильтра должна быть в два –три раза меньше частоты преобразователя.

Для избежания этих недостатков в рассмотрение включим ШИП с двухступенчатой коммутацией. В них возможно применение как широтно-имульсного, так и частотно-импульсного регулирования.

При параллельном способе коммутации после запирания силового тиристора в течении некоторого времени t_c продолжается приток энергии в приемник из питающей сети. Минимальная величина выходного напряжения преобразователя с параллельной коммутацией всегда больше нуля (рисунок 1). А в преобразователях с последовательной коммутацией (рисунок 2) момент запирания силового тиристора совпадает с моментом прекращения действия импульса напряжения на нагрузке, и минимальное среднее напряжение на нагрузке равно нулю. Форма импульсов выходного напряжения и среднее его значение почти не зависят от параметров коммутирующих цепей, которые оказывают влияние лишь на время задержки при включении силового тиристора. Поэтому по своим свойствам тиристорные ШИП с последовательной коммутацией наиболее близки к транзисторным схемам. Такие преобразователи имеют в своей силовой части либо трансформатор, либо коммутирующий дроссель.

В нашем случае выбираем вариант с коммутирующим дросселем. Так как напряжение питания двигателя U_п=220 В, то в курсовом проекте будем рассматривать схему с последовательным включенным коммутирующем дросселем и с объединенным источником питания для силовой цепи и коммутирующих устройств.

Схемам ШИП с последовательным гашением свойственен эффект накопления энергии в элементах коммутирующего устройства. Из-за этого растут потери мощности в контурах перезаряда с увеличением тока нагрузки преобразователя. Эффект накопления энергии, вызывающий рост установленных мощностей элементов силовой и гасящей цепей в ШИП целесообразно ограничить. Этого можно достичь следующими способами:

а) Увеличением коэффициента питающего напряжения , что возможно при питании коммутирующего устройства от автономного источника питания.

б) Включение дополнительных R-VD цепей рассеяния энергии параллельно вспомогательному тиристору или параллельно коммутирующему дросселю.

в) Применением трансформаторных цепей возврата энергии из коммутирующего дросселя (рисунок 3).

Для согласования напряжения двигателя с питающей промышленной сетью будем использовать трехфазный трансформатор. При данной (сравнительно небольшой) мощности двигателя, равной 1,2 кВт наиболее приемлемой схемой соединения обмоток трансформатора является схема «звезда»-«звезда».

Далее для обеспечения постоянного напряжения, которое будет регулироваться с помощью ШИПа, воспользуемся неуправляемым выпрямителем (НУВ). Из возможных вариантов схем: трехфазная нулевая или трехфазная мостовая выбираем трехфазную мостовую с диодами в роли неуправляемых вентилей.

1.3 Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователя и функциональной схемы системы управления.

 

Исходя из всего вышесказанного, выбираем тиристорную схему широтно-импульсного преобразователя с двухступенчатой емкостной коммутацией, с последовательным типом коммутации и независимой структурой цепи заряда и разряда коммутирующего конденсатора. Полная схема электрическая принципиальная преобразователя представлена на рисунке №4, а функциональная схема—на рисунке №5

В данной схеме автоматический выключатель QF1 предназначен для защиты схемы от короткого замыкания и перегрузки. Автоматический выключатель QF2 предназначен для защиты от короткого замыкания и перегрузки цепи управления ШИП. Кнопки SB1 и SB2—кнопки «СТОП» и «ПУСК» соответственно. КМ1—магнитный пускатель и его контакт в цепи управления. TV1— понижающий трансформатор. Предохранители FU1..FU3 предназначены для защиты от токов короткого замыкания вторичной цепи схемы. Выпрямительный мост VS1..VS12 позволяет получить напряжение питания силовой части ШИП, равное 220 В, а также обеспечить режим рекуперации электрической энергии в сеть. Для защиты тиристоров от перенапряжения используются RC цепи, которые подсоединяются параллельно каждому из тиристоров. Данное напряжение 220 В считаем гладким, что и учитываем в последующих расчетах. Анализ прочих элементов схемы рассмотрен ниже.

Рассмотрим работу схемы при помощи временных диаграмм (рисунок №6). При исследовании схемы сделаны следующие допущения: прямое сопротивление тиристоров и диодов, их собственная индуктивность и емкость равны нулю, обратный ток через тиристор при рассмотрении медленных коммутационных процессов не учитывается.

При включении тиристора все питающее напряжение U первоначально прикладывается к дросселю L1. Ток в дросселе i_L1 возрастает, замыкаясь через диод VD1, который смещен в прямом направлении током нагрузки I_я. Этот интервал продолжается до момента времени, когда ток в дросселе станет равным току нагрузки и диод VD1 перестанет проводи

 

Коммутационное уменьшение относительной продолжительности действия импульса на нагрузке

 

В течение следующего интервала ток нагрузки i_я замыкается через силовой тиристор VS1 и дроссель L1. Поскольку частота коммутации выбирается достаточно высокой и пульсации тока в нагрузке весьма незначительны (5-10%), то падение напряжения в коммутирующем дросселе очень невелико и практически все питающее напряжение прикладывается к якорю двигателя. Следующие три интервала связаны с протеканием коммутационных процессов. В первый момент после выключения тиристора VS14 напряжение на конденсаторе u_C=U₀₂>U, силовой тиристор VS13 еще проводит и по нему замыкается обратный ток, величина которого ограничивается лишь сопротивлениями цепи питания (r_п), диода (r_д) и тиристора(r_т), смещенных в прямом направлении.

После запирания силового тиристора образуется колебательный контур разряда конденсатора C, VS14, L1. В течение времени, пока напряжение на конденсаторе u_C изменяется от U₀₂ до u_C=U, к силовому тиристору прикладывается обратное напряжение. Это время t_обр. должно быть больше времени восстановления свойств управляемости тиристора . Конфигурация цепи сохраняется до тех пор, пока транзистор VS14 открыт, то есть пока i_C>0. На этом расчетном интервале t₂ справедливы уравнения:

 

где I_н—ток в нагрузке в момент коммутации.

После того, как транзистор VS14 закроется, нужно подать импульс управления на тиристор VS15, на который действует в прямом направлении напряжение питания U_П и напряжение на сменившем полярность конденсаторе С U₀₂ за исключением некоторых потерь в активной части катушки L₁ при перезаряде.

Начиная с момента отпирания транзистора VS3 образуются следующий контур перезаряда коммутирующего конденсатора: U_k (в нашей схеме, равное U_п=220 В), С, L2, VS15.

На этом расчетном интервале и происходит перезаряд конденсатора. Электромагнитные процессы в ШИП на интервале t₁ характеризуются уравнениями:

 

 

Процесс идет до тех пор, пока i_L2=i_C≥0.

Очевидно, что в квазиустановившемся режиме работы, к концу этого интервала напряжение u_C должно достичь U=U_мз, которое существовало в конденсаторе вначале.

 

 

1.4 Разработка схемы электрической функциональной системы управления.

ГПН—генератор пилообразного напряжения;

ПУ—пороговое устройство (компаратор);

 

Рисунок 5 –Шип. Схема функциональная.

ФУН—формирователь управляющих импульсов;

ВП—выпрямитель;

СЧ—силовая часть;

Н—нагрузка.

 

 

Заключение

 

В курсовом проекте разработана схема электрическая принципиальная широтно-импульсного преобразователя, в которой реализованы следующие защиты: от короткого замыкания, от перенапряжения в цепи нагрузки, защита силовых управляемых и неуправляемых вентилей, защита от перегрузки по току. Согласно внешним и регулировочным характеристикам диапазон регулирования d=10. Требуемый диапазон регулирования d=10 достигнут.

Обеспечен режим рекуперации электрической энергии в питающую сеть.