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 UП и возможного неповторяющегося (случайного) перенапряжения UНП. Для проектируемой схемы преобразователя напряжение на вентиле, определяющее его класс, находится по следующему соотношению:
Uкл = 
= 1.8 кВ
где kп=1.25 - коэффициент учитывающий повторяющиеся перенапряжения;
kн=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 = LΣ - Lт - Lн,
Требуемая индуктивность силовой цепи будет:
LΣ ≥ ee* · E/(i* · Iн · Ω),
Где Ω= Ωc · m · n, ee* принимается значение 0,23.
LΣ ≥ 0,23 · 400/(0,02 · 40 · 0,23)
LΣ ≥ 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 | 199*105*41mm (L*W*H) |
| 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.
