Здесь можно найти учебные материалы, которые помогут вам в написании курсовых работ, дипломов, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.
Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.
Результат поиска
Наименование:
Курсовик Выбор схемы, описание принципа действия и расчёт автономного резонансного инвертора для промежуточного режима, холодного и горячего режимов, стабилизации напряжения на нагрузке, стабилизации мощности. Расчёт дросселя и согласующего трансформатора.
Информация:
Тип работы: Курсовик.
Предмет: Схемотехника.
Добавлен: 26.09.2014.
Год: 2009.
Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%
Описание (план):
26
Тольяттинский политехнический институт
Кафедра «Промышленная Электроника»
Пояснительная записка
к курсовому проекту
«Последовательный автономный резонансный инвертор с обратными диодами»
Группа: Э-405
Студент: Козенков Д. А.
Руководитель: Сёмочкина Н.Б.
г. Тольятти 1998 г.
Содержание 1. Выбор схемы инвертора, описание принципа действия.
2. Расчёт АИР для промежуточного режима.
3. Расчёт АИР для «холодного» и «горячего» режимов.
4. Расчёт режима стабилизации напряжения на нагрузке.
5. Расчёт режима стабилизации мощности.
6. Выбор элементов схемы.
7. Расчёт дросселя.
8. Расчёт согласующего трансформатора.
Заключение.
Список литературы. Введение
Автономные инверторы - устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку. В качестве нагрузки автономного инвертора может выступать как единичный потребитель, так и разветвлённая сеть потребителей.
Основой автономного инвертора является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным и трёхфазным схемам (с нулевым выводом или мостовым), где ключами служат транзисторы и одно- или двухоперационные тиристоры. При использовании однооперационных тиристоров схему дополняют элементами, предназначенными для коммутации тиристоров. Одним из главных является конденсатор. Конденсаторы могут применяться для формирования кривой выходного напряжения инвертора и определять характер процессов, протекающих в схеме. В связи с этим схемы автономных инверторов подразделяют на автономные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ) и автономные резонансные инверторы (АИР).
В АИР конденсатор можно включать последовательно с нагрузкой или параллельно ей. Характер протекающих процессов в главных цепях ключевой схемы обуславливается колебательным процессом перезаряда конденсатора в цепи с источником питания и индуктивностью, специально введённой или имеющейся в составе нагрузки, в связи с чем ток в цепи нагрузки приближается по форме к синусоиде. АИР обычно выполняют на однооперационных тиристорах. Помимо формирования кривой тока (напряжения) нагрузки конденсаторы здесь осуществляют операцию запирания тиристоров.
В автономных резонансных инверторах (АИР) выключение вентилей осуществляется из-за колебательного характера тока, обеспечиваемого последовательным LC_контуром. Нагрузка в АИР включается либо последовательно с LC_контуром, либо параллельно с ним, либо параллельно одному из реактивных элементов.
АИР применяют на частотах свыше 1-2 кГц в электротермических и ультразвуковых установках, а также в качестве источников питания для высокоскоростных электродвигателей. Скорость нарастания тока в таких инверторах относительно небольшая, что облегчает условия работы вентилей.
По своим свойствам АИР в зависимости от соотношения параметров и схемы могут быть близки либо к инверторам тока, либо к инверторам напряжения. В первом случае источник питания обладает высоким сопротивлением для переменной составляющей входного тока (источник тока), а во втором - малым сопротивлением (источник напряжения). АИР с питанием от источников тока называются инверторами с закрытым входом, а питающиеся от источников напряжения - с открытым входом.
Резонансным инверторам свойственен недостаток, заключающийся в том, что напряжения на элементах схемы могут в несколько раз превышать напряжение питания. Одним из способов ограничения напряжения на элементах АИР является включение обратных или встречных диодов, с помощью которых накопленная на этапе проводимости тиристоров в конденсаторе энергия возвращается в источник питания или другой накопитель энергии.
1. Выбор схемы инвертора, описание принципа действия
Рассмотрим для начала возможные варианты построения схем АИР без обратных диодов. В последовательном автономном резонансном инверторе (АИР) нагрузка включается последовательно с коммутирующим конденсатором. Параметры коммутирующего контура выбираются так, чтобы обеспечить колебательный характер анодного тока тиристоров. Питание схем АИР (Рис. 1-3) осуществляется от источника ЭДС, имеющего малое внутреннее сопротивление, поэтому параллельно входным зажимам должен быть подключен емкостной фильтр. Во всех схемах тиристоры с нечётными и чётными номерами отпираются поочерёдно.
Схема АИР, приведённая на рисунке 1, обеспечивает работу даже при незначительном превышении частоты управления над собственной частотой резонансного контура, чего не позволяют схемы, изображённые на Рис. 2 и Рис. 3. При значительном расхождении частот не обеспечивается нормальный процесс коммутации, и работа АИР становится невозможной. Эта схема так же обеспечивает защиту тиристоров от высокой скорости нарастания тока (di/dt) при коротком замыкании (КЗ) в нагрузке и при “опрокидывании” инвертора. Схема на Рис. 2 защищает тиристоры от высокой di/dt при КЗ в нагрузке и при “опрокидывании” инвертора, но не обеспечивает нормального процесса коммутации при превышении частоты управления над собственной частотой резонансного контура 0. Схема на Рис. 3 защищает тиристоры только от высокой di/dt при КЗ в нагрузке. Эта схема является простейшей и не требует изготовления металлоёмких дросселей для создания достаточных магнитных связей между его обмотками, что упрощает конструкцию и снижает общую массу готового преобразователя.
Особенности работы схем АИР позволяют свести их к одной эквивалентной схеме замещения (Рис. 4).
Выбор схемы АИР, построенной с использованием обратных диодов в цепях управляемых тиристоров (Рис. 5), обусловлен рядом достоинств подобного схемотехнического решения. Улучшение характеристик схемы особенно заметно в области высоких частот. Так как в схеме АИР без обратных диодов с увеличением частоты относительная продолжительность токовых пауз возрастает, они начинают занимать значительную часть периода, происходит снижение мощности, отдаваемой в нагрузку, и значительное искажение формы кривой тока нагрузки. Наличие обратных диодов позволяет это компенсировать, также устраняются перегрузки по напряжению на тиристорах, однако обратное напряжение, появляющееся на тиристоре в течение времени его выключения, равно только падению напряжения на диоде, включенном встречно - параллельно с ним, поэтому возникает необходимость использования тиристоров с достаточно малым временем восстановления запирающих свойств.
В АИР можно выделить два основных рабочих режима: прерывистого тока нагрузки и непрерывного тока нагрузки. Для режима прерывистого тока характерно соотношение частот 0>2, где 0=2/Т0 - собственная резонансная частота выходной цепи, =2/Т - выходная частота инвертора, Т - период выходной частоты инвертора. Режиму непрерывного тока соответствует соотношение собственной резонансной частоты и частоты следования управляющих импульсов, при котором 0<2. Из-за близкой к синусоиде форме кривой тока нагрузки, а также лучшего использования тиристоров по току режим непрерывного тока нагрузки находит большее применение на практике. Уяснить особенности процессов в инверторе позволит рассмотрение временных диаграмм в режиме непрерывного тока нагрузки (Рис. 6). В исходный момент конденсатор Ск имел полярность, указанную на Рис. 5 в скобках.
Автономный резонансный инвертор, позволяющий работать на повышенной частоте.
Рис. 1 Автономный резонансный инвертор с защитой от высокой di/dt при “опрокидывании” инвертора и КЗ в нагрузке.
Рис. 2 Автономный резонансный инвертор с защитой от высокой di/dt при коротком замыкании.
Рис. 3 Схема замещения АИР.
Рис. 4 Принципиальная схема последовательного АИР с обратными диодами
Рис. 5 Временные диаграммы работы инвертора в режиме непрерывного тока нагрузки.
Рис. 6 В момент времени t0 отпираются тиристоры VS1 и VS4, и конденсатор Ск перезаряжается на противоположную полярность (на Рис. 5 без скобок). В момент t1 анодный ток тиристоров VS1 и VS4 становится равным нулю, и тиристоры запираются. Так как в результате колебательного процесса перезаряда конденсатор Ск заряжается до напряжения, превышающего напряжение источника питания, то диоды VD1 и VD4 отпираются, и конденсатор Ск разряжается на источник питания, обеспечивая протекание тока нагрузки в другом направлении. В момент t2 отпираются тиристоры VS2 и VS3, и ток нагрузки коммутируется на эти тиристоры. Конденсатор Ск перезаряжается исходной полярностью. После запирания тиристоров VS2 и VS3 ток нагрузки протекает через диоды VD2 и VD3. Таким образом, когда ток протекает через тиристоры, источник питания отдаёт энергию нагрузке, а на интервалах проводимости диодов часть реактивной энергии возвращается в источник питания.
2. Расчёт АИР для промежуточного режима.
2.1 Расчёт АИР начнём с расчёта реактивных и полных сопротивлений нагрузки, а также коэффициента мощности, в различных вариантах его работы: холодном, промежуточном и горячем. Воспользуемся формулами: ( 2.1 )
( 2.2 )
( 2.3 )
где - круговая частота, f=1500 - заданная выходная частота, Гц;
Результаты вычислений отразили в таблице 1. Таблица 1 Изменение параметров по ходу нагрева.
( 2.4 )
где Е - заданное напряжение питающей сети, в;
Получаем Udm=513.18 В.
Для получения возможности устранения колебания напряжения на входе инвертора принимаем входное напряжение: ( 2.5 )
Подставив, имеем Ud=436.2 В. 2.3 Минимальный угол запирания тиристоров:
( 2.6 )
где Ти=1/f - период выходной частоты инвертора;
tвп=40 мкС - паспортное значение времени выключения тиристоров.
Получаем 1=0.4901 рад. 2.4 Определяем собственную частоту коммутирующего контура из соотношения:
( 2.7 )
Частота контура равна w0=11167 рад/с. 2.5 Длительность протекания анодного тока:
( 2.8 )
Получаем =2.65 рад. 2.6 Определяем угол включения тиристоров: ( 2.9 )
( 2.10 )
где - угол запирания тиристоров;
Ку=2.8 - коэффициент увеличения.
Получаем =1.3722 рад; =0.8822 рад 2.7 Находим общую индуктивность схемы L, равную сумме индуктивности нагрузки в промежуточном режиме и дополнительной индуктивности Lк. ( 2.11 )
Получаем L=1.2746*10-5 Гн 2.8 Определяем величину дополнительной индуктивности, включение которой желательно из соображений снижения влияния степени нагрева на общую индуктивность. ( 2.12 )
Получаем Lк=2.7458*10-6 Гн. 2.9 Вычисляем среднее значение входного тока
( 2.13 )
Получаем Id=57.3127 А. 2.10 Находим коэффициенты N и B, определяющие действующее значение тока и напряжения нагрузки в зависимости от параметров инвертора: (2.14)
(2.15)
Получаем N=0.2938; B=2.7993. 2.11 Действующие значения тока и напряжения нагрузки:
(2.16)
(2.17)
Получаем Iн1=242.303 А; Uн1=755.095 В. 2.12 Определяем ток нагрузки, исходя из заданной мощности:
(2.18)
Получаем Iн2=1448.97 А. Так как Iн1<Iн2, будем использовать согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации:
(2.19)
Из выражения (2.19) получаем Кт=5.98, принимаем Кт=6. Из-за введения трансформатора параметры нагрузки для преобразователя изменились, поэтому проводим их перерасчёт: ( 2.20 )
Результаты пересчёта занесены в таблицу 2. Таблица 2
Пересчитанные параметры нагрузки
( 2.21 )
Получаем Ск=1.7441*10-5 Ф. Принимаем Ск=20 мкФ. 2.14 Находим средние значения анодного тока тиристоров и диодов:
( 2.22 )
( 2.23 )
Получаем Iaт=73.22 А; Iад=44.57 А. 2.15 Максимальное напряжение на коммутирующем конденсаторе:
( 2.24 )
Получаем Ucm=1963.31 В. 3. Расчёт АИР для «холодного» и «горячего» режимов
Дальнейший расчёт проводится для двух режимов работы преобразователя, характеризуемых свойствами нагрузки: «холодного» и «горячего». Согласно названиям режимов будет проводиться индексация буквенных обозначений в формулах - соответственно буквами «х» и «г». 3.1 Определяем частотный и нагрузочный коэффициенты
( 3.19 )
( 3.20 )
Получаем: Idx=80.22 A; Idг=49.93 А. 3.10 Рассчитываем средние значения анодных токов тиристоров и диодов для «холодного» и «горячего» режимов:
( 3.25 )
( 3.26 )
Получаем I1х=311.78 А; I1г=275 А. 3.12 Максимальное напряжение на конденсаторе:
( 3.27 )
( 3.28 )
Получаем: Ucmх=2537.6 В; Ucmг=2279.69 В. 4. Расчёт режима стабилизации напряжения на нагрузке
При расчёте режима стабилизации напряжения на нагрузке изменением частоты за номинальное принимается напряжение на нагрузке для промежуточной стадии нагрева, рассчитанное в п. 2.11 по формуле (2.17 ), т.е. Uнном=Uн1. Расчёт проведём, задавшись рядом частот w, близких к базовой частоте w=2f, согласно приведённой ниже последовательности. 4.1 Рассчитывается длительность протекания анодного тока:
( 4.1 )
( 4.2 )
где w - задаваемая частота для соответствующего из режимов.
w0- собственная частота контура для соответствующего из режимов, определённая в п. 3.5. 4.2 Определяется угол включения тиристоров:
Результаты расчётов по формулам (4.1) - (4.10) занесены в таблицу 3. Таблица 3
Результаты расчёта режима стабилизации напряжения на нагрузке.
Режим
9000
9100
9200
9300
9400
9500
9600
9700
9800
9900
«Холодный»
w0х=11359
cosнх=0,1315
х,рад
2,49
2,52
2,54
2,57
2,599
2,63
2,65
2,68
2,71
2,74
х,рад
0,76
0,78
0,796
0,81
0,82
0,83
0,84
0,85
0,86
0,862
х,рад
1,41
1,4
1,39
1,37
1,36
1,35
1,33
1,31
1,29
1,27
Nх
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,33
0,35
0,36
0,38
0,4
Bх
2,73
2,73
2,734
2,738
2,742
2,747
2,752
2,758
2,76
2,77
Uнх,в
695
728
763
801
842
888
937
992
1053
1120
«Горячий»
w0г=11931
cosнг=0,1204
г,рад
2,37
2,39
2,42
2,44
2,47
2,5
2,52
2,55
2,58
2,6
г,рад
0,699
0,72
0,74
0,76
0,77
0,79
0,81
0,82
0,84
0,85
г,рад
1,47
1,46
1,456
1,448
1,44
1,43
1,42
1,41
1,39
1,38
Nг
0,211
0,217
0,224
0,23
0,238
0,246
0,254
0,264
0,274
0,285
Bг
2,759
2,76
2,763
2,765
2,767
2,769
2,772
2,775
2,778
2,78
Uнг,в
554
576
599
624
651
679
710
744
780
820
4.6 По результатам расчёта, на основе таблицы 3, построены графики зависимостей Uн=() и =() (Рис. 7 и Рис. 8). На графике зависимости напряжения от частоты определены частоты х1 и г1, при которых соблюдается равенство Uнг=Uнх=Uнном. Они оказались равными: х1=9178 рад/с и г1=9731 рад/с. При этом =2f=9425 рад/с. 4.7 Подставляя вместо частоты найденные значения х1=9178 рад/с и г1=9731 рад/с в формулы (4.1) - (4.9), определяем для этих частот следующие величины:
длительность протекания анодного тока: х1=2.54 рад; г1=2.56 рад
угол включения тиристоров: х1=0.793 рад; г1=0.829 рад
угол запирания тиристоров: х1=1.396 рад; г1=1.408 рад
коэффициент N: Nх1=0.292; Nг1=0.267
коэффициент B: Bх1=2.734; Bг1=2.776 4.8 Проверяем правильность нахождения частот х1 и г1. Для этого, с учётом найденных в п. 4.8 величин, по формулам (4.10) - (4.11) рассчитываем напряжения на нагрузке Uн1. Получаем:
Uн1х=755.2375 В; Uн1г=755.1201 В; Uнном=755.095 В
Таким образом, частоты х1=9178 рад/с и г1=9731 рад/с для режима стабилизации напряжения на нагрузке найдены верно. 4.9 Повторяем по найденным параметрам расчёты по пп. 3.8…3.12, с использованием соотношений (3.17) - (3.28). Получаем значения:
активная мощность в нагрузке:Рнх1=27389 Вт; Рнг1=28691 Вт
среднее значение входного тока: Idх1=62.79 А; Idг1=65.77 А
средний анодный ток тиристоров: Iатх1=83.69 А;Iатг1=94.12 А
средний анодный ток диодов: Iадх1=52.296 А; Iадг1=61.23 А
действующее значение первичного тока: I1х1=275.82 А; I1г1=316 А
максимальное напряжение на конденсаторе:Ucmх=23 7 В; Ucmг=2507 В Зависимость напряжения на нагрузке от частоты.
1 - для «холодного» режима;
2 - для «горячего» режима;
3 - номинальное напряжение ( п.2.11 )
Рис. 7 Зависимость величины угла запирания тиристоров от частоты.
1 - для «холодного» режима;
2 - для «горячего» режима;
3 - паспортное значение угла ( п.2.3 ) 5. Расчёт режима стабилизации мощности 5.1 Расчёт режима стабилизации мощности на нагрузке изменением частоты проведём, принимая за номинальную заданную в исходных данных мощность Pн=25 кВт. По формулам (4.1) - (4.11) пп. 4.1…4.5 и (3.17) - (3.18) п. 3.8 для каждого из режимов работы преобразователя находим величины:
длительность протекания анодного тока
угол включения тиристоров
угол запирания тиристоров
коэффициент N
коэффициент B
напряжение на нагрузке Uн
мощность на нагрузке Pн
Результаты расчётов отражены в таблице 4. Таблица 4
Результаты расчёта режима стабилизации мощности на нагрузке.
