Выбор и обоснование проектируемого стенда

РЕФЕРАТ



Кутьин В.М.  Учебный лабораторный стенд «Управляемый выпрямитель и инвертор». Дипл. проект ТПЖА.672132.005 / ВятГУ, каф. ЭМА; рук. В.А. Головенкин. – Киров, 2017. Гр.ч. 4 л. ФА1, ПЗ 68 с., 32 рис., 11 табл., 4 прил.: специф. 3 л., 12 источников.



УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, ВЕДОМЫЙ СЕТЬЮ ИНВЕРТОР,  ТРАНСФОРМАТОР, СГЛАЖИВАЮЩИЙ РЕАКТОР, ТИРИСТОР, СЕРДЕЧНИК ТРАНСФОРМАТОРА, ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА.



Объект исследования – Учебный лабораторный стенд «Управляемый выпрямитель и инвертор», содержащий в себе блок выпрямления на управляемых вентилях (тиристорах) и систему управления вентилями.

Цель работы: выбрать и обосновать проектируемый стенд; провести электромагнитный и тепловой расчет трансформатора и сглаживающего реактора; провести экспериментальное исследование преобразователя. 

Тепловой режим отвечает условиям класса нагревостойкости изоляции В.

Спроектированный лабораторный стенд соответствует требованиям необходимым для практического исследования выпрямительно-инверторного преобразователя в учебном процессе.



















Содержание



	Введение	3

	Обзор и анализ существующих лабораторных стендов	5

	Выбор

Перв. примен.



Справ. №



Подпись и дата



Инв. № дубл.



Взам. инв. №



Подпись и дата



Инв. № подл.























Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

ТПЖА.672132.005 ПЗ

 Разраб.

Кутьин

 Провер.

Головенкин

 Т. Контр.



 Н. Контр.



 Утверд.

Изотов

Учебный лабораторный стенд "Управляемый выпрямитель и  инвертор"

Лит.

Листов

66

ВятГУ, каф. ЭМА, 

гр. ЭиЭ 4808-07

 Реценз.



Масса

Масштаб





 и обоснование проектируемого стенда	13

	Расчетная часть ВКР	22 

	 Расчет трансформатора	22

	 Расчет сглаживающего реактора	33

	 Разработка и изготовление микропроцессорной СУ	39

	Экспериментальная часть ВКР	48

	     4.1 Управляемый выпрямитель	48

	     4.2 Инвертор, ведомый сетью	56

	Охрана труда при изготовлении печатных плат	60

	5.1Анализ опасных и вредных факторов	61

	5.2Мероприятия по обеспечению безопасных условий труда	64

	Заключение	66

	

	Приложение А (обязательное). Спецификация

	Приложение Б (справочное). Библиографический список



Введение

 

Управляемый выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное регулируемое.

Наиболее распространена схема на базе двухполупериодного мостового выпрямителя тока. Он представляет собой систему их четырех диодов, соединенных таким образом, чтобы обе полуволны попадали в схему, но отрицательная полуволна при этом «переворачивается». 

После простейших выпрямителей ток трудно назвать постоянным, так как напряжение постоянно изменяется от нуля до максимума. Поэтому к выпрямителю добавляется фильтр, который уменьшает скорость изменения тока. Таким образом, у тока появляется значительная по величине постоянная составляющая, на которую наложены малые пульсации тока. 

Из-за инерционности элементов и потерь абсолютно постоянного тока достичь практически невозможно, но колебания в 5-10% не влияют на работоспособность электроприборов.

Инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток в переменный. Инвертор, в котором переход тока с одного тиристора на другой осуществляется под действием переменного напряжения сети, называется инвертором, ведомым сетью. Он отдает энергию в сеть переменного тока. Ведомые сетью инверторы выполняются по тем же схемам, что и управляемые выпрямители.

Отличие схемы инвертора от схемы управляемого выпрямителя заключается лишь в том, что вместо нагрузки в инверторе включен источник постоянного тока, полярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя. Поэтому одна и та же схема может использоваться в выпрямительном и в инверторном режимах.

Система управления (СУ) преобразователя может быть аналоговой (импульсно-фазовый метод управления тиристорами) и цифровой (на базе микроконтроллера).

Выпрямители применяются в блоках питания различной аппаратуры, в электросиловых установках, в сварочных аппаратах и др. Выпрямительно-инверторный преобразователь широкое применение нашел в городском и железнодорожном транспорте (где выпрямитель применяется в режиме тяги, а инвертор - в режиме рекуперативного торможения), в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных тиристорных преобразователях.

Ознакомлению выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) посвящен один из основных разделов курса  «Силовая электроника». Однако хорошего лабораторного практикума по ВИП нет, что затрудняет изучение этого важного раздела курса. Также существующий лабораторный стенд не позволяет получить необходимые характеристики и временные диаграммы, поэтому требуется его модернизация.





































1 Обзор и анализ существующих лабораторных стендов



В зависимости от назначения, выполняемых функций и типов исполнения учебное лабораторное оборудование делится на:

- учебные тренажеры;

- учебные лабораторные стенды;

- учебно-методические комплексы.



Учебные тренажеры - это учебное лабораторное оборудование, которое предназначено для получения профессиональных навыков. Они делятся на:

- манипуляционные тренажеры (выработка ответной реакции на совокупность внешних факторов);

- диагностические тренажеры (выработка навыков выявления неисправностей в оборудовании);

- мониторинговые тренажеры (выработка ответной реакции на изменение протекания различных процессов).

По способу реализации тренажеры бывают:

- натурные. Они наиболее приближены к реальным объектам, которые будет обслуживать оператор (учебный автомобиль);

- полунатурные. Это комбинация реального оборудования, контактирующая непосредственно с оператором и компьютерных моделей, которые создают возмущающие воздействия (тренажер динамических режимов «Союз ТМА-М»);

- модельные. Они практически полностью реализуются посредством компьютерных моделей (тренажер для обучения диспетчеров).



Учебные лабораторные стенды - это учебное лабораторное оборудование, которое служит для экспериментального исследования физических процессов и показателей изучаемых объектов (рисунок 1.1).

 Рисунок 1.1 - Поколения лабораторного оборудования



Если объект изучения представлять как "черный ящик", то стандартные приемы его исследования это: подача на входы объекта совокупности сигналов и анализ его выходных параметров. По способу реализации лабораторные стенды различают:

- Специализированные лабораторные стенды (стенды первого поколения - рисунок 1.2). Это совокупность приборов, источников питания, источников  сигналов, исполнительных механизмов, технологических приспособлений для крепления, нагрузки и др., предназначенных специально для исследования определенного и единственного объекта.

 

Рисунок 1.2 - Пример лабораторного стенда первого поколения



Достоинством данного стенда является целенаправленный выбор лабораторного оборудования для изучения единственного объекта. Такой подход исключает избыточность и уменьшает стоимость лабораторного оборудования на один стенд. Но недостатков существенно больше:

1) затруднительно реализовать всеобщее проведение работ, поскольку требуется множество стендов;

	2) по этой же причине ограничен список объектов экспериментального исследования;

	3) невозможность изучения переходных процессов из-за малых возможностей измерительных приборов и средств управления;

	4) лабораторные помещения требуют значительных площадей для установки оборудования.

	- Универсальные лабораторные стенды (стенды второго поколения – рисунок 1.3). В отличии от стендов первого поколения, они служат для исследования некоторого количества сменных объектов изучения.

 



1.3 - Пример лабораторного стенда второго поколения



Универсальный лабораторный стенд содержит общую для всех объектов часть (измерительные приборы, источники сигналов, блоки питания и т.д.) и дополнительное оборудование, которое предназначено для каждого отдельного объекта (сам объект, специальные приспособления, исполнительные механизмы и др.).

На таких стендах обычно используются универсальные измерительные приборы, осциллографы, а также более современные и совершенные средства управления, например полупроводниковые регуляторы. Это позволило избавить обучаемых от рутинных операций и сфокусировать их старания на изучение непосредственно самих протекающих процессов.

Достоинства таких стендов - это существенное уменьшение количества стендов и стендового оборудования (а значит и площадей, которые они занимают), более простое обслуживание, более простая реализация всеобщего выполнения лабораторных работ (на все стенды можно поставить одинаковые объекты изучения). Но так как при частой смене универсального оборудования (более сложного и дорогого), их жизненный цикл уменьшается, и это увеличивает эксплуатационные расходы.

- Автоматизированные лабораторные стенды (стенды третьего поколения – рисунок 1.4). В их составе впервые появились интеллектуальные средства обработки данных и многоканального управления объектом в реальном времени.





Рисунок 1.4 - Пример лабораторного стенда третьего поколения

Учебный лабораторный стенд третьего поколения превратился в автоматизированное рабочее место (АРМ), содержащее управляющую вычислительную машину (УВМ) и устройства ее сопряжения с объектом (УСО). Обычно измерительные приборы отсутствуют. Их роль выполняют датчики соответствующего типа, которые подключены ко входу к УСО, выполненные в виде типовых модулей (коммутаторы входных каналов, счетчики импульсов, входные регистры, аналого-цифровые преобразователи – АЦП и т.д.). Управление объектом осуществляется УВМ при помощи исполнительных механизмов через выходные модули УСО (цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП, программируемые таймеры, выходные регистры и т.д.). 

Теперь исследователь не управляет объектом лично, он превращается в оператора УВМ. Его назначение сводится к составлению программы проведения эксперимента и анализа результатов. Исследователь полностью освобождается от всех рутинных операций и может сосредоточиться на творческих вопросах поиска оптимальных решений.

Достоинством автоматизированных лабораторных стендов является, как было уже сказано, полное исключение рутинных операций. Также открывается возможность предварительного моделирования изучаемых физических процессов. Это делает процесс экспериментального поиска более рациональным и эффективным. Можно исследовать как статические, так и динамические процессы, используя крайне сложные алгоритмы.

Недостаток данного метода состоит в нерациональном использовании вычислительной техники, поскольку для каждого лабораторного стенда необходим свой персональный компьютер, а это не только очень дорого, но и коэффициент загрузки таких установок в течении года очень мал.

- лабораторные стенды удаленного коллективного доступа (стенды четвертого поколения – рисунок 1.5). Это попытка устранить недостаток лабораторного оборудования предыдущего поколения, сохранив все его достоинства.



Рисунок 1.5 - Пример лабораторного стенда четвертого поколения



УВМ данного стенда выполняет специальные функции сервера удаленного доступа. В этом случае появляется возможность коллективного доступа к одному стенду многих пользователей по компьютерным сетям без ограничения расстояний. 

Достоинства лабораторного стенда четвертого поколения:

1) заметно уменьшается количество требуемого лабораторного оборудования и занимаемых ими площадей;

	2) полностью исключаются рутинные операции и открываются возможности для творческого подхода;

	3) исчезают временные ограничения проведения лабораторных экспериментов, так как такие стенды могут работать круглосуточно.

Особенности эксплуатации такого лабораторного оборудования связаны с разработкой, созданием и поддержанием всей инфраструктуры сетевого обмена информационными и техническими ресурсами. 



Учебно-методические комплексы (УМК). Это объединение программно-технических и учебно-методических средств, которые содержат весь комплекс образовательных услуг (организационных, методических, теоретических, практических, экспериментальных, консультационных и др.), необходимых и достаточных для самостоятельного изучения конкретной учебной дисциплины.

	Учебно-методические комплексы могут быть следующих типов:

	- централизованного типа, когда весь комплекс образовательных услуг предоставляется одним образовательным учреждением. Это, в большинстве случаев, разработчик данного УМК, предоставляющий доступ к своим ресурсам на определенных условиях.

	- децентрализованного типа, когда отдельные компоненты образовательных услуг в объеме конкретной учебной дисциплины предоставляются различными образовательными учреждениями, чей профессиональный уровень в наибольшей степени соответствует отдельным разделам дисциплины.

















2 Выбор и обоснование проектируемого стенда



Объектом исследования в лабораторной работе, для которой проектируется лабораторный стенд, является выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП), выполненный на базе трансформатора, блока выпрямления и системы управления тиристорами. 

Лабораторный стенд предназначен для наглядного, практического изучения студентами принципов действия управляемого выпрямителя и инвертора ведомого сетью, а также для снятия различных характеристик преобразователя. 

Стенд является представителем стендов первого поколения. Было выбрано это поколение стендов, поскольку проводится модернизация уже существующего стенда. А также осуществляется целенаправленный выбор лабораторного оборудования для изучения единственного объекта, что исключает избыточность измерительных приборов и оборудования и, следовательно, гарантирует минимальную стоимость. Обучение сводится к снятию характеристик, причем основное внимание уделяется технологии получения экспериментальных данных и последующей их ручной обработке, что позволяет студентам лучше понять суть исследования и приобрести навыки по практическому применению измерительных приборов.



Управляемый выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное регулируемое.

Электрическая схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рисунок 2.1(а).

При активной нагрузке и угле управления ? ? 0 выпрямленный ток id и напряжение Ud на выходе выпрямителя будут прерывистыми (рисунок 2.2). При этом среднее значение выпрямленного напряжения равно:



Регулировочная характеристика Ud = f(?) однофазного выпрямителя представлена на рисунок 2.1(б).

При активно-индуктивной нагрузке угол проводимости ? тиристора увеличивается (рисунок 2.3(а)). Тиристор продолжает пропускать ток при отрицательных значениях U2. Это происходит из-за ЭДС, которая возникает в индуктивности. Она поддерживает ток в тиристоре не давая ему закрыться. В итоге среднее значение выпрямленного напряжения Ud меньше, чем при активной нагрузке при одних и тех же углах управления ?.

Режим работы выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке, когда между интервалами проводимости тиристоров имеются бестоковые паузы, называется режимом прерывистого тока.

При значительной индуктивности нагрузки (?1·LH  >> RH), угол проводимости ? тиристора становится равным ?. В результате наступает режим непрерывного тока. При Lн  = ?  ток нагрузки идеально сглажен и его мгновенное значение равно id  = Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:



 Исходя из этого видно, что регулировочная характеристика выпрямителя при Lн  = ?  представляет собой косинусоиду (рисунок 2.1(б)). Однако реальные выпрямители имеют регулировочную характеристику, расположенную между двумя предельными, которые представлены на рисунке 2.1(б).

Уравнение внешней (нагрузочной) характеристики выпрямителя Ud = f(Id) имеет вид:



где E2 - ЭДС вторичной обмотки трансформатора;

?UT  = Id ?RT - падение напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора;

?UL =Id·XT/? - коммутационное падение напряжение;

?U? = N·UV - среднее значение падения напряжения на тиристорах выпрямителя;

В выпрямителях с Uвых > 50 В ?U? можно пренебречь, поэтому:



Отсюда видно, что Ud = f(Id) линейная и ее можно рассчитать и построить по двум точкам, которые соответствуют режиму XX и номинальному режиму. При этом сопротивления RT и XT рассчитывают из мощности потерь короткого замыкания РK и напряжения короткого замыкания UK трансформатора.

Внешние характеристики выпрямителя представлены на рисунке 2.1(в). При увеличении угла управления ? характеристика смещается вниз параллельно самой себе. При малой индуктивности, малых токах и больших углах управления наступает режим прерывистого тока. Это связано с тем, что энергии, запасенной в индуктивности, не хватает для поддержания непрерывного тока. 





























а)



б)



Рисунок 2.1 – Электрическая схема (а), регулировочные характеристики (б) и внешние характеристики (в) двухполупериодного мостового управляемого выпрямителя 



Рисунок 2.2 – Временные диаграммы напряжений и токов двухполупериодного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку



б)

а)

Рисунок 2.3 – Временные диаграммы напряжений и токов двухполупериодного управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку : а) режим прерывистого тока тока; б) режим непрерывного тока (LН  = ?)



Инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток в переменный.

В лабораторной работе изучается двухполупериодный мостовой инвертор (рисунок 2.4(в)). Отличие схемы инвертора от схемы управляемого выпрямителя заключается лишь в том, что вместо нагрузки в инверторе включен источник постоянного тока, полярность которого противоположна полярности выходного напряжения выпрямителя. Поэтому в действительности здесь изучается не два преобразователя, а один выпрямительно-инверторный преобразователь, способный функционировать в обоих режимах. 

Чтобы заставить схему работать в инверторном режиме необходимо обеспечить угол управления ?  >  ?/2. Но при таких углах появляется проблема запирания тиристоров. Что осуществляется под действием обратного напряжения, приложенного в течении некоторого времени. Если угол управления ? = ?, то выходящие из работы тиристоры не закроются и возникнет короткое замыкание трансформатора и источника постоянного тока - опрокидывание инвертора.

Эта проблема решается уменьшением угла управления ? = ? - ?,               где угол ? - угол опережения отпирания тиристоров. Его минимальное значение                  ?мин = ? + ?мин ,где ? - угол коммутации тиристоров, а ?мин  - угол, необходимый для надежного восстановления запирающих свойств тиристоров.

На рисунке 2.5 представлены временные диаграммы напряжений и токов при работе преобразователя в инверторном режиме при Ld ? ?. 

Напряжение Ud? формируется в основном отрицательными участками синусоиды вторичного напряжения трансформатора. Поэтому среднее значение напряжения инвертора Ud? имеет полярность, которая противоположна выпрямительному режиму. Противо-ЭДС инвертора равна:



Эта зависимость Ed? = f(?) называется регулировочной характеристикой инвертора и она изображена на рисунке 2.4(а).

Уравнение входной характеристикой инвертора имеет вид:



где ?UT , ?UL , ?U? - падение напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора, коммутационное падение напряжения, падение напряжения на тиристорах.

Графически входные характеристики инвертора изображаются семейством параллельных прямых при ? = const (рисунок 2.4(б)). Пунктиром показаны начальные участки характеристик в случае малой индуктивности Ld и тока Id, когда входной ток имеет прерывистый характер.

Ограничительная характеристика изображена на рисунке 2.4(б) пунктиром. Она имеет наклон, обратный наклону входных характеристик.



в)



Рисунок 2.4 – Регулировочная характеристика выпрямительно-инверторного преобразователя (а), входные характеристики (б) и электрическая схема (в) инвертора, ведомого сетью



Рисунок 2.5 – Временные диаграммы напряжений и токов  двухполупериодного мостового инвертора, ведомого сетью



В лабораторной работе изучается выпрямительно-инверторный преобразователь, выполненный на базе трансформатора и блока выпрямления. Электрическая схема лабораторной установки представлена на рисунке 2.6.



Рисунок 2.6 – Электрическая схема лабораторной установки для исследования выпрямительно-инверторного преобразователя





Рисунок 2.7 - Конструктивная схема лабораторной установки для исследования выпрямительно-инверторного преобразователя



3 Расчетная часть ВКР

3.1 Расчет трансформатора



Суммарная мощность вторичных обмоток, ВА,





Выбирается броневой броневой магнитопровод из стали 3411; толщина ленты ?л = 0,35 мм.

Произведение сечения стали на площадь его окна, см4,



где Вmax = 1,283 Тл - максимальная индукция, уменьшенная на 5%,

? = 2,6 А/мм2  - плотность тока по [1],

kок = 0,26 - коэффициент заполнения окна,

kст = 0,93 - коэффициент заполнения сталью магнитопровода,



Выбирается стандартный магнитопровод ШЛ25 х 40 по [1], у которого        SстSок = 156 см4, Sст.акт = 8 см2, Gст = 1,55 кг, а = 25 мм, z = 25 мм, y = 62,5 мм, b = 40 мм, e = 87,5 мм, d = 100 мм.



Рисунок 3.4 - Эскиз сердечника трансформатора

Потери в стали, Вт,



где ?ст = 3 Вт/кг - удельные потери в стали по [1],



Активная составляющая тока холостого хода при максимальном напряжении питающей сети, А,





Полная намагничивающая мощность, ВА,



где qст = 30 ВА/кг - удельная намагничивающая мощность по [1],



Реактивная составляющая тока холостого хода при максимальном напряжении питающей сети, А,





Номинальный ток первичной обмотки, А,



где ? = 0,9,  Cos? = 0,95,



Абсолютное значение тока холостого хода, А,





Относительное значение тока холостого хода, %,





Относительное значение тока холостого хода лежит в допустимых пределах I0% = 30 - 50% для частоты сети fc = 50 Гц.

Число витков первичной обмотки,



где ?U1 = 0,05 - падение напряжения в первичной обмотке,



Число витков вторичной обмотки,



где ?U2 = 0,07 - падение напряжения во вторичной обмотке,







Ориентировочное сечение проводов, мм2,





Выбирается стандартный провод ПЭВ-2 по [1],





где I2 - ток во вторичной обмотке, А,







Выбирается стандартный провод ПЭВ-2 по [1],



Фактические плотности так в проводах, А/мм2,









Амплитудные значения испытательных напряжений обмоток по [1]              Uисп1 = 1300 В, Uисп2 = 500 В.

Допустимая осевая длина обмотки по каркасу, мм,



где hизi - длина концевой изоляции i-той обмотки,





Число витков в одном слое,



где kу - коэффициент укладки провода в осевом направлении по [1],              kу1 = 1,04, kу2 = 1,06,





Число слоев каждой обмотки,







Выбираются изоляционные расстояния и величины коэффициентов по [1],

hиз.ос = 2 мм - толщина каркаса,

hиз.мо = 0,36 мм - толщина междуобмоточной изоляции,

hиз.н = 0,28 мм - толщина наружной изоляции,

hиз.мс1 = 0,09 мм - толщина междуслоевой изоляции первичной обмотки,

hиз.мс2 = 0,24 мм - толщина междуслоевой изоляции вторичной обмотки,

kу21 = 1,06 - коэффициент укладки в радиальном направлении первичной обмотки,

kу22 = 1,07 - коэффициент укладки в радиальном направлении вторичной обмотки,

kмс1 = 1,06 - коэффициент неплотности междуслоевой изоляции первичной обмотки, 

kмс2 = 1,06 - коэффициент неплотности междуслоевой изоляции вторичной обмотки,

kмо = 1,25 - коэффициент неплотности междуобмоточной изоляции,

kв = 1,08 - коэффициент выпучивания в радиальном направлении,

kно = 2 - коэффициент неплотности намотки наружной изоляции,

?з = 0,5 мм - величина зазора между каркасом и сердечником.

Радиальные размеры обмотки, мм,









Радиальный размер катушки, мм,







Рисунок 3.5 Изоляционные расстояния при размещении обмоток трансформатора



Средняя длина витка первичной обмотки, м,



где















Средняя длина витка вторичной обмотки, м,



где









Рисунок 3.6 К определению средней длины витка обмоток трансформатора 



Масса меди обмоток, г,







Потери в обмотке при предельно допустимой температуре провода      ПЭВ - 2 tпр = 105?С, Вт,



где m = 2,65 - коэффициент,





Суммарные потери в меди катушки, Вт,





Тепловые сопротивления по [1],

Rг = 1,7; Rм = 1,1; R0м = 4; R0с = 3,1.

Величина теплового потока катушка - сердечник, Вт,





Тепловое сопротивление катушки от максимально нагретой области до гильзы, ?С/Вт,





Величина теплового потока от сердечника к катушке, Вт,





Так как   положителен, то величина максимального превышения температуры, ?С,





Средний перепад температуры в катушке, ?С,





Среднеобъемное превышение температуры катушки, ?С,





Максимальная температура проводов обмотки, ?С,





Средняя температура проводов обмотки, ?С,





На основании проведенного расчета видно, что принятые в расчете провода марки ПЭТ - 2 с предельно допустимой температурой  +105?С могут быть использованы в данном трансформаторе.

Активные сопротивления обмоток при температуре tо.с = 105?С, Ом,



где ?м = 0,0235 Ом?мм2/м - удельное сопротивление медного провода при      tо.с = 105?С по [1],





Полное активное сопротивление пары обмоток трансформатора, приведенные к его первичной обмотке, Ом,





Индуктивное сопротивление пары обмоток трансформатора, Ом,



где g12 - среднее геометрическое расстояние между сечениями обмоток, 





g11 и g22 - средние геометрические расстояния сечений обмоток от своих зеркальных изображений,









lср.в - средняя длина витка катушки, м,





kc - коэффициент, учитывающий влияние стального стержня сердечника на индуктивность рассеяния,



где













Относительные значения активной и индуктивной составляющих падения напряжения, %,









КПД трансформатора , о.е.,





Полное падение напряжения в трансформаторе при Cos?н = 1, %,





























3.2 Расчет сглаживающего реактора



Индуктивность реактора, Гн,



где SL - коэффициент сглаживания фильтра,



где qвх = 0,67 - коэффициент пульсации на выходе однофазного двухполупериодного выпрямителя,



Rн - сопротивление нагрузки, Ом,





?1 - угловая частота пульсации выпрямителя, с-1,







Расчет реактора осуществляется исходя из его номинального тока и необходимой индуктивности  .





Находиться величина по [1],



Предварительно определяется объем активной стали Vст.акт = 680 см2.

Исходя из объема активной стали выбирается магнитопровод реактора (рисунок 1) по [1].

Броневой, марки Ш40Х50, 



Применяется сталь марки 3411, толщиной  ? = 0,35 мм.



Рисунок 3.1 - Эскиз сердечника реактора

Плотность тока принимается ? = 2 А/мм2 по [1].

Параметр реактора,





Определяется коэффициент К = 0,0084.

Величина воздушного зазора, мм,





Число витков реактора,





Предварительное сечение провода, мм2,





Выбирается стандартный провод ПЭВ - 1 по [1],



Плотность тока, А/мм2,





Допустимая осевая длина обмотки по каркасу, мм,



где hизi - длина концевой изоляции i-той обмотки,



Число витков в одном слое,



где kу - коэффициент укладки провода в осевом направлении, kу = 1,06 по [1],       



Число слоев каждой обмотки,





Выбираются изоляционные расстояния и величины коэффициентов по [1],

hиз.ос = 2,5 мм - толщина каркаса,

hиз.н = 0,28 мм - толщина наружной изоляции,

hиз.мс = 0,24 мм - толщина междуслоевой изоляции,

kу2 = 1,062 - коэффициент укладки в радиальном направлении,

kмс = 1,04 - коэффициент неплотности междуслоевой изоляции ,

kв = 1,092 - коэффициент выпучивания в радиальном направлении,

kно = 2 - коэффициент неплотности намотки наружной изоляции,

?з = 0,5 мм - величина зазора между каркасом и сердечником.

Радиальные размеры обмотки, мм,





Радиальный размер катушки, мм,







Рисунок 3.2 Изоляционные расстояния при размещении обмоток реактора



Средняя длина витка обмотки, м,



где

















Рисунок 3.3 К определению средней длины витка обмоток реактора



Активные сопротивления обмотки при температуре tо.с = 105?С, Ом,



где ?м = 0,0235 Ом?мм2/м - удельное сопротивление медного провода при      tо.с = 105?С по [1],



Падение напряжения на реакторе, В,





Потери в обмотке реактора, Вт,





Максимальное превышение температуры, ?С,



где Rг = 0,9; Rм = 0,7; R0м = 1,6; R0с = 1,4 - тепловые сопротивления по [1],



Температура проводов реактора, ?С,





Полученная температура провода меньше допустимой температуры tпр < tпр.доп для выбранной марки провода ПЭВ - 1.























3.3 Разработка и изготовление микропроцессорной СУ



Современные микропроцессорные системы управления ВИП позволяют в полной мере использовать высокие регулировочные возможности тиристорного управления. 

Принципиальная электрическая схема СУ представлена на рисунке 3.7.

Трансформатор Т1 подключается к питающей силовой цепи преобразователя. Вторичная обмотка W2 совместно с диодным мостом на диодах VD1…VD4, сглаживающими конденсаторами С1…С4 и интегральным стабилизатором D1 обеспечивают питание СУ.

Трансформатор Т2 совместно с транзисторами VT1…VT2, нагрузочными резисторами R5…R6 и триггерами Шмита D2.1 и D2.2 формируют синхронизирующие напряжения прямоугольной формы Uсин1 и Uсин2.

Формирователи  импульсов, выполнены на базе оптронов UТ1и UТ2.  Совместно с диодным распределителем VD10 - VD17 допускают простое техническое решение для управления тиристорами VS1-VS4 с помощью анодного напряжения в режиме фазового регулирования, путём шунтирования цепи анод – управляющий электрод выходным семистором оптронов UT1и UT2, а так же выполняют гальваническую развязку между силовыми вентилями и схемой управления.

Диоды VD8,VD9 защищают управляющие переходы тиристоров от обратного напряжения.

Индикация угла ? осуществляется с помощью сегментного светодиодного индикатора, управление которого осуществляется   микроконтроллером         ATmega 16.

Микроконтроллер - это программируемая цифровая интегральная микросхема. Выводы микросхемы используются  для приема или передачи информации, для управления внешними устройствами. Внутри микроконтроллера находится микропроцессор, flash-память, оперативная память, а также множество других периферийных устройств.

В СУ ВИП используется микроконтроллер AТmega16А. Он имеет следующие параметры:

- 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым энергопотреблением. 

- Прогрессивная RISC архитектура.

- Энергонезависимая  память программ и данных.

- Встроенная  периферия: 

    1. Два 8-разрядных и один 16-разрядный таймер/счетчик.

    2. Счетчик реального времени с отдельным генератором.

    3. Байт - ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс (возможность программирования с помощью компьютера либо программатора).

    4. Встроенный аналоговый компаратор и др.

- Специальные микроконтроллерные функции:

    1.Сброс по подаче питания и программируемый детектор кратковременного снижения напряжения питания.

    2.Встроенный калиброванный RC-генератор.

    3. Внутренние и внешние источники прерываний.

- Выводы I/O(I – вход, O– выход, I/O– двунаправленный вывод, который может работать как вход или как выход в зависимости от режима или настройки) и корпуса - 40-выводной корпус PDIP. 

- Рабочие напряжения 	 4,5 - 5,5 В. 

- Рабочая частота	 0 - 16 МГц (ATmega16).

Микроконтроллер AT mega16 оснащен 10-разрядным АЦП (аналого-цифровым преобразователем). Данного АЦП вполне достаточно для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой.





Рисунок 3.7 Электрическая схема СУ преобразователя



Рисунок 3.8 Блок-схема микроконтроллера

Для работы контроллера требуется написать программу, после чего записать её в  Flash память. Программирование это написание инструкций на языке программирования (Ассемблер, Си, C++ и других), с последующим компилированием.

	Производитель ATmega, корпорация ATMEL, для программирования своих чипов разработала программно–технический комплекс AVR Studio. Он объединяет в себе текстовый редактор, ассемблер, компилятор и симулятор. Симулятор позволяет проверить работоспособность разрабатываемого устройства, на основе микроконтроллера, до физической сборки.

Программа для работы ВИП, написанная в среде AVR Studio:

#define F_CPU 8000000L

#include 

#include 

#include 



/*Глобальные переменные*/



unsigned int tmp = 0;

unsigned int i = 0;

unsigned int ugol = 0;

unsigned int value = 0;

char high = 0;

char adc = 0;

char Ind1 = 0;

char Ind2 = 0;

char Ind3 = 0;

char a = 0;

char b = 0;



/*Процедура чтения данных из АЦП*/



ISR (ADC_vect)

{

	adc = ADCH;

	if (adc>8)

	{

		if (adc<248)

		{

			tmp = adc-8;

			tmp = (tmp<<1)+tmp;

			ugol = tmp>>2;

		}

		else ugol = 180;

	}

	else ugol = 0;

	

/*Начало управления*/

	

	tmp = (ugol<<2)+ugol+ugol+ugol;

	OCR1AL = tmp>>2;	 

	

/*Конец управления*/	

/*Начало разложения угла на цифры*/



	high=0;

	value=ugol;

    while(value>=100) {high++;value-=100;}

    Ind1=high;

    high=0;

    while(value>=10) {high++;value-=10;}

    Ind2=high;

    Ind3=value;



/*Конец разложения угла на цифры*/



    ADCSRA |=(1<