Розробка принципової схеми та вибір елементів

РЕФЕРАТ

 

 

Отчет о выполнении ДР:     с,    рис.,   табл.,       источников,     приложения

Ключевые слова:  ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ШИМ – КОНТРОЛЛЕР, ТРАНСФОРМАТОР, СИЛОВОЙ КЛЮЧ

 

Объект исследований – источник электропитания для собственных нужд полупроводникового преобразователя.

Цель исследований – разработка источника электропитания для собственных нужд полупроводникового преобразователя.

В отчете в соответствии с техническим заданием проведен анализ аналогичных технических  решений, рассмотрены особенности работы обратноходового преобразователя, разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы источник электропитания для собственных нужд полупроводникового преобразователя.

Обоснован выбор  основных элементов силовой схемы, описан принцип действия устройства. Выполнены расчеты электромагнитных элементов силовой схемы.

В соответствии с индивидуальным заданием выполнены  разделы охраны труда и окружающей среды и технико-экономическое  обоснование разработок.

Результаты  проектирования рекомендуются к внедрению предприятиями электротехнической промышленности разных форм собственности.

Использование источника электропитания для собственных нужд полупроводникового преобразователя на различных машиностроительных предприятиях.

 

РЕФЕРАТ

 

 

Звіт про виконання ДР:     c.,    рис.,      табл.,    джерел,    додатки

 

Ключові слова:  ЗВОРОТНЬОХОДОВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ, ШІМ - КОНТРОЛЕР, ТРАНСФОРМАТОР, СИЛОВИЙ КЛЮЧ

 

 

Об'єкт досліджень – джерело електроживлення для власних потреб напівпровідникового перетворювача.

Мета досліджень – розробка джерела електроживлення для власних потреб напівпровідникового перетворювача.

У звіті відповідно до технічного завдання проведено аналіз аналогічних технічних рішень, розглянуті особливості роботи обратноходового  перетворювача, розроблені структурна і електрична принципова схеми джерело електроживлення для власних потреб напівпровідникового перетворювача.

Обґрунтовано  вибір основних елементів силової  схеми, описаний принцип дії пристрою. Виконано розрахунки електромагнітних елементів силової схеми.

У відповідності  з індивідуальним завданням виконані розділи охорони праці та навколишнього  середовища і техніко-економічне обґрунтування  розробок.

Результати  проектування рекомендуються до впровадження підприємствами електротехнічної промисловості різних форм власності.

Використання джерела  електроживлення для власних  потреб напівпровідникового перетворювача  на різних машинобудівних підприємствах. 

THE ABSTRACT

 

 

The report on a diploma project:     pages,      fig.,      tab.,   sources,      appendices

 

 

Key words: FLYBACK CONVERTER, PWM-CONTROLLER, TRANSFORMER, POWER SWITCH

 

 

Object of researches – the source of power for its own needs of the semiconductor transducer.

The purpose of researches – the development of power supply for their own use of the semiconductor transducer.

In a report in accordance with the terms of reference similar to the analysis of technical solutions, the peculiarities of the flyback converter, designed the structural and electrical schematic diagram of a power supply for their own use of the semiconductor transducer.

The choice of basic elements of the power circuit is proved; the principle of action of the device is described. Calculations of electromagnetic elements of the power circuit are executed.

According to the individual task sections of a labor safety and an environment and the feasibility report on development are executed.

Results of designing are recommended to introduction by the enterprises of the electro technical industry of different patterns of ownership.

Using a power supply for their own use of a semiconductor converter in various engineering enterprises.

 

ЗМІСТ

 

Вступ 

1 Технічне завдання  

2 Мета роботи 

3 Аналітичний огляд перетворювачів 

4 Розробка функціональної схеми 

5 Розробка принципової схеми та вибір елементів 

5.1 Розрахунки  вхідного конденсатора 

5.2 Вибір ШІМ-контролера 

5.3 Трансформатор  (T1) 

5.4 Частотозадающі  елементи 

5.5 Силовий ключ 

5.6 Елементи  в ланцюзі керування силовим  ключем 

5.7 Датчик струму  і його ланцюги 

5.8 Елементи  запуску 

5.9 Схема живлення  контролера 

5.10 Ланцюг придушення  викиду від індуктивності розсіювання 

5.11 Вихідний  діод 

5.12 Конденсатор  фільтра 

5.13 Додатковий  фільтр 

5.14 Підсилювач  помилки і його ланцюги 

5.15 Оптрон гальванічної розв'язки і його ланцюга 

5.16 Елементи  корекції петлі зворотнього зв'язка 

5.17 Конденсатор  придушення завади 

6 Техніко-економічне  обгрунтування 

6.1 Резюме 

6.2 Розрахунок  економічних показників 

6.3 Фінансовий  план 

7 Охорона праці  та навколишнього середовища 

7.1 Загальні питання охорони праці та навколишнього середовища 

7.2 Виробнича  санітарія 

7.3 Охорона навколишнього  середовища 

Висновки 

Список джерел інформації 

Додатки 

 

ВСТУП

 

Перетворювач з передачею  енергії на зворотному ходу (зворотньооходовий перетворювач,) можна назвати однією з найбільш популярних топологій імпульсних джерел живлення. Область його широкого застосування обмежена конверторами низької і середньої потужності як стандартного застосування, так і ексклюзивних рішень. Причому розробники серійної продукції люблять його за граничну простоту і дешевизну, а деякі його унікальні властивості дозволяють вирішувати дуже нестандартні завдання. Але за все треба платити. За своїми енергетичними характеристиками зворотньоходовий перетворювач значно поступається більшості інших топологій. Можна сказати, що оптимізація його неможлива без компромісів, і розробникам необхідно добре уявляти собі всі процеси в ньому і вплив елементів схеми один на одного і на характеристики виробу в цілому – зворотньоходовий перетворювач є унікальною топологією в плані взаємопов'язаності всіх процесів. 

1  ТЕХНІЧНЕ  ЗАВДАННЯ 

 

1.1 Найменування  і область застосування

Джерело електроживлення  власних потреб напівпровідникового  перетворювача, призначено для перетворення напруги промислової мережі у постійну напругу для живлення більшості електронних компонентів системи управління перетворювачем.

1.2 Підстава  для  розробки

потреба в малопотужних джерелах вторинного електроживлення у напівпровідникових перетворювачах.

1.3 Мета  і   призначення  розробки

Джерело електроживлення  власних потреб напівпровідникового  перетворювача.

1.4 Технічні  вимоги

1.4.1 Джерело живлення: промислова мережа з напругою 220 В, частотою 50 Гц.

1.4.2 Допустиме  відхилення значення напруги живлення: ± 5 %

1.4.3 Значення  вихідної напруги 5 VDC;

1.4.4 Максимальне  значення вихідного струму: 1 А;

1.4.5 Топологія  схеми – зворотньоходовий перетворювач;

1.4.6 Частота  перетворення – 100 кГц;

1.4.8 Конструктивні  особливості:  без корпусу.

1.5 Економічні  показники

Основні техніко-економічні показники будуть визначені на стадії розробки техніко-економічного обґрунтування  дипломної роботи.

1.6 Стадії  і  етапи  розробки

Основні стадії і етапи  розробки, терміни їх виконання приведені в бланку завдання на дипломну роботу.

 

2 Мета РОБОТИ

 

Мета роботи – розробка джерела електроживлення власних потреб напівпровідникового перетворювача.

Для досягнення поставлених цілей у  дипломній роботі вирішуються наступні задачі:

• аналітичний огляд перетворювачів електричної енергії;
• складання технічного завдання на розробку джерела ;
• розробка структурної і принципової схеми;
• розглядання питань охорони праці й навколишнього середовища;
• техніко-економічне обґрунтування розробки.

 

 

3 АНАЛІТИЧНИЙ  ОГЛЯД ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

 

В даний час все більше і більше зростає роль електроприводу в народному господарстві. Для живлення і управління потужними електричними машинами часто використовується схема, наведена на рисунку 3.1.

 

Рисунок 3.1 – Схема напівпровідникового перетворювача

 

Для коректної  роботи схеми в ній необхідно  передбачити джерело електроживлення  власних потреб з високою стабільністю вихідних напруг і гальванічною розв'язкою. Гальванічно розв'язані джерела  електроживлення ланцюгів управління можуть бути створені з використанням різних схемних рішень. Можна застосувати або ключове джерело електроживлення з кількома виходами, або перетворювач напруги з кількома вторинними обмотками. Електроживлення ланцюгів управління також можна здійснити від силового випрямляча, використовуючи конвертори постійного струму. Використання компактного конвертора в якості одиничного гальванічно ізольованого джерела може спростити монтаж електроживлення схем управління. Децентралізована схема електроживлення, в якій один задаючий генератор використовується для управління декількома маленькими ізолюючими трансформаторами з випрямлячами, може забезпечити переваги окремих перетворювачів постійного струму при менших витратах. Ще одне економічно ефективне рішення показано на рисунку 3.2 Цей обратноходовой перетворювач працює безпосередньо від силової шини постійного струму.

Для коректної  роботи перетворювача необхідні  кілька рівнів високостабільного напруги: 5 В - для живлення мікроконтролера, 24 В - для забезпечення рівнів узгодження інвертора, 15 В - для живлення ланцюгів управління IPM.

 

Рисунок 3.1 – Схема ІВЕП власних потреб напівпровідникового перетворювача

 

Однотактні зворотньоходові перетворювачі (ОЗП) напруги є зараз найбільш поширеними. Це обумовлено тим, що в області малої (0,1...10 Вт) і середньої (10...200 Вт) потужності вони забезпечують найбільш оптимальне співвідношення вартість-якість. У зв'язку зі зниженням цін на потужні польові транзистори з ізольованим затвором (MOSFET) і поліпшенням їх параметрів, а також зменшенням часу перемикання і значним зниженням динамічних втрат у біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT) зараз можна прогнозувати застосування подібних перетворювачів і в області великих потужностей (500 Вт і вище). Вартість вузла управління ОЗП набагато нижче, ніж у інших перетворювачів.По способу регулирования однотактные обратноходовые преобразователи можно разделить на два больших класса: релейные или с так званої дельта — сигмамодуляцией и с широтно – импульсной модуляцией.

Релейний спосіб регулювання характеризується зміною ставлення тривалості імпульсів  до періоду в сукупності зі зміною частоти їх проходження. Ці джерела  зібрані або на основі автогенераторів  на біполярних транзисторах, або на мікросхемі КР1033ЕУ1 (КР1033ЕУ5) і потужному польовому транзисторі. При будь-якому із способів побудови релейного однотактного обратноходового перетворювача вузол управління визначає момент закінчення етапу передачі енергії в навантаження і включає комутуючих транзистор. Тривалість його включеного стану залежить від вихідної напруги. Якщо воно менше заданого, тривалість імпульсу збільшується, і навпаки.

Ще одна особливість  релейного управління - підвищення частоти перетворення зі зменшенням струму навантаження. Коли досягнута мінімальна тривалість імпульсу (частота максимальна), вихідна напруга може зрости щодо номінального рівня. Щоб уникнути цього явища, вузол управління повинен забезпечити пропуск імпульсів при зменшенні струму навантаження нижче певного значення.

У перетворювачів з широтно-імпульсною модуляцією частота проходження імпульсів накопичення постійна. Вихідна напруга стабілізують зміною ставлення тривалості імпульсів до періоду їх проходження, як і у випадку релейного управління.

Однотактні зворотньоходові перетворювачі з широтно-імпульсною модуляцією поділяють на дві групи – з безперервним і переривчастим магнітним потоком трансформатора.

Часова діаграма роботи перетворювача з безперервним потоком трансформатора наведена на рис. 3.3, а. З неї видно, що струм комутатора зростає від значення I_Smin обумовленого наявністю потоку в муздрамтеатрі трансформатора, до U_max. Ток випрямного діода на етапі передачі енергії в навантаження також зменшується до значення I_smin, яке і забезпечує безперервність магнітного потоку в трансформаторі до початку етапу накопичення. У момент початку імпульсу спостерігається різке збільшення струму комутатора, обумовлене ємністю первинної обмотки трансформатора і струмом зворотного відновлення випрямного діода, наведеним до первинної обмотці. За спаду імпульсу на закритому комутаторі виникає викид напруги через індуктивності розсіювання трансформатора, а потім напруга зменшується до значення, рівного сумі напруги живлення (U_BX) і ЕРС самоіндукції (U_доп.) і залишається незмінним до наступного імпульсу.

 

Рисунок 3.3 – Часові діаграми роботи перетворювача

 

Основна відмінність  часової діаграми на рис. 3.3, б, що ілюструє роботу однотактного зворотньоходового перетворювача в режимі переривчастого потоку трансформатора від діаграми, розглянутої вище, полягає в тому, що струм комутатора наростає від нуля до максимального значення. Ток комутатора, рівний нулю в момент його відкриття, свідчить про відсутність магнітного потоку в муздрамтеатрі трансформатора. Тут також присутній викид струму, проте його складова, пов'язана зі струмом зворотного відновлення випрямного діода, відсутня, оскільки діод до моменту комутації вже закритий. Етап передачі енергії в навантаження закінчується, коли струм випрямного діода зменшується до нуля. В цей же момент припиняється і магнітний потік в магнітопроводі трансформатора, після чого слід бестоковую пауза до наступного імпульсу. Закінчення імпульсу супроводжується тими ж процесами, що і в попередньому випадку. Відмінність полягає в тому, що протягом паузи спостерігається коливальний перехідний процес на розімкнутому комутаторі, асимптотично прагне до напруги джерела живлення U_BX.

Вибір режиму роботи однотактного зворотньоходового перетворювача залежить від безлічі факторів. Однак деякі висновки можна зробити виходячи з наведених на рисунку часових діаграм:

— амплітудні та діючі значення струму в режимі переривчастого магнітного потоку при однаковій вихідній потужності більше, ніж в режимі безперервного потоку, отже, більше і статичні втрати в напівпровідникових приладах перетворювача;

— динамічні втрати в напівпровідникових приладах в режимі переривчастого потоку менше, оскільки випрямний діод закривається при нульовому струмі, що, в свою чергу, знижує пікові викиди в вихідному напрузі, викликані комутацією;