Энергетическая электроника

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра Промышленной электроники (ПрЭ)




ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО
 
Курсовой проект по дисциплине:
“Энергетическая электроника”




									Студент гр. 62-В:
									________ Кочерков В.Ю
									«___»  ________ 2017 г.
     Руководитель:
      		Кандидат тех. наук
________ Коновалов Б.И
«___»  ________ 2017 г.





2017
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ и РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

									


ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование по дисциплине:
“ Энергетическая электроника ” 







студенту Кочеркову Владиславу Юрьевичу
группа 62-В факультет ЗиВ.
1. Тема проекта: Зарядное устройство.
2. Исходные данные к проекту:
~Uвх = 127 В;
?Uвх = ±10 %;
fс = 60 Гц;
Кп = 1%;
Iн min = 0,3 А;
точность выходных параметров-4%.
Дополнительные:
обеспечить гальваническую развязку нагрузки от сети.

Талица 1-Признак построения силовой части проектируемого объекта
Хар-р 
Uвх 
Вход
Нали
чие 
транс
форма
тор
ной развязки
Тип преобразователя
Пере
дача энергии
Раз
магничи
вание TV
Хар-р 
Uвх
Тип СГЭП
Тип АБ
Хар-р нагрузки
Схема сило
вого инвертора
Приме
чание
Пере
мен-ное
Бес
транс
фор
ма
тор
ный


есть
2-тактная ячейка
Прямо
ходовая
____
Постоян
ное
off-line
НК
ГЦ
АБ
нулевая
Стабилизация тока. Отключить по окончанию заряда АБ



















      Содержание

1Введение   	5
2 Принцип работы схемы	6
3 Выбор функциональной схемы	7
4 Расчёт схемы  	8
4.1Выбор  фильтра радиопомех	8
4.2 Расчет выпрямителя 1 и входного фильтра 	8    
4.3  Выбор аккумуляторной батареи  и расчет ее параметров заряда 	10
4.4 Расчёт инвертора и силового трансформатора 	11
4.5 Расчёт выпрямителя 2 и выходного фильтра  	12
4.6 Выбор системы управления	13
4.7 Расчёт системы управления	15
5 Заключение	18                                                                                                           
Список использованной литературы	19                                                                   
Приложение А Схема электрическая принципиальная	20 
Приложение Б Перечень элементов	21





       
       
       


       1 Введение
Основной целью курсового проекта является разработка зарядного устройства. Также необходимо рассчитать в схеме каждый блок. Требования к схеме связано с выбором оптимальных массогабариных показателей, наличием сервисных устройств - диагностика состояния, световая и звуковая индикация, гальванической развязки нагрузки от сети, возможность активной коррекции коэффициента мощности, высокой надежности и низкой цене, электробезопасности обслуживающего персонала, минимизации схемы, высокой точности элементов схемы, обеспечение как можно большего к.п.д. 
Важнейшим условием успешной работы любой аккумуляторной батареи является ее правильная зарядка, которая зависит от грамотного выбора зарядного устройства (ЗУ) и его использования. Выбор зарядного устройства влияет на производительность и срок службы аккумуляторных батарей, хотя пользователь не всегда может это сделать.





























       2 Принцип работы схемы
Принцип работы схемы:
С помощью зарядного устройства переменный ток преобразуется в постоянный, необходимый для зарядки аккумуляторных батарей.
Переменное напряжение сети подается на фильтр радиопомех (ФР), необходимый для уменьшения шумов транзисторных ключей, увеличения к.п.д. Входной сетевой выпрямитель (В1) выполнен в виде моста и предназначен для выпрямления сетевого напряжения. После диодного моста ставим последовательно терморезистор для того, чтобы ограничить ток заряда конденсатора. Затем сигнал сглаживает входной фильтр (ВхФ). Инвертор же уменьшает среднее значение напряжения и преобразует сигнал из постоянного в переменный. Каждым транзистором инвертора управляет отдельный ШИМ-контроллер. А для обеспечения гальванической развязки нагрузки от сети используем TV. Т.к. аккумуляторная батарея заряжается постоянным током, то выходной сетевой выпрямитель (В2) выпрямляет ток и напряжение, а сигнал сглаживает выходной фильтр (ВыхФ).


Рисунок 2.1 – Графики работы спроектированного устройства

       3 Выбор функциональной схемы
С учетом анализа технического задания и выявления всех необходимых требований предъявляемых к проектируемому устройству сформируем его функциональную схему.




Рисунок 3.1-Функциональная схема 

  Функциональную схему выполним как совокупность некоторого числа взаимосвязанных между собой блоков. Каждый, из которых выполняет определенные функции. Дадим пояснение в названии блоков.  
ФР - фильтр радиопомех;
В1, В2 – выпрямители1,2;
ВхФ – входной фильтр;
И - инвертор;
Тр - трансформатор;
ВыхФ - выходной фильтр;
АБ – аккумуляторная батарея;
СУ - система управления.















4 Расчёт схемы

4.1Выбор  фильтра радиопомех      


Рисунок 4.1 – Фильтр радиопомех  
    
Выберем конденсаторы C1, C2,C3 (К10-17-1б-Н90-1 мкФ);   
Для того, чтобы TV1 не оказывал сильное воздействие на работу схемы и для уменьшения его потерь (как активных, так и реактивных)  выберем TV с небольшим числом витков: w1 = 10 витков, w2 = 10 витков.
                                                                          
4.2Расчёт  выпрямителя 1 и входного фильтра     



Рисунок 4.2 – Входной выпрямитель, терморезистор и фильтр

Однофазная питающая сеть переменного тока и бестрансформаторный вход предусматривают мостовую схему выпрямителя.
При учёте диапазона изменения напряжения питающей сети (отклонение вниз от номинала на 10%) значение напряжения на выходе входного фильтра не превышает  даже на холостом ходу (конденсатор входного фильтра заряжен до напряжения, равного амплитуде напряжения питающей сети). В рабочем режиме  будет ещё ниже на величину падения напряжения на диодах выпрямителя, фильтре и индуктивных потерь напряжения, обусловленных коммутацией диодов выпрямителя.
      ;
      Наибольшее значение напряжения на выходе фильтра определится из выражения (холостой ход – конденсатор фильтра заряжен до амплитуды входного напряжения):
      ;
      Мощность, потребляемая инвертором, находится по выражению:
      ,
      где  - напряжение на нагрузке;
       - ток нагрузки;
       - к.п.д. трансформатора ();
       - к.п.д. выходного фильтра инвертора;
       - к.п.д. инвертора (практический опыт и анализ технической литературы показывают, что к.п.д. колеблется в пределах  для высоковольтных инверторов) примем равным 0,96.
      Наибольшее среднее значение тока, потребляемого инвертором, определится из выражения:
      ;
      Значение тока, протекающего через диоды выпрямителя, определяется по выражению:
      ;
      Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду выпрямителя, определится по выражению:
      ;
      Выбираем диоды VD1-VD4 выпрямителя (КД269Е 200В 5А) с параметрами: .
      Подберем терморезистор на R1=2,2 кОм (СТ1-17-2,2 кОм   20%).
      Так как жёстких требований к качеству напряжения на выходе входного фильтра нет, и величина пульсаций в нём зачастую определяется допустимой амплитудой переменной составляющей конденсатора, зададимся значением , удовлетворяющим большинству используемых конденсаторов. Учитывая, что коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя , определим коэффициент сглаживания фильтра как:
      ;
      Ёмкость конденсатора фильтра в реальных схемах может быть настолько велика, что приходится применять батарею, состоящую из нескольких десятков конденсаторов.
      Для того, чтобы обеспечить коэффициент сглаживания  вполне достаточно однозвенного LC-фильтра.
      ;
      ;
Выбираем два дроссель на  (Д273) 
                       
 Выберем конденсатор на    (HP-450 В-68 мкФ 20%, (22х30), (105°C)   BC co).

4.3 Выбор аккумуляторной батареи  и расчет ее параметров заряда

Выберем АБ (FG20271) c Uном=12 В, Cн=2 АЧ, G=1,1 кг.
Выходное напряжение ЗУ для заряда АБ типа (FG20271) с номинальным напряжением 12В и ёмкостью 2 АЧ, работающей в цикличном режиме, определяются по выражению:
      ,
      Где () В – максимальное напряжение на элементе АБ;
      m – число элементов секции;
      n – число секций в батарее;
      Примем .
      Для выбора величины тока заряда АБ необходимо знать не только ёмкость АБ, но и интервалы времени между аварийными режимами. Статистические данные выходов напряжения сети переменного тока за допустимые пределы 1-2 раза в сутки. В этом случае для восстановления АБ зарядный ток можно выбрать равным  . 
                                                                    
4.4 Расчёт инвертора и силового трансформатора 
                                                                                             
                     
Рисунок 4.4 – Схема инвертора с нулевой точкой и трансформатора 

Найдем максимальное и минимальное выпрямленное напряжение:
 ;
;
  Рассчитаем ток, протекающий через транзистор:             
 ;
Выберем IGBT транзисторы инвертора (IRG4RC10S, IGBT 600В 14А 1кГц DPAK) с параметрами:Uкэ=600 В; Iк=14 А, Uу=6 В.
Рассчитаем минимальную и максимальную длительность открытого состояния транзистора:

                           

 Выбираем трансформатор с kтр=1, w1 = 50 витков, w2 = 50 витков, w3 = 10 витков.

4.5 Расчёт выпрямителя 2 и выходного фильтра 
  
Рисунок 4.5 – Схема выпрямителя 2 и выходного фильтра 

      Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду выпрямителя:
 ;                                                                                                           
      Значение тока, протекающего через диоды:
      ;
      Выберем диодыVD11-VD14 (КД269А) с параметрами: ; 
      Для хорошего сглаживания сигнала выберем ;
      ;
      ;
Выбираем два дроссель на  (Д201) 
                       
 Выберем конденсатор на    (К73-16-63 В-5,6 мкФ   5%).
4.6 Выбор системы управления  

      Учитывая современное развитие элементной базы радиоэлектронных устройств и компонентов, наиболее целесообразным для построения системы управления импульсных источников питания является применение уже готовых ШИМ-контроллеров, собранных на одной микросхеме. Это необходимо для того, чтобы уменьшить стоимость и габариты, как системы управления, так и источника питания в целом. Поэтому, для данного курсового проекта в качестве системы управления было решено использовать ШИМ-контроллер с обратной связью по току UC3842 фирмы Texas Instruments. 

Рисунок 4.6 – Структурная схема микросхемы UC3842
      Микросхемы ШИМ-контроллеров серии UC384 имеют все необходимые функциональные возможности для создания схем управления сетевыми импульсными источниками питания или преобразователями постоянный ток – постоянный ток с обратной связью по току и постоянной частотой преобразования. Встроенные структурные элементы микросхемы обеспечивают ее отключение при недопустимо низком входном напряжении и пусковом токе менее 1 мА. Прецизионный источник опорного напряжения тактирован для повышения точности на входе усилителя сигнала ошибки. ШИМ-компаратор контролирует также ограничение по току, а квазикомплементарный выходной каскад рассчитан на значительные броски тока (как втекающего, так и вытекающего). Выходной каскад обеспечивает работу на нагрузку типа n-канального полевого транзистора с изолированным затвором и имеет низкий логический уровень напряжения в отключенном состоянии.
      Возможны два способа блокировки микросхемы UC3842:
- повышение напряжения на выводе «3» выше уровня 1 В;
- подтягивание напряжения на выводе «1» до уровня, не превышающего падения напряжения на двух диодах относительно потенциала земли (примерно 0,5 В).
      Каждый из способов блокировки приводит к установке высокого логического уровня напряжения на выходе ШИМ-компаратора.
      Особенности микросхемы UC3842:
- Предназначены для сетевых источников питания и DC/DC-преобразователей;
- Малый пусковой ток (1 мА);
- Автоматическая компенсация обратной связи по току;
- Токовое ограничение в каждом импульсе;
- Улучшенные нагрузочные характеристики;
- Схема защиты с гистерезисом для отключения при недопустимо низком входном напряжении;
- Подавление сдвоенных импульсов; 
- Сильноточный квазикомплементарный выходной каскад; 
- Рабочая частота переключений до 500 кГц;	
- Усилитель сигнала ошибки с малым значением Ro.
      4.7 Расчёт системы управления
      Чтобы управлять транзисторами инвертора воспользуемся ШИМ-контроллером. Выбрана микросхема (UC3842). Всего их будет установлено две, по одной на транзистор.
      Рабочая частота микросхемы DA1.1 рассчитывается по формуле:
      
      Частота преобразования f = 10 кГц (инвертор). Для расчёта примем резистор R9 = 27 кОм, тогда:
      
      Рассчитаем мощность, выделяемую на резисторе:
      
      Выбираем конденсатор C6 (К10-42-М47-6,8 нФ ±0,25нФ), резистор R9  (С5-35В-100-27 кОм   5%).
      На входе микросхемы стоит усилитель ошибки. В документации микросхемы находим, что вход внутренне смещён на 2,5 В. Для корректной работы схемы необходимо, чтобы сигнал ошибки был меньше напряжения на входе компаратора контроля тока микросхемы DA1.1. Через делитель R10, R8 подадим на вход 3 напряжение внутреннего источника опорного напряжения c выхода 8. Для расчёта примем напряжение U3 ? 0,9 В, а резистор R8 = 1,5 кОм, тогда:
      
Выбираем резистор R8 (С5-35В-10-1,5 кОм 10%) и резистор R10  (С5-35В-50-3,9 кОм 5%).
      Пересчитаем напряжение U3:
      
      Рассчитаем сигнал ошибки. Он должен быть равен:
      
      Зададимся коэффициентом усилителя ошибки Ку=1. Тогда напряжение обратной связи должно быть:
      
      Т.к. ток заряда АБ  равен 0,4 А посчитаем . Выберем   (С2-10-2-2,1 Ом  0,5%).
      Мощность, рассеиваемая на резисторе:
      
      Примем резистор R6 = 47 кОм (СП5-39Б-1-47 кОм "В"   5%).
      Для того, чтобы стабилизировать напряжение и ток на выходе схемы, необходимо в цепь обратной связи усилителя ошибки добавить резистор R7, который должен в  раз отличаться от R6. Выбираем резистор R7 (RC2012-J-4,3 кОм 5% (chip 0805)   Samsung).
      Для устранения помех в цепи обратной связи необходим конденсатор С5, который рассчитывается по следующей формуле:
      
Выбираем конденсатор C5  (К10-17-1СА-М47-3900 пФ   10%).

Для управления силовым транзистором VT1 необходимо обеспечить контур тока база-эмиттер. Для этого сигнал управления должен быть гальванически развязан. Как рекомендуется в описании микросхемы, можно воспользоваться трансформатором.
      Конденсатор C7 рекомендуется выбирать равным 0,22 мкФ. (К42У-2-160 В-0,22 мкФ   10%).
      Для предотвращения появления на выходе микросхемы выбросов выходного напряжения ниже уровня земли во время процесса выключения необходим диод Шоттки. Для этих целей выбираем диод VD9 (КД268Б) с параметрами: UОБРmax = 50 В;  IVDmax = 3 А.
      Стабилитроны VD5 и VD6 служат для стабилизации напряжения на затворе транзистора VT1. Выбираем стабилитрон (Д815Е) с параметрами: Uстаб = 15 В;  Iстабmin = 10 мА, Iстабmax = 560 мА.
      Для ограничения тока в цепи затвора транзистора необходим резистор R2, который выбирается равным 22 Ом (СП5-30-I-50Г-50 Вт-22 Ом "В" 5%).
      Для удержания транзистора в открытом состоянии и предотвращения случайного его закрывания необходим резистор. Выбираем резистор R3=1,5кОм (СП5-3-1 Вт-1,5 кОм   10%).
      Трансформатор TV3.2 служит для гальванической развязки управляющего сигнала, подаваемого на затвор транзистора. В документации указаны следующие рекомендуемые параметры трансформатора: w1 = 20 витков, w2 = 10 витков, I1max = 1,5 А.




















       Заключение
      При выполнении данного курсового проекта была разработана схема зарядного устройства для аккумуляторной батареи и система управления стабилизатора тока, управляемого по принципу широтно-импульсной модуляции. Полученное зарядное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания. В ходе работы были рассчитаны все элементы схемы.
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      

      
      
      
Список используемой литературы
    1 В.С. Мишуров. Энергетическая электроника: Методические указания и примеры выполнения курсового проекта. Томск, 2010.
    2 А.В. Шарапов. Аналоговая схемотехника: Учебное пособие. Томск, 2003.
    3 Коновалов Б.И. Преобразовательная техника. Часть 2. – Томск: ТУСУР
    4 В.М. Герасимов, В.А. Скворцов. Электронные цепи и микросхемотехника. Часть II: Методические указания к курсовому проекту. ? Томск: ТМЦ ДО, 2001. ? 38 с.
    5 В.Д. Семенов. Основы преобразовательной техники:  Учебное  пособие. Томск: ТУСУР, 2004.
        6 http://www.mobilradio.ru











.......................