Выходная мощность устройства Z

(мощность в кВ×А указана для устройств с выходом переменного тока):

                                  P                         S

1 – 1,0 кВт         1,3 кВ×А

2 – 1,5 кВт         2,2 кВ×А

3 – 2,2 кВт     3,0 кВ×А

4 – 3,0 кВт     4,0 кВ×А

5 – 4,0 кВт     5,5 кВ×А

6 – 5,5 кВт         7,0 кВ×А

7 – 7,0 кВт     10 кВ×А

8   –10 кВт         15 кВ×А

9  – 15 кВт         17 кВ×А

10 – 20 кВт              25 кВ×А

11 – 25 кВт     32 кВ×А     

                       12 – 0,55 кВт  0,7 кВ×А

13 – 0,7 кВт   1,0 кВ×А

 

Температурный диапазон W:

1 – индустриальный:  -400С … +85 0С

2 – коммерческий:            00С … +70 0С

 

Входное напряжение V:

    1 – переменный ток 3 фазы 220/127 В, питание линейным напряжением, f = 50 Гц

2 – переменный ток 1 фаза 220В, f = 50 Гц

3 – переменный ток 3 фазы 380/220 В, питание линейным напряжением, f = 50 Гц

4 – переменный ток 1 фаза 380 В, f = 50 Гц

5 – постоянный ток 12 В±10%

6 – постоянный ток 24 В±10%

7 – постоянный ток 48 В±10%

8 – постоянный ток 110 В±10%

9 – постоянный ток 220 В±10%

 

Выходное напряжение устройства М:

1 –  постоянный или переменный ток напряжением U = 27 В

2 –  постоянный или переменный ток напряжением U = 45 В

3 –  постоянный или переменный ток напряжением U = 60 В

4 – для подключения электродвигателя, предназначенного для работы в сети 3-х фазного переменного тока линейным напряжением U = 220 В

5 – для подключения электродвигателя, предназначенного для работы в сети 3-х фазного переменного тока линейным напряжением U = 380 В

6U = 220 В(для 3-х фазных устройств – линейное, для 1- фазных – фазное)

7U = 380 В (для 3-х фазных устройств – линейное, для 1- фазных – фазное)

8  -  постоянный ток напряжением U = 14,6 В

Варианты заданий для студентов очной формы обучения:

№  варианта X Y Z W V M
1 1 1 10 2 3 5
2 6 2 1 1 8 6
3 7 5 1 2 7 6
4 1 2 2 1 9 4
5 1 2 1 1 1 5
6 6 2 2 2 9 7
7 7 4 2 1 8 6
8 1 3 1 1 3 4
9 1 4 1 2 7 4
10 7 2 2 1 8 6
11 6 4 2 2 9 6
12 1 2 2 1 2 5
13 1 2 3 2 8 4
14 6 4 3 1 9 6
15 1 5 2 2 8 5
16 1 2 1 2 9 4
17 7 5 1 1 7 6
18 6 2 1 2 7 6
19 1 1 8 1 3 4
20 1 2 3 2 2 5
21 7 1 2 1 8 6
22 1 3 3 1 4 4
23 1 5 1 2 7 5
24 1 3 2 1 3 4
25 6 2 2 1 9 6
26 7 4 3 2 9 7
27 1 4 2 1 8 4
28 8 5 1 2 7 1
29 1 1 7 2 1 4
30 7 4 3 1 8 6
31 1 1 4 2 4 5
32 6 1 2 1 9 6
33 1 2 5 1 2 5
34 1 3 4 2 4 4
35 1 1 8 1 1 5
36 1 2 5 2 1 5
37 7 2 1 1 8 6
38 1 1 6 2 2 4
№  варианта X Y Z W V M
39 6 2 2 1 9 6
40 1 1 10 2 1 4
41 8 3 1 2 2 1
42 1 3 3 1 4 4
43 1 1 9 1 3 5
44 7 2 1 1 8 6
45 6 2 2 2 2 6
46 1 5 6 2 9 4
47 1 4 5 2 8 5
48 8 3 1 2 8 3
49 1 1 8 2 4 5

 

Варианты заданий для студентов заочной формы обучения:

№  варианта X Y Z W V M
1 2 4 7 2 2 2
2 3 5 6 1 4 1
3 4 2 5 2 7 6
4 5 2 6 1 6 6
5 2 5 8 1 3 1
6 3 4 9 2 9 3
7 5 4 6 1 6 6
8 4 5 7 1 7 7
9 3 5 8 2 3 3
10 2 4 9 1 1 3
11 4 5 6 2 6 6
12 5 4 7 1 7 7
13 8 3 3 2 1 1
14 3 4 9 1 4 1
15 2 5 10 2 3 2
16 8 3 2 2 2 8
17 7 5 6 1 8 6
18 5 2 5 2 6 6
19 8 3 2 1 1 8
20 3 5 10 2 9 3
21 4 2 6 1 7 7
22 5 4 7 1 8 6
23 8 5 4 2 1 1
№  варианта X Y Z W V M
24 5 4 6 1 7 7
25 4 5 5 1 6 6
26 3 4 6 2 3 1
27 2 4 7 1 9 1
28 8 5 3 2 2 1
29 6 5 5 2 7 6
30 5 2 5 1 7 6
31 4 2 6 2 6 6
32 3 5 7 1 2 3
33 2 5 8 1 4 2
34 1 1 10 2 1 4
35 2 4 10 1 1 2
36 8 5 2 2 2 8
37 4 5 5 1 8 7
38 3 5 8 2 1 3
39 2 4 9 1 2 1
40 5 5 5 2 8 6
41 3 4 9 2 3 1
42 2 5 10 1 3 3
43 4 4 5 1 7 6
44 8 3 3 1 1 1
45 5 2 6 2 7 6
46 7 4 4 2 8 6
47 2 4 9 2 1 1
48 3 5 10 2 4 2
49 4 2 5 2 8 7
50 1 1 8 2 4 5

Порядок выполнения контрольного задания:

I) Составить структурную (функциональную) схему устройства, отобразить входные и выходные напряжения.

II) Изобразить собранную электрическую принципиальную схему в соответствии со структурной (функциональной) схемой со всеми элементами силовых цепей: полупроводниками, индуктивностями, ёмкостями.

III) Рассчитать напряжения на основных участках схемы (между структурными блоками).

IV) Определить коэффициенты преобразования статических преобразователей, если таковые входят в состав схемы.

V) Рассчитать токи во всех звеньях постоянного тока схемы.

VI) Вычислить токи во всех элементах схемы в соответствии с их режимами работы.

VII) Выбрать полупроводниковые элементы (диоды и транзисторы). Указать номинальные напряжения конденсаторов, используемых в схеме.

VIII) Выполнить тепловой расчет элементов схемы и проверку на допустимость использования.

При выборе элементной базы разрешается пользоваться любыми источниками документации элементной базы при условии, что копию технической документации на полупроводник (диод, транзистор) необходимо  приложить к работе в распечатанном виде с обозначением его точной модели.

 

Пример расчёта

Задание

   Рассчитать параметры и выбрать элементную базу (полупроводники) для силовой части устройства типа сварочный инвертор постоянного тока, выполненного по схеме без повышающего или понижающего промежуточного звена постоянного тока, номинальной выходной мощностью P = 4,0 кВт, предназначенного для работы в индустриальном диапазоне температур   Т: -400С … +85 0С. Входное напряжение устройства – одна фаза переменного тока напряжением UВХ = 220 В, выходное напряжение - постоянный ток напряжением UВЫХ = 0..45 В.

 

Пояснения к пунктам

I) Разработка структурной / функциональной схемы

 

На структурной / функциональной схеме должны быть отражены основные блоки, применяемые в устройстве. Разделение на блоки целесообразно проводить по роду тока либо по величине напряжения. Разработку схемного решения следует осуществлять в соответствии с вариантом задания и исходя из общепринятых принципов формирования схемы из отдельных блоков.

В примере функциональная схема, изображённая на рисунке 1, будет состоять из набора блоков:

1) выпрямителя;

2) мостового или полумостового 2-х тактного преобразователя, в состав которого входит инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный высокой частоты, трансформатор и выпрямитель на вторичной стороне высокочастотного трансформатора;

3) сглаживающего токо-инерционного дросселя с ограничителем перенапряжений (ОПН), который необходимо устанавливать по причине присутствия на выходе устройства электрической дуги.

Рисунок 1.  Функциональная схема

 

II) Изображение электрической принципиальной схемы

Электрическая принципиальная схема должна отображать все элементы, включенные в силовую схему. Транзисторы изображаются в соответствии с выбранным типом.

Для примера выберем:

1) входной выпрямитель – пассивный диодный выпрямитель, собранный по схеме Гретца (диоды D1 D2 D3 D4);

2) преобразователь постоянного тока, состоящий из 2-х тактного полумостового инвертора (транзисторы VT1 VT2), высокочастотного трансформатора (Т1) и полумостового выпрямителя (диоды D5 D6);

3) сглаживающий токо-инерционный дроссель с полупроводниковым ограничителем перенапряжений – двунаправленным супрессором VD7, представляющим собой симметричный защитный диод.

На рисунке 2 представлена электрическая принципиальная схема для рассматриваемого примера.

 

Рисунок 2. Электрическая принципиальная схема

III)  Расчёт напряжений на основных участках схемы

Поскольку в схеме только одно неизвестное напряжение, необходимо рассчитывать его, приняв равным амплитудному значению входного напряжения:

    по заданию

   – коэффициент формы, равный соотношению амплитуды синусоидального сигнала к его действующему значению = 1,41(√2) –выбирается таковым в связи с наличием накопительного конденсатора

 

IV) Расчёт коэффициентов преобразования

 статических преобразователей.

В составе схемы один статический преобразователь (преобразователь постоянного тока, среднее звено на функциональной схеме),  входное напряжение UВХ = 310 В, выходное напряжение UВЫХ = 45 В, таким образом, коэффициент преобразования

 

V)   Расчёт токов во всех звеньях постоянного тока

С учётом того, что в задании указана выходная мощность устройства, расчёт необходимо начинать с наиболее близкого к выходу (или являющимся выходом) звена постоянного тока:

–выходная мощность по заданию для примера

Ток промежуточного звена постоянного тока (напряжением 310 В) рассчитывается как произведение коэффициента преобразования  и :

Кроме того,  можно учесть ориентировочный  КПД  преобразователя (η). Для преобразователей мощностью до 10 кВт целесообразно принимать η =90% на каждое звено, следовательно, ток , взятый с учетом потерь, будет равен:

VI) Расчёт токов во всех элементах схемы в соответствии с их режимами работы

Диоды D5 D6 составляют выпрямитель выходного звена постоянного тока и работают попеременно исходя из принципа действия 2-х тактного преобразователя постоянного тока. Каждый диод пропускает полный выходной ток устройства в течение половины периода, тогда максимальные значения тока диодов:

действующие значения тока диодов:

Транзисторы VT1 VT2 также пропускают через себя весь ток звена постоянного тока, к которому они подключены в течение половины периода, следовательно,

максимальные значения тока транзисторов:

действующие значения тока транзисторов:

Диоды D1 D2 D3 D4 входят в состав схемы Гретца и действующий ток через каждый диод будет равен половине суммарного тока звена постоянного тока:

Максимальный ток в этой схеме следует принять много большим в связи с импульсным характером работы диода. В основной электрической  схеме устройства используется конденсатор, из-за которого диод находится в открытом состоянии очень короткое время (10% - 15% от периода вместо стандартных 50%). Это связано с тем, что на ёмкости напряжение падает достаточно медленно,  даже когда сварочный инвертор работает на полной нагрузке. Таким образом, необходимо при выборе диода учесть допустимый («максимальный» или «повторяющийся импульсный») ток:

VII) Выбор полупроводниковых элементов

Параметры, указываемые производителем полупроводников, не должны значительно превышать требуемые, так как выбор слишком мощного полупроводника с неоправданно большим запасом влечёт неоптимальность и удорожание конструкции.

Рекомендуемые  допуски по параметрам:

Допустимый запас по току:

-  не более чем в 1,7 раза по одному из параметров (максимальный или номинальный ток), за исключением полупроводников с токами менее 15 А.

Допустимый запас по напряжению:

 - для полупроводников,  работающих при напряжении до 100 В не более, чем в 5 раз (большая часть силовых полупроводников выпускается на напряжения 200 В и выше);

-  для полупроводников, работающих при напряжении до 200 В не более, чем в 3 раза;

-  для всех остальных полупроводников – не более чем в 2,5 раза (диапазон 2–2,5 раза допустим для диодов и транзисторов, работающих при напряжении 550 В – 650 В).

Во всех случаях недопустимо оставлять запас по напряжению менее 15% от расчётного.

Не следует выбирать быстро переключающиеся полупроводники там, где это не требуется, то есть,  для использования быстродействующих диодов в сетевом выпрямителе должно быть основание, например, высокие требования по току.

Допустимо применение готовых модульных сборок элементов с последующим тепловым расчетом.

Для диодов D5 D6 подобран тип VS-60EPU02 со следующими параметрами:

- длительно допустимый ток 60 А,

запас составляет   от расчётного;

- предельно допустимый ток 800 А;

- рабочее напряжение 200 В;

 запас составляет - 3,4 раза от расчётного;

- время закрывания 50 нс – незначительно по сравнению с периодом рабочей частоты преобразователя  = 40 мкс. Диод можно использовать в выбранном месте;

- термосопротивление кристалл-корпус 0,7 0К/Вт (0Кельвин/Ватт);

- прямое падение напряжения ;

- сопротивление в открытом состоянии и потери на переключение  производителем не указаны, можно пренебречь ими при тепловом расчете.

Для транзисторов VT1 VT2 выбран тип IRG4PС30KD со следующими параметрами:

длительно допустимый ток 16 А. Запас составляет от расчётного;

предельно допустимый ток 58 А;

рабочее напряжение 600 В. Запас составляет от расчётного;

время открывания 160 нс + закрывания 42 нс = 202 нс незначительно по сравнению с периодом рабочей частоты преобразователя (  = 40 мкс);

транзистор можно использовать в выбранном месте;

термосопротивление кристалл-корпус 1,2 0К/Вт;

прямое падение напряжения 2,21 В;

потери на переключение 1,18 мДж.

Для диодов D1 D2 D3 D4 подобрантипSTTH60L06 со следующими параметрами:

длительно допустимый ток 60 А;

предельно допустимый повторяемый ток 90 А.  Запас составляет от расчётного;

рабочее напряжение 600 В. Запас составляет  от расчётного;

время закрывания 70 нс. Проверка не требуется, диоды работают при сетевой частоте 50 Гц;

термосопротивление кристалл-корпус 0,75 0К/Вт;

прямое падение напряжения 1,2 В;

сопротивление в открытом состоянии и потери на переключение производителем не указаны, пренебречь ими при тепловом расчёте.

   Напряжения на конденсаторах UC   выбираются как ближайшие (в сторону «больших») из стандартного ряда относительно действующих значений, исходя из запаса не менее 15% от расчётного:

UC   = (6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000) В

 

VIII) Уточнённый тепловой расчёт в общем виде

1) Определить максимальную скважность открывания транзистора за период широтно-импульсной модуляции (ШИМ) K S  - коэффициент, характеризующий время работы транзистора на расчетном токе. Выбор зависит от схемы, в которой работает ключ:

- частотные преобразователи, инверторы 0%  - 100%  (KS = 1)

- понижающие, повышающие, прямоходовые, обратноходовые преобразователи 0% - 50% (KS = 0,5)

2) Определить коэффициент формы выходного тока преобразователя, проходящего через ключ  (следует применять, если ранее в расчете тока транзистора не была учтена форма тока устройства):

- частотные преобразователи, инверторы с синусоидальным выходным напряжением  = 0,709

- инверторы с прямоугольным выходным напряжением, понижающие, повышающие, прямоходовые, обратноходовые преобразователи  = 1,0

3) Определить коэффициент , характеризующий  работу транзистора на номинальном токе в течение длительного времени.  зависит от схемы, в которой используется транзистор:

- мостовая схема Гретца, в том числе инверторы и двухтактные преобразователи  = 0,5

- мост Ларионова  = 0,333

- понижающие, повышающие, прямоходовые, обратноходовые преобразователи  = 1,0

4) Рассчитать потери на переключение с учетом корректирующих коэффициентов:

f – частота переключения ключей в устройстве,

PSW – потери на переключение при номинальном токе,

I - расчётный ток транзистора,

In – номинальный (максимальный) ток транзистора

Формула учитывает нормирование потерь к проходящему через транзистор току. В реальности зависимость потерь на переключения от тока транзистора носит приблизительно линейный характер.

5) Вычислить статические потери в транзисторе:

Для IGBT: , где    

dU – прямое падение напряжения

Для MOSFET: , где

Rj – сопротивление открытого канала транзистора

6) Рассчитать полное тепловыделение на транзисторе. Проверить, может ли его корпус отводить расчётное количество тепла. Сравнить с максимальной рассеиваемой мощностью,  данной в документации:

;

PMAX – максимальная рассеиваемая мощность

Если условие не удовлетворяется, смотреть пояснение к проверке в пункте 9.

7) Определить суммарное тепловое сопротивление перехода корпус-кристалл и корпус-радиатор

–термическое сопротивление кристалл-корпус,

– термическое сопротивление корпус – радиатор, для всех вариантов задания следует принять равным 0,12 0К/Вт (0Кельвин/Ватт)

8) Рассчитать перегрев кристалла транзистора относительно радиатора:

9) Определить температуру кристалла транзистора и проверить  на  допустимость:

, где

TC –  температура радиатора, выбирается в зависимости от температурного диапазона устройства, принимается равной верхней границе температурного диапазона:

- коммерческий температурный диапазон:         0 0С … +70 0С

- индустриальный температурный диапазон:  -40 0С … +85 0С

10) Выполнить проверку T< 125 0C.

Если расчётное значение удовлетворяет этому условию, то выбранный транзистор может работать в преобразователе при заданных параметрах расчетного тока, температуры, частоты переключения ключей. В противном случае следует принять меры:

Для IGBT: выбрать другой транзистор, рассчитанный на больший ток, с меньшим термическим сопротивлением или меньшим прямым падением напряжения.

 Для MOSFET: выбрать транзистор с лучшими параметрами, либо увеличить количество параллельно включенных транзисторов. В таком случае ток одного транзистора (ранее рассчитанного) разделится пропорционально между ними. После принятия мер по снижению тепловыделения следует повторить тепловой расчет.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Классификация устройств силовой электроники.

2. Диод. Схема замещения в открытом и закрытом состояниях. ВАХ диода. Основные параметры. Ожидаемая осциллограмма при работе в составе выпрямителя.

3. Принципы работы схем выпрямителей, основанные на диодах:

- схема Гретца. Ожидаемая осциллограмма;

- схема Ларионова. Ожидаемая осциллограмма.

4. Ключевые схемы замещения мостовых схем Греца, Ларионова.

5. Понятие о биполярных транзисторах IGBT. Основные параметры. Преимущества и недостатки.

6. Понятие о полевых транзисторах МОП (MOSFET). Основные параметры. Преимущества и недостатки.

7. BUCK – прямой понижающий импульсный преобразователь постоянного напряжения (DC/DC). Схема электрическая принципиальная. Назначение элементов. Принцип работы.

8. BOOST – прямой повышающий импульсный преобразователь постоянного напряжения (DC/DC). Схема электрическая принципиальная. Назначение элементов. Принцип работы.

9. Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)?

10. Трансформаторные преобразователи. Однотактный прямоходовой преобразователь с ШИМ. Схема работы стабилизатора напряжения на прямоходовом однотактном преобразователе.

11. Трансформаторные преобразователи. Двухтактный полумостовой преобразователь. Схема. Особенности применения. Достоинства и недостатки.

12. Трансформаторные преобразователи. Двухтактный мостовой преобразователь. Схема. Особенности применения. Достоинства и недостатки.

13. Однофазный мостовой инвертор напряжения с ШИМ на основной частоте.

14. Частотный преобразователь. Назначение. Звенья структурной схемы ЧП. Принципиальная схема звена постоянного тока (ЗПТ) преобразователя частоты. Принцип работы.

15. Принципиальная схема мостового трёхфазного инвертора преобразователя частоты. Принцип действия. Работа VT.

16. Сварочный инвертор. Схема. Принцип работы. Возможные комбинации звеньев.

17. В чём разница между сварочным инвертором постоянного тока и сварочным инвертором переменного тока.

18. Зарядное устройство. Схема, назначение, принцип действия.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. К.П.Путилин, П.А.Максимюк, А.А.Старочкин. Основы корабельной преобразовательной техники: Учеб.пособие. Севастополь: СВВМИУ, 1986. 192 с.

2. Зиновьев, Г. С. Силовая электроника: учебное пособие для бакалавров / Г. С. Зиновьев. 5-е изд., испр. и доп. М.: Издательство Юрайт, 2015. 667 с. (Серия: Бакалавр. Академический курс). ISBN 978-5-9916-1972-1

3. Семенов Б.Ю. Силовая электроника. От простого к сложному. Издательство: СОЛОН-Пресс, 2015. 416 с. ISBN: 978-5-91359-148-7

4. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника Издательство: ИД МЭИ, 2016. 632 с. ISBN: 978-5- 383-01023-5

5. Розанов, Ю. К. Силовая электроника: учебник и практикум для академического бакалавриата / Ю. К. Розанов, М. Г. Лепанов; под ред. Ю. К. Розанова./ М.: Издательство Юрайт, 2018. 206 с. (Серия: Бакалавр. Академический курс). ISBN 978-5-9916-9440-7

 

Приложение А


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



double arrow
Сейчас читают про: