kursovik (Управляемый микроконтроллером выпрямитель)

Министерство образования РФ

Южно-Российский Государственный Технический Университет (НПИ)

ИНСТИТУТ ИИТУ _

КАФЕДРА А и Т _

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ __ Промышленная электроника__

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине «Электронные промышленные устройства»

на тему «Управляемый микроконтроллером выпрямитель»

Выполнил студент IV курса, группы 1б Евченко С. Е

Принял Шкарупин А. Я.

НОВОЧЕРКАССК 2002 г.

Задание на курсовой проект

Спроектировать управляемый выпрямитель по трёхфазной мостовой схемы и управляемый микроконтроллером, обладающий следующими параметрами:

• Область регулируемого напряжения 10 – 250 В;

• Максимальный выпрямленный ток 75 А;

• Схема выпрямления 3-х фазная, мостовая;

• Силовые выпрямляющие элементы оптотиристоры;

• Схема управления микроконтроллерная;

Аннотация

Задачей данного курсового проекта является разработка управляемого выпрямит большой мощности, обладающего высоким КПД и высокой точностью и стабильностью управляемого напряжения.

Пояснительная записка к курсовому проекту состоит из теоретической и собственно проектной части. Теоретическая часть включает в себя обзор стандартных схем построения управляемых выпрямителей, описаны достоинства и недостатки каждой схемы.

Проектная часть содержит принципиальную схему управляемого выпрямителя с ее обоснованием и расчетом..

.

Содержание

Введение. 6

Управляемые выпрямители 7

Однофазный управляемый выпрямитель 7

Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой 7

Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя 8

Трёхфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом 8

Мостовой трёхфазный управляемый выпрямитель 8

Описание работы схемы 9

Управление выпрямителем и контроль 10

Расчёт параметров силового трансформатора 11

Выбор вентилей 12

Расчет температуры нагрева вентиля 13

Регулировочная характеристика преобразователя 14

Расчёт системы управления тиристорами 16

Расчёт параметров компонентов схем питания. 17

Выбор микроконтроллера и расчёт параметров его периферийных устройств 18

Заключение 20

Список использованной литературы 21

Приложение 22

Введение.

Постоянный прогресс в области электроники приводит к непрерывному совершенствованию элементной базы электронных устройств, что дает возможность разрабатывать новые устройства, которые по сравнению с разработанными ранее устройствами обладают важными преимуществами такими как:

• улучшение основных параметров;

• повышение надёжности;

• простотой схемной реализации;

• удобством в эксплуатации устройств;

• универсальность;

• более низкой себестоимостью;

и др.

С развитием силовой электроники проявляется всё большая потребность в универсальных силовых выпрямителях и особенно в управляемых.

Теперь с развитием микроконтроллерной отрасли и появлением оптотиристоров на большие токи и напряжения появилась возможность спроектировать управляемые выпрямители по очень простой схеме.

Применение оптотиристоров привело к упрощению выходной части схемы управления.

Применение микроконтроллеров позволило:

• упростить схему управления буквально до одной микросхем;

• включить в себя функцию контроля входных и выходных напряжений;

• автоматически регулировать выходного напряжения по заданному алгоритму в зависимости от внешних факторов;

• удалённому контролю и управлению выпрямителем.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители на тиристорах позволяют:

1) выпрямлять переменное напряжение;

2) регулировать величину среднего значения этого напряжения U_d (постоянную составляющую).

Регулирование ведется за счет задержки момента включения очередного вентиля Среднее значение выпрямленного напряжения U_d , определяемые заштрихованной площадью, будет меньше U_d0. Чем больше угол задержки , тем меньше U_d .

Приведём упрощённые типичные схемы силовых частей управляемых выпрямителей с описанием каждой достоинств и недостатков.

Однофазный управляемый выпрямитель

Достоинства: минимальное количество, простота реализации., простота системы управления.

Недостатки: низкий КПД , высокая пульсация выпрямленного напряжения.

Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой

Достоинства: разгрузка режима работы тиристоров, высокий КПД.,. низкая пульсация выпрямленного напряжения

Недостатки: усложнённая система управления, увеличенный размер трансформатора

Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя

Достоинства: оптимальное использование возможностей трансформатора,, высокий КПД.,. низкая пульсация выпрямленного напряжения.

Недостатки: усложнённая система управления, большое число элементов схемы выпрямления.

Трёхфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

Достоинства: возможное создание выпрямителей большой мощности , высокий КПД, низкая пульсация выпрямленного напряжения, простота реализации.

Недостатки: сложная система управления, неэффективное использование возможностей трансформатора

Мостовой трёхфазный управляемый выпрямитель

Достоинства: возможное создание выпрямителей большой мощности , высокий КПД, низкая пульсация выпрямленного напряжения, простота реализации, эффективное использование возможностей трансформатора

Н едостатки: сложная система управления, , большое число элементов схемы выпрямления.

Описание работы схемы

На основе 3-х фазной мостовой схемы конструируются самые мощные выпрямители, обладающими КПД близким к 100%.

Трансформатор Тр1 выполняет функции гальванической развязки выпрямленного напряжения с питающей сетью, а также для согласования уровней напряжений питающей сени и выпрямляемого напряжения.

Преобразование переменного напряжения в постоянное основано на свойстве вентилей пропускать ток только в одном направлении. В качестве силовых выпрямляющих вентилей выберем оптотиристоры VO1 – VO6 , что позволит исключить из схемы управления тиристорами импульсные трансформаторы.

Регулирование уровня напряжения ведется за счет задержки момента включения очередного вентиля. Среднее значение выпрямленного напряжения будет меньше выпрямляемого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр1. Чем больше угол задержки , тем меньше выпрямленное напряжение .

Для усиления тока, который может обеспечить микроконтроллер до тока, необходимого для отпирания тиристора используются транзисторы VT1 – VT6, включённые по схеме с общим эмиттером. Надёжное закрывание транзисторов VT1 – VT6 обеспечивается подачей отрицательного напряжения на базы через резисторы R23, R33, ... ,R73, которое получено путём добавления диодов VD21, VD31, … , VD71 в эмиттерные цепи. Начальный ток диодов задают резисторы R24, R34, ... , R74

Логическую часть системы управления выполняет микроконтроллер MPU1. Данные в микроконтроллер об уровне регулируемого напряжения и способе его регулирования вводятся с помощью кнопок “Mode+” , “Mode-“ , “Value+” , “Value-“. Контроль вводимых значений и режима работы выпрямителя осуществляется по данным , выводимым на 4-х 7-сегментный индикатор HL1.

Момент подачи управляющих импульсов на тиристоры фазы “A” определяется путём введения задержки от момента поступления синхронизирующего сигнала на входе микроконтроллера RE0, соответствующей заданным данным и пересчитанной по формуле регулировочной характеристики. Управляющие импульсы тиристорами фаз “B” и ”C” формируются путём задержки на 120 и 240 градусов соответственно, т. е. на 6,6 мс и 13,3мс.

В режиме стабилизации напряжения путём сравнения текущего с заданным начальная задержка автоматически варьируется для компенсации рассогласования. Так для повышения регулируемого напряжения первоначальная задержка уменьшается.

Управление выпрямителем и контроль

С помощью кнопок “Mode” последовательным перебором выбирается один из следующих режимов общения с системой

1. Индикация реального на данный момент напряжения;

2. Индикация реального на данный момент угла отпирания тиристоров;

3. Индикация выбранного режима стабилизации напряжения (по постоянному углу отпирания или по сравнению текущего напряжения с заданным);

При нажатии кнопки “Mode+” режимы меняются в порядке (2 → 3 → 1 → 2).

При нажатии кнопки “Mode-” режимы меняются в порядке (2 → 1 → 3 → 2).

Изменение режима подтверждается выводом на дисплей в течении одной секунды названием режима (НАПР, УНО, СБЗ).

Переход из режимов индикации в режим установки значений производится одновременным удержанием кнопок “Mode+” и “Mode-“ более секунды. Выбор подтверждается выводом последнего установленного значения и миганием старшего разряда, изменение значения которого становится доступно. Последующий переход к установки значений младших разрядов и выходу из режима установки производится так же одновременным нажатием кнопок “Mode+” и “Mode-.

В режиме установок нажатие кнопки “Mode+” приводит к увеличению значения мигающего разряда (0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 8 → 9 → 9 → 9 ),.

нажатие кнопки “Mode-” приводит к уменьшению значения мигающего разряда ( 9 → 8 → 7 → 6 → 5 → 4 → 3 → 2 → 1 → 0 → 0 → 0),

Изменения вступают в силу в момент выхода из режима установки..

Расчёт параметров силового трансформатора

1. Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора определим по формуле

U₂ = K_н * K_u * K_α * K_r * U_{dн ,}

где U_dн – максимальное значение среднего напряжения нагрузки;

K_н – коэффициент схемы, определяющий связь между выпрямленным напряжением и фазным напряжением на вторичной стороне трансформатора;

K_u - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения в сети;

K_α – коэффициент запаса, учитывающий ограничение угла открывания вентилей при максимальном управляющем сигнале;

K_r – коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, вентилях и в результате коммутации токов

U₂ = (3,14/3*√6) * 1,2 * 1,1 * 1,05 * 250 = 148 В.

U₃ = (1/√2) * 1,1 * 1,05 * 10 = 8 В.

2. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

I₂ = K_i * K_T2 * I_d ,

I₃ = 2 * √ * 2 * U₃ / R₃,

где K_i – коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной;

K_T2 – коэффициент схемы, определяющий соотношение между выпрямленным током и переменным током вторичной обмотки трансформатора;