Методика выполнения курсовой работы

В данном разделе описываются порядок и примеры выполнения отдельных разделов курсовой работы, приводятся расчетные формулы, таблицы с необходимыми данными, схемы моделей отдельных СЭУ в среде MatLab/Simulink, излагаются рекомендации и комментарии по выполнению разделов курсовой работы, на которые следует обратить внимание.

5.1 Введение

Во введении следует кратко рассмотреть вопрос о состоянии, перспективах развития СЭУ, в частности по выбранной теме (варианту) курсовой работы. Следует выделить те вопросы и проблемы, которые требуются решить по данной теме. В результате, на основе небольшого анализа указать, как могут быть решены эти вопросы и проблемы в курсовой работе.

Раздел «Введение» не номеруется, но в содержании указывается номер страницы.

5.2 Анализ технического задания на курсовую работу, обоснование и разработка общей структурной схемы устройства.

Анализ технического задания, обоснование и построение структурной схемы устройства рассмотрим на примере разработки системы управления тиристорным выпрямителем по теме №6 (вариант 6.4). Ввиду того, что в задании конкретно не указан вид сигнала управления, примем сигнал управления - аналоговым. В этом случае система управления реализуется с использованием аналоговых или цифровых ИМС, функциональных узлов и других элементов. Во-первых, заданное симметричное регулирование тиристорами предполагает использование одноканальный принцип построения системы управления. Во-вторых, при таком построении, достаточно просто реализуется заданный максимальный угол регулирования β_max=60°эл.±10%, Т- к- Для заданной схемы выпрямителя, интервал проводимости тиристоров в каждой фазе (а значит чередование синхронизирующих импульсов) составляет 120°эл., т.е. β_max<120°эл. При этом используется вертикальный принцип построения фазосдвигающего устройства, позволяющего реализовать высокую симметрию управляющих импульсов.

Рис.5.1.Структурная схема системы управления

В результате структурная схема (рис.5.1) системы управления заданным тиристорным выпрямителем будет состоять из: устройства синхронизации (УС), формирующего три синхроимпульса u_a, u_b, u_c; фазосдвигающего устройства (ФСУ), служащего для симметричного сдвига импульсов УС на угол β; распределителя импульсов управления для каждого тиристора выпрямителя; формирователей выходных импульсов управления (ФВИ), служащих для реализации необходимой формы, длительности и амплитуды управляющих импульсов тока в зависимости от тиристоров выпрямителя (i_y1, i_y2, i_y3).

5.3 Обоснование и выбор функциональных узлов, разработка функциональной схемы устройства.

Выполнение этого раздела требует, в первую очередь, определения используемого силового полупроводникового прибора (СПП) или модуля (СПМ) (если они не заданы), что в свою очередь позволяет определиться с выбором функциональных узлов управляющих устройств. При выборе последних предпочтение следует отдавать функциональным узлам, реализуемых на основе аналоговых, цифровых ИМС или специализированных ИМС управления, например, ШИМ-контроллеров, различных устройств управления и др. Рассмотрим это на примере по теме №5 (вариант 5.1), входные и выходные параметры устройства по данному варианту приведены в таблице 3.5, где заданы тип СПП и автономного инвертора (АИ), т.е. автономный инвертор тока на тиристорах. При заданных параметрах возможны две схемы реализации вентильной группы (ВГ) параллельного АИТ - мостовая или с нулевым выводом. Независимо от указанных схем АИТ, устройство управления (УУ) будет состоять из следующих функциональных узлов (рис.5.2): задающего генератора (ЗГ), распределителя импульсов (РИ) и формирователей выходных управляющих импульсов (ФВИ1, ФВИ2) с выходными импульсными трансформаторами (ИТ1, ИТ2).

Рис. 5.2 Функциональная схема мостового АИТ.

Анализ параметров ИПТ показывает, что он представляет собой источник напряжения (ЭДС), а для работы АИТ необходим источник тока. Поэтому последовательно между ИПТ и АИТ необходимо включить входную индуктивность L_вх определенной величины. В результате получим функциональную схему устройства по варианту 5.1, которая приведена на рис.5.2.

5.4 Разработка (составление) и расчет принципиальной схемы устройства.

Согласно заданий (см. п. 3.1-3.8) данный раздел, определяет решение следующих вопросов: выбор элементной базы, разработка (составление) принципиальной схемы устройства; расчет параметров устройства и его элементов; выбор по результатам расчета, либо моделирования в среде MATLAB (Simulink), полупроводниковых приборов и других элементов; расчет КПД или потребляемой мощности устройства. Выполнение этого раздела рассмотрим на примере по теме №3, где входными и выходными параметрами регулируемого выпрямителя являются: однофазная бортовая сеть 400 Гц. напряжением ; активное сопротивление сети r_б=0.01 Ом; а также выходные параметры U_н(U_вых)=52÷36 В, R_н=1.8 Ом, η≥0.92 и К_сд≥0.8 при U_н.max и режиме непрерывного тока цепи нагрузки.

Решение указанных выше вопросов рассмотрим применительно к силовой части, т.е. регулируемого выпрямителя. Анализ исходных данных U_н(U_вых)=52÷36 В, R_н=1.8 Ом, η≥0.92 и К_сд≥0.8 при U_н.max, а также требование режима непрерывного тока нагрузки, показывают, что наиболее приемлемым являются: использование тиристоров в качестве основных вентилей, применение схемы выпрямителя с нулевым выводом, индуктивным фильтром и включением нулевого диода, при этом коэффициент трансформации силового трансформатора следует выбирать из условий: U_н.max =52 В или U_c6=115^-3=112 В и угле регулирования β = 0 для выполнения условия К_сд≥0.8.

Рис. 5.3 Схема регулируемого выпрямителя

Таким образом, принципиальная схема тиристорного регулируемого выпрямителя, выполненная согласно заданию, приведена на рис. 5.3, где TV1 - понижающий трансформатор с VD0 - нулевой диод, позволяющий улучшить К_сд при фазовом методе регулирования выходного напряжения,L_ф - индуктивность фильтра, позволяющего реализовать режим непрерывного тока нагрузки.

Определим основные параметры выпрямителя и его элементов.

Действующее значение напряжения U₂ а вторичной обмотке TV1 при U_н.max (U₂)= 52 В равно:

U₂= U_н.max /0.9 = 52/0.9 = 57.77 В.

При этом среднее значение тока нагрузки I_d составит:

I_d = U_н.max /R_н = 52/1.8 = 28.88 А.

В режиме неразрывного тока нагрузки (R_н L_ф - нагрузка) имеет место соотношение:

S_l/P_d = U_c6 (U₁)⋅I₁/ I_d⋅U_н.max = 1.11,

из которого получим, что

I₁ = 1.11 I_d⋅U_н.max/ U_c6 = 28.88⋅52⋅1.11/112 = 14.88 А.

При этом падение напряжения на r_б составит:

∆U_rб =I1⋅r_б = 14.88⋅0.01 = 0.1488≈0.15 В.

Тогда с учетом ∆U_rб и U_c6= 115^-3 В напряжение U₁ составит:

 U₁ = U_c6 -∆U_rб =115^-3-0.15 = 111.85 В.

Для определения коэффициента трансформации K_TV при условии U₂ = 52 В, а β = 0 необходимо также учитывать падение напряжения ∆U_VS па тиристорах выпрямителя, которое равно U_VS ≈0.8 В.

В результате необходимое значение напряжения U’₂ на вторичной обмотке TV1 составит

U’₂= (U_н.max +∆U_VS)/0.9 = (52+0.8)/0.9=58.66 В,

а при U_c6= 115⁺⁴ = 119 В, U’₂=62.64 В.

В результате получим значение K_TV из выражения:

K_TV =U₁/ U’₂= 11.85/58.66= 1.90.

Таким образом, при U_н.max = 52 В, имеет место К_СД = 1.0, так как К_СД = cos(β=0) = 1.0.

Основные параметры трансформатора при R_н L_ф - нагрузке

S₁= I₁U₁= 1.11Р₂, S₂=2I₂U₂ = 1.57 Р₂,

S_T = (S₁+S₂)/2 = 1.34 P_d, P_d = U_н.max (U₂)⋅I’_d1.502 кВт, K_TV =1.90.

Определим угол регулировании β при U_н = 36 В при условии непрерывного режима цепи нагрузки:

cosβ = U_н/U_н.max = 36/52 = 0.69, β = 46 °эл.

При U_c6= 115⁺⁴ = 119 В, угол β составит соответственно: U_н= 56.37 В и β(U_н= 36В)=50 °эл., а β_min(U_н.max =52 В) = 23.5 °эл.

Необходимая величина L_ф определим из условия:

X_ф(ωL_ф) ≥R_н⋅ arctg β, где ω=2πf_б, f_б=400Гц.

В результате получим, что

Выбираем L_ф = 1mГн.

Далее определяем параметры тиристоров и нулевого диода при

U_н.max=52 В и U_c6= 115⁺⁴ = 119 В:

среднее значение тока через тиристоры (VS1,2)

U_VScp =I_d/2 = 28.88/2 = 14.44 А;

амплитудное значение обратного напряжения на тиристорах (VS1,2)

U_обm =2 U_2m /2= В;

максимальная величина среднего тока через нулевой диод (VD0) будет при β=50 °эл. и составит

 А;

амплитудное значение обратного напряжения U_oбm на VD0 равно

В.

С учетом полученных значений I_VSср, U_oбm, и I_VDср, U_VDm по справочнику выбираем тиристоры VS1,2 типа 10-20-4-422-1,2 с I_VSср = 20 А (стандартный охладитель типа 0-231 и естественное охлаждение), U_oбm = 400 В, du_a/dt = 200 В/мкс, t_ВС= 150мкс, di_a/dt = 40 А/мкс, ∆U_VS = 1.2 В при I_VSср = 20 А; а также диод VD0 типа КД203А с I_VSср = 10 A, U_oбm = 600 В, ∆U_VD = 1.0 В, f_max = 5кГц. Диод VD0 устанавливается также на охладитель типа 0-231.

Энергетический расчет согласно заданию, заключается в определении КПД устройства, который может быть рассчитан как по суммарной мощности общих потерь на элементах, так и путем определения общего сопротивления (активного) потерь элементов . В результате выражения для определения КПД (η) устройства имеют следующий вид:

, .

При этом общие потери Р_ОП в СПП на частотах до 400 Гц могут быть определены по выражению:

где U₀, r_д - пороговое напряжение и динамическое сопротивление предельной ВАХ СПП, K_ф= I_VS/I_VSср - коэффициент формы тока. Для тиристора Т10-20: I_VSср = 14.44 A, U₀ = 1.2 В, r_д = 6 мОм, K_ф = 1.5; для диода КД203А, I_VDср = 8.02 A,U₀= 0.8 В, K_ф = 3.5.

Определяем суммарную мощность общих потерь в рассматриваемом устройстве, без учета потерь в TV1, которая состоит из потерь в тиристорах VS1, VS2, диоде VD0, сопротивлениях r_б и r_L, где r_L - активное сопротивление индуктивности фильтра = 1 mГн (рис. 5.3), определяем при расчете ее основных параметров.

В результате потери составляют:

=40.27+14.461+33.36+2.31=90.4 Вт.

В результате получим, что:

Таким образом, условие задания η≥0.92 - выполняется (0.94>0.92).

Анализ полученных данных и решение показывают, что выбранная схема и расчет параметров регулируемого выпрямителя и его элементов удовлетворяют условиям и требованиям заданиям.

Большие возможности для расчета параметров СЭУ, его элементов в установившемся и переходных режимах дает схемотехническое моделирование их в среде MATLAB/Simulink, позволяющие как получить значения необходимых параметров элементов и характеристик устройства, так и наглядное представление о процессах в устройствах, т.е. осциллограммы токов и напряжений на элементах с временной привязкой. При этом определение (расчет) требуемых согласно заданию характеристик и параметров устройства и его элементов сводится к выполнению следующих элементов:

1) составлению схемы модели устройства с учетом всех элементов включения датчиков управления измерения визуального наблюдения токов и напряжений;

2) устройства с помощью окон настройки программы MATLAB/Simulink заданных параметров источника питания, блока управления, нагрузки и входящих в схему модели других элементов;

3) исследование на модели стационарных (при необходимости переходных) процессов и определение характеристик устройства, измерение с помощью измерительных блоков и определение по осциллограммам необходимых временных параметров и значений (амплитудные, средние, действующие) токов и напряжений на элементах;

4) выбор СПП и других элементов устройства по справочникам, согласно полученных значений их параметров по результатам моделирования.

Рис. 5.4 Схема модели несимметричного управляемого мостового выпрямителя

На рис. 5.4 приведена схема модели (MATLAB/Simulink) несимметричного управляемого мостового выпрямителя однофазного питания с активно-индуктивной нагрузкой.

Она содержит: источник Е переменного напряжения 220 В (50 Гц) с внутренним активным сопротивлением г_с; диоды VD1, VD2; тиристоры VS1, VS2; сглаживающий дроссель L_d c активным сопротивлением r_d; нагрузку R_n и систему управления, которая выполнена на основе двух источников Pulse Generator 1,2 импульсного сигнала. Кроме того, в схеме использованы: измерители мгновенных значений напряжений на выходных зажимах источника питания (u), нагрузке (u_R_n) и тиристоре VS2 (u_VS2); блок для измерения гармонических составляющих тока питания (Fourier_i); блок для измерения гармонических составляющих тока нагрузки (Fourier_i_Rn) и аналогичный блок для измерения гармонических составляющих напряжения на нагрузке (Fourier_u_Rn); блок для наблюдения (измерения) мгновенных значений токов и напряжений на элементах модели (Scope); блок для измерения амплитудного значения тока первой гармоники, потребляемой от источника (Display 1); блок для измерения средних значений тока и напряжения на нагрузке (Display2); блок передачи (Goto 1...9) и приема сигнала (Froml...9), обеспечивающие передачу сигнала любого типа без линии связи.

Окна настройки параметров источника питания и нагрузки показаны на рис. 5.5 а, б.

                      а                                                     б

Рис. 5.5 Окна настройки параметров источника питания (а) и нагрузки (б)

В полях настройки параметров источника питания задаются:

1) амплитуда выходного напряжения источника в вольтах (Реак Amplitude, V);

2) начальная фаза в градусах (Phase, deg);

3) частота источника в герцах (Frequency, Hz).

Параметр Sample time задает шаг дискретизации по времени выходного напряжения источника при создании дискретных моделей. При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Для реализации активной нагрузки (рис. 5.5 б) в последовательной RLC-цепи в первом поле (Resistance R, Ohms) устанавливается значение активного сопротивления в Омах. Для исключения индуктивности (Inductance L, Н) и конденсатора (Capacitance С, F) из цепи их величины нужно задать равным нулю и бесконечность (inf) соответственно.

Окно настройки параметров источника импульсного сигнала показано на рис. 5.6 а. В полях настройки вводятся:

                      а                                                     б

Рис. 5.6 Окна настройки источника импульсного сигнала (а) и настройки параметров моделирования (б)

1) способ формирования сигнала (Pulse Туре), который может принимать два значения: time-based (по текущему времени), sample- based (по величине модельного времени и количеству расчетных шагов);

2) амплитуда (Amplitude);

3) период (Period) в секундах для Time-based Pulse Туре или в шагах модельного времени для Sample-based Pulse Type;

4) ширина импульсов (Pulse width) в % по отношению к периоду для Time-based Pulse Туре или в шагах модельного времени для Sample- based Pulse Type;

5) фазовая задержка (Phase delay) в секундах для Time-based Pulse Туре или в шагах модельного времени для Sample-based Pulse Type;

6) шаг модельного времени (Sample time).

На рис. 5.7 а, б показаны окна настройки параметров блоков Fourier 1 и Display 1.

                      а                                                     б

Рис. 5.7 Окна настройки блоков Fourierl (а) и Displayl (б)

В окне настройки блока Fourierl устанавливается частота, равная частоте питающего напряжения, и номер первой гармоники.

В окне настройки прибора Displayl для измерения значений исследуемых процессов в первом поле задается формат отображения данных. Второе поле (Decimation) определяет кратность отображения входного сигнала. Параметр Sample time определяет дискретность отображения данных. Этот параметр должен быть согласован с временем дискретизации при задании параметров моделирования. При моделировании аналоговых систем его можно установить равным нулю.

Окна настройки силового диода и тиристора приведены на рис.

а, б. В полях настройки задаются:

1) сопротивление во включенном состоянии в омах (Resistance Ron, Ohm);

2) индуктивность во включенном состоянии в генри (Inductance Lon,H)

3) падение напряжения в прямом направлении в вольтах (Forward voltage Uf, V);

4) начальное значение тока в амперах (Initial current Ic, А);

5) сопротивление демпфирующей цепи в Омах (Snubber resistance Rs, Ohm);

6) емкость демпфирующей цепи в фарадах (Snubber capacitance Cs, F).

                      а                                                     б

Рис. 5.8 Окна настройки параметров силового диода (а) и тиристора (б)

Параметры моделирования задаются на вкладке Simulation Parameters/Solver (рис. 5.6 б). В поле Stop time задается время в секундах, равное 10...20 периодов напряжения источника. В поле Туре задается переменный шаг (Variable-step) и метод решения дифференциальных уравнений - ode 23 tb (stiff/TR-BDF2). В поле Max step size устанавливается значение шага моделирования, это же значение заносится в поле Sample time всех блоков, которые это поле имеют. В оставшихся полях можно оставить то, что компьютер устанавливает по умолчанию.

5.4.6 Заключение по курсовой работе.

В заключении в сжатой форме необходимо изложить полученные результаты, а также дать конкретные рекомендации по повышению (улучшению) ряда показателей (например, КПД, коэффициента мощности и др.) разработанного устройства.

Список литературы

1. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники / Г. С. Зиновьев. - Новосибирск.: Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.

2. Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. - М.: Энергия, 1987. - 448 с.

3. Березин О. К., Костиков В. Г. и др. Источники электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 2000. - 400с.

4. Костиков В. Г., Парфенов В. И. Источники питания электрических средств, схемотехника и конструирование. - М.: Радио и связь, 1988.

5. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е. И. Беркович, Г. В. И венский, Ю. С. Иоффе и др. - JI.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 с.

6. Автономные преобразователи частоты: Учеб. пособие / И. Л. Аитов, С. М. Кацнельсон. - Уфа.: УАИ, 1978. - 120 с.

7. Системы управления и защиты автономных преобразователей частоты: Учеб. пособие / И. Л. Аитов. - Уфа.: УАИ, 1979. - 121 с.

8. Руденко В. С., Сенько В. Н., Чиженко Н. М. Преобразовательная техника. - Киев.: Высшая школа, 1978. -422 с.

9. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учеб. пособие для вузов / А. И. Иванов-Цыганов. - М.: Высшая школа, 1991. - 272 с.

10. Электропитание устройств связи: Учеб. пособие для вузов / А. А. Бокуняев, Б. В. Горбачев, В. Е. Китаев и др.; Под ред. В. Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

11. Булатов О. Г., Царенко А. М. Тиристорно-конденсаторные преобразователи. - М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.

12. Петухов В. М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. т.3 - М.: КубК-а, 1997. - 672 с.

13. Замятин В. Я, и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987. - 576 с.

14. Каламтаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.

15. Глух Е. М., Зеленов В. Е. Защита полупроводниковых преобразователей. - М.: Энергоиздат, 1982. -152 с.

16. Намиотков К. К., Ильина Н. А., Шкловский И. Г. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -280 с.

17. Маевский О. А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с.

18. Розанов Ю. К. Основы силовой преобразовательной техники.- М.: Энергия, 1979. - 392 с.

19. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-пресс, 2005. - 416 с.

20. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

21. Акимов Н. Н., Ващуков Е. П., Прохоренко В. Л., Ходоренок Ю.П. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник. - Минск: Беларусь, 1994. - 591 с.

22. Герман-Галкин С. Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. - Спб.: Корона принт, 2002. - 304 с.

23. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение. - М.: Додэка-ХХI,2001. - 384 с.

24. Отечественные транзисторы: БСЧТ, СЧТ, БТИЗ: Справочное пособие для вузов. - М.: Додэка-ХХI,2001. - 64 с.

25. Силовая электроника. Примеры и расчеты. - М.: Энергоиздат. 1982. -384 с.

26. Аитов И.Л. Силовые электронные устройства: учеб. пособие/И.Л. Аитов; Уфимск.гос.авиац.техн.ун-т.-Уфа:УГАТУ,2009.-371 с.

Приложение 1

Перечень руководящих материалов по системе электроснабжения самолетов и вертолетов, наземных объектов, по электромагнитной совместимости технических средств, по условным обозначениям, техническим условиям, терминам и параметрам силовых полупроводниковых приборов.

ГОСТ - Государственные общероссийские стандарты (Россия).

ГОСТ 19705-89 (СТ СЭВ 4333-84). Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. — М.: Изд-во стандартов, 1989.

ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Электромагнитная совместимость. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт, 1998.

ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95). Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов, 2000.

ГОСТ 23875-79. Качество электрической энергии. Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 1979.

ГОСТ 20859.1-89. Приборы полупроводниковые силовые. Общие технические требования. - Взамен ГОСТ 20859.1-79 (в части модулей заменен ГОСТ 30617-98).

ГОСТ 24376-91. Инверторы полупроводниковые. Общие технические условия. Взамен ГОСТ 24376-86, ГОСТ 26830-86.

ГОСТ 24607-88. Преобразователи частоты полупроводниковые. Общие технические требования. Взамен ГОСТ 24607-81, ГОСТ 26088-84, ГОСТ 26830-86.

ГОСТ 30617-98. Модули полупроводниковые силовые. Общие технические условия. Взамен ГОСТ 20859.1-89.

СТ СЭВ 1657-79. Приборы полупроводниковые силовые. Охладители воздушных систем охлаждения. Габаритные и присоединительные размеры.

ГОСТ 17465-80. Диоды полупроводниковые. Основные параметры.

ГОСТ 20332-84. Тиристоры. Термины, определения, буквенные обозначения параметров. Взамен ГОСТ 20332-74.

ГОСТ 20332-84. Тиристоры. Основные параметры. Взамен ГОСТ 17465-72.

ГОСТ 17466-80. Транзисторы биполярные и полевые. Основные параметры. Взамен ГОСТ 17466-72.

ГОСТ 29209-91 (МЭК 747-2-83). Приборы полупроводниковые. Дискретные приборы и интегральные схемы. Часть 2. Выпрямительные диоды.

ГОСТ 4.137-85. Система показателей качества приборов. Приборы полупроводниковые силовые. Номенклатура показателей.

Приложение 2

Таблица П2.1