close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Отчёт по практике лето 2012

код для вставкиСкачать
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова"
(ФГБОУ ВПО "ЧГУ им. И.Н.Ульянова")
Факультет радиотехники и электроники
Кафедра промышленной электроники
Отчет По научно-исследовательской практике,
выполненной студентом группы РТЭ 31-09
Сергеевым А.И.
Отчет принял
Яров В.М. к.т.н., доцент кафедры
промышленной электроники
Оценка
"" 2012г
Чебоксары 2012
Содержание.
О компании...........................................................................3
Введение...............................................................................4
1. Силовые схемы понижающих ИП .........................................7
2. Схемы контроля тока ........................................................13
О компании
НПП "ЭКРА" - научно-производственное предприятие "полного цикла", созданное в 1991 году российскими специалистами-релейщиками в г. Чебоксары и функционирующее без участия иностранного капитала. Первоначально предприятие выпускало отдельные виды устройств релейной защиты на микроэлектронной элементной базе и микропроцессорный цифровой регистратор аварийных событий. Уникальное сочетание накопленного опыта, знаний, инженерно-технических решений и новейших информационных технологий позволило создать современные устройства релейной защиты, успешно конкурирующие с устройствами ведущих мировых производителей, а по ряду характеристик и превосходящие их.
Сегодня НПП "ЭКРА" - единственное российское предприятие, которое может предложить заказчикам собственные разработки микропроцессорных устройств для защиты элементов подстанций, трансформаторов, генераторов и блоков генератор-трансформатор электрических станций любой мощности. Предприятие выпускает, на базе собственного программного обеспечения, следующие микропроцессорные устройства защиты и автоматики (МП РЗА): шкафы серии ШЭ2710 для защиты подстанционного оборудования объектов 330-750 кВ; шкафы серии ШЭ2607 для защиты подстанционного оборудования объектов 110-220 кВ; терминалы серий БЭ2502 для защиты оборудования 6-35 кВ; шкафы ШЭ1110-ШЭ1113 для защиты оборудования электростанций.
Номенклатура выпускаемых изделий, услуг и технических решений постоянно расширяется.
Введение
В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП (см. рис. 1.): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.
Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток, протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи). Рис. 1
Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики. Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента - высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью). К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.
1. Силовые схемы понижающих импульсных преобразователей напряжения
Понижающие импульсные преобразователи напряжения бывают прямоходовые (forward) и обратноходовые (flyback). При обсуждении ИИП различной топологи часто упоминаются прямоходовые и обратноходовые преобразователи. В прямоходовом ИИП источник энергии подает ток к выходному конденсатору, когда ключ замкнут. Обратноходовой ИИП передает энергию от дросселя к выходному конденсатору, когда ключ разомкнут.
б) Понижающий (buck или forward) преобразователь, так же эта схема называется "чопперной" (Рис. 2)
Рис. 2
Когда ключ S1 замкнут, энергия источника Uвх подается в нагрузку и накапливается в магнитном поле дросселя. Ток в дросселе линейно нарастает. Когда ключ S1 разомкнут, открывается диод VD, нагрузка питается энергией, накопленной в магнитном поле дросселя и в электрическом поле конденсатора. Ток в дросселе линейно спадает.
б) Понижающий преобарзователь с повышенным током( Рис. 3)
Рис. 3
Понижающий преобразователь с повышенным током использует трансформатор для повышения выходного тока выше максимального тока ключа (транзистора). Повышение выходного тока получается за счет увеличения напря-жения на ключе в закрытом состоянии. Повышение максимального выходного тока по сравнению со стандартным преобразователем пропорционально отношению входного напряжения к выходному плюс коэффициент трансформации. Например, в таком регуляторе с входным напряжением 15 В и выходным 5 В, с коэффициен-том трансформации 1:4, выходной ток увеличивается вдвое: 15/(5+1/4x15-5), или 2. Это 100 %-е увеличение выходного тока. Однако, максимальное напряжение на ключе для этого регулятора увеличено с величины входного напряжения до величины выходного напряжения плюс входного напряжения, деленного на коэффициент трансформации. Используя преобразователь с 15 В в 5 В, максимальное напряжение ключа - 15+5/ коэффициент трансформации, или 15+5/0.25=35 В.
Рассмотрим более подробно схему понижающего преобразователя. Chopper (прерыватель) - наиболее известная в семействе импульсных стабилизаторов схема, она приведена на рис. 4 а).
Схема состоит из следующих обязательных элементов:
* Силового ключа S1, осуществляющего высокочастотную коммутацию тока (обычно роль ключа выполнят мощный биполярный транзистор);
* Разрядного диода VD;
* Низкочастотного сглаживающего LC-фильтра;
* Схемы управления и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения или тока.
Другое известное название чопперной схемы - "импульсный последовательный стабилизатор понижающего типа". Как видно из рис. 4 а) ключевой элемент S1 и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой Rн. Рабочий цикл этой схемы состоит, как показано на рис. 4 б), из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку. Рассмотрим их подробнее.
а)
б)
Рис. 4
Фаза 1 - накачка энергии
Эта фаза протекает на протяжении времени tи. Ключевой элемент замкнут и проводит ток iн, который течёт от источника питания Uвх к нагрузке через дроссель L, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С. Фаза 2 - разряд
Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении характеристик цепи (будь то её обрыв или замыкание на нагрузку с другими значениями сопротивления) всегда стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому когда по окончанию фазы 1 происходит размыкание ключа S1, ток iн, поддерживаемый индуктивным элементом, вынужден размыкаться через разрядный диод VD. Поскольку источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому он начинает разряжаться по цепи "диод - нагрузка". Отсюда и идёт название диода - "разрядный". Через некоторый промежуток времени tп ключ вновь замыкается и процесс повторяется.
Предположим, что диод является идеальным элементом, который начинает мгновенно проводить ток при размыкании ключа S1, так же мгновенно закрывается (восстанавливает свои запирающие свойства) при замыкании ключа.
Рабочая частота стабилизатора задаётся схемой управления и определятся:
.
Где T - период коммутации схемы управления стабилизатора.
Отношение длительности открытого состояния ключа, при котором происходит накачка энергии, к периоду коммутации называется коэффициентом заполнения.
,
где - рабочая частота схемы управления.
Поясним необходимость присутствия LC-фильтра. Любой однополярный сигнал (как частный случай несимметричного двуполярного сигнала) имеет свойство - наличие в его спектре постоянной составляющей, которую можно выделить, пропустив этот сигнал через низкочастотный фильтр. На сегодняшний день известно множество схем фильтров разного качества и сложности. В данном случае мы используем классическую Г-образную схему LC-фильтра.
Таким образом, при наличии хорошего сглаживающего фильтра, управляя только коэффициентом заполнения, увеличивая или уменьшая длительноять открытого состояния ключа, мы можем легко регулировать напряжение на нагрузке.
В данной схеме принципиально невозможно получить напряжения на нагрузке больше, чем напряжения питания стабилизатора.
Далее рассмотрим режимы работы схемы понижающего ИИП.
Такая схема может работать в двух режимах: режим безразрывных токов дросселя и режим разрывных токов.
a) Режим безразрывных токов
В этом случае форма тока через дроссель будет иметь вид изображённый
на рис. 5. Рис. 5
Из курса теоретических основ электроники известно, что закон, описывающий соотношение между током и напряжением на индуктивном элементе будет выглядеть следующим образом:
.
Отсюда можно найти:
.
б) Режим разрывных токов.
В этом случае форма тока через дроссель будет иметь вид изображённый
на рис. 6. Рис. 6
Такой режим для чопперной схемы не желателен, поэтому стоит выбирать индуктивность дросселя такой, что бы его избежать. Проверочное условие для величины индуктивности дросселя:
,
где - минимальный коэффициент заполнения.
2. Схемы контроля тока
Рассмотрим разновидности схем, а точнее их основные части, благодаря которым осуществляется слежение за током. Выделим из них четыре наиболее часто встречающихся варианта, пятая схема будет рассмотрена только как возможная разновидность данного типа схем: 1. Схема осуществляющая контроль тока с помощью резистора.
2. Схема осуществляющая контроль тока с помощью транзистора.
3. Схема осуществляющая контроль тока с помощью трансформатора тока.
4. Схема со считывающим транзистором.
5. Схема осуществляющая контроль тока с помощью датчика тока.
Схема 1.
Как видно из рисунка, в цепи контроля тока используется резистор.
Так как напряжение на резисторе будет изменяться пропорционально току, то можно следить за напряжением с помощью компаратора, в данной схеме он обозначен как С2. Сопротивление резистора должно выбираться минимально возможным, на сколько позволяет компаратор С2, в противном же случае это приведёт к уменьшению КПД преобразователя. Сопротивления R1 и R2 ограничивают ток непосредственно у входа компаратора. При превышении допустимого уровня тока, на выходе компаратора будем иметь высокий уровень сигнала, который сбросит в ноль RS триггер, это будет означать закрытие ключа.
Рис.1
Схема 2.
Во втором же случае контроль тока осуществляется благодаря слежению за падением напряжения на транзисторе. К истоку и стоку транзистора подключается драйвер, который контролирует падение напряжения на транзисторе, в схеме на рисунке 2.
Рис.2
Отличием двух выше описанных методов контроля превышения тока является то, что силовой ключ может быть размещён на одном кристалле с драйвером, то есть для слежения за током не нужно использовать дорогостоящие датчики тока и трансформаторы. Трансформатор тока целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется спроектировать высокомощный преобразователь.
Разновидностью данной схемы может быть схема с использованием ключа, в котором присутствует дополнительный вывод, для контроля тока. Схема такого транзистора показана на рисунке 3
Схема 3.
Рис.3
Практически транзистор со считыванием тока состоит из двух параллельных полевых транзисторов, называемых "силовым" и "сичитывающим". Стоки обоих транзисторов объединены, а вот силовой и считывающий стоки разные. Силовой сток обозначается буквой S, считывающий сток - обозначен словосочетанием current sense. Имеется ещё один вывод, обозначаемый в технической литературе как Kelvin source и называемый выводом Кельвина. Этот вывод подключен к истоку силового транзистора таким образом, чтобы исключить влияние основного тока на считываемый ток.
Главным параметром такого транзистора является отношение тока, протекающего через вывод истока, и тока, протекающего через вывод датчика: r=Id/Ic, где r- коэффициент считывания тока
Id - Величина силового тока.
Ic - величина считываемого тока.
Схема 4.
Рассмотри четвёртый случай, когда контроль превышения тока осуществляется с помощью трансформатора тока (Рис.4).
Для этого разрываем цепь между транзистором и диодом и устанавливаем туда трансформатор тока, так что бы первичная обмотка была включена последовательно эммитеру транзистору. Заметим, что трансформатор тока не может работать при коэффициентах заполнения близких к единице, это является минусом данной схемы.
Резистор R1 в схеме должен быть обязательно высокоомным, а R2 низкоомным, когда транзистор закрывается, то вторичная обмотка трансформатора ведёт себя как обыкновенная индуктивность, а как известно индуктивность всегда пытается воспрепятствовать изменению тока в цепи, следовательно она будет разряжаться на резистор R1. Когда ключ открыт, то выходное напряжение U1 определяется напряжением на резисторе R2, то есть U2=(I2*R2)/K. Так же при открытом ключе сопротивление R1 можно не учитывать, так как основная часть тока будет проходить через диод VD1. Диод VD1 должен быть силовым, так как к нему прикладывается достаточно большое отрицательное напряжение.
Рис.4
Схема 5.
Использование датчика тока является в данном случае нецелесообразным, в силу того, что такие датчики тока как Honeywell, LEM и прочие рассчитаны на работу на переменном токе или на постоянном токе малой частоты. К тому же их использование значительно увеличивает стоимость преобразователя.
2
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
108
Размер файла
322 Кб
Теги
лето, практике, 2012, отчет, практика
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа