Раздел 3. Расчет элементов устройства.

Расчет рекомендуется производить в приведенном ниже порядке по рекомендуемой методике.

3.1. Расчет силового блока выпрямителя.

3.1.1. Определение параметров цепи на входе силового блока

По заданным параметрам электродвигателя (ЭД) и выбранной схеме преобразователя определить фазное и линейное напряжения во вторичной обмотки трансформатора, а так же линейный ток на входе преобразователя.

Фазное напряжение

,

где Р_н - номинальная мощность электродвигателя, Вт;

I_ан - номинальный ток электродвигателя, А;

η_н - номинальный КПД электродвигателя;

- коэффициент выпрямленного напряжения (принимается в зависимости от схемы ТП по табл. 1.4 [2]);

E_d0=c_U U_2ф – ЭДС холостого хода СБ;

α_min – минимальный угол управления тиристорами СБ.

Минимальный угол управления определяется из условия обеспечения необходимых форсировок напряжения на якоре электродвигателя при изменении напряжения питающей сети или нагрузки на валу электродвигателя и принимается равным α_min=30°.

Линейный ток

, А,

где - коэффициент выпрямленного тока (принимается в зависимости от схемы ТП по табл. 1.4 [2]).

Типовая мощность

S_{т расч} = k_т·c_U·U_{2ф расч} ·I_ан·10 ^-3, кВА,

где - коэффициент типовой мощности трансформатора (принимается в зависимости от схемы ТП по табл. 1.4 [2]).

3.1.2. Расчет и выбор силового трансформатора

В случае значительного расхождения значений цепи переменного тока на входе ТП и параметров судовой сети следует применить силовой трансформатор.

Если по заданию схема ТП трехфазнонулевая, то нужно выбрать трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду. Для мостового ТП схема соединения вторичной обмотки трансформатора может быть любой.

Номинальная типовая мощность S_тн и номинальный линейный ток I_2ан должны соответствовать соотношениям

S_тн = (0,90 ÷ 1,10) S_{т расч};

I_2ан = (0,90 ÷ 1,10) I_{а расч}.

Существенные отклонения номинальных параметров от рекомендованных соотношений должны быть аргументированы.

Применяемые в судовых электроприводах трансформаторы, являются сухими (не масляными) морского исполнения следующих типов: водозащищенные (ТСВМ), брызгозащищенные (ТСЗМ) с естественным охлаждением воздухом и с принудительным охлаждением (ТСДМ).

Основные параметры трансформаторов приведены в табл.1.3.5 и 1.3.6 [9].

Параметры выбранного трансформатора необходимо занести в таблицу.

Параметры трансформатора

Параметры фазы вторичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду, рассчитываются по каталожным данным.

Так как некоторые параметры трансформатора даны в процентах от базисных единиц, то необходимо помнить, что в качестве последних применяют следующие величины: номинальное фазное напряжение U_2лн, номинальный фазный ток I_2лн и номинальную полную мощность S_ТН.

С использованием соотношений, известных из курса электрических машин, определяются следующие параметры схемы замещения фазы трансформатора:

- активное сопротивление r_Т.

- индуктивное сопротивление рассеяния Х_S.

- индуктивность фазы обмотки трансформатора L_Т.

3.1.3. Расчет и выбор тиристоров

Выбор силовых вентилей осуществляется по среднему току и допустимому обратному напряжению.

Средний ток через тиристор

,

где - коэффициент тока вентиля (определяется по табл. 1.4 [2]).

Допустимое обратное напряжение на тиристоре, выбираемое с запасом по отношению к амплитуде обратного напряжения на тиристоре, равно

где К_зап - коэффициент запаса по напряжению, К_зап = 1,25 ÷ 1,5;

- коэффициент обратного напряжения (табл. 1.4 [2]).

Далее по среднему току через тиристор I_SV.cp и обратному напряжению U_{обр.доп} выбираем из табл.3 тиристор.

Условие выбора тиристора по току:

I_SV.HOM ≥ I_SV.cp, А

Условие выбора класса тиристора

Таблица 6.2 - Технические характеристики тиристоров.

Тип тиристора	ISV.HOM , А при 85оС	Класс	, В/мкс	, А/мкс	tвыкл, мкс	Iуд, кА при 10 мс
Т112-10-кл		1…12	50…1000		63…100	0,2
Т2-12-кл	12,5	1…12	20…200	40…200	15…70	0,25
Т112-16-кл		1…20	50…1000			0,35
Т122-20-кл		1…20	50…1000			0,4
Т112-25-кл		1…20	200…1000		63…100	0,5
Т142-32-кл		4…20	50…1000			0,7
Т132-40-кл		1…20	50…1000			0,8
Т132-50-кл		1…20	50…1000
Т142-63-кл		1…20	50…1000			1,3
Т132-80-кл		1…20	50…1000			1,6
Т151-100-кл		1…16	200…1000		70…150	2,1
Т161-125-кл		3…18	100…1000		70…150	2,5
Т161-160-кл		3…18	20…1000
Т171-200-кл		3…18	20…1000
Т171-250-кл		3…18	20…1000
Т171-320-кл		3…16	100…1000		63…250
Т133-400-кл		4…16	200…1600		160…500
Т143-500-кл		4…16	200…1600		160…500
Т143-630-кл		4…12	200…1000		100…500
Т153-800-кл		10…18	200…1600		160…500
Т253-1000-кл		10…18	200…1000		160…500
Т253-1250-кл		4…12	200…1000		160…500

* кл – класс тиристора по напряжению;кл = 1,2,3,...,20 - целое число

3.1.4. Выбор и расчет реакторов.

Для уменьшения пульсаций тока якоря электродвигателя (и всех связанных с этим последствий) рекомендуется ввести в схему сглаживающий реактор.

3.1.4.1. Расчет амплитуды пульсаций выпрямленного тока якоря при номинальной частоте вращения электродвигателя.

Предварительное значение угла управления α_{н расч}, при котором обеспечивается номинальная частота вращения электродвигателя:

где - эквивалентное внутреннее сопротивление преобразователя, Ом;

m - число плеч выпрямителя (m=3 или 6);

r_a = R_a +R_дп – полное активное сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;

Амплитуда первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения

, В

Амплитуда пульсаций выпрямленного тока якоря

, о.е.,

где L_а - индуктивность цепи якоря электродвигателя; если она не определена в исходных данных на двигатель, то ее можно определить по эмпирической формуле

Гн,

где 2р – число полюсов электродвигателя;

U_нд, I_ан, Ω_н -номинальные напряжение, ток и частота вращения электродвигателя, В, А, рад/с.

3.2.4.2. Выбор и расчет сглаживающего реактора.

Индуктивность сглаживающего реактора

,

где P(i)_зад = 0,05 – заданный уровень пульсаций.

Если L_Д получается отрицательным, то сглаживающий реактор не нужен.

Условия выбора реактора:

, А

, Г

Технические данные реакторов серии ФРОС приведены в табл.6.3.

Таблица 6.3 - Технические характеристики фильтровых реакторов серии ФРОС [1].

Параметры выбранного сглаживающего реактора L_СР необходимо занести в таблицу

Параметры сглаживающего реактора

Индуктивность реактора сохраняется при изменении тока, проходящего через него, до трех I_dн в течение 0,05 с.

Реакторы серии ФPOC могут обеспечить ограничение тока при внешнем коротком замыкании и опрокидываниях инвертора, если ток, проходящая через них, не превышает 3∙I_dн при t = 0,05 с, в противном случае магнитопровод реактора насыщается и индуктивность его уменьшается.

3.1.4.3. После выбора реактора уточняются основные расчетные параметры:

- угол управления в номинальном режиме работы электродвигателя

,

где r_р=r_СР+ r_УР – полное активное сопротивление реакторов;

- амплитуда пульсаций в номинальном режиме

,

где L_р=L_СР+ L_УР – полная индуктивность реакторов;

- угол управления при пуске электродвигателя

3.2.Расчёт защиты преобразователя

Защиту силовой части вентильного преобразователя от токов короткого замыкания необходимо осуществить с помощью автоматического выключателя.

Выбор автоматических выключателей для защиты вентильных преобразователей осуществляется по следующим параметрам:

- род тока;

- номинальное напряжение;

- номинальный ток (номинальный ток максимального расцепителя выключателя);

и ряду других параметров, которые в данном проекте разрешается не рассматривать.

После выбора автоматического выключателя по роду тока и номинальному напряжению необходимо определить номинальный ток максимального расцепителя выключателя и произвести проверку выключателя термическую и динамическую стойкость.

При выборе типа автоматического выключателя рекомендуется использовать выключатели морского исполнения типа А3500. Данные на автоматические выключатели приведены в [9].

Номинальный ток максимального расцепителя I_номр следует выбирать по рабочему току исходя из условия

I_номр ≥I_1н,

где I_1н – номинальный расчетный ток первичной обмотки трансформатора.

Проверка автоматического выключателя на динамическую стойкость проводят по условию

i_удрасч<i_доп,

где i_удрасч – расчетное значение ударного тока короткого замыкания, определяется по соотношениям приведенным в (п. 9.1.1. и 9.1.2. [2]);

i_доп – допустимое значение ударного тока короткого замыкания, определяется по справочнику [9].

Проверку по термической стойкости необходимо выполнить по следующему условию

,

где - расчетное значение интеграла тока, характеризующего его термическое действие за время короткого замыкания;

- каталожное значение интеграла тока термической стойкости выключателя,определяется по справочнику [9].

В курсовом проекте рекомендуется произвести проверку выключателя, как для внешнего, так и для внутреннего короткого замыкания.

Защиту тиристоров от сетевых коммутационных перенапряжений и перенапряжений, обусловленных эффектом накопления носителей зарядов при коммутации тока вентиля необходимо реализовать с помощью RC – цепочек в соответствии с рекомендациями, приведенными в (п. 9.3. [2]).

Защиту цепей питания системы управления осуществить посредством плавких предохранителей. Выбор предохранителей для защиты электронной аппаратуры производят по номинальному току плавкой вставки. Номинальный ток должен быть больше или равен рабочему току цепи, в которой он используется. Для выбора типа предохранителя можно использовать ресурс, расположенный на www.plcsystems.ru.

3.3. Расчет элементов схемы системы управления.

Задачей расчета является синтез принципиальной схемы и определение параметров всех ее элементов, и выбор конкретных приборов для установки в схему.

Обобщенная структурная системы управления приведена на рис. 19.

Рисунок 19 - Структурная схема системы управления вентильного преобразователя.

Она включает ФСУ, на вход, которого подается управляющий сигнал u_у, и ВФ, с выходов которого снимаются управляющие импульсы (ИУ).

СУ может включать контур отрицательной обратной связи ОС, на вход которого поступает какой-либо выходной параметр преобразователя или объекта, получающего от преобразователя питание (напряжение, ток, частота вращения исполнительного механизма и т. п.).

Представленная на рис. 6.1 структурная схема соответствует одноканальной системе управления. При проектировании возможно использование многоканальных систем управления.

В качестве выходных формирователей импульсов рекомендуется использовать транзисторные блокинг-генераторы. При расчете необходимо придерживаться следующей методики.

3.2.1. Расчет блокинг-генератора.

Блокинг-генератор представляет собой релаксационную схему (рис. 20), содержащую усилительный элемент (транзистор), работающий в ключевом режиме, и трансформатор, осуществляющий положительную обратную связь. Достоинствами блокинг-генераторов являются сравнительная простота, возможность подключения нагрузки через трансформатор, присущая этим схемам способность формировать мощные импульсы, близкие по форме к прямоугольным. При использовании в качестве формирователей импульсов блокинг-генераторы работают в ждущем режиме. Важнейшими их характеристиками являются: чувствительность к запуску, длительность формируемых импульсов и их стабильность, предельно достигаемая частота срабатываний. Ждущий режим работы блокинг-генератора с общим эмиттером создается с помощью дополнительного источника питания. Основной отличительной особенностью блокинг-генераторов по сравнению с другими генераторами прямоугольных импульсов (мультивибраторами) является возможность получения большой скважности выходных импульсов. Ждущий режим блокинг-генератора получается, если закрыть транзистор включением в цепь базы или эмиттера запирающего напряжения. Для формирования импульса с помощью ждущего блокинг-генератора необходимо на его вход подавать запускающие импульсы, амплитуда которых достаточна для открывания транзистора. Ждущие блокинг-генераторы отличаются друг от друга способами подачи запирающих напряжений и схемами запуска.

Исходные данные для расчёта:

- амплитуда выходных импульсов U_вых.и (определяется по справочным данным силовых вентилей);

- длительность импульса t_и (определяется по справочным данным силовых вентилей);

- период следования импульсов Т принять равным 20мс;

- длительности фронта и среза импульса t_ф»t_с≤1,2мкс;

- сопротивление нагрузки R_н=160 Ом (сопротивление перехода УЭ-К тиристора);

- максимальная температура окружающей среды t^о_окр=40^оС.

1) Выбор типа транзистора является наиболее сложной задачей при расчете БГ. Это обусловлено тем, что длительность импульса зависит от постоянной времени накопления τ_н, значение которой в справочных данных не указывается, а у конкретного экземпляра транзистора ее можно приближенно определить лишь экспериментальным путем. Кроме того, сложная связь t_и со многими параметрами схемы не позволяет использовать общее уравнение, а аналитические зависимости получены только для частных случаев: 3τ_н<t_и<τ_с; t_и>3τ_н; t_и>τ_с и t_и<<τ_L; τ_н>>τ_с, t_и<<τ_L. В этих неравенствах: τ_с=R_вхС - постоянная времени заряда емкости С (R_вх - входное сопротивление транзистора схемы с ОЭ при большом сигнале, практически равное объемному сопротивлению базы r^/_б); - постоянная времени индуктивности намагничивания L_μ, .

Коэффициент трансформации импульсного трансформатора ИТ n_н следует выбирать в диапазоне 0,5≤n_н≤3. При выборе необходимо учитывать, что большие значения n_н вызывают увеличение коллекторного тока, а малые - увеличение напряжения Е_к, и, следовательно, U_КБмакс.

Транзистор выбирается по двум параметрам: по предельной частоте f_h21Б и по допустимому напряжению U_КБмакс:

,

Выбор по частоте производится на основании следующих соображений. При формировании относительно длинных импульсов при t_ф ≥ 0,5мкс необходимо выбирать низкочастотные транзисторы, для которых можно определить:

.

2) Емкость С выбирается по условию .

Влияние емкости С не будет сказываться на длительности фронта импульса, если ее минимальное значение выбирать по условию

,

где ;

;

;

;

.

3) Постоянная времени заряда конденсатора .

4) Индуктивность намагничивания L_μ ≈ L₁ и отсюда:

,

где .

Для выбранного транзистора принимают:

.

5) Максимальное значение коллекторного тока

должно быть меньше допустимого значения тока коллектора выбранного транзистора. Если бы окажется, что рассчитанное значение коллекторного тока больше допустимого, то необходимо в цепь базы включить дополнительный резистор R_д ≈ 2r^/_б и сделать новый расчет, заменяя во всех формулах R_вх на R = r^/_б +R_д. Большим R_д выбирать нецелесообразно, так как при этом сильно увеличивается длительность фронта импульса.

Рассчитанное значение индуктивности L_μ должно отвечать условию

.

6) Длительность фронта импульса ,

где ,

Полученные значения t_ф и t_с должны удовлетворяют заданным условиям.

7) Если заданы длительность импульса t_и и период следования входных импульсов Т_вх, то время восстановления t_восст=T_вх-t_и.

Сопротивление резистора R_б находится из условия .

Напряжение ,

емкость .

Амплитуда пусковых импульсов

.

8) Проверка стабильности периода колебаний при изменении температуры:

,

где .

Относительная нестабильность периода не должна превышать 15-20%. В тех случаях, когда нестабильность периода получается слишком большой надо уменьшить сопротивление резистора R_б и увеличить емкость конденсатора С, а затем сделать пересчет величин, зависящих от τ_с.

9) Обратный выброс напряжения: ,

где .

Если полученное значение амплитуды выброса велико, (> ) в первичную цепь трансформатора необходимо включить цепочку R_ш, VD с тем, чтобы уменьшить амплитуду выброса. Значение шунтового сопротивления принять R_ш=18Ом.

3.2.2. Разработка схемы и расчет элементов фазосдвигающего устройства.

Функции системы управления сводятся к выполнению двух основных задач:

1. Четко определить моменты времени отпирания каждого вентиля;

2. В эти моменты сформировать управляющие импульсы определенной длительности и амплитуды.

Решение указанных задач обеспечивается введением в ФСУ формирователя опорного напряжения. В качестве формирователя рекомендуется использовать маломощный трехфазный трансформатор, так как это рекомендовано в п. 7.1. [2]. Рекомендуемая мощность трансформатора до 10Вт, напряжение вторичной обмотки 1-1,5В. При отсутствии справочных данных на трехфазные трансформаторы необходимой мощности рекомендуется использовать группу из трех однофазных трансформаторов (типа ТПП) с соответствующими схемами соединения обмоток.

Фазосмещающее устройство вертикального типа включает в себя формирователь пилообразного напряжения (на микросхеме DD1) и пороговый элемент (DD2) (рис 21). Компаратор на DD1 управляет работой транзисторного ключа.

Рисунок 21 - Схема ФСУ вертикального типа.

Расчет схемы заключается в выборе типа операционных усилителей (рекомендуется использовать микросхемы серии К140уд). В принципиальной схеме необходимо предусмотреть все необходимые для работы микросхемы элементы, а также руководствоваться следующими правилами:

- сопротивление на входе ОУ не должно превышать 1МОм;

- нагрузочная способность ОУ не ниже 2кОм;

- для температурной стабильности проводимости входных цепей должны быть равны.

Выбор транзистора VT необходимо осуществить по максимальному напряжению, оно определяется выходным напряжением инвертора

Максимальное напряжение на выходе инвертора будет достигнуто при θ = π. Для определения напряжения не обходимо предварительно задаться значениями R1 и C.

Выбор остальных резисторов рекомендуется осуществлять с учетом приведенных выше правил в диапазоне 10-20кОм.

3.2.3. Разработка схемы и расчет элементов блока питания системы управления

Блок питания (рис. 22) состоит из маломощного трансформатора питания, выпрямителя и стабилизатора напряжения. Расчет составных частей блока питания производится исходя из заданной величины напряжения питания микросхем и потребляемого тока (со схемы блокинг-генератора).