Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

 

В.С. Мишуров

 

 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

 

 

Методические указания

и примеры выполнения

Курсового проекта

 

2010

 

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент кафедры ПрЭ ТУСУРа

                 Коновалов Б.И.;

                 канд. техн. наук, доцент кафедры ПрЭ ТУСУРа

                 Семёнов В.Д.

 

Мишуров В.С.

Энергетическая электроника : Методические указания и примеры выполнения курсового проекта / В.С. Мишуров. — Томск : Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2010.  —  148 с

 

                                                                   Ó Мишуров В.С., 2010

                                                                                      Ó ТУСУР, 2010

Содержание

 

Введение. 5

1 Требования к оформлению курсового проекта. 7

1.1 Титульный лист. 7

1.2 Реферат. 7

1.3 Техническое задание на проектирование. 8

1.4 Содержание проекта. 11

1.5 Введение. 11

1.6 Основная часть. 11

1.7 Заключение. 12

1.8 Список использованных источников. 13

1.9 Приложения. 13

1.10 Требования к тексту расчетно-пояснительной записки. 13

1.11 Требования к оформлению графической части проекта. 15

2 Основные положения проектирования. 17

2.1 Назначение основных блоков СГЭП и их реализация. 20

2.2 Описание работы СГЭП по структурной схеме. 26

2.3 Расчет основных блоков СГЭП.. 27

2.3.1 Расчет входного выпрямителя и фильтра. 27

2.3.2 Выбор и расчет схемы силового инвертора. 33

2.3.3 Расчет силового трансформатора. 47

2.3.4 Расчет выходного фильтра. 49

2.3.5 Расчет параметров аккумуляторной батареи. 51

2.3.6 Расчет разрядного устройства. 52

2.3.7 Расчет зарядного устройства. 59

2.3.8 Расчет усилителей мощности. 72

2.3.9 Схема управления СГЭП.. 76

2.3.10 Блок обратной связи. 81

2.3.11 Блок защиты.. 84

2.3.12 Устройство контроля напряжения питающей сети. 85

2.3.13 Блок питания собственных нужд. 87

Заключение. 90

Список использованных источников. 91

Приложение А (обязательное) Признаки построения                       силовой части проектируемого объекта. 94

Приложение Б (обязательное) Технические параметры проектируемого объекта. 96

Приложение В (справочное) Ряды номинальных                  сопротивлений и емкостей. 97

Приложение Г (справочное) Резисторы постоянные. 98

Приложение Д (справочное) Резисторы переменные. 99

Приложение Е (справочное) Конденсаторы.. 100

Приложение Ж (справочное) Дроссели. 104

Приложение К (справочное) Данные обмоточных проводов круглого поперечного сечения. 107

Приложение Л (справочное) Характеристики электротехнической стали 109

Приложение М (справочное) Магнитопроводы                                  из электротехнической стали. 110

Приложение Н (справочное) Магнитопроводы ферритовые. 115

Приложение П (справочное) Транзисторы биполярные. 120

Приложение Р (справочное) Транзисторы полевые. 123

Приложение С (справочное) Диоды.. 125

Приложение Т (справочное) Стабилитроны и стабисторы.. 128

Приложение У (справочное) Тиристоры.. 130

Приложение Ф (справочное) Микросхемы аналоговые. 131

Приложение Х (справочное) Стабилизаторы напряжения                  серии 142 ЕН.. 135

Приложение Э (справочное) Микросхемы цифровые. 137

Приложение Ю (справочное) Аккумуляторы.. 140

Приложение Я (обязательное) Пример выполнения схемы электрической принципиальной и перечня элементов. 145

 

 

Введение

 

Задачей курсового проекта по дисциплине «Энергетическая электроника» является разработка устройства преобразования параметров электрической энергии на этапе эскизного проектирования без конструкторской проработки.

При проектировании преобразователей исходными данными в общем случае могут быть:

– параметры входного напряжения;

– значения выходного напряжения и тока нагрузки;

– пределы плавной или ступенчатой регулировки выходного напряжения;

– значение и характер изменения импульсной составляющей тока нагрузки;

– нестабильность выходного напряжения;

– уровень переменной составляющей постоянного выходного напряжения;

– характеристики качества выходного переменного (синусоидального) напряжения;

– допустимые нормы превышения выходного напряжения и тока нагрузки;

– энергетические показатели;

– нормы индустриальных радиопомех;

– показатели надежности.

Варьированием вышеуказанных данных формируются различные темы проектов.

В большинстве случаев питание радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) осуществляется от промышленной сети переменного тока с частотой 50 Гц. Напряжение такой сети регламентируется на уровне 380/220В с допустимыми отклонениями плюс 10 % минус 15 %. В некоторых странах используют сеть переменного тока с частотой 60 Гц. В автономных объектах дизель-генераторы вырабатывают напряжение переменного тока частоты 400 Гц с отклонениями от номинального напряжения в пределах плюс 13 % минус 25 %.

В реальных сетях случаются провалы напряжения до нуля, т.е. отключения сети как на короткие промежутки времени (сравнимые с периодом переменного напряжения), так и на сравнительно длительные (секунды, минуты).

Большой диапазон изменения входного напряжения при значительном разбросе требуемых уставок выходного напряжения может сказаться на выборе структуры проектируемого устройства, а наличие провалов питания требует использования промежуточных накопителей энергии, в связи с чем, может встать вопрос о необходимости применения систем гарантированного электропитания (СГЭП).

В некоторых случаях источником питания может служить сеть постоянного тока.

Высокий КПД устройств энергообеспечения РЭА и ЭВМ является одним из основных условий проектирования. Для повышения КПД необходимо применять импульсные методы преобразования параметров электроэнергии.

В свою очередь импульсные режимы работы полупроводниковых элементов приводят к генерированию электромагнитных помех, что вынуждает применять специальные меры по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС).

Результатом проектирования является схема электрическая принципиальная устройства, снабженная перечнем элементов. В пояснительной записке должны быть представлены расчеты всех элементов, приведенных на принципиальной схеме. Полностью разработанное устройство должно быть представлено схемой электрической функциональной.

 

 

1 Требования к оформлению курсового проекта

 

Расчетно-пояснительная записка (РПЗ) к курсовому проекту должна отвечать требованиям ГОСТ 2.105-95, методическим указаниям по оформлению технической документации [7,19], раскрывать замысел проекта, содержать описание методов расчетов, сравнение рассматриваемых вариантов, сопровождаться иллюстрациями (графиками, диаграммами, схемами и т.д.), быть выполнена на русском языке и содержать в указанной ниже последовательности следующие структурные элементы:

– титульный лист;

– реферат;

– техническое задание на проектирование;

– содержание;

– введение;

– основная часть проекта;

– заключение;

– список использованных источников;

– приложения.

 

Титульный лист

 

Титульный лист должен быть выполнен в соответствии с [19].

 

Реферат

 

1.2.1 Реферат, размещенный на отдельном листе, должен содержать:

– сведения о количестве листов, иллюстраций, таблиц, использованных источников, приложений, листов графического материала;

– перечень ключевых слов;

– текст реферата.

1.2.2 Перечень ключевых слов должен включать от 5 до 15 наиболее характерных для РПЗ слов или словосочетаний. Они записываются в именительном падеже прописными буквами в строку через запятые.

1.2.3 Текст реферата должен отражать:

– объект разработки;

– методы и аппарат расчета;

– полученные результаты и их новизну.

 

1.3 Техническое задание на проектирование

 

Техническое задание (ТЗ) на проектирование включает разработку устройства преобразования параметров электрической энергии на этапе эскизного проекта.

Вариант задается преподавателем.

Как пример рассмотрим вариант V = 123. В таблице 1.1 номеру 123 соответствует строка 19 и столбец 5. По номеру строки 19 в приложении А (Признаки построения силовой цепи проектируемого объекта) выбираем:

– характер U_вх — переменное (синусоидальное) и постоянное от аккумуляторной батареи (АБ);

– вход бестрансформаторный;

– наличие трансформаторной развязки (питающая сеть — нагрузка) — есть;

– тип преобразователя — двухтактный инвертор;

– характер U_вых — переменное;

– тип СГЭП — off-line;

– тип АБ — FG;

– характер нагрузки — активная;

– схема силового инвертора — мостовая;

– примечание — провал напряжения питающей сети U_вх на 10 мин с интервалом  5 час.

По результатам анализа признаков, приведенных в техническом задании, строится структурная схема силовой цепи. Для построения полной структуры объекта необходимо добавить блоки управления, питания собственных нужд, обратной связи, защиты, синхронизации и т.д.

По номеру столбца 5 в приложении Б выбираются необходимые для построенной структуры электрические параметры:

≈ U_с — 127 В; ∆ U_с — (+10), (–15) %, f_с — 50 Гц,

напряжение АБ (U_вх = 96 В),  U_вых — (+3), (–3) %,

I_{нагр min} — 0,1А, I_{нагр max} — 3 А, ≈ U_вых — 127 В,

f_вых — 50 Гц, К_н = 3 %.

 

П р и м е ч а н и е : из технических параметров, содержащихся в приложении Б, выбирать только необходимые для структурной схемы силовой цепи, сформированной по признакам приложения А.

 

Т а б л и ц а 1.1 — Варианты задания

Строки	Столбцы
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	1	27	53	79	105	131	157	183	209	235	261	287
2	2	28	54	80	106	132	158	184	210	236	262	288
3	3	29	55	81	107	133	159	185	211	237	263	289
4	4	30	56	82	108	134	160	186	212	238	264	290
5	5	31	57	83	109	135	161	187	213	239	265	291
6	6	32	58	84	110	136	162	188	214	240	266	292
7	7	33	59	85	111	137	163	189	215	241	267	293
8	8	34	60	86	112	138	164	190	216	242	268	294
9	9	35	61	87	113	139	165	191	217	243	269	295
10	10	36	62	88	114	140	166	192	218	244	270	296
11	11	37	63	89	115	141	167	193	219	245	271	297
12	12	38	64	90	116	142	168	194	220	246	272	298
13	13	39	65	91	117	143	169	195	221	247	273	299
14	14	40	66	92	118	144	170	196	222	248	274	300
15	15	41	67	93	119	145	171	197	223	249	275	301
16	16	42	68	94	120	146	172	198	224	250	276	302
17	17	43	69	95	121	147	173	199	225	251	277	303
18	18	44	70	96	122	148	174	200	226	252	278	304
19	19	45	71	97	123	149	175	201	227	253	279	305
20	20	46	72	98	124	150	176	202	228	254	280	306
21	21	47	73	99	125	151	177	203	229	255	281	307
22	22	48	74	100	126	152	178	204	230	256	282	308
23	23	49	75	101	127	153	179	205	231	257	283	309
24	24	50	76	102	128	154	180	206	232	258	284	310
25	25	51	77	103	129	155	181	207	233	259	285	311
26	26	52	78	104	130	156	182	208	234	260	286	312

 

При наличии избыточных данных в приложении Б, ненужные характеристики не используются. Например, если в техническом задании выходное напряжение переменное (синусоидальное), то для него не нужна такая характеристика, как коэффициент пульсаций, и при постоянном выходном напряжении не нужны признаки, характеризующие качество переменного напряжения — частота выходного напряжения (f_вых), коэффициент несинусоидальности (К_н). При питании устройства от источника напряжения постоянного тока АБ не нужны характеристики ≈ U_с, ∆U_с — так как эти параметры определяется типом АБ.

 

Т а б л и ц а 1.2

 

Название проекта

1 Источник питания на основе НПН

2 Преобразователь постоянного напряжения

3 Источник питания на основе однотактной прямоходовой ячейки

4 Преобразователь постоянного напряжения на основе однотактной прямоходовой ячейки

5 Источник питания на основе однотактной обратноходовой ячейки

6 Преобразователь постоянного напряжения на основе инвертора

7 Источник питания на основе полумостового инвертора

8 Преобразователь напряжения на основе мостового инвертора

9 Источник питания на основе нулевого инвертора

10 Преобразователь постоянного напряжения в переменное

11 Зарядное устройство на основе прямоходовой ячейки

12 Зарядное устройство для кислотных АБ

13 Зарядное устройство на основе обратноходовой ячейки

14 Зарядное устройство на основе мостового инвертора

15 Зарядное устройство для щелочных АБ

16 Зарядное устройство на основе нулевого инвертора

17 Зарядное устройство на основе НПН

18 Сетевой источник питания на основе НПН

19 Система гарантированного питания «Off-line»

20 Система гарантированного питания на основе нулевого инвертора

21 Агрегат бесперебойного питания «On-line»

22 Агрегат бесперебойного питания на основе мостового инвертора

23 Квазидвухтактный источник питания

24 Квазидвухтактный преобразователь постоянного напряжения

25 Квазидвухтактный преобразователь переменного напряжения

26 Квазидвухтактный источник питания

Для реализации технического задания необходимо провести расчет параметров и выбор элементов разрабатываемого объекта, а также расчет статической точности замкнутой системы.

Примечание: для системы гарантированного электропитания схема управления и другие дополнительные блоки по согласованию с преподавателем могут быть выполнены на функциональном уровне.

В таблице 1.2 приведены примерные названия тем курсовых проектов, сформулированные по результатам анализа признаков построения силовых цепей преобразователей.

 

Содержание проекта

 

 Содержание должно отражать все материалы, представляемые к защите.

Введение

 

Во введении необходимо указать область применения разрабатываемого объекта и целесообразность разработки.

Основная часть

 

Содержание основной части проекта включает в себя анализ технического задания, краткий обзор технической литературы, содержащий описание структурных или функциональных схем устройств, подобных разрабатываемому объекту, и описание работы проектируемого устройства по предложенной структуре с перечислением блоков и узлов, входящих в его состав. На этапе предварительного проектирования по известным параметрам питающей сети и выходным параметрам разработанной структурной (функциональной) схемы производится ориентировочный расчет токов и напряжений во всех цепях преобразователя. При этом необходимо приближенно задаться потерями в элементах. На основании проведенных расчетов произвести ориентировочный выбор элементов и составить принципиальную схему.

На этапе уточненного проектирования необходимо произвести точное определение мгновенных, эффективных или средних значений токов и напряжений на элементах схемы, коэффициентов пульсаций и других необходимых параметров. Определение указанных величин можно проводить с использованием схем замещения, математических моделей и расчетом их на ЭВМ.

По результатам уточненного расчета произвести выбор всех элементов, как силовой части, так и схемы управления, с учетом использования современной элементной базы.

Функциональная схема устройства представляет собой набор функциональных частей (узлов) и связи между этими частями.

Функциональные части изображаются в виде условных графических обозначений, установленных стандартами ЕСКД.

Конечным результатом проектирования устройства является схема электрическая принципиальная, которая представляет собой графический материал проекта, и включенный в приложение к пояснительной записке перечень элементов.

В отдельных случаях по предварительному согласованию с преподавателем схема управления может быть выполнена на функциональном уровне. Однако вопросы сопряжения схемы управления с силовой частью (усилители мощности) подлежат обязательной разработке. В обязательном порядке в пояснительной записке должны быть приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

В пояснительной записке должны быть представлены расчеты и выбор всех элементов, используемых в схеме электрической принципиальной.

Обязательным пунктом при проектировании является расчет статической точности устройства. Используемые в расчетах элементов исходные выражения должны быть приведены со всеми необходимыми пояснениями и ссылками на соответствующую литературу.

Заключение

 

Заключение должно содержать краткие выводы по выполненному проекту, оценку полученных результатов, изложенных в проекте.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: