Проект гелеоисточника для энергохозяйства - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Проектирование гелеоисточника для энергохозяйства промышленного или жилого загородного объекта мощностью 30 кВт. Разработка системы управления. Анализ способов регулирования выходного напряжения автономного инвертора с использованием микроконтроллеров.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Целью данного дипломного проекта являлась идея получения более дешевого и экологичного вида энергии на основе преобразования солнечной. Задача дипломного проекта состояла в проектировке гелеоисточника для энергохозяйства промышленного или жилого загородного объекта мощностью 30 кВт. Необходимо было спроектировать силовую часть и систему управления гелеоисточником. В этой части дипломного проекта была спроектирована система управления гелеоисточником. Были проанализированы различные способы регулирования выходного напряжения автономного инвертора с использованием современных микроконтроллеров и выбран наиболее приемлемы. Был спроектирован блок питания для системы управления, разведена печатная плата. Освещены вопросы техники безопасности.
1. Обзор способов регулирования выходных параметров инвертора напряжения
2.2 Расчет элементов схемы системы управления
В настоящее время массовым и перспективным стал автономный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
В общем случае все виды ШИМ основаны на изменении длительности импульсов равной амплитуды, следующих через равные интервалы времени в соответствии с принятым законом формирования напряжения. Законы формирования, общие для любого метода модуляции, определяются функцией построения (модулирующим сигналом). На основании литературных данных целесообразно распределить разновидности ШИМ по степеням соответствия параметров импульсов значениям модулирующего сигнала согласно основным признакам (рис. 1.7). [4]
Следует отметить, что в связи с развитием методов формирования синусоидальных напряжений, трапецеидальная ШИМ уже почти вытеснена синусоидальной. Двуполярная ШИМ характеризуется постоянным действующим значением выходного напряжения, поэтому регулирование значения основной гармоники сопровождается перераспределением энергии в спектре. Однополярная ШИМ дает лучший гармонический состав, действующие значения напряжения при этом меньше, чем в двуполярном варианте.
Современные преобразователи строятся с использованием микроконтроллеров (МК), с помощью которых реализуется и ШИМ. В связи с этим вводится новый термин - тактовая частота ШИМ F т , которая определяется точностью аппроксимации несущего F н и модулирующего F м сигналов. Как правило, соотношения между ними выбираются следующими:
F н = n 3 F м ( n= 2, 3, 4,…) и F т = m 2 F н ( m= 3,4,5,…) (1.5)
Реализация ШИМ на МК возможна двумя способами: традиционный (формирование выходных напряжений осуществляется в результате постоянного сравнения модулирующего и несущего сигналов) и табличный (полностью рассчитывается заранее и заносится в ПЗУ, из которого затем считывается).
При реализации ШИМ традиционным способом приходится использовать либо универсальные мощные микроконтроллеры, либо специализированные, относительно дорогие контроллеры. Реализация сложных алгоритмов ШИМ традиционным способом затруднена на универсальных МК большим объемом программы, а на специализированных - возможностями архитектуры конкретного типа МК. Специализированные МК, имеющие аппаратную поддержку ШИМ выпускаются такими фирмами как MOTOROLA, TEXAS INSTRUMENTS, и другими [5].
ШИМ - генераторы МК этого типа имеют от двух до шести независимых каналов и управляются несколькими программно доступными регистрами. ШИМ - генераторы позволяют реализовывать синхронизацию каналов, формирование «мертвого» времени, его компенсацию, выравнивание импульсов по фронту или по центру, встроенные защиты от неисправностей, некоторые другие функции. Частоту несущего сигнала можно регулировать от 8 МГц до 125 Гц. В последнее время вместо встроенных ШИМ - генераторов микроконтроллеры оснащаются более универсальными средствами, которые, в том числе, реализуют и алгоритмы ШИМ. В контроллерах MOTOROLA это так называемый таймерный сопроцессор TPU (Timer Processor Unit). Имеется в виду многоканальный таймер с очень гибкой схемой управления, полуавтономной от ядра контроллера. Программирование TPU осуществляется либо полностью, либо с использованием стандартных подпрограмм, в числе которых имеется и ШИМ с аналогичными указанным выше параметрами. Все перечисленные МК ориентированы на реализацию двуполярной ШИМ которая, как указывалось, не позволяет получить наилучший гармонический состав выходного напряжения. [6]
Достоинства табличного способа заключаются в том, что он позволяет реализовать любые алгоритмы ШИМ с высокой несущей частотой с помощью микроконтроллеров, весьма бедных в функциональном отношении. Тем не менее, этот способ не нашел широкого применения из-за следующих причин.
Обычно табличная ШИМ подразумевает поочередное считывание с частотой F т того из массивов ПЗУ, который в настоящий момент соответствует заданным выходным параметрам. В результате, для реализации такой табличной ШИМ необходимо не менее 64 кБ ( F м max = 60 Гц; диапазон регулирования (0.5-120)% дискретность регулирования примерно 0.5%). Этим практически исчерпываются возможности дешевых 8_разрядных МК. [6]
Еще одна трудность - плавное регулирование тактовой частоты ШИМ при изменении частоты модулирующего сигнала. Здесь, как правило, применяется управляемый напряжением генератор, либо целочисленный 16_разрядный предварительный делитель, сигнал с которого вводится в МК.
Предлагается новый способ табличной реализации ШИМ, свободный от указанных недостатков - «индексная» табличная ШИМ, которая реализуется по следующим принципам.
Сначала составляется нумерованный массив с допустимыми сочетаниями состояний вентилей АИН. Назовем его массивом состояний. Затем обычным способом рассчитываются массивы для всех частот модулирующего сигнала. После этого в каждом массиве, соответствующем конкретной частоте F м , сохраняются только строки (с сохранением исходной нумерации), в которых происходит переключение, все остальные строки удаляются. Из этих «сокращенных» массивов составляются индексные массивы, которые содержат номера шагов (периода тактовой частоты ШИМ на периоде модулирующего сигнала), на которых происходят переключения и соответствующий индекс массива состояний. Индексные массивы и массив состояний записываются в ПЗУ, после чего ШИМ осуществляется обычным способом.
Алгоритм работы предлагаемой ШИМ приведен на рис. 1.8.
Рисунок 1.8. Алгоритм работы индексной ШИМ
Индексно-табличная реализация ШИМ требует существенно меньшего объема памяти, чем традиционная. Например, для получения указанных выше параметров ( F м max = 60 Гц; диапазон регулирования (0.5-120)% дискретность регулирования примерно 0.5%) индексная ШИМ требует менее 11 кБ. Экономия объема памяти позволяет довести соотношение F т / F н до 40 (тактовая частота ШИМ F т примерно 48кГц) и, тем самым, увеличить точность аппроксимации несущего и модулирующего сигнала не менее, чем в 4 раза. [7]
Таким образом, предлагаемая индексно - табличная ШИМ позволяет получить высокие показатели АИН, используя дешевые 8_разрядные микроконтроллеры. Тем более, все резервы этого класса МК еще не использованы, т. к. выпускаемые сейчас высокоскоростные модификации МК семейства MCS_51 (например, 80C3x0 фирмы DALLAS SEMICONDUCTOR) работают в 8.25 раза быстрее младших моделей этого семейства (КР1830ВЕ31).
2 . Разработка системы управления
Структурная схема системы управления гелеоисточника изображена на рис. 2.1., на рис. 2.2 - схема электрическая принципиальная. Блоком управления (БУ) системы управления является микроконтроллер Motorola МС3РНАС, рис. 2.3, основные параметры микросхемы сведены в таблицу 2.1. Микросхема имеет встроенный модуль трехфазного ШИМ, для управления шестью ключевыми элементами, также есть 4_х канальный АЦП, и последовательный интерфейс необходимый при режиме управления микроконтроллером с ПК. Модуль трехфазного ШИМ генерирует 6 ШИМ сигналов для задания выходного напряжения и частоты.
Таблица 2.1. Основные параметры микросхемы МС3РНАС
Рабочая частота кварцевого генератора
1. V ref - эталонное напряжение. Соединяется с V DDA для лучшего соотношения сигнал/шум.
2. RESET - вход сброса. Низкий логический уровень сигнала на этом входе переводит все PWM выхода в высокоимпедансное состояние. Также данный вход может быть использован для сброса ошибки (например: низкий уровень V DD , ошибки времени, подача на вход FAULT_IN сигнала высокого уровня).
3. V DDA - питание внутренних генераторов.
4. V SSA - питание внутренних генераторов. 5 и 6 - вывода подключения кварцевого генератора.
7. PLLCAP - вывод подключения помехозащитного конденсатора. Малое значение емкости позволяет быстро формировать f эталонную. Большие значения позволяют улучшить стабильность. Значение емкости конденсатора 0,1 мкФ является типовым и рекомендовано производителем.
8. PWMPOL_BASEFREQ - вход задания базовой частоты и полярности ШИМ. 9 - 14 - выхода формирователя ШИМ.
15. FAULTIN - вход ошибки. При высоком логическом уровне сигнала на входе мгновенно отключаются PWM выхода. Включаются PWM выхода только после появления на входе сигнала низкого логического уровня.
16. PWMFREQ_RxD - в автономном режиме эта ножка используется для задания частоты ШИМ.
17. RETRY_TxD - выход управления ключом промежуточного контура.
18. RBRAKE - выход управления ключом промежуточного контура, для сброса энергии.
19. FAULTOUT - данный вывод используется для индикации ошибки.
20. VBOOST_MODE - вывод задания режима работы МК. Высокий логический уровень - автономный режим работы, низкий - режим работы с ПК.
21. V DD - напряжение питания, +5V.
23. FWD - вход задания направления вращения двигателя.
25. MUX_IN - в автономном режиме является входом регулирования коэффициента заполнения.
26. SPEED - задание частоты вращения двигателя.
27. ACCEL - вход, влияющий на разгон двигателя.
28. DC_BUS - вход для отслеживания напряжения промежуточного контура.
Как видно из рис. 1 схема управления состоит из следующих блоков. Блок задания (БЗ) для задания выходных параметров сигнала. Через делители напряжения на соответствующие входы задания БУ задаются полярность, частота выходного сигнала, а также частота ШИМ. Согласно заданным параметрам на выходах ШИМ формируются сигналы, которые далее поступают на драйвер (Д). Драйвером является микросхема IR2135, типовая схема подключения изображена на рис. 2.4, структурная схема изображена на рис. 2.5., основные параметры приведены в таблице 2.2 [2].
Таблица 2.2. Основные параметры микросхемы IR2135
Максимальное коммутируемое напряжение
Описание выводов микросхемы IR2135:
HIN 1,2,3 - логические входа (вывода 22,23,24) ключей высокого уровня.
НО 1,2,3 - логические выхода (вывода 13,16,19) ключей высокого уровня.
LIN 1,2,3 - логические входа (вывода 25,26,27) ключей низкого уровня.
LO 1,2,3 - логические выхода (вывода 9,10,11) ключей низкого уровня.
V СС - напряжение питания (вывод 21).
ITRIP - вход токовой защиты (вывод 1).
FLT-CLR - вход сброса ошибки (вывод 2).
СА- - инверсный вход усилителя тока.
СА+ - неинверсный вход усилителя тока.
Микросхема имеет вход токовой защиты ITRIP рис. 2 (ВТЗ, рис. 1) и выход ошибки FAULT рис. 2.2 (ВыхО, рис. 2.1). При срабатывании токовой защиты (сигнал снимается с датчика тока ДТ, рис. 2.1) микросхема переводит все выхода в высокоимпедансное состояние и работа схемы приостанавливается, на выходе ошибки появляется логический сигнал высокого уровня. Сбрасывается ошибка путем подачи на вход FAULT-CLR (рис. 2.2) логического сигнала низкого уровня.
После драйвера сигнал поступает на силовые модули (СМ рис. 2.1), а затем на нагрузку (Н рис. 2.1). В блоке силовых ключей встроен датчик температуры (ДТР рис. 2.1), который останавливает работу схемы при превышении допустимой температуры, сигнал поступает на вход ошибки FAULT_IN (рис. 2.2) (ВО БУ (рис. 2.1)).
Датчики напряжения ДН (рис. 2.1) и блок обработки выходного сигнала (БОВС рис. 2.1) вместе являются обратной связью. Сигнал обратной связи принимается на вход регулирования выходного напряжения, путем изменения напряжения на входе аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) (рис. 2.1). Все блоки в схеме питаются от блока питания (БП рис. 2.1). Схема блока питания (рис. 2.6) была заимствована с разработки блока питания используемого в автоматизированном электроприводе фирмы «Relains». Для данной схемы ниже рассчитан трансформатор.
Схема управления работает следующим образом. Включается система управления кнопкой S1 (рис. 2.2). БЗ задает параметры выходных импульсов БУ.
На выходах ВШ БУ формируются импульсы управления силовыми ключами. Однако широтно-модулированные импульсы задается относительно общего проводника схемы. Для ключевого транзистора нижнего уровня этого вполне достаточно, сигнал можно непосредственно подавать на затвор (базу), так как исток (эмиттер) связан с общим проводом. Если транзистор нижнего уровня находится в закрытом состоянии, a верхнего уровня открыт, на истоке транзистора верхнего уровня присутствует напряжение питания U n . Поэтому для управления транзисторами верхнего уровня необходима гальванически развязанная с общим проводом схема, которая четко будет передавать импульсы схемы управления не внося в нее искажений. Микросхема IR2135 решает эту проблему, имея отдельно выхода управления ключевыми транзисторами нижнего и верхнего уровней, а также защищает силовые ключи от таких эффектов как скорость нарастания тока, скорость нарастания напряжения и сквозных токов [2].
Датчики обратной связи контролируют выходное напряжение, далее сигналы поступают на БОВС. С помощью датчиков напряжения и БОВС схема управления поддерживает выходное напряжение инвертора в заданных пределах. При просадке выходного напряжения, если это не короткое замыкание в нагрузке, напряжение на выходе датчиков упадет, а на выходе БОВС увеличится, следовательно, увеличится напряжение на входе БУ (ВхАЦП). Данное напряжение регулирует коэффициент заполнения ШИМ, от которого зависит выходное напряжение инвертора. Как только напряжение на входе ВхАЦП увечится, то возрастет выходное напряжение. Время срабатывания датчика напряжения составляет 0,3 мкс, что гораздо меньше величины периода выходного напряжения.
2.2 Расчет элементов схемы системы управления
Для каскада на операционном усилителе DD 1.4. определили из соотношения 2.1 значения сопротивлений R34, R44, R35 исходя из условия, что коэффициент усиления K u =10, а сопротивления R34 = R35.
Каскад на операционном усилителе DD 4.4 вместе с резисторами R45, R46, R57, R58 является сумматором, складывает выходной сигнал с каскадов на DD 1.4, DD 4.1, DD 4.2, DD 4.3. Для определения значений сопротивлений воспользовались условием равенства R45 = R46 = R57 = R58 и соотношением [13]:
1/R52 = 1/R45 + 1/R46 + 1/R57 + R58 (2.2.)
Значения резисторов R38, R49, R50, R51 приняли равными 10 кОм.
Операционные усилители выбрали TL084ACN (4 в одном корпусе), основные параметры свели в таблицу 2.3 [12].
Таблица 2.3. Основные параметры операционного усилителя TL084АСN
Также для каскадов на DD1.1, DD1.2 и DD 1.3 по формулам 2.1, 2.2 определи значения сопротивлений R1 - R6, R10, R17 - R19, R28 - R29.
R2 = R4 = R6= R7 = R8 = R9 = R19 = R20 = R31 = 10 кОм;
R3 = R5 = R10 = R21 = R30 = 1 кОм; [14]
Диоды VD1 - VD3 в обвязке драйвера приняли HFA25PB60, (из описания на микросхему IR2135). Значения номиналов конденсаторов С1 - С5 также приведены производителем в документации [2].
Получили значения емкостей конденсаторов:
Для микросхемы Motorola MC3PHAC из документации были взяты номиналы элементов для автономного режима для задания требуемых выходных параметров. Выходная частота инвертора 50 Гц, частота ШИМ 5,3кГц. Микросхема позволяет задавать частоту ШИМ до 20 кГц однако, при ее увеличении значительно возрастают потери в силовых ключах. Выбранные IGBT - транзисторы позволяют работать на заданной (5,3 кГц) частоте, при минимальных потерях на переключение. Частота ШИМ задается напряжением на входе PWMFREQ/FxD [1].
Значения элементов в обвязке микросхемы МС3РНАС:
Кварцевый генератор НС_49 с частотой импульсов 4 МГц.
Блок питания системы управления питает микросхемы управления, драйвера, операционные усилители, а также датчики напряжения и тока. Исходя из этого блок питания должен обеспечивать следующие выходные напряжения: 15 В; +12 В; +5 В. Блок питания разработанный фирмой «Relainse» для питания электроники управления электроприводом подходит для питания элементов системы управления гелеоисточника. Схема электрическая принципиальная показана на рис. 6. Блок питания построен по схеме двухтактного импульсного (ключевого) источника питания. Это современные источники питания с высоким КПД. Традиционные линейные источники питания с последовательным регулирующим элементом сохраняют постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения или тока нагрузки благодаря изменению своего сопротивления. Линейный регулятор(стабилизатор) поэтому может быть очень неэффективным. Импульсный источник питания, однако, использует высокочастотный ключ (транзистор) с переменными величинами включенного-выключенного состояний, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Пульсации выходного напряжения, вызванные ключевым режимом, отфильтрованы LC фильтром. Для данного блока питания рассчитали трансформатор TV2, с требуемыми выходными параметрами. Режим работы трансформатора отличается от режима работы, например, в выпрямительных устройствах, силовых цепях синусоидального напряжения. Напряжение, приложенное к первичной обмотке, имеет прямоугольную форму. Расчетные соотношения с учетом основные допущений [8]:
1) скорость перемагничивания сердечника постоянна;
2) дополнительные потери в первичной обмотке, вызванные намагничивающим током, не учитываются;
3) оптимальным является сочетание конструктивных данных, при котором отношение потерь мощности в каждой из обмоток к мощности, передаваемой через нее одинаково;
4) удельное сопротивление обмоток, расположенных вблизи и вдали от зон повышенного нагрева, считается одинаковым.
совокупность чисел, характеризующих фазность обмоток: m 1 =2, m 2 =3;
напряжение, подключённое к вторичной обмотке: U 21 =15 В; U 22 =5; U 23 = 12
электродвижущая сила (ЭДС) прикладываемая к первичной обмотке: E1=600 B;
частота коммутаций силовых ключей: f=30 кГц;
температура окружающей среды: То=20 о С;
максимально допустимая относительная величина тока намагничивания:
максимально допустимая температура наиболее нагретой точки трансформатора: T т max =130 о С;
коэффициент теплоотдачи: =1.210 -3 Вт/(см 2 К);
коэффициент полезного действия (КПД): =0.9.
максимальный коэффициент заполнения окна сердечника обмотки: 0 max =0.7.
Расчёт ориентирован преимущественно на проектирование трансформаторов тороидальной конструкции и состоит из двух частей: оценочного и конструктивного.
Целью оценочного расчета является определение основных параметров трансформатора, выполненного на кольцевом сердечнике разных типоразмеров их стандартного ряда.
Для работы на частоте от 10 кГц и выше в качестве материала сердечника применяются ферриты 2000НМ_1, 1500НМ_1 и др. Выбирали марку сердечника. Для этого построили зависимости удельных потерь мощности в сердечнике от перепада индукции В в нём:
где Р с - потери мощности в сердечнике, Вт;
В-изменение магнитной индукции в сердечнике трансформатора за ту часть периода Т/2, когда это изменение происходило в одном направлении, Тл;
H co , dH c /dB m , R в - величины найденные по таблице 2.4.
По формуле (2.4.) рассчитали для каждого материала зависимость Р с.уд. от В в виде таблицы, задаваясь последовательно значениями:
Bm - амплитудное значение магнитной индукции, Тл (табл. 2.4).
Данные для расчета взяли из таблицы 2.4 [8]:
Таблица 2.4. Параметры аппроксимирующих выражений, описывающих магнитные свойства ряда ферримагнетиков
Подставляя числовые значения в (2.3.) получили?при В = 0 Тл
Аналогично рассчитали зависимости Р с.уд. (В) для других материалов результаты вычислений занесли в таблицу 2.5.
Методы регулирования выходного напряжения инвертора. Сравнение систем с амплитудным и фазовым регулированием. Расчет индуктивного регулятора, коммутирующей емкости, элементов выпрямителя и инвертора. Описание конструкции силового блока преобразователя. курсовая работа [221,4 K], добавлен 07.01.2013
Выбор регулятора для объекта управления с заданной передаточной функцией. Анализ объекта управления и системы автоматического регулирования. Оценка переходной и импульсной функций объекта управления. Принципиальные схемы регулятора и устройства сравнения. курсовая работа [2,5 M], добавлен 03.09.2012
Алгоритм функционирования устройства управления мощностью двигателя постоянного тока. Основные компоненты функциональной спецификации системы. Структурная и принципиальная схема, программное обеспечение. Проектирование аппаратных средств системы. курсовая работа [410,4 K], добавлен 24.12.2013
Проектирование промышленной системы автоматического регулирования на основе заданных параметров объекта регулирования. Вычисление передаточной функции объекта управления. Выбор исполнительного механизма совместно с регулирующим органом, датчика уровня. курсовая работа [2,6 M], добавлен 09.04.2014
Проектирование функциональной и принципиальной схем цифрового вольтметра. Выбор устройства управления (микроконтроллера), источника и инвертора напряжения, индикаторов. Функции и структура управляющей программы, ее алгоритм и глобальные переменные. курсовая работа [84,8 K], добавлен 14.03.2014
Разработка микропроцессорной системы управления технологическим объектом. Выбор и расчет элементов системы, разработка ее программного обеспечения. Составление структурных, функциональных и принципиальных схем микроконтроллеров семейства MCS-51. курсовая работа [579,0 K], добавлен 20.09.2012
Обоснование необходимости регулирования мощности. Анализ систем регулирования мощности в стандарте CDMA. Способы совершенствования алгоритмов управления мощностью. Абонентская емкость ячейки системы CDMA. Управление мощностью обратной линии связи. дипломная работа [248,5 K], добавлен 14.10.2013
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Проект гелеоисточника для энергохозяйства дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Курсовая работа: Необходимая оборона как обстоятельство, исключающее преступность деяния
Реферат по теме Должностная инструкция
Договор Об Организации Перевозок Курсовая
Доклад по теме Спонсорство в сфере культуры и искусств
Реферат: Высокий Нэйл-Арт
Контрольная работа по теме Генезис социальной ответственности бизнеса и ее становление
Реферат На Тему Онтологический Контекст Образования Взрослых Как Социокультурного Института
Реферат: Юридичне оформлення приєднання Галичини і Буковини до Австрії
Реферат: Интерпретация блок-схем
Поучение Сочинение По Литературе 7 Класс
Бим 8 Класс Контрольные Работы
Реферат: Циклические концепции общественного развития
Научная Статья Эссе
Курсовая работа по теме Исследование бактерий по почвенному профилю дерновой альфегумусовой глеевой почвы
Реферат: Imaginary Numbers And The Microwave Oven Essay
Контрольная работа по теме Экологические проблемы Кузбасса
Решение Контрольных Работ 5 Класс
Реферат На Тему Наводнение По Обж
Гдз Биология 9 Класс Лабораторная Работа
Курсовая Работа Педагогическое Исследование
Конституційно-правовий статус правоохороних органів України - Государство и право курсовая работа
Концепты любовь и ненависть в русском и американском языковых сознаниях - Иностранные языки и языкознание диссертация
Создание Западноевропейского Союза и включение ФРГ в НАТО - История и исторические личности реферат