Энергетическая электроника Мишуров Владимир Сергеевич

Энергетическая электроника
Мишуров Владимир Сергеевич
Ст.преподаватель кафедры «Промышленная
электроника»,
Зав. лабораторией "Преобразовательной техники и
импульсно модуляционных систем"
Тема занятия :
Проектирование ВИП
Цель курсового проекта:
- закрепление навыков, полученных при изучении цикла
дисциплин:
«теоретические основы электротехники, схемотехника,
цифровая и микропроцессорная техника, основы
преобразовательной техники, энергетическая
электроника, теория автоматического управления»;
- получение навыков правильного представления и
оформления результатов работы на этапе эскизного
проектирования.
Выполнение курсового проекта направлено на
формирование следующих компетенций:
- способности владеть методами решения задач анализа и расчета
характеристик электрических цепей (ПК-4);
- способности собирать, обрабатывать, анализировать и
систематизировать научно-техническую информацию в области
энергетической электроники, использовать новейшие достижения
отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
- готовности выполнять расчет и проектирование силовых цепей
преобразователей с использованием средств автоматизации
проектирования в соответствии с техническим заданием (ПК-10);
- способности строить простейшие физические и математические
модели преобразователей электрической энергии с
использованием стандартных программных средств их
компьютерного моделирования (ПК-19).
Курсовой проект
по дисциплине «Энергетическая Электроника»
выполняется в соответствии с Образовательным стандартом вуза
ОС ТУСУР 01-2013.
полный текст стандарта размещен на сайте университета
http://tusur.ru/ в разделе /Образование/Нормативное
обеспечение/Нормативные акты ТУСУРа/
14.1. Образовательный стандарт вуза ОС ТУСУР 01-2013.
Работы студенческие по направлениям подготовки и
специальностям технического профиля. Общие требования и
правила оформления.
Требования, предъявляемые к ИВЭП:
- высокий КПД;
- высокое качество выходного напряжения (точность выходных
параметров, Кп, Кг);
- динамические характеристики (диапазон регулирования,
быстродействие, качество переходного процесса и т.д.);
- хорошие массогабаритные показатели и минимальная
стоимость;
- высокая надёжность, наработка без отказов (наличие защит);
- совместимость с сетью и допустимый уровень радиопомех.
классификация ИВЭП
1. по виду входного напряжения:
- работающие от сети переменного напряжения;
- работающие от сети постоянного напряжения
2. по виду выходного напряжения:
- ИВЭП с выходом на переменном токе (однофазные и многофазные);
- ИВЭП с выходом на постоянном токе;
- комбинированные ИВЭП – с выходом на переменном и постоянном токе
3. по выходной мощности:
- микромощные источники питания с выходной мощностью до 1 Вт;
- малой мощности (от 1 до 10 Вт);
- средней мощности (от 10 до 100 Вт);
- повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт);
- большой мощности (свыше 1000 Вт)
4. по номинальному значению выходного напряжения:
- низкое (до 100В);
- среднее (от 100 до 1000 В);
- высокое (свыше 1000 В)
5. по числу выходов питающих напряжений:
- одноканальные ИВЭП, имеющие один выход;
- многоканальные, имеющие два и более выхода питающих напряжений.
1. Анализ исходных данных для ТЗ
2. Разработка принципиальной электрической
схемы ИП
3. Методика расчета электронных схем на этапе
эскизного проектирования
Этап эскизного проектирования заканчивается:
- разработкой принципиальной электрической
схемы устройства;
- формированием перечня элементов.
1. Анализ исходных данных
для формирования технического задания (ТЗ)
Допустим в соответствии с паролем Ваш вариант 167
по приложению 1 (А) 11-ая строка:
-
Uвх - переменное;
вход бестрансформаторный;
есть трансформаторная развязка между питающей сетью и нагрузкой;
однотактная преобразовательная ячейка;
прямоходовая;
с обмоткой размагничивания;
выходное напряжение – постоянное;
характер нагрузки – АБ типа FG;
обеспечить стабилизацию зарядного тока;
по окончании заряда АБ отключить.
по приложению 2 (Б) 7-ая строка:
- Uc - 220В10% , 400Гц;
- UАБвых. – 24В;
а) Предельные значения напряжения АБ определяются
по приложению Ю;
б) Часть численных значений, например: UАБвх, ~Uвых , Iнmin и т.д.
не используются по результатам анализа исходных данных
приложения А.
Функциональная схема ЗУ
В1 – сетевой выпрямитель
НЧФ – фильтр низких частот
АБ – аккумуляторная батарея
УМ – усилитель мощности
СУ – схема управления
ОПЯ – однотактная прямоходовая ячейка ЗГ – задающий генератор прямоугольных
импульсов повышенной частоты
И – инвертор
ШИМ – широтно-импульсный модулятор
Тр - трансформатор
ОСI – обратная связь по току
В2 – выходной выпрямитель
ОСU – обратная связь по напряжению
ВЧФ – высокочастотный фильтр
2 схема электрическая принципиальная
силовой цепи ЗУ
Временные диаграммы В1, характерные
для режима непрерывного тока дросселя L1
Временные диаграммы ОРЯ, характерные
для режима непрерывного тока дросселя L2
3. Основные соотношения
для предварительного расчета силовой цепи ЗУ
Диапазон изменения
выпрямленного напряжения
U dmin
U Cmin

1,22
U dmax  2U cmax
Расчет прямоходовой ячейки ОПЯ
(без учета потерь)
3. Основные соотношения
для предварительного расчета силовой цепи ЗУ
Из расчета, что пульсации зарядного тока
не должны превышать 2%
Так как переменная составляющая в напряжении АБ отсутствует, емкость С2
выходного конденсатора считается из условия сброса в нее энергии дросселя L2
при отключении АБ
По результатам предварительного расчета параметров
элементов силовой цепи преобразователя производится
выбор элементов с учетом коэффициента запаса.
Вопрос 1
Назовите составляющие потерь выпрямителя
Ответ 1
Потери выпрямителя складываются из:
- падений напряжения на активных сопротивления элементов цепи;
- пороговых падений напряжения на полупроводниках;
- коммутационных падений напряжения при переключении
полупроводников.
Уточненный расчет входного выпрямителя выполняется с
учетом нагрузочной характеристики и реальных характеристик его
элементов
Аналогичный уточненный расчет проводится и для ОПЯ
целесообразно принимать
 max
для прямоходовых преобразователей
в пределах 0,6  0,7 , следовательно, выполнить условие :
Кроме основных параметров элементов,
позволяющих осуществить их выбор, проводится
расчет статических и динамических потерь
мощности на элементах, с целью установки их,
при необходимости, на радиатор.
Особенно это важно для полупроводниковых
элементов силовых цепей.
Статические потери определяются в режимах открытого
и закрытого состояний полупроводниковых элементов
Динамические – на интервалах переключения с учетом
реальных временных характеристик
Расчет силового трансформатора
Исходными данными для расчета трансформатора являются действующие значения
напряжений и токов всех обмоток .
По известной габаритной мощности трансформатора и частоте выбирается сердечник
и определяются параметры обмоток, при этом число витков первичной обмотки для
исключения замагничивания сердечника рассчитывается на максимальное напряжение,
прикладываемое к ней.
Sc
где
- габаритная мощность трансформатора
- поперечное сечение сердечника
So
- коэффициент формы
- частота инвертирования
- коэффициент заполнения сердечника
- индукция в магнитопроводе
- площадь окна сердечника


- плотность тока в обмотках
- коэффициент заполнения окна сердечника
Расчет силового трансформатора
1. Расчет трансформатора сводится к определению числа витков в обмотках,
выбору марки провода и его сечения, выбору материала сердечника и его
типоразмера.
2. По результатам расчетов проводится проверка коэффициента заполнения
окна сердечника.
3. В правильно спроектированном трансформаторе вес сердечника и
обмоток должны быть примерно одинаковы.
Расчет усилителя мощности
На усилитель мощности возлагается, как правило, задачи:
- усиления сигналов управления до требуемого уровня по
напряжению и току;
- обеспечить гальваническую развязку схемы управления и
силовых цепей.
Для усилителей мощности с трансформаторным выходом,
работающих в однотактном режиме с целью обеспечения
нормального размагничивания сердечника трансформатора
необходимо выполнить условие:
 max
W1

(1   max )
WP
Вопрос 2
Как обеспечить стабилизацию выходного тока
в зарядном устройстве?
Ответ 2
Для стабилизации зарядного тока АБ регулятор
необходимо замкнуть систему отрицательной
обратной связью по току
Расчет статической точности тока заряда АБ
Для обеспечения статической точности поддержания зарядного
тока или выходного напряжения ЗУ в режимах стабилизации
соответствующих величин необходимо синтезировать структурную
схему ЗУ как системы автоматического управления (САУ).
Структурная схема САУ является графическим отображением
математической модели, описывающей режимы ее работы.
Динамические режимы исследуются по передаточным функциям
структуры.
Статические — по частным случаям этих передаточных функций,
когда оператор Р равен нулю.
Расчет статической точности тока заряда АБ
Определяются коэффициенты передачи всех элементов
стабилизатора (коэффициент передачи какого-либо элемента
с линейной статической характеристикой определяется как
отношение выходной величины этого элемента к входной
величине и может быть как величиной безразмерной, так и
иметь размерность).
Например, коэффициент передачи делителя выходного
напряжения при
Структурная схема ЗУ, как замкнутой системы
автоматического управления с обратными связями
по току и напряжению
Наиболее распространенные ошибки при расчетах
силовых цепей преобразователей:
- введение не отражает конкретной сути разрабатываемого
преобразователя;
- определяем наибольшее и наименьшее напряжения
приложенные к закрытым диодам;
- определяем максимальный, средний и т.д. ток диода;
- при расчете выпрямленного напряжения U d  U c  2U VD ,
но U - средневыпрямленное напряжение,
d
а U c - действующее значение напряжения синусоидальной формы;
- ссылка на литературу «как в методичке»;
- отсутствует обоснование принятых значений, например,
 max  0,5 ;
- в расчетах исходная формула и конечный результат:
надо
Наиболее распространенные ошибки при оформлении
графического материала КП
- на принципиальной электрической схеме наличие
непронумерованных элементов (Rн);
- нарушен порядок нумерации элементов (слева направо,
сверху вниз);
- в перечне элементов нарушен алфавитный порядок (латынь)
и последовательность перечисления элементов R1,R5 , R2...R4
Чтобы избежать подобных ошибок при
выполнении проекта следует ознакомится с
«Методические указания по
оформлению технической документации»
на сайте www.ie.tusur.ru
в разделе СТУДЕНТУ, далее ДИПЛОМНИКУ.
Методика проектирования ИВЭП со звеном
повышенной частоты:
1. Анализ исходных данных технического задания .
2. Выбор (разработка) силовой цепи инвертора.
3. Описание принципа работы преобразователя с использованием временных
диаграмм напряжений и токов, характерных для выбранного инвертора.
4. Расчет электрических параметров элементов силовой цепи и выбор
элементов.
5. Разработка схемы управления.
6. Для стабилизированных вторичных источников питания расчет статической
точности и устойчивости замкнутой системы.
7. Моделирование (макетирование) узлов и системы в целом.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
1. Кобзев А.В., Коновалов И.Б., Семенов В.Д. Энергетическая электроника:
Учебное пособие. В 2-х частях — Томск: Томский межвузовский центр
дистанционного образования, 2010. — 164 с.
2. Мишуров В.С., Семенов В.Д. Энергетическая электроника: Учебное
методическое пособие. — Томск: Томский межвузовский центр дистанционного
образования, 2012. — 174 с.
3. Коновалов Б.И., Мишуров В.С. Основы преобразовательной техники:
Учебное пособие (электронное). Томск: ТУСУР, 2011. - [ электронный ресурс, доступ
http:/ie.tusur.ru/books/OPT- eu1/index.html. ]
4. Коновалов Б.И. Основы преобразовательной техники: Учебное пособие. - Томск:
Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2007. – 157 с.
5. Мишуров В.С. Энергетическая электроника: Методические указания и примеры
выполнения курсового проекта / Томск : Томский государственный университет
систем управления и радиоэлектроники, 2010. – 148 с.
Дополнительная литература
1. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики,
применение. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. – 364 с.
2. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш и др. – М.: Радио и
связь, 1988. – 288 с.
3. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Техносфера,
2006. – 632 с.
4. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.
5. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного
электропитания: Справочник. – М.: Радио и связь, 1992. – 224 с.
6. Работы выпускные квалификационные [Текст] : методические указания по
оформлению технической документации / Сост. В.П. Родюков, Факультет дистанционного
обучения ТУСУР. — Томск : Факультет дистанционного обучения, ТУСУР, 2011. — 110 с.
Спасибо за внимание
Вопросы и пожелания можно присылать через диспетчерский
отдел ФДО
можно высылать любые вопросы по ОПТ и ЭЭ. Я постараюсь
ответить.