Нулевая схема выпрямителя

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

 

Факультет электронной техники

Кафедра промышленной электроники

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 

 

по курсу:

«Основы преобразовательной техники»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Полурезов. А. А.

Проверил:

Кабышев А.М.

 

 

 

 

Владикавказ 2014

Содержание

 

Приложение..………….………………………………………………………….20

 

 

 

Задание

 

Разработать систему, состоящую из регулятора переменного напряжения однофазного управляемого нулевого выпрямителя.

Напряжение питания: 220В, частота: 50Гц.

Напряжение нагрузки: 500В, тока: 0.1А.

 

 

Введение

 

Выпрями́тель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры. Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором. Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

По виду переключателя выпрямляемого тока:

• механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока;
• механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока;
• с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);
• электронные синхронные (например, транзисторные)  — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией;
• с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);

 

По мощности:

• силовые выпрямители;
• выпрямители сигналов;

 

По степени использования полупериодов переменного напряжения:

• однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну[6];
• двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны;
• неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны;
• полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны;

По схеме выпрямления:

• мостовые, с умножением напряжения,
• трансформаторные, с гальванической развязкой,
• бестрансформаторные и пр.;

По количеству используемых фаз:

однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;

• по типу электронного вентиля — полупроводниковые  диодные, полупроводниковые тиристорные ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и пр.;
• по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные);
• по количеству каналов — одноканальные, многоканальные;
• по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 100 В), средневольтовые (от 100 до 1000 В), высоковольтные (свыше 1000 В);
• по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр.;
• по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые;
• по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные;
• по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые;
• по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой, цифровой);
• по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные;
• по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами;
• по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.

Наиболее важным и распространенным является преобразование переменного тока в постоянный ток. Исторически выпрямители развивались в следующем порядке. 

1.Вращающиеся преобразователи: двигатели - генераторы и одноякорные преобразователи.

2.Ионные (ртутные) преобразователи.

3.Полупроводниковые преобразователи на полупроводниковых диодах.

Промышленные полупроводниковые преобразователи, широкое применение которых началось в конце 50-ых годов, выполнялись на базе германиевых, а позднее кремниевых диодов.  Для регулирования напряжения использовались дроссели насыщения с подмагничиванием постоянным током.

       4.Полупроводниковые преобразователи на управляемых полупроводниковых вентилях.

  Появление тиристоров  резко расширило возможность использования преобразовательных устройств для автономного преобразования постоянного тока в переменный (автономные инверторы) и преобразования частоты (преобразователи частоты).

Параметры преобразовательных устройств весьма различны.  Различны и предъявляемые к ним требования, а также режимы и условия их работы. Выпрямленный ток установок изменяется в широком диапазоне от единиц ампер до сотен тысяч ампер, а выпрямленное напряжение от десятков до сотен тысяч вольт.

  Разнообразны требования  и к режиму регулирования. Так  большая группа установок работает  при нерегулируемом выпрямленном  напряжении. Наряду с этим на других установках требуется не только регулирование напряжения, но и преобразование постоянного тока в переменный ток. Существенен для работы преобразовательных устройств также и характер графика нагрузки – от совершенно ровного (электролиз) до резкого неравномерного (тяга).

Диапазон  параметров  устройств  зависимого  инвертирования  также  как  и  выпрямительных  устройств  очень  обширен:  от  нескольких  ампер  до  десятков  тысяч  ампер,  от  десятков вольт до сотен тысяч вольт.

Диапазон параметров автономных инверторов более скромен. Максимальные токи и напряжения редко превосходят нескольких тысяч ампер и несколько сотен вольт.

При проектировании  преобразовательных  устройств  необходимо  составить  рациональную общую схему со стороны как переменного так и постоянного тока, определить параметры и число рабочих и резервных преобразователей, выбрать коммутационную, защитную  и  контрольную  аппаратуру,  составить  схему  регулирования,  схему  вспомогательных

устройств и собственных нужд. Все перечисленные вопросы должны решатся не изолированно друг от друга, а совместно, преследуя общую цель – создание установки определенного назначения, обеспечивающую максимальную экономичность и нужную для конкретных

условий степень надежности при минимальных затратах. Для правильного решения необходимо принять  во  внимание  ряд  факторов:  особенности  питающей  сети  переменного  тока, график нагрузки, степень требуемой потребителем бесперебойности, особенности заданного режима  работы  преобразователей,  условия  эксплуатации  и,  наконец,  условия  размещения оборудования.

Анализ электромагнитных процессов в преобразовательных устройствах и разработка на этой основе методов расчета схем преобразователей является главным содержанием курса «Основы преобразовательной техники».

Методика расчета  преобразователей  малой  мощности  несколько  отличается  от  методики расчета преобразователей большой мощности, что объясняется специфическими особенностями этих устройств, но электромагнитные явления в них имеют один и тоже характер. Анализ электромагнитных процессов производится на основе метода анализа нелинейных и в большинстве случаев линейных электрических цепей.

В настоящее время широко применяются преобразователи с регулированием и стабилизацией напряжения, тока, частоты. При этом регулирование и стабилизация режима питания предполагает наличие устройств автоматически поддерживающих заданную величину тока, напряжения или частоты при изменении внешних условий. В преобразовательных устройствах предусматривается средства выполняющие вспомогательные операции: пуск, защиту, коммутацию и т.д.

Существующие типы преобразователей электрического тока (напряжения) могут быть представлены в виде двух структурных схем, показанных на рисунках 1 и 2.

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема с замкнутой системой преобразования переменного напряжения в постоянное.

 

 

Рисунок 2 – Структурная схема замкнутой системы преобразования постоянного напряжения в переменное

 

На  рисунке 1  изображена  замкнутая  система  преобразования  и  автоматического  регулирования постоянного напряжения. В этой системе в напряжение источника переменного напряжения (ИПрН)  с  помощью  выпрямителя (В)  преобразуется  в  пульсирующее  напряжение  одного  знака,  которое  потом  сглаживается  фильтром (Ф)  до  приемлемого  для  нагрузки (Н) уровня. Цепь обратной связи (ОС), состоящая из автоматического регулятора (АР) и системы управления (СУ) может осуществлять либо стабилизацию, либо автоматическое регулирование напряжения  на  нагрузке  согласно  программе,  которая  заложена  в  программное устройство (ПУ). Для ограничения токов КЗ при аварийных режимах работы выпрямителя предусмотрен блок токовой отсечки (БТО) который через систему управления ограничивает ток до безопасного уровня.

На  рисунке 2 представлена  замкнутая  система  преобразования  и  автоматического  регулирования переменного напряжения. Система осуществляет преобразование постоянного напряжения от источника (ИПсН) с помощью инвертора (И) в переменное напряжение, которое через промежуточное устройство (ПУ) подводится к нагрузке. ПУ согласует инвертор с нагрузкой. Оно включает в себя фильтры по переменному току, компенсаторы, а также элементы обеспечивающие устойчивую работу инвертора  при изменении нагрузки, выходной частоты и напряжения.

  Обратная связь осуществляется  автоматическим регулятором АР и системой управления СУ, в которую  входит генератор управляющих импульсов, преобразователь фаз и генератор  задающей  частоты.  В  схеме  также  имеется  система  аварийного  отключения  САО,  с помощью которой производится отключение инвертора при аварийных режимах работы.

На основе описанных структурных схем могут быть построены системы преобразования электрического тока без цепей обратной связи (например, разомкнутая система преобразования и регулирования постоянного напряжения, представленная на рисунке 3, где С - стабилизатор). А также более сложные преобразователи, осуществляющие преобразование постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, преобразование переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты.

 

 

 

 

Рисунок 3 – Структурная схема разомкнутой системы преобразования переменного напряжения в постоянное, где ИПН – источник переменного напряжения; В – выпрямитель; СФ – сглаживающий фильтр; С – стабилитрон; Н - нагрузка 

В курсе “Основы преобразовательной техники” основное внимание уделяется анализу электромагнитных процессов таких устройств как выпрямители, регуляторы, электрические фильтры, стабилизаторы, инверторы и другие. Системы электропитания в целом, как замкнутые или разомкнутые системы автоматического регулирования рассматриваются в другом курсе.

Разработка новых полупроводниковых преобразователей во многом определяется успехами в развитии полупроводниковых приборов. В современных условиях развитие полупроводниковых приборов складывается в основном из двух направлений:

а)совершенствование технологических способов изготовления приборов с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных показателей;

б)разработка принципиально новых приборов.

Особое внимание уделяется разработке и совершенствованию мощных приборов, работающих как переключатели электрического тока (тиристоры, силовые транзисторы, запираемые тиристоры). Такие приборы при незначительных потерях могут управлять огромными