энергетическая электроника курсовая. Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Энергетическая электроника

• Название: Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине Энергетическая электроника
• Дата: 02.10.2022
• Размер: 0.56 Mb.
• Имя файла: энергетическая электроника курсовая.docx
• Тип: Пояснительная записка; #710276

Министерство образования и науки Российской Федерации

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)
Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)


ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОСТОВОГО ИНВЕРТОРА.

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Энергетическая электроника»

Студент гр.62-1В________

__________

«____»________2015 г.



Руководитель:

доцент кафедры ПрЭ,

канд. техн. наук

___________ ____________ Б.И. Коновалов

^{(место для оценки)}

«____»_________2015 г


2015

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ и РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

Кафедра Промышленной электроники (ПрЭ)

 

                                                                                     Утверждаю:

                                                                                     Зав.  кафедрой  ПрЭ

                                                                                      _________

                                                                                      ___.__________  2015 г.

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по дисциплине:

“Энергетической электроники”

Студентке Гиберт Алине Алексеевне

группа 61-В факультет ЗиВФ

1     Тема проекта: Преобразователь постоянного напряжения на основе мостового инвертора.

2     Исходные данные к проекту.

2.1 Признаки построения силовой части проектируемого объекта:

1)     характер Uвх – от АБ;

2)     наличие трансформаторной развязки – есть;

3)     тип преобразователя – двухтактная ячейка;


4)     тип АБ – НКГЦ;

5)     характер Uвых – постоянное;

6)     характер нагрузки – активная;

7)     схема силового инвертора – мостовая;

8) Примечание: Защита от КЗ нагрузки;

 2.2 Технические параметры проектируемого объекта:

1)     =U_вхАБ = 24 В;

2) ∆U_AБ - Определяет тип АБ;

3)     =U_ВЫХ= 60В;;

3)     Точность выходного параметра 4%;

4)     К_п = 3%;

5)     I_нmin= 0,1А;

6)     I_нmax = 3А;

3     Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке  вопросов):

1.      Разработка силовой части схемы.

2.      Разработка схемы управления.

3.      Расчет силовой части схемы.

4.      Расчет системы управления.

4     Перечень графического материала:

1.      Структурная схема;

2.      Схема электрическая принципиальная.

5  Дата выдачи задания:

 Руководитель:  доцент кафедры ПрЭ, канд. техн. наук

_________________________ Коновалов Б.И.

 Задание принял к исполнению 20.02.2016 г. _________________Гиберт А.А.


Содержание

Оглавление

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ и РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 2

(ТУСУР) 2

Кафедра Промышленной электроники (ПрЭ) 2

  2

                                                                                     Утверждаю: 2

                                                                                     Зав.  кафедрой  ПрЭ 2

  2

ЗАДАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ. 6

В конструкции большинства современных мощных инверторов предусмотрена возможность плавного или ступенчатого изменения частоты выходного напряжения, что делает их практически незаменимыми в качестве источников питания различных электроустановок, предусматривающих регулирование режимов работы путем изменения частотных характеристик питания. Сфера применения мощных преобразователей частоты довольно обширна. Их можно повсеместно встретить на электротранспорте, где они применяются для питания асинхронных электродвигателей, в металлургии, станкостроении и многих других отраслях промышленности. 6

Мощные инверторы могут быть построены как на основе тиристорных ключей, так и на IGBT-транзисторах. Современные мощные преобразователи на IGBT-транзисторах способны работать при напряжениях свыше 1000 В и обеспечивать выходную мощность более 5 кВт. Они применяются для управления асинхронными электродвигателями, в сварочных аппаратах и источниках бесперебойного питания большой мощности. Ниже в качестве примера приведена схема мощного инвертора на IGBT-транзисторах, который широко применяется на электротранспорте. 6

2. ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ СХЕМЫ. 7

3. ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. 9

4. РАСЧЁТ СХЕМЫ 11

4.1. Расчет и выбор АБ 11

4.2. Расчёт силовой части 11

4.2.1. Расчет силового инвертора и трансформатора 11

4.2.2. Расчет выходного выпрямителя и фильтра. 14

4.3. Расчёт системы управления. 15

4.4. Источника питания собственных нужд. 19

5. Заключение 20

Список используемой литературы 21

Приложение А. Структурная схема

Приложение Б. Схема электрическая принципиальная

Приложение В. Перечень элементов

ВВЕДЕНИЕ.

В конструкции большинства современных мощных инверторов предусмотрена возможность плавного или ступенчатого изменения частоты выходного напряжения, что делает их практически незаменимыми в качестве источников питания различных электроустановок, предусматривающих регулирование режимов работы путем изменения частотных характеристик питания. Сфера применения мощных преобразователей частоты довольно обширна. Их можно повсеместно встретить на электротранспорте, где они применяются для питания асинхронных электродвигателей, в металлургии, станкостроении и многих других отраслях промышленности. Мощные инверторы могут быть построены как на основе тиристорных ключей, так и на IGBT-транзисторах. Современные мощные преобразователи на IGBT-транзисторах способны работать при напряжениях свыше 1000 В и обеспечивать выходную мощность более 5 кВт. Они применяются для управления асинхронными электродвигателями, в сварочных аппаратах и источниках бесперебойного питания большой мощности. Ниже в качестве примера приведена схема мощного инвертора на IGBT-транзисторах, который широко применяется на электротранспорте.

2. ОПИСАНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ СХЕМЫ.

На рис. 1.1 показаны основные элементы полумостовой схемы. Транзисторы VT1 – VT4 образуют мостовой каскад, который коммутирует верхний вывод первичной (W1) обмотки трансформатора Т то к шине напряжения питания (U_in), то к «общему» выводу схемы. Диоды VD1 – VD4 «спасают» транзисторы от остаточных токов трансформатора Т при изменении режима коммутации. Во вторичной обмотке трансформатора включен выпрямитель VD5- VD8 и LС-фильтр, на выходе которого имеется напряжение U_out.



Рис. 1.1. Схема мостового преобразователя

При анализе схемы мы будем считать, что транзисторы представляют собой идеальные ключи, а диоды имеют нулевое падение напряжения. В случае, если индуктивный ток i_L не прерывается, выходное и входное напряжения преобразователя будут связаны следующим соотношением:



где W₂ = W₂₁ = W₂₂.

В режиме непрерывного тока дросселя, выходное напряжение зависит только от значения коэффициента заполнения и величины входного напряжения. Соответственно различают два режима работы мостового каскада: с трапецеидальным входным током (при условии непрерывности тока дросселя L) и с треугольным выходным током (при условии прерывности тока дросселя L).
На рис. 1.2 показаны графики, отражающие оба режима работы преобразователя.



Рис. 2.2. Графики, отражающие режимы работы мостового преобразователя:

а) с непрерывным током выходного дросселя;

б) с прерывистым током выходного дросселя.
Допускаемое напряжение «сток-исток» силовых транзисторов VT1- VТ4 в мостовой схеме должно быть не меньше напряжения питания. Для создания надежной схемы лучше выбрать транзистор с запасом по напряжению в 150...200 В.
Максимальный ток стока транзисторов VТ1- VТ4:



где η – КПД преобразователя, i_μ – ток намагничивания индуктивности первичной обмотки.

3. ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

Учитывая современное развитие элементной базы радиоэлектронных устройств и компонентов, наиболее целесообразным для построения системы управления импульсных преобразователей является применение микросхем ШИМ-контроллеров, собранных в одном корпусе. Это необходимо для того, чтобы уменьшить стоимость и габариты, как системы управления, так и преобразователя в целом. Поэтому, для данного курсового проекта в качестве системы управления было решено использовать ШИМ-контроллер TL494 фирмы Texas Instruments.

Структурная схема микросхемы приведена на рис. 3.1.



Рис. 2.1. Структурная схема микросхемы TL494




Специально созданные для управления ИВП микросхемы TL493/4/5 обеспечивают разработчику расширенные возможности при конструировании схем управления ИВП. Приборы TL493/4/5 включают в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемый генератор, компаратор регулировки "мертвого" времени, триггер управления, прецизионный ИОН на 5 В и схему управления выход­ным каскадом. Усилитель ошибки выдает синфазное напряжение в диапазоне -0.3...(V_CС - 2) В. Компаратор регулировки "мертвого" времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность "мертвого" времени величиной поряд­ка 5%.

Допускается синхронизация встроенного генератора при помо­щи подключения вывода R_T к выходу опорного напряжения и подачи входного пилообразного напряжения на вывод С_T, что используется при синхронной работе нескольких схем ИВП (рис. 3.1).

Независимые выходные формирователи на транзисторах обес­печивают возможность работы выходного каскада по схеме с общим эмиттером либо по схеме эмиттерного повторителя. Выход­ной каскад микросхем TL493/4/5 работает в однотактном или двухтактном режиме с возможностью выбора режима с помощью специального входа. Встроенная схема контролирует каждый вы­ход и запрещает выдачу сдвоенного импульса в двухтактном режиме.

Особенности микросхемы TL494:

• Полный набор функций ШИМ-управления;

• Выходной втекающий или вытекающий ток каждого выхода – 250 мА;

• Возможна работа в однотактном или двухтактном режиме;

• Встроенная схема подавления сдвоенных импульсов;

• Широкий диапазон регулировки;

• Выходное опорное напряжение – 5 В±5%;

• Просто организуемая внешняя синхронизация.

4. РАСЧЁТ СХЕМЫ

4.1. Расчет и выбор АБ

По условию ТЗ тип АБ – НКГЦ, U_АБ = 24 В; U_ном=1,2 В; U_min = 1 В; U_max=1,42В;

Из этого следует, что для получения 24 В нужно 20 аккумуляторных элементов. В таком случае U_min = 20 В; U_max=28,4 В;

4.2. Расчёт силовой части

4.2.1. Расчет силового инвертора и трансформатора

Максимальная относительная длительность импульса микросхемы равна γ_max = 45%, т.к. в микросхеме TL494 есть регулировка «мертвого времени», которая внутренне смещена, тем самым ограничивая максимальную относительную длительность импульса в двухтактном режиме работы на уровне 45%. Исходя из этого, рассчитаем коэффициент трансформации трансформатора TV2:



Рассчитаем минимальное значение относительной длительности импульса:



В схеме силового инвертора, напряжение на закрытом ключевом транзисторе зависит от напряжения питания U_ВХ. Следовательно, U_СИmax = U_ВХmax = 28,4 В. Максимальный ток, протекающий в стоковой цепи транзистора,равен:

Током намагничивания трансформатора можно пренебречь, т.к. он составляет единицы процентов от выходного тока, приведенного к первичной обмотке. С учетом коэффициента загрузки, не превышающего 50% по каждому параметру, выбираем транзистор 2П706Б с параметрами:

U_СИmax = 400 В; I_Сmax = 15 А; R_СИ = 0,5 Ом.

Примем частоту переключения транзисторов инвертора f = 20 кГц.

Минимальное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора U₁ =U_ВХmin = 20 В.

Наибольшее среднее значение тока в первичной обмотке:

где I₂ = I_ВЫХ.

Для данного трансформатора выберем тип конструкции – тороид, магнитный материал сердечника – прессованный ферроматериал.

По известным токам и напряжениям обмоток и габаритной мощности трансформатора выбирается сердечник и определяются параметры обмоток, при этом число витков первичной обмотки рассчитывается исходя из наибольшего напряжения, прикладываемого к ней, чтобы исключить режим насыщения (замагничивания) сердечника трансформатора.



где S_О – площадь окна сердечника магнитопровода [см²];

S_С – поперечное сечение сердечника [см²];


P_Г = (U_1maxI₁ + U₂I₂) / 2 = 220 ВА;

k_ф – коэффициент формы напряжения (для прямоугольного сигнала – 1);

k_с – коэффициент заполнения сердечника сталью (для трансформаторов, выполненных на сердечниках из прессованных ферроматериалов 1);

δ – плотность тока в обмотках трансформатора (среднее значение для многовитковых трансформаторов равно 2,5 А/мм²);

σ – коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем σ = 0,3;

B_м – индукция в магнитопроводе (для трансформаторов, выполненных на сердечниках из прессованных ферроматериалов индукция не превышает 0,35 Тл).

Выбираем сердечник из стандартного ряда магнитопроводов ОЛ 25/40-6,5, имеющий S_ОS_С = 2,4 см⁴, S_О = 4,9 см², S_С = 0,49 см².

Число витков на один вольт ЭДС в обмотках трансформатора определяется по выражению:



Число витков в первичной обмотке:



во вторичной:



Диаметры проводов обмоток:

выбираем провод ПЭВ-2 с диаметром провода с изоляцией 2,23 мм.

выбираем провод ПЭВ-2 с диаметром провода с изоляцией 1,36 мм.

4.2.2. Расчет выходного выпрямителя и фильтра.

Выходной выпрямитель состоит из двух диодов VD13 – VD16. Значение тока, протекающего через диоды:



Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду:



Выбираем диоды Шоттки VD13 – VD16 – 2Д245В

Рассчитаем выходной фильтр. Для этого зададим значение коэффициента сглаживания K_СГЛ = 100. Тогда:



Индуктивность выбирается из условия непрерывности тока в дросселе по выражению:



Выбираем дроссель Д17-2 при последовательном соединении обмоток. Следовательно, L1 = 5,3 мГн.

Рассчитаем конденсатор входного фильтра:



Выбираем конденсатор 33 мкФ.

4.3. Расчёт системы управления.

Система управления строится на основе микросхемы ШИМ-контроллера TL494.

Рассчитаем частотозадающую цепь R16С6микросхемы DA2:



Частота работы инвертора f = 20 кГц, примем резистор R16 = 10 кОм, тогда:



Выбираем конденсатор C6–К10-47а-50В-5,6нФ±10%, резистор R16 С2-33-0,125-10 кОм±5%.

Рассчитаем обратную связь по току. Сигнал по току будем снимать с шунта – резистора RSH1. Выберем резистор С5-43-1-0,4 Ом±5%.

На входе микросхемы стоит усилитель ошибки, отрицательный выход которого соединен с источником опорного напряжения микросхемы напряжением 5 В. Следовательно, чтобы сигнал ошибки по току равнялся нулю на выходе усилителя ошибки, необходимо на положительный вход подать напряжение 5 В, т.е. сигнал с шунта должен равняться 5 В. Для этого сигнал с шунта необходимо усилить, воспользовавшись дифференциальным усилителем на операционном усилителе К140УД14. При выходном токе заряда I_ВЫХ = 3 А, напряжение на шунте RSH1 будет равно U_R8 = I_ВЫХRSH1 = 1,23 В. Следовательно, коэффициент усиления дифференциального усилителя должен быть K = 4. Рассчитаем резисторы дифференциального усилителя, при условии, что R11=R13. Примем R11= R13= 3 кОм, тогда:



Принимаем R19 = .

Зададим коэффициент усилителя ошибки микросхемы К_I= 100 и R23 = 10 кОм, тогда:




Цепочка R14С5 необходима для устранения помех в цепи обратной связи. Принимаем резистор R14= 4,7 кОм, тогда:



Рассчитаем обратную связь по напряжению. Она необходима для ограничения напряжения на уровне 60В. Для организации ОС по напряжению воспользуемся вторым усилителем ошибки ШИМ-контроллера, который будем использовать как компаратор, т.е. без ОС усилителя. Отрицательный выход усилителя соединен с источником опорного напряжения микросхемы, т.е. напряжение на отрицательном входе равняется 5В. Обратная связь по напряжению организована с помощью делителя R9, R10. Примем резистор R10 = 1,2 кОм, тогда:



Принимаем резистор R9 = .

Резисторы R17, R20 и R19, R22 необходимы для ограничения тока через выходные усилительные каскады ШИМ-контроллера. Ток не должен превышать 250 мА по каждому каскаду, следовательно:



Принимаем резисторы R17= R20 = 51Ом, R19 = R22= 30 Ом.

Конденсаторы C7, C4 необходимы для фильтрации по цепи питания микросхем DA2, DA3, выбираются равными 0,1 мкФ.

Рассчитаем драйверы для управления силовыми MOSFET транзисторами. Драйверы состоят из транзисторов VT5-VT8 (усилительный каскад) и трансформаторов TV2, TV3 (гальваническая развязка). Для того, чтобы управлять силовыми транзисторами на высокой частоте, необходим импульсный начальный ток I_Д ≈ 1 А. Исходя из этого выбираем транзисторы VT7, VT5 – КТ815Б (I_Кmax = 1,5 А; U_КЭ = 40 В) и VT8, VT6 – КТ814Б

(I_Кmax = 1,5 А; U_КЭ = 40 В).
Резисторы R18 и R22 необходимы для ограничения максимального тока драйвера по цепи питания:



Принимаем резисторы R18 = R22= 14 Ом.

Конденсаторы C8, C10 необходимы для фильтрации напряжения по цепи питания драйвера, а также для накопления энергии и быстрой ее отдачи в цепь управления силовыми транзисторами, выбираются равными 1 мкФ.

Конденсаторы C9, C11 служат для создания напряжения разной полярности на трансформаторах драйвера TV2 и TV3:



Принимаем конденсаторы C8 = C11 = .

Рассчитаем трансформаторы драйвера TV2 и TV3. Для данного трансформатора выберем тип конструкции – тороид, магнитный материал сердечника – прессованный ферроматериал.

Коэффициент трансформации k = 1.

Напряжения на первичной обмотке трансформатора U₁ = U₂ = 15 В.

Наибольшее значение тока в первичной обмотке I₁ = I₂ = 1,5 А.

По известным токам и напряжениям обмоток и габаритной мощности трансформатора выбирается сердечник и определяются параметры обмоток, при этом число витков первичной обмотки рассчитывается исходя из наибольшего напряжения, прикладываемого к ней, чтобы исключить режим насыщения (замагничивания) сердечника трансформатора.



где S_О – площадь окна сердечника магнитопровода [см²];

S_С – поперечное сечение сердечника [см²];

P_Г = (U₁I₁ + U₂I₂) / 2 = 22,5 ВА;

k_ф – коэффициент формы напряжения (для прямоугольного сигнала – 1);

k_с – коэффициент заполнения сердечника сталью (для трансформаторов, выполненных на сердечниках из прессованных ферроматериалов 1);

δ – плотность тока в обмотках трансформатора (среднее значение для многовитковых трансформаторов равно 2,5 А/мм²);

σ – коэффициент заполнения окна сердечника медью (для проводов круглого сечения в пределах от 0,2 до 0,35), примем σ = 0,3;

B_м – индукция в магнитопроводе (для трансформаторов, выполненных на сердечниках из прессованных ферроматериалов индукция не превышает 0,35 Тл).

Выбираем сердечник из стандартного ряда магнитопроводов К20х10х6, имеющий S_ОS_С = 0,271 см⁴, S_О = 1,13 см², S_С = 0,24 см².

Число витков на один вольт ЭДС в обмотках трансформатора определяется по выражению:



Число витков в первичной обмотке:



во вторичной:



Диаметры проводов обмоток:

выбираем провод ПЭВ-1 с диаметром провода с изоляцией _____.

выбираем провод ПЭВ-1 с диаметром провода с изоляцией _______.

Резисторы R1-R8 восстановления формы и амплитуды управляющих сигналов с ШИМ-контроллера после трансформаторов TV2 и TV3.

Выбираем резисторы R1=R2=R4=R5=36Ом

Выбираем резисторы R3=R6=R7=R8=1кОм

Стабилитроны VD5-VD12 служат для стабилизации напряжения на затворах силовых транзисторов VT1 - VT4. Выбираем стабилитроны 2С515А с параметрами: U_СТном = 15 В, I_СТmax = 53 мА, I_СТmin = 1 мА.

4.4. Источника питания собственных нужд.

Для построения источника питания собственных нужд используется микросхема DA1 – К142ЕН9А. Параметры микросхемы следующие:

Выходное напряжение: 20±0,4В.

Ток потребления: ≤ 10 мА.

Максимальное входное напряжение: ≤ 40 В.

Максимальный выходной ток: ≤ 1,5 А.



Рис. 4.1. Типовая схема включения микросхемы К142ЕН9А

Конденсаторы C1 и C2 необходимы для фильтрации по цепи питания микросхемы DA1, выбираются равными 1 мкФ.

5. Заключение

При выполнении данного курсового проекта был разработан и рассчитан преобразователь напряжения на основе мостового инвертора. Полученное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания.

При разработке устройства был получен опыт по управлению вторичными источниками питания, закреплены полученные ранее знания, а также получен дополнительный опыт по расчету различных элементов электронных схем.

Список используемой литературы

1. 
   В.С.Мишуров. Устройства преобразовательной техники: Методические указания по выполнению курсового проекта.  Томск: ТМЦ ДО, 2002.  127 с.
   
2. 
   В.Д.Семенов. Основы преобразовательной техники: Учебное пособие. – Томск: ТУСУР, 2004.
   
3. 
   А.В. Шарапов. Аналоговая схемотехника: Учебное пособие. – Томск: ТМЦ ДО, 2003. – 128 с.
   
4. 
   Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2001. – 608 с.
   
5. 
   Б.Ю.Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с: ил. (Серия «Библиотека инженера»).
   
6. 
   В.П.Обрусник. Магнитные элементы электронных устройств: Учебное пособие. – Томск: ТМЦ ДО, 2006. – 154 с.
   
7. 
   И.Н.Сидоров. Малогабаритные трансформаторы и дроссели: Справочник. – М.: Радио и связь, 1985. – 416 с., ил.