КР силовая электроника. Курсовая работа. Симисторы с оптическим управлением (оптореле)

• Название: Симисторы с оптическим управлением (оптореле)
• Анкор: КР силовая электроника
• Дата: 26.01.2022
• Размер: 359.28 Kb.
• Имя файла: Курсовая работа.docx
• Тип: Курсовая; #342364

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации, телекоммуникации и метрологии

Курсовая работа

по дисциплине «Силовая электроника»

на тему:

СИМИСТОРЫ С ОПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ (ОПТОРЕЛЕ).

ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ СО СРЕДНЕЙ ТОЧКОЙ

(Ld=0; La=0)

Студент гр. АГ 18-01 Р.И. Абдрашитов

Проверил Д.В. Карташева

Уфа 2021

ЗАДАНИЕ

1 Симисторы с оптическим управлением (оптореле).

2 Однофазный выпрямитель со средней точкой (Ld=0; La=0).

СОДЕРЖАНИЕ

Задание …………………………………………………………………………... 2

Введение ……………………………………………………………………….... 4

1 Симисторы с оптическим управлением …………………………………...... 5

1.1 Общие сведения о симисторах………………………………………... 5

1.2 Принцип действия…………………………………………………….. 6

1.3 Достоинства и недостатки симисторов……………………………… 7

1.4 Основные параметры симистора…………………………………….. 8

1.5 Оптосимистор…………………………………………………………. 9

1.6 Оптореле……………………………………………………………….. 9

2 Однофазный выпрямитель со средней точкой (L_a = 0, L_d = 0)……………. 10

2.1 Общие сведения о выпрямителях…………………………………… 10

2.2 Однофазный выпрямитель со средней точкой……………………… 13

Заключение…………………………………………………………………….. 16

Список использованных источников………………………………………… 17

ВВЕДЕНИЕ

Силовая электроника – область электроники, связанная с преобразованием и коммутацией электрической энергией.

Современная силовая электроника как область науки и техники охватывает электронные приборы, преобразователи параметров электрической энергии, комплексные электротехнические и электромеханические системы, обеспечивающие потребителей электроэнергии с требуемыми параметрами. Основой всего являются электронные приборы, определяющие состояние силовой электроники и ее эффективность.

В зависимости от рабочей среды электронные приборы на вакуумные, газоразрядные и твердотельные (полупроводниковые). Основными элементами силовой электроники являются полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые приборы, применяемые в силовой электронике, используются в качестве электрических ключей, т.е. работают в ключевых режимах. Обычно устройства, обеспечивающие переключение электрических цепей, классифицируют как электрические вентили. Электронный вентиль током значительной величины в проводящем направлении (при малом падении напряжения) и большой величиной напряжения, когда вентиль не проводит рабочий ток (заперт). В запертом режиме ток (ток утечки) во много раз меньше рабочего тока.

Полупроводниковые приборы, используемые в силовой электронике, характеризуются большой площадью полупроводниковой структуры, что определило подход к анализу процессов в этих приборах.

Уже со второй половины ХХ века в качестве электронных вентилей использовали полупроводниковые приборы на основе кремния (диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные схемы), занимающие доминирующее положение силовой электроники. Силовые полупроводниковые приборы определяют состояние и уровень развития силовой электроники как современной перспективной технологии.

1 Симисторы с оптическим управлением (оптореле)
1.1 Общие сведения о симисторах
Симистор полупроводниковый прибор, являющийся симметричным тиристору, структура которой содержит пять слоев полупроводников с чередующимся типом проводимости.



Рисунок 1.1 Структура и условное обозначение симистора

Симистор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод положительного импульса управления, это следует из вольт амперной характеристики, приведенной на рисунке 1.2. Это позволяет применять симисторы для управления в цепях переменного тока.



Рисунок 1.2 Вольт-амперная характеристика симистора

Также симистор можно заменить двумя встречно включенными тиристорами о общим электродом управления, изображенный на рисунке 1.3.



а) встречно-параллельно включенные тиристоры VS1 и VS2;

б) общий электрод управления, замена двух тиристоров симистором

Рисунок 1.3 Встречено-параллельно включенные тиристоры

1.2 Принцип действия симистора

Если у тиристора есть конкретные анод и катод, то электроды симистора так охарактеризовать нельзя, поскольку каждый электрод является и анодом, и катодом одновременно. Поэтому в отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.

Очень простой схемой, характеризующей принцип работы и область применения симистора, может служить электронный регулятор мощности, представленный на рисунке 1.4. В качестве нагрузки можно использовать что угодно: лампу накаливания, паяльник или электровентилятор.



Рисунок 1.4 Симисторный регулятор мощности

После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим, с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется, и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность, он закроется. Потом процесс повторяется.

Чем больше уровень управляющего напряжения, тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса. В данном случае, изменяя управляющее напряжение, мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника.

Симистор управляется как отрицательным, так и положительным током. В зависимости от полярности управляющего напряжения рассматривают четыре, так называемых, сектора или режима работы.

1.3 Достоинства и недостатки симисторов

Если рассматривать симистор, как электронный выключатель или реле, то его достоинства таковы:

невысокая стоимость;

по сравнению с электромеханическими приборами (электромагнитными и герконовыми реле) большой срок службы;

отсутствие контактов и, как следствие, нет искрения и дребезга.

К недостаткам можно отнести:

симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе;

не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое;

реагирует на внешние электромагнитные помехи, что вызывает ложное срабатывание.

Для защиты от ложных срабатываний между силовыми выводами симистора подключается RC-цепь, изображен на рисунке 1.5. Величина резистора R₁ от 50 до 470 Ом, величина конденсатора C₁ от 0,01 до 0,1 мкФ. В некоторых случаях эти величины подбираются экспериментально.



Рисунок 1.5 Симистор с RC-цепью

1.4 Основные параметры симистора

Основные параметры удобно рассмотреть на примере популярного отечественного симистора КУ208Г. Будучи разработан и выпущен достаточно давно, он продолжает оставаться востребованным у любителей сделать что-то своими руками. Его основные параметры:

максимальное обратное напряжение – 400 В. Это означает, что он прекрасно может управлять нагрузкой в сети 220 В и ещё с запасом;

в импульсном режиме напряжение точно такое же;

максимальный ток в открытом состоянии – 5 А;

максимальный ток в импульсном режиме – 10 А;

наименьший постоянный ток, необходимый для открытия симистора – 300 мА;

наименьший импульсный ток – 160 мА;

открывающее напряжение при токе 300 мА, составляет 2,5 В;

открывающее напряжение при токе 160 мА, составляет 5 В;

время включения – 10 мкс;

время выключения – 150 мкс.

Как видим, для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс против 150 мкс).

1.5 Оптосимистор



Рисунок 1.6 Оптосимистор

Как видим, внутри корпуса смонтирован светодиод и симистор, который управляется за счёт излучения светодиода. Выводы, отмеченные как N/C и NC, не используются, и не подключаются к элементам схемы. NC – это сокращение от Not Connect, которое переводится с английского как «не подключается».

Самое ценное в оптосимисторе это то, что между цепью управления и силовой цепью осуществлена полная гальваническая развязка. Это повышает уровень электробезопасности и надёжности всей схемы.

1.6 Оптореле

В последние годы на смену обычным электромагнитным реле приходят оптоэлектронные твердотельные (оптореле). Они представляют собой сильноточные ключи с гальванической развязкой между входами управления и нагрузкой и предназначены для коммутации потребителя в цепях переменного и постоянного токов.

Преимущества оптореле очевидны. Это малый ток управления, отсутствие электромагнитных помех при коммутации потребителя, высокое напряжение изоляции, широкий диапазон рабочих температур. Кроме того, небольшие габариты и большая надежность (наработка на отказ) делают их очень удобными в различных применениях. Благодаря оптореле увеличивается надежность и срок службы устройств.



Рисунок 1.7 Симисторы с оптическим управлением (оптореле)

Технические характеристики оптореле:

управляющее напряжение, 5 ... 15 В;

управляющий ток, 10 мА;

нагрузка, не более 16 А;

напряжение коммутации, 220 В.

2 Однофазный выпрямитель со средней точкой (L_d=0; L_a=0)

2.1 Общие сведения

Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя часто подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к входным зажимам выпрямителя подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включен и на стороне переменного тока выпрямителя).

Режим работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока. Поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчетных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов: стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

Схемы выпрямителей классифицируют по ряду признаков, которые приведены на рисунке 2.1.

В зависимости от числа фаз питающего источника переменного напряжения различают схемы однофазного и трехфазного питания. Независимо от мощности выпрямителей все схемы делят на однотактные и двухтактные [6].

К однотактным относят схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (полупериод или его часть). Отношение частоты пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети в однотактных схемах равно числу фаз вторичной обмотки трансформатора. В таких схемах, кроме простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рисунок 2.1, а), обязательно выводится нулевая точка трансформатора. Таким образом, однотактные схемы – это схемы с нулевым выводом (рисунок 2.1, б).



a) б) в)



г) д)

а) однофазная однополупериодная; б) однофазная с нулевым выводом;

в) однофазная мостовая; г) трехфазная нулевая;

д) трехфазная мостовая
Рисунок 2.1 Схемы выпрямителей

К двухтактным относят схемы, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за один период, притом в противоположных направлениях. Кратность пульсаций выпрямленного напряжения в таких схемах в два раза больше, чем число фаз вторичной обмотки трансформатора. Схемы выпрямителей, относящиеся к двухтактным, называют также мостовыми (см. рис. 2.1, в, д). В мостовых схемах ток во вторичной цепи всегда проходит последовательно по двум вентилям.

В зависимости от назначения выпрямители могут быть управляемыми (с регулируемым выпрямленным напряжением) и неуправляемыми. Возможны различные модификации схем выпрямителей: с включением вторичных обмоток трансформатора в зигзаг, несимметричные схемы, схемы с нагрузкой, шунтированной диодом и др.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:
средние значения выпрямленного напряжения и тока U_d, I_d;

коэффициент полезного действия η;
коэффициент мощности χ;
внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на выходе от тока нагрузки: U_d = f (I_d);
регулировочная характеристика, представляющая зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования: U_d = f (α);
коэффициент пульсаций, представляющий отношение амплитуды данной гармонической составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (тока):

(2.1)
где амплитуда данной гармонической составляющей выпрямленного напряжения;
среднее значение выпрямленного напряжения.

коэффициент искажения, равный отношению действующих значений основной гармоники и полного тока первичной обмотки трансформатора:
(2.2)
где действующее значение тока.
С помощью трансформатора в преобразовательных устройствах производится преобразование величины входного (для выпрямителей) или выходного (для инверторов) напряжения, электрическое разделение отдельных цепей преобразователя (как правило, разделяются цепи с источниками питания и цепи с нагрузкой), преобразование числа фаз системы напряжений (напряжения, питающего выпрямитель, или напряжения, питающего автономную нагрузку инвертора).

2.2 Общая схема однофазного выпрямителя со средней точкой
Однофазный выпрямитель со средней точкой (рисунок 2.2) является одной из самых распространенных схем.



Рисунок 2.2 – Однофазный выпрямитель со средней точкой

Выпрямитель состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого имеет среднюю точку. В результате формируются два напряжения u₂₁ и u₂₂, сдвинутые по фазе на 180^о. Напряжения на секциях вторичной обмотки трансформатора имеем [3]

, (2.3)
где U₂ - действующее напряжение на одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Рассмотрим работу выпрямителя по временной диаграмме (рисунок 2.3)



Рисунок 2.3 Временная диаграмма работы однофазного выпрямителя со средней точкой

На интервале (0-1) открыт диод VD1, и напряжение u₂₁ подключается к нагрузке, в точке (1) диод закрывается, т.к. напряжение, приложенное к нему, равно нулю. На интервале (1-2) открыт диод VD2 и напряжение u₂₂ подключается к нагрузке. На нагрузке формируется напряжение u_d, состоящее из двух положительных полупериодов, среднее значение U_d которого определяется выражением

(2.4)

Выпрямленное напряжение содержит ряд гармонических составляющих, амплитуды которых можно определить из разложения u_d (t) в ряд Фурье

(2.5)

Качество выпрямления оценивается коэффициентом пульсации K_nкак отношение первой гармонической составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения

(2.6)

где m - число пульсов напряжения в течение периода, в данном случае m = 2.

Ток через нагрузку равен сумме токов i_a1 и i_a2, проходящих через каждый диод, при чисто активной нагрузке форма тока и напряжения совпадают.

Среднее значение токов нагрузки I_dтоков диодов I_{a1 И} I_a2находится по известному сопротивлению нагрузки R_н

(2.7)

Обратное напряжение на аноде диода равно сумме напряжения u₂₁ иu₂₂ принимает максимальное значение

(2.8)

При расчете этой схемы диод выбирается по среднему значению тока через диод, проверяется по допустимому обратному напряжению. Для случая высокой частоты , где f_сn - частота спрямления, это такая наибольшая частота, на которой проявляются выпрямительные свойства диода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Симистор является элементом силовой электроники одной из наиболее динамично развивающихся областей электроники в России. Применяется силовая электроника везде: при выработке электроэнергии, ее передаче и потреблении.

Объемы производства и применения симисторов, как элемент силовой электроники, постоянно растут. Используя их, получаем значительную экономию средств, времени, преимущества в простоте разработки, дополнительную прибыль.

Также основой силовой электроники являются выпрямители. Выпрямители большой мощности (сотни киловатт) применяются в электроприводе постоянного тока, в системах возбуждения электрических машин, в системах управления и регулирования электрической тяги на железнодорожном транспорте, при передаче электроэнергии постоянным током на дальние расстояния.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Полупроводниковые выпрямители /Под ред. Ф.И. Ковалева. – М.: Энергоатомиздат, 1978. –448.

2. Энергетическая электроника. Сп. пособие. Ред. В.А. Лабунцов. –М.: Энергоатомиз-дат.1987г – 464 с.

3. Латышев Л.Н. Силовая электроника. учебник/Л.Н. Латышев. - Уфа. Изд-во УГНТУ.2017. - 119 с.

4. Силовая электроника: учебное пособие к виртуальным лабораторным работам / О.Г. Брылина, М.В. Гельман, М.М. Дудкин. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. – 144 с.

5. Электроника: учебное пособие / А.Е. Немировский, И. Ю. Сергиевская, О.И. Степанов, А.В. Иванов. – М.: Инфра-Инженерия, 2019. – 200 с.

6. Силовые преобразователи в электроснабжении: учебное пособие / Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 148 с.