Методические указания к курсовой работе: «Трехфазный двухполупериодный тиристорный выпрямитель с шестиканальной системой управления»

Введение, где мы обоснуем актуальность темы и поставим цели работы

Тиристорные выпрямители являются неотъемлемой частью современной силовой электроники и промышленности. Они находят широкое применение в самых разных областях: от питания мощных электродвигателей постоянного тока и электролизеров до обеспечения работы сварочного оборудования, систем индукционного нагрева и испытательных стендов. Их способность эффективно преобразовывать переменный ток в постоянный с возможностью точного регулирования выходных параметров делает их незаменимыми во многих технологических процессах.

Среди всего многообразия схем особое место занимают трехфазные двухполупериодные выпрямители. В отличие от однофазных аналогов, они обеспечивают более высокое качество выходного напряжения за счет меньшего уровня пульсаций и способны работать со значительно большими мощностями, что критически важно для промышленных установок. Именно поэтому глубокое понимание принципов их работы, методик расчета и проектирования систем управления является ключевой компетенцией для современного инженера-электротехника.

Целью данной курсовой работы является комплексное исследование, расчет и анализ работы трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя. Для достижения этой цели будут решены следующие задачи:

• Изучение теоретических основ работы тиристоров и выпрямительных схем.
• Анализ принципиальной схемы силовой части и ее компонентов.
• Расчет и обоснование выбора силовых тиристоров для заданных параметров нагрузки.
• Детальное описание структуры и принципов функционирования шестиканальной системы управления.

Теоретические основы, которые раскрывают суть работы тиристорных преобразователей

Фундаментальным элементом рассматриваемой схемы является тиристор — управляемый кремниевый вентиль. В обычном состоянии он заперт и не пропускает ток ни в одном из направлений. Однако при подаче короткого управляющего импульса на специальный электрод тиристор открывается и начинает проводить ток в прямом направлении, подобно диоду. Ключевое свойство тиристора заключается в том, что момент его открытия можно контролировать. Путем изменения фазы подаваемого импульса относительно синусоиды питающего напряжения можно регулировать среднее значение выпрямленного тока и напряжения.

В силовой электронике используются как однофазные, так и трехфазные выпрямители. Для мощных систем предпочтение отдается трехфазным схемам, поскольку они обеспечивают более равномерную нагрузку на питающую сеть и создают на выходе напряжение с меньшим коэффициентом пульсаций.

Кроме того, выпрямители делятся на однополупериодные и двухполупериодные. В данной работе рассматривается двухполупериодная (мостовая) схема. Ее главное преимущество заключается в использовании обеих полуволн переменного напряжения, что позволяет получить более высокое среднее значение выпрямленного напряжения и значительно снизить амплитуду пульсаций по сравнению с однополупериодными схемами. Это, в свою очередь, снижает требования к сглаживающим фильтрам и повышает общую эффективность установки.

Принципиальная схема силовой части и ее ключевые компоненты

Силовая часть исследуемого выпрямителя выполнена по трехфазной мостовой схеме, которая является стандартом для мощных регулируемых преобразователей. Основой схемы служат шесть силовых тиристоров, включенных таким образом, что они образуют мост между тремя фазами питающей сети и нагрузкой. В каждый момент времени ток проходит через два тиристора: один из верхней группы (аноды соединены с фазами A, B, C) и один из нижней (катоды соединены с фазами A, B, C), что обеспечивает непрерывный путь для тока нагрузки и использование обеих полуволн напряжения.

Помимо основных силовых ключей, в состав силовой части входят критически важные вспомогательные элементы, обеспечивающие надежность и долговечность работы всей установки:

1. Системы охлаждения: При работе тиристоры выделяют значительное количество тепла, особенно при высоких нагрузках. Для предотвращения их перегрева и выхода из строя каждый тиристор устанавливается на индивидуальный радиатор, который эффективно рассеивает тепло в окружающую среду.
2. Снабберные RC-цепи: Эти цепи, состоящие из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключаются параллельно каждому тиристору. Их основная задача — защита полупроводникового прибора от резких скачков напряжения (коммутационных выбросов), которые возникают в момент его запирания. Снабберы ограничивают скорость нарастания напряжения, предотвращая ложное срабатывание или пробой тиристора.

Таким образом, силовая схема представляет собой не просто набор тиристоров, а сбалансированную систему, где каждый элемент выполняет свою функцию для достижения общей цели — надежного и эффективного преобразования энергии.

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип работы выпрямителя

Для понимания динамических процессов в выпрямителе ключевое значение имеют временные диаграммы напряжений. На входе схемы мы имеем три синусоидальных напряжения (фазы A, B, C), сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов. Система управления поочередно открывает тиристоры таким образом, что к нагрузке в каждый момент времени подключается та пара фаз, между которыми действует наибольшее линейное напряжение.

В результате на выходе формируется пульсирующее постоянное напряжение. Его форма представляет собой последовательность «верхушек» синусоид входного напряжения. Для трехфазной мостовой схемы характерно то, что за один период сетевого напряжения (50 Гц) на выходе укладывается шесть периодов пульсаций. Это означает, что основная гармоника пульсаций имеет частоту 300 Гц, что значительно облегчает ее сглаживание.

Главным инструментом регулирования является угол открытия тиристоров (α). Это временная задержка между моментом, когда напряжение на тиристоре становится положительным, и моментом подачи на него управляющего импульса. Изменяя этот угол, можно «срезать» часть синусоиды, тем самым плавно регулируя среднее значение выходного напряжения от максимального (при α=0) до практически нулевого.

Анализ временных диаграмм позволяет наглядно увидеть, как именно происходит преобразование переменного напряжения в регулируемое постоянное и как угол управления напрямую влияет на энергию, передаваемую в нагрузку.

Расчет и обоснование выбора силовых тиристоров

Практическое проектирование выпрямителя начинается с расчета и выбора ключевых силовых элементов — тиристоров. Этот процесс является демонстрацией применения теоретических знаний и выполняется в строгой последовательности, основанной на исходных данных технического задания, таких как напряжение питающей сети (U_сети) и требуемый средний ток нагрузки (I_d).

Методика расчета включает в себя несколько ключевых шагов:

1. Определение среднего тока через тиристор (I_T(AV)): В мостовой схеме каждый тиристор проводит ток в течение одной трети периода, поэтому средний ток через него составляет примерно одну треть от тока нагрузки: I_T(AV) ≈ I_d / 3.
2. Определение действующего (RMS) тока через тиристор (I_T(RMS)): Этот параметр важен для оценки тепловых потерь. Он также рассчитывается исходя из тока нагрузки: I_T(RMS) ≈ I_d / √3.
3. Расчет максимального обратного напряжения (U_RRM): Тиристор должен выдерживать максимальное значение линейного напряжения сети, которое может быть приложено к нему в запертом состоянии. Это напряжение составляет: U_RRM ≈ √2 * U_{сети(линейное)}.

После получения расчетных значений тока и напряжения приступают к выбору конкретной марки тиристора из справочных данных производителя. Ключевое правило выбора — использование коэффициентов запаса. Выбранный тиристор должен иметь паспортные значения среднего тока и повторяющегося импульсного обратного напряжения как минимум в 1.5-2.5 раза превышающие расчетные. Такой запас необходим для обеспечения надежной работы устройства в различных режимах эксплуатации, включая возможные перегрузки и колебания напряжения в сети.

Например, если расчетный средний ток тиристора составил 50 А, а максимальное обратное напряжение — 800 В, то следует выбирать прибор с параметрами не ниже I_T(AV) = 100 А и U_RRM = 1200 В. Обоснование выбора конкретной модели (например, Т142-80-12) заносится в пояснительную записку с указанием ее ключевых характеристик.

Структура и назначение узлов шестиканальной системы управления

Если силовая схема — это «мышцы» выпрямителя, то система управления (СУ) — его «мозг». В рассматриваемом устройстве используется шестиканальная синхронная система управления, обеспечивающая формирование управляющих импульсов для каждого из шести тиристоров. Она представляет собой сложный электронный комплекс, состоящий из нескольких функциональных блоков, работающих в строгой взаимосвязи.

Рассмотрим назначение каждого ключевого узла:

• Синхронизирующий трансформатор: Его задача — гальванически развязать СУ от силовой сети и сформировать систему низковольтных напряжений, фаза которых точно совпадает с фазами сетевого напряжения. Это необходимо для «привязки» всех процессов управления к сети.
• Фазосдвигающее устройство и активный фильтр: Эти блоки обрабатывают синхронизирующее напряжение, сдвигая его фазу и фильтруя помехи для создания стабильного опорного сигнала.
• Нуль-орган: Это детектор перехода напряжения через ноль. Он формирует короткий импульс в момент, когда опорное напряжение меняет свою полярность, создавая тем самым точку отсчета для угла управления α.
• Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН): Запускаемый импульсом от нуль-органа, ГЛИН формирует пилообразное напряжение, которое служит временной шкалой для отсчета угла задержки.
• Компаратор (узел сравнения): Сердце системы регулирования. Он сравнивает пилообразное напряжение с ГЛИН и постоянное управляющее напряжение (U_упр), которое задается извне или регулятором. В момент, когда «пила» достигает уровня U_упр, компаратор срабатывает.
• Формирователь импульсов: Преобразует короткий сигнал с компаратора в управляющий импульс необходимой длительности и формы.
• Усилитель мощности: Усиливает сформированный импульс до уровня, достаточного для надежного открытия силового тиристора.

Таким образом, изменяя уровень управляющего напряжения U_упр, мы изменяем момент срабатывания компаратора и, как следствие, угол задержки α, что позволяет точно регулировать мощность на выходе выпрямителя.

Принципы формирования управляющих импульсов и системы защиты

Эффективность и надежность работы тиристорного выпрямителя напрямую зависят от качества управляющих импульсов и наличия систем защиты. Одним из важнейших требований к импульсам является крутой фронт. Это означает, что нарастание тока в импульсе должно быть максимально быстрым. Такой импульс обеспечивает одновременное открытие всей структуры полупроводника, что снижает локальные перегревы и коммутационные потери, особенно при работе на индуктивную нагрузку.

Как было упомянуто, ключевую роль в определении момента подачи импульса играет компаратор. Сравнивая линейно нарастающее напряжение «пилы» с постоянным управляющим напряжением, он фактически преобразует уровень аналогового сигнала (U_упр) во временной интервал (угол α). Этот принцип, известный как вертикальный принцип фазового управления, является классическим и широко применяется благодаря своей простоте и надежности.

Помимо основных функций, современная система управления включает в себя несколько уровней защиты и обратной связи:

• Защита от короткого замыкания (КЗ): Специальный узел, который при резком нарастании тока нагрузки (что характерно для КЗ) мгновенно блокирует подачу управляющих импульсов на все тиристоры, предотвращая их разрушение.
• Датчик тока нагрузки: Этот элемент является частью контура обратной связи. Он измеряет ток в нагрузке и передает сигнал в систему управления, что позволяет реализовать режим стабилизации тока — крайне важную функцию для таких процессов, как сварка или зарядка аккумуляторов.
• Узел формирования повторных импульсов: Для гарантированного удержания тиристора в открытом состоянии, особенно при работе с высокоиндуктивной нагрузкой, вместо одиночного импульса на управляющий электрод часто подается серия (пачка) коротких импульсов. Это обеспечивает надежное включение прибора даже при сдвиге фаз между током и напряжением.

Анализ полученных результатов и практическое значение работы

В ходе выполнения курсовой работы были произведены расчеты, на основе которых был выбран силовой тиристор с необходимыми запасами по току и напряжению, что обеспечивает высокую надежность проектируемого устройства. Разработанная структура шестиканальной системы управления позволяет осуществлять плавное и точное регулирование выходного напряжения в широком диапазоне, соответствуя поставленной задаче.

Проведенный анализ подтверждает, что трехфазный мостовой тиристорный выпрямитель обладает рядом существенных преимуществ, которые определяют его практическую ценность:

• Высокий КПД и надежность: Использование полупроводниковых ключей минимизирует потери энергии, а заложенные в расчеты запасы и системы защиты обеспечивают долгий срок службы.
• Малая инерционность: Система практически мгновенно реагирует на изменение управляющего сигнала, что позволяет использовать ее в системах автоматического регулирования.
• Возможность стабилизации тока и напряжения: Наличие обратной связи по току (датчик тока нагрузки) позволяет создавать источники питания со стабильными выходными параметрами, не зависящими от колебаний сети или изменений нагрузки.
• Высокая удельная мощность: По сравнению с устаревшими аналогами (например, на тиратронах), тиристорные преобразователи имеют значительно меньшие габариты и стоимость при той же мощности.

Таким образом, спроектированное устройство может быть успешно применено на практике для питания приводов постоянного тока, в гальванических цехах, для мощных сварочных аппаратов и в других областях промышленности, где требуется эффективное и управляемое преобразование электроэнергии.

Заключение, в котором мы подведем итоги и сформулируем выводы

Целью настоящей курсовой работы являлось исследование и расчет трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя с шестиканальной системой управления. Для ее достижения была проделана комплексная работа.

В ходе исследования была изучена теоретическая база, проанализирована принципиальная схема силовой части, а также детально рассмотрена структура и логика функционирования системы управления. Был выполнен инженерный расчет ключевых параметров, на основании которого произведен обоснованный выбор силовых тиристоров. Особое внимание было уделено принципам формирования управляющих воздействий и системам защиты, обеспечивающим надежность устройства.

Главный вывод работы заключается в том, что трехфазный двухполупериодный тиристорный выпрямитель является эффективным и гибким устройством для преобразования переменного тока в регулируемый постоянный. Его высокие энергетические показатели, надежность и малая инерционность подтверждают целесообразность его широкого применения в современной промышленности.

Проделанная работа позволила систематизировать знания и получить практические навыки в области проектирования силовых электронных устройств. Результаты и методики, изложенные в работе, могут служить основой для дальнейших, более углубленных исследований. Завершающим этапом оформления курсовой работы является составление списка использованной литературы в соответствии с установленными требованиями.

Список использованной литературы

1. Лапин В.И., Савелов Н.С. Электроника: учебное пособие. Ростов на Дону, «Феникс»,2000;448 с.
2. Куприянов А.С., Смородинов В.В. Электротехника и электроника: лабораторный практикум по электронике. Изд. СПбГПУ,2005;127 с.
3. Перемультер В.М., Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. Москва, «Энергоатомиздат», 1988; 304 с.
4. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в электронной измерительной аппаратуре. Ленинград, «Энергоатомиздат», 1986; 280 с.
5. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. Москва, Высшая школа, 1982; 496 с.
6. Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Тарабрина Б.В. Москва, «Энергоатомиздат», 1985; 528 с.