Курсовая. Курсовая работа ПЗ (7). Курсовая работа зарядное устройство ассиметричным током Вариант 22 по дисциплине Силовая электроника
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
Министерство образования и науки РоссийскоЙ Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»  Институт электронного обучения Электроэнергетика и электротехника КУРСОВАЯ РАБОТА Зарядное устройство ассиметричным током Вариант - 22 по дисциплине: Силовая электроника Исполнитель: Эсонбоев Бобир Бакир угли студент гр. Д-5Г5Б1 Преподаватель: Кладиев Сергей Николаевич Томск – 2018г ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 1. Тема: «Зарядное устройство ассиметричным током». 2. Исходные данные: Рассчитать зарядное устройство для аккумуляторной батареи (6СТ-55А), реализующее заряд асимметричным током по следующим данным: U1=220В 10%. Коэффициент стабилизации зарядного тока во всем диапазоне kст=2%. 3. Содержание пояснительной записки: Титульный лист; Техническое задание на проектирование; Содержание; Введение; Анализ вариантов технических решений ; Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователя ; Разработка функциональной схемы системы управления; Расчет и выбор элементов в силовой части преобразователя; Заключение; Перечень использованных источников. 4. Перечень графического материала: Принципиальная схема силовой части, коммутационные процессы, система управления и защиты СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1 Анализ вариантов технических решений 5 2 Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователя 9 3 Разработка схемы электрической функциональной 12 системы управления 12 4 Расчет и выбор элементов в силовой части преобразователя 15 Заключение 22 Список использованной литературы 23 ВведениеВ данном курсовом проекте проектируется полупроводниковый преобразователь электрической энергии - зарядное устройство для аккумуляторной батареи (6СТ-55А), реализующее заряд асимметричным током. Наиболее приемлемым решением создания такого устройства является преобразователь топологии SEPIC с разделительным конденсатором и непрерывным входным током. Данный преобразователь способен работать как в качестве понижающего, так и в качестве повышающего преобразователя, кроме этого SEPIC имеет минимум активных элементов, а его схема управления может быть реализована на контроллере, позволяющем реализовать систему автоматического регулирования выходного напряжения. При включении в систему звена отрицательной обратной связи обеспечивается стабилизация выходного напряжения. Применение современной элементной базы позволяет осуществлять преобразование энергии на частотах до нескольких сотен килогерц. Работа устройств на повышенных частотах позволяет уменьшить объем и массу электромагнитных элементов. В импульсных источниках применяются три способа регулирования напряжения: – широтно-импульсный метод, при котором период коммутации остается постоянным, а время нахождения транзистора в области насыщения изменяется; – частотно-импульсный метод, при котором период коммутации варьируется, а время нахождения транзистора в области насыщения постоянно; – двухпозиционный (релейный) метод, при котором период и время нахождения транзистора в области насыщения изменяются. 1 Анализ вариантов технических решенийАнализируя техническое задание на курсовой проект, можно сделать вывод о том, что требуется разработать устройство, которое обеспечивает заряд ассиметричным током аккумуляторной батареи. Наиболее приемлемым решением создания такого устройства является преобразователь топологии SEPIC с разделительным конденсатором и непрерывным входным током. Данный преобразователь способен работать как в качестве понижающего, так и в качестве повышающего преобразователя, кроме этого SEPIC имеет минимум активных элементов, а его схема управления может быть реализована на контроллере, позволяющем реализовать систему автоматического регулирования выходного напряжения. Заряд асимметричным импульсным током автомобильных кислотных АКБ позволяет сократить время заряда на 15-20%, замедлить сульфатацию электродов подержанных батарей, активизировать вещество их пластин, таким образом замедлить процессы «старения» батарей. Такой метод допускает увеличение амплитудного значения тока заряда в 1,5-2 раза, что сокращает время восстановления работоспособности АКБ. Способ заряда аккумулятора асимметричным импульсным током отличается от заряда импульсным током тем, что в промежутках между положительными зарядными импульсами, подающимися на клеммы аккумулятора, в электроцепи АКБ формируется отрицательный импульс разрядного тока. Он образуется при разряде АКБ через резистор, который находится в зарядном устройстве. Импульс зарядного тока формируется за время одного периода переменного напряжения. Соотношение амплитуд зарядного и разрядного токов составляет 10:1, а длительность разрядного импульса обычно в два раза превышает длительность импульса заряда. Таким образом, следует разработать зарядное и разрядное устройство. Разрабатываем зарядное устройство. При разработке импульсных источников вторичного электропитания часто встречаются ситуации, когда при работе устройства напряжение на входе источника может быть как выше, так и ниже напряжения на выходе. Например, полностью заряженная батарея может на холостом ходу выдавать напряжение до 14 В, а по мере разряда её напряжение может снижаться до 10.5 В, и требуется ее заряжать от источника питания 12В. В таких случаях часто используют двухступенчатую стабилизацию (сочетание повышающего и понижающего стабилизаторов) или обратноходовые преобразователи (Fly-Back). Но для маломощных схем существует более простое решение -применение преобразователя с топологией SEPIC (single-ended primary inductance converter, преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью). У топологии SEPIC есть следующие преимущества: - не требуется расчёт и изготовление трансформатора. - по сравнению с обратноходовым преобразователем SEPIC создаёт гораздо меньший уровень импульсных помех за счёт меньшего размаха и длительности переходных процессов. Источники SEPIC могут отдавать в нагрузку мощность, измеряемую киловаттами, при коэффициенте 0,96 - 0,99 и суммарных гармонических искажениях менее 5%. Основой преобразователя SEPIC служит схема повышающего преобразователя. Схема повышающего преобразователя показана на рисунке 1.  Рисунок 1 - Схема повышающего преобразователя Рабочий цикл повышающего преобразователя состоит из двух частей. В первой части ключ К замкнут, и к катушке индуктивности L приложено входное напряжение Uпит. Через катушку течёт ток, нарастающий с течением времени. Во второй части цикла ключ К размыкается. В соответствии с фундаментальным свойством индуктивности ток через неё не может измениться мгновенно, поэтому он продолжает течь, но уже через диод В. Выходное напряжение в такой схеме может быть только выше входного напряжения, так как ток, текущий через катушку при разомкнутом ключе К, создаёт на ней падение напряжения, положительное относительно Uпит. В схеме SEPIC, показанной на рисунке 2, это ограничение устранено при помощи конденсатора C1, устанавливаемого между L1 и В. Очевидно, что он блокирует постоянную составляющую напряжения между входом и выходом. Однако, анод В должен быть подключён к определённому потенциалу. Для этого служит вторая индуктивность L2, через которую В соединяется с землёй. В зависимости от конкретных требований приложения L2 может быть выполнена отдельно от L1 или намотана на один сердечник с ней.  Рисунок 2 - Схема преобразователя SEPIC Отметим два преимущества топологии SEPIC перед топологией повышающего преобразователя. Во-первых, разделительный конденсатор защищает вход схемы от короткого замыкания на выходе. И, во вторых, SEPIC удобнее там, где требуется полное отключение нагрузки, так как в повышающем преобразователе при разомкнутом ключе К напряжение на выходе равно входному напряжению минус падение напряжения на диоде. В результате представленного анализа технического задания решено использовать схему преобразователя SEPIC для заряда аккумулятора. Для разряда аккумулятора в этой схеме предусмотрим нагрузочный резистор, подключаемый периодически после цикла заряда. Причем длительность разрядного импульса обычно в два раза превышает длительность импульса заряда, а амплитуда разрядного тока будет в 10 раз меньше зарядного. Зарядное устройство питается от сети переменного напряжения 220В. Для получения постоянного напряжения, необходимого для работы преобразователя устанавливаем трансформатор и мостовой выпрямитель. 2 Разработка схемы электрической принципиальной силовой части преобразователяИсходя из проведенного анализа и сделанных выводов, схема электрическая принципиальная разрядного устройства приведена на рисунке 3.  Рисунок 3 – Принципиальная схема Исходным материалом для разработки СЭП являются общая структура преобразователя и схематические решения отдельных ее звеньев, полученных в результате проведенного анализа вариантов технических решений. Для защиты схемы от перегрузок устанавливаем датчик тока, который передает информацию на схему защиты. Принцип работы будет рассмотрен в следующем пункте. Преобразователь «SEPIC» питается от входного мостового выпрямителя, а на выходе подключается нагрузка (аккумуляторная батарея). Регулирующий органа выполнен на базе непосредственного преобразователя постоянного напряжения (НПН), в котором транзистор, работающий в ключевом режиме, обеспечивает широтно-импульсное регулирование выходного напряжения, а дросселя L1, L2 и конденсатор С2, С3 являются промежуточными накопителями энергии, позволяющими получать выходное напряжение как ниже, так и выше входного. Индуктивность дросселя L1 в данной схеме обеспечивает непрерывность потребляемого тока и может быть выполнена как отдельно от L2, так и на одном сердечнике вместе с L2. Конденсатор С3 обеспечивает заданный уровень пульсаций в выходном напряжении. ДН - датчик напряжения отрицательной обратной связи в замкнутой системе стабилизации выходного напряжения. Резистор R1 играет роль датчика в схеме контроля тока транзистора и его защиты. Для разряда аккумулятора в этой схеме предусмотрим нагрузочный резистор R2, подключаемый периодически после цикла заряда транзистором VT2. Причем длительность разрядного импульса обычно в два раза превышает длительность импульса заряда, а амплитуда разрядного тока будет в 10 раз меньше зарядного. Управляющие импульсы вырабатываются системой управления. Временные диаграммы работы зарядного устройства, представлены на рисунке 4. В установившемся режиме через открытый ключ VT1 нарастающим током заряжается дроссель L1, а конденсатор С2 разряжается через него на дроссель L2, нагрузка при этом питается энергией конденсатора С3. При закрытом ключе VT1 конденсатор С2 заряжается по цепи: + Е, индуктивность L1, конденсатор С2, диод VD1, конденсатор С3. Одновременно подзаряжается и конденсатор С3, при этом энергию в конденсатор С3 и нагрузку отдает и дроссель L2. После повторного открытия ключа процесс повторяется. Использование режима непрерывного тока дросселей приводит к минимизации энергетических характеристик накопительных элементов схемы. Сигнал пропорциональный выходному напряжению с резистивного делителя R2, R3, включенного параллельно нагрузке, поступает на вход системы управления, обеспечивая отрицательную обратную связь замкнутой системы по напряжению. При отклонении выходного напряжения от номинального схема управления изменяет длительность открытого состояния силового ключа таким образом, чтобы отклонение выходного напряжения не превышало допустимого значения. Таким образом, обеспечивается стабилизация выходного напряжения с заданной точностью.  Рисунок 4 - Временные диаграммы работы 3 Разработка схемы электрической функциональнойсистемы управленияСтруктурная схема системы управления приведена на рисунке 5. ГПН формирует линейно-возрастающее напряжение (пилообразное напряжение). Это напряжение поступает на схему сравнения (компаратор К), где происходит сравнение пилообразного напряжения с напряжением управления Uу. В момент равенства этих величин формируется импульс Uк. Эти импульсы поступают на распределитель импульсов РИ, имеющий два канала, которые запускают формирователи импульсов управления ФИУ для управления транзисторами. При этом, распределитель импульсов передает два импульса на ФИУ1, а потом один на ФИУ2. Благодаря этому транзистор VT1 открыт в 2 раза дольше, чем VT2. Меняя уровень напряжения управления Uу от нуля до амплитудного значения пилообразного напряжения, линейно изменяется угол включения транзистора (угол управления) в диапазоне от  до π- , т.е. меняется напряжение заряда. При достижении максимального напряжения заряд прекращается. Диаграммы напряжений приведены на рисунке 6.  Рисунок 5 - Структурная схема системы управления  Рисунок 6 - Диаграммы системы управления ДН - датчик напряжения отрицательной обратной связи в замкнутой системе стабилизации выходного напряжения. Датчик напряжения позволяет контролировать напряжение АБ, и при достижении верхнего предела отключать процесс заряда. ДН представляет собой резистивный делитель. Для защиты преобразователя от короткого замыкания дополним систему управления контуром обратной связи. С датчика тока ДТ сигнал обратной связи идет на преобразователь сигналов (ПС), на которой в свою очередь подается сигнал с ДН. Преобразователь сигналов обрабатывает два входных сигнала и формирует напряжения управления для компаратора К. В общем случае защита полупроводниковых преобразователей может осуществляться при помощи быстродействующих предохранителей и автоматических выключателей в сочетании с бесконтактными способами защиты, использующими естественную способность тиристоров восстанавливать свою запирающую способность при снижении прямого тока до нуля. В качестве схемы защиты применяем полуволновой метод, так называется ввиду того, что предельным временем срабатывания таких устройств является половина периода напряжения питающей сети. Этот метод нельзя применять в преобразователях, построенных на тиристорах из-за вероятности их опрокидывания. Но, так как в качестве ключевых элементов выбраны транзисторы, для запирания которых достаточно снять управляющее воздействие. Схема защиты приведена на рисунке 7. Потенциометром Rу можно регулировать уровень напряжения управления от нуля до максимального значения, определяемого амплитудой напряжения, при котором система управления полностью запирается и формирования импульсов управления не происходит. В случае возникновения аварийного режима сигналом с датчика тока включается тиристор защиты Tз и подаёт на вход системы управления запирающее напряжение, действием которого формирование импульсов управления прекращается.  Рисунок 7 – Схема защиты 4 Расчет и выбор элементов в силовой части преобразователяРазработанная схема зарядного устройства для аккумуляторной батареи представлена на рисунке 8.  Рисунок 8 – Схема зарядного устройства Согласно техническому заданию, требуется рассчитать зарядное устройство для аккумуляторной батареи (6СТ- 55А), реализующее заряд асимметричным током по следующим данным: U1=220В 10%. Коэффициент стабилизации зарядного тока во всем диапазоне kст=2%. Производим расчет мостового выпрямителя. Среднее значение выпрямленного напряжения равно:  Откуда действующее напряжение вторичной обмотки:  Средний выпрямленный ток каждого диода  Обратное напряжение на диодах:  Выбираем диоды КД202А со следующими параметрами:   Коэффициент трансформации трансформатора:  Производим расчет силовой части SEPIC преобразователя. Используя второй закон Кирхгофа для средних значений напряжений в контурах, выразим напряжения на обмотках дросселей на интервалах открытого состояния транзистора (импульса) и закрытого (паузы). Условие равенства напряжений для дросселя L1 описывается выражением  (1)Где  - напряжение на входе преобразователя;  - относительная длительность открытого состояния транзистора на периоде квантования (импульса); - напряжение нагрузки. Для дросселя L2:  (2)Выразим из (2) напряжение нагрузки:  Подставив (3) в (1), получим:  Т.е. напряжение на разделительном конденсаторе С1 всегда равно напряжению на входе преобразователя. Регулировочная характеристика преобразователя имеет вид:  (3)На интервале паузы конденсатор заряжается от источника током дросселя L1, а на интервале импульса происходит разряд конденсатора на дроссель L2. Средний ток конденсатора за период можно записать выражением:  (4)В режиме непрерывного тока дросселей с минимальной переменной составляющей потребляемого тока (такой режим целесообразен с позиций уменьшения помех в бортовой сети):  (5) (6) Воспользовавшись выражениями (4), (5), (6), можно получить зависимость потребляемого тока от тока нагрузки:  (7)Минимальное и максимальное напряжения на нагрузке определяются минимальным и максимальным напряжением при заряде АБ и для аккумулятора 6СТ-55 может быть приняты:   Напряжение источника питания принимаем равным:  Для режима стабилизации выходного напряжения из выражения регулировочной характеристики (3) требуется определить значения минимальной и максимальной относительной длительности импульсов управления силовым транзистором во всем диапазоне изменения входного напряжения.   Задавшись пульсациями тока дросселя L2 в пределах 20%, L1 – 2% (обеспечивает заданный коэффициент пульсаций kст=2%), определим их индуктивности по выражению:  где  - пульсации тока дросселя L2;Ток заряда определяем десятичасовым зарядом, т.е. 5,5 А.  - частота коммутации силового транзистора (принимаем 100 кГц).   где  - пульсации тока дросселя L1.  Выбираем индуктивности L1 используем дроссель Д13-22В (L = 60 мкГн, I = 8 А, R = 0.025 Ом). Индуктивность L2 выбираем Д13-22В (L2 = 47 мкГн, I = 8 А, R = 0.0125 Ом). Определим эффективное значение токов дросселей L2 и L1:   где   Рассеиваемая мощность на L1:  Рассеиваемая мощность на L2:  Максимальный ток транзистора:  Максимальное напряжение на транзисторе:  Выбираем полевой транзистор IRF3710Z с параметрами:     Приняв линейным изменение тока и напряжения транзистора при переключении, потери мощности на транзисторе рассчитаем по формуле:  где  = 14.78 A - ток транзистора;  = 0,025 Ом - сопротивление открытого транзистора;  = 0,54 - максимальная длительность открытого состояния транзистора; = 12 В - максимальное значение входного напряжения; – максимальное напряжение нагрузки;  - время включения и выключения транзистора.   Необходимости устанавливать радиатор нет. Рассчитаем параметры импульсов управления силовым транзистором. Переключение силового транзистора за обеспечивается перезарядом его входной емкости СЗИ. Максимальный ток затвора определяется выражением:  Сопротивление резистора в цепи затвора  Выбираем резистор МЛТ-0,25-18 Ом-10%. Диод VD5 выбирается по среднему току и обратному напряжению. Среднее значение тока через диод равно току нагрузки.  Максимальное обратное напряжение диода рассчитываем по формуле:  где - входное напряжение; - максимально выходное напряжение. Выбираем диод КДШ2965A с параметрами (UVDдоп = 40В; IVDср = 25 А; ΔUVDmax = 0,7 В). Мощность, рассеиваемая диодом, определяется выражением:  Необходимо установить диод на радиатор. Учитывая допустимые пульсации напряжения на частоте 100кГц, емкость разделительного конденсатора C2 рассчитаем по формуле:  где  - переменная составляющая напряжения на конденсаторе на частоте 100кГц при 10-ти вольтах амплитуды пульсаций напряжения на частоте 50 Гц, допустимых для электролитических конденсаторов К50-29 с напряжением 25 В. Выбираем конденсатор K50-29 с параметрами: 1000 мкф, 25 В. Среднеквадратичное значение тока во входном конденсаторе вычисляется по формуле:  Емкость входного конденсатора определяется выражением:  С учетом унификации для С1 выбираем конденсатор K50-29 270 мкФ, 25 В. Несмотря на то что для «SEPIC» емкость входного конденсатора некритична, конденсатор емкостью 270 мкФ позволит предотвратить влияние импеданса источника питания бортовой сети. Расчет емкости выходного конденсатора С3 аналогичен предыдущим.  Выбираем конденсатор K50-29 — 1200 мкФ, 25 В. Для осуществления разряда необходимо выбрать нагрузочный резистор и коммутирующий транзистор. Максимальное напряжение на транзисторе:  Максимальный ток транзистора:  Выбираем полевой транзистор BSH205G2 с параметрами:    Приняв линейным изменение тока и напряжения транзистора при переключении, потери мощности на транзисторе рассчитаем по формуле:    где = 0,55 A - ток транзистора; = 0,036 Ом - сопротивление открытого транзистора; = 0,54 - максимальная длительность открытого состояния транзистора;  - время включения и выключения транзистора. Следовательно, транзистор выбран верно. Определяем сопротивление нагрузочного резистора из соотношения:  Выбираем нагрузочный резистор R2 27 Ом. Определим рассеиваемую мощность нагрузочного резистора.  В качестве нагрузочного сопротивления для разряда аккумуляторной батареи выбираем резистор типа ПЭ-75–27 Ом ±5% с допустимой мощностью рассеяния 75Вт. ЗаключениеВ данном курсовом проекте была разработана и рассчитана схема зарядного устройства для аккумуляторной батареи 6СТ55, обеспечивающего заряд ассиметричным током, сделаны обоснования и расчёты силовой части. В разработанном преобразователе применяется замкнутая система управления. Подобрана система защиты на основе потенциометра для регулирования большего или меньшего напряжения. Результат проектирования по расчётам соответствует техническому заданию, однако возможен и ряд других схематических решений. Список использованной литературы1. Петрович В.П. Силовая электроника: учеб. пособие / В.П. Петрович, А.В. Глазачев. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013. – 207 с. 2. Справочник: Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутирующие устройства РЭА. Под ред. Акимова Н.Н., Ващукова Е.П. Мн: Беларусь, 1994. – 591 с.: ил. 3. Справочник:Диоды. Под ред.Григорьева О.П., Замятина В.Я.М.: Радио и связь, 1990. 4. Конденсаторы: Справочник/ Четвертков И.И. и д.р. – М.: Радио и связь, 1993. - 392с.: ил. 5. Резисторы: Справочник/ Дубровский В.В. и д.р. – М.: Радио и связь, 1991. - 528с.: ил. 6. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. – М: Техносфера, 2005. – 632 с. 7. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. – Киев: МК-Пресс, Киев, 2007 – 288 с. 8. Белопольский И.И, Каретникова Е.И и др. Расчёт трансформаторов и дросселей малой мощности – М. 1973 г. |