Дипломная работа: Стабилизатор тока электродиализатора

Дипломная работа: Стабилизатор тока электродиализатора

Федеральное агентство по образованию

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

Пояснительная записка к дипломному проекту

Стабилизатор тока электродиализатора

2009

Реферат

Объектом разработки является источник питания электродиализатора для концентрирования щелочного электролита.

Цель работы – разработка устройства с регулируемым током и минимальными габаритами и массой.

В процессе работы производился сравнительный анализ с существующими аналогами. Определялись недостатки и выбирались решения для устранения недостатков в разрабатываемом устройстве.

В результате проведенной работы разработана принципиальная схема устройства, удовлетворяющая заданным параметрам, изучены особенности устройств подобного типа и назначения.

Достигнуты технико-эксплуатационные показатели: широкий диапазон регулирования тока и высокая точность его регулирования при воздействии внешних факторов.

Дипломная работа выполнена в текстовом редакторе MS Word 2007, с применением MathCad 14, Microsoft Visio 2007, Р-CAD 2004, Photoshop 13, SolidWorks 2006.

Abstract

The object of development is the power source elektrodializatora for the concentration of alkaline electrolyte.

The purpose of this project is to develop device with adjustable current and minimal dimensions and weight.

Based on the comparing analysis of the existing similar models the disadvantages of the unit were revealed and the ways of improving investigated.

As a result the principle board of the device corresponding to all the basic parameters required has been developed, the specific features of the similar devices and their purposes have been investigated.

Operational parameters are achived: wide range of use of welding current and high accuracy of its regulation at at influence of external factors.

Degree project is executed in text editor MS Word 2007 with use of MathCad 14, Microsoft Visio 2007, Р-CAD 2004, Photoshop 13, SolidWorks 2006.

Установка концентрирования щелочного электролита, предназначена для увеличения содержания щелочи в исходном растворе методом его электродиализного концентрирования.

Простейшая эквивалентная схема электродиализатора представляет собой нелинейное активное сопротивление с емкостью включенной параллельно. Величина этого сопротивления зависит: от температуры, от концентрации примесей в исходной воде, от производительности и режима работы и изменяется в широких пределах. Скорость электрохимических процессов в диализаторе прямо пропорциональна величине среднего значения тока, поэтому электродиализатор целесообразно питать от источника тока [1,2].

Технологические параметры очистки щелочного электролита:

- содержание щелочи в исходном растворе не менее…....20 г/л

- содержание щелочи в готовом обработанном растворе

не менее……………………………………………………..170 г/л

- производительность по исходному электролиту

не менее……………………………………………………20 л/час

Технология обработки электролита с целью его концентрирования основана на электродиализном способе, позволяющем разделить поток исходного раствора электролита на два потока - более концентрированный и более разбавленный (деминерализованный) растворы по отношению к исходному. Принципиальная схема установки концентрирования представлена на рисунке 1.1.

Исходный поток разбавленного электролита Iис из бака БП подаётся на электродиализатор ЭДА-1, где происходит его разделение на два потока. Сильно разбавленный поток электролита Iр направляется в бак БВРЩ. Второй, более концентрированный поток электролита Iк, подаётся для дальнейшего концентрирования в бак БПР второй ступени концентрирования и далее на электродиализатор ЭДА-2, где, в свою очередь, делится на два потока. Поток Ip разбавленного электролита поступает обратно в бак БПР или в бак БРЧЩ для повторного концентрирования, а поток Iк концентрированного раствора щёлочи направляется в промежуточный бак БХЧЩ, из которого затем поступает в бак БЧЩ для приготовления аккумуляторного электролита, заливаемого в АБ[3].

Сущность метода электродиализа заключается в использовании направленного движения ионов в растворе в соответствии со знаками их зарядов под действием разности потенциалов, приложенной к электродам [4].

Электродиализный аппарат состоит из двух электродов и пакета рабочих рамок, разделенных ионоселективными мембранами, анионо - и катионоселективными. Таким образом, часть рабочих рамок выполняет функцию камер обессоливания, а часть камер концентрирования.

2.1  Выбор структуры силовой части

Простейшая система питания электродиализатора представляет собой однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, подключенный к его электродам.

Среднее значение тока на нагрузке стабилизируется временем открытого состояния тиристоров. При уменьшении эквивалентного сопротивления нагрузки, для поддержания среднего тока на заданном уровне, угол проводимости тиристоров уменьшается, что приводит к увеличению действующего значения тока, а значит и к увеличению нагрева как самого электролита, так и силовых элементов регулятора. Ставится задача стабилизации среднего значения тока без изменения его формы. В качестве регулятора для такого стабилизатора может выступать непосредственный преобразователь напряжения понижающего типа, работающий на повышенной частоте много большей частоты сети. Структурная схема предлагаемого стабилизатора тока представлена на рисунке 2.1.

Обоснование этому служат расчетные формулы [5]:

              (2.1)

где T - период синусоиды, γ - относительная длительность паузы на полупериоде напряжения сети, Imax – амплитуда тока, Iср - среднее значение за полпериода, Iд – действующее значение, kф – коэффициент формы.

Для коэффициента kф формы можно построить наглядный график приведенный на рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 показывает, что у тиристорной схемы управления при увеличение относительной длительности γ паузы действующее значение тока возрастает, а у предложенной схемы оно остается неизменным.

В качестве такого регулятора может выступать непосредственный преобразователь напряжения понижающего типа работающий на повышенной частоте много большей частоты сети. Функциональная схема предлагаемого стабилизатора тока изображена на рисунок 2.3.

В схеме представлено два непосредственных преобразователя понижающего типа включенных параллельно, со сдвигом в 180 градусов, и работающих с одного входа на один выход.

2.2  Выбор структуры системы управления

Для управления ключами в данном проекте используется принцип широтно-импульсной модуляции. На сегодняшний день производители выпускают широкий ряд интегральных микросхем, реализующих этот принцип управления. Использование этих микросхем значительно упрощает систему управления, позволяет минимизировать потребляемую мощность и число вспомогательных источников питания системы управления, реализовать защиту по току силовых ключей и т.д. В конечном счете, использование интегральных микросхем позволяет снизить стоимость и повысить качество работы источника питания.

При реализации сложных алгоритмов управления с применением аналоговых интегральных микросхем принципиальная схема модуля управления значительно усложняется и требует увеличения числа элементов, что приводит к уменьшению надежности устройства в целом. Уход параметров дискретных элементов таких как: сопротивление резисторов, емкость конденсаторов – приводит к деградации параметров стабилизатора. Изменяется петлевой коэффициент усиления обратной связи стабилизатора, а соответственно коэффициент стабилизации возмущающих воздействий, изменение коэффициентов усиления цепи защиты приводит к непраильному срабатыванию аппаратной защиты и т.д. Так же к недостаткам аналоговых схем управления нужно отнести повышенную чувствительность к кондуктивным и электромагнитным помехам возникающим в результате коммутации силовых элементов преобразователя..

Дальнейшее увеличение сложности алгоритмов работы преобразователя привело к появлению комбинированных систем управления, содержащую аналоговый и цифровой контроллер (или комбинированных аналого-цифровых схем управления. В которых как и прежде функцию стабилизации выходного параметра тока, напряжения или мощности осуществляет аналоговая часть, а цифровой микроконтроллер осуществляет функцию задатчика через ЦАП для аналоговой части и осуществляет весь алгоритм работы: старт преобразователя, выход на режим, работа, отключение и т.д.. Кроме управления преобразователем микроконтроллер может осуществлять другие функции, например цифровую индикацию, настройку преобразователя с помощью кнопок, связь с другими устройствами и др. Это значительно повышает функциональность и удобство использования преобразователя. Но использование аналогового и цифрового контроллеров вместе ведет к повышению стоимости системы управления. По-прежнему сохраняется зависимость от качества дискретных компонентов. Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый требуются дополнительные согласующие устройства. Такой структуре присуще практически все недостатки аналоговой системы управления.

Производители интегральных микросхем продолжают создавать новую продукцию, отвечающую современным потребностям разработчиков. На сегодняшний день в системах управления источников электропитания нашли широкое применение цифровые сигнальные микроконтроллеры, DSP микроконтроллеры. Основным отличаем DSP микроконтроллеров от обычных является наличие MAK функций позволяющих реализовать алгоритмы цифровой обработки данных с АЦП и реализовать цифровые фильтры. Сегодня можно приобрести цифровые DSP контроллеры, предназначенные специально для управления преобразователями. Они отличаются от обычных микроконтроллеров тем, что имеют в своем составе быстродействующие модули АЦП и модуль ШИМ, содержащий все необходимые элементы для реализации управления (корректирующее звено, защита по току, формирователь импульсов и т.д.). Использование таких микроконтроллеров уменьшает количество дискретных аналоговых компонентов, время разработки и ее стоимость, повышают удобство настройки прибора. Поэтому в данном проекте будет использован один из таких специализированных микроконтроллеров – 56F8013 фирмы Freescale Semiconductor [6].

3.1  Расчет параметров и выбор элементов силовой части

По техническим требованиям:

- амплитуда входного напряжения                                     ;

- средний выходной ток                                             ;

- пульсации тока на частоте преобразования           ;

- частота преобразования                                          .

Диаграммы работы преобразователя приведены на рисунке 3.1. Диаграммы работы показывают работу одного непосредственного преобразователя т.к. диаграммы работы второго будут идентичны, за исключением сдвига в 180 градусов.

На вход преобразователя подается выпрямленное синусоидальное напряжение амплитудой 70В. На рисунке 3.1 показаны напряжения управления транзисторами с частотой преобразования 40 кГц. При расчете были заложены пульсации выходного тока в 10 процентов, но так как у нас два преобразователя включенных параллельно, то фактические пульсации будут в два раза меньше.

Действующий ток на выходе преобразователя рассчитывается по формуле:

                                  (3.1)

Мощность нагрузки рассчитывается по формуле:

                                 (3.2)

Активное сопротивление рассчитывается по формуле:

                                             (3.3)

Максимальный ток в нагрузке рассчитывается по формуле:

                              (3.4)

При равном распределении мощности в обоих каналах получим ток каждого канала по формуле:

                                          (3.5)

Действующий ток нагрузки рассчитывается по формуле:

                                             (3.6)

Максимальные пульсации тока будут при относительной длительности импульса равной 0.5 и рассчитываются по формуле:

              (3.7)

Определим индуктивность дросселя по формуле:

                (3.8)

3.1.1  Расчет силового дросселя

Выбираем Ш - образный сердечник из материала N87 фирмы Epcos [7]. Конструктивные параметры которого приведены на рисунке 3.2 в мм.

В таблице 3.1. приведены эффективные параметры сердечника.

Таблица 3.1 - Эффективные параметры

где C1 – коэффициент формы сердечника(Magnetic Core Factor);

Ae – эффективная площадь сечения магнитопровода;

Le – эффективная длина средней магнитной линии сердечника;

Ve – эффективный магнитный объем;

AL – индуктивность на виток.

Произведем расчет площади сердечника по формуле 3.9.

                                             (3.9)

Введем зазор . Магнитная постоянная

Подставим значения в формулу 3.10 и получим число витков

              (3.10)

округлим значение число витков до 15.

Индукция насыщения рассчитывается по формуле 3.11

  (3.11)

Зададимся значением коэффициента укладки  и плотности тока

Необходимая площадь сечения провода:

                                           (3.12)

Определим площадь провода:

                   (3.13)

выполняется соотношение

Площадь провода диаметром равным 1.1 мм:

   (3.14)

Число жил в витке:

                                             (3.15)

округляем значение до 6 жил в витке.

Высота окна  вычисляем ширину окна

                                 (3.16)

Таблицы обмоточных данных приведены в Приложении Б.

3.1.2  Выбор выходных диодов

Начальными параметрами для выбора силового диода являются максимальное обратное напряжение и максимальный средний ток через диод. Наибольший средний ток на диодах будет при максимальном выходном токе стабилизации т.е. при 70А на выходе преобразователя при коротком замыкание в нагрузке. Преобразователе имеет два одинаковых канала которые делят средний ток по полам, поэтому максимальный средний ток в диодах будет равен:

                                                   (3.17)

очистка щелочной электродиализ устройство

Максимальное обратное напряжение на диоде будет во время открытого ключа VT1 (рис) и составляем максимально возможное входное напряжение.

Выберем диоды 80CPQ150 фирмы International Rectifier[8]. В одном корпусе содержаться два диода Шотки. Параметры диода:

IF(AV)=80 А – среднее значение прямого тока в диоде при температуре t=90°C;

VR=150 В – максимальное обратное напряжение;

VFM=1.09 В – максимальное прямое напряжение при t=25°C (из графика в документации).

Определим максимальные статические потери в диоде:

                       (3.18)

Общие потери в выходных диодах:

                                 (3.19)

3.1.3  Расчет и выбор силовых транзисторов

Появление в 70-х годах прошлого века высоковольтных полевых транзисторов с вертикальной структурой произвело переворот в схемотехнике и характеристиках источников вторичного электропитания (ИВЭП). Высокие скорости переключения, отсутствие насыщения, простота управления затворами, устойчивость к перегрузкам по току и dV/dt позволили проектировать ИВЭП с частотами преобразования до сотен килогерц и удельными мощностями свыше 1000 Вт/дм3. В то же время по статическим потерям MOSFET значительно проигрывали биполярным транзисторам и тиристорам, что ограничивало их применение в мощных преобразователях. Поэтому основные усилия фирм-производителей были направлены на уменьшение величины сопротивления в открытом состоянии и увеличение максимального напряжения «сток — исток».

В 1998 году компания Infineon Technologies представила новый тип MOSFET-транзисторов под торговой маркой CoolMOS с напряжением «сток — исток» в закрытом состоянии 600 и 800 В, в которых удалось снизить сопротивление в открытом состоянии более чем в 5 раз по сравнению с обычными полевыми транзисторами с вертикальной структурой. Помимо сверхнизких статических потерь транзисторы CoolMOS обеспечивают более высокую, чем у MOSFET, скорость переключения благодаря меньшей площади кристалла и, как следствие, более низкие потери переключения.

Общим недостатком полевых транзисторов с вертикальной структурой является наличие паразитного антипараллельного диода с неудовлетворительными характеристиками обратного восстановления, что очень усложняет их использование в преобразователях с рекуперацией реактивной энергии. Это заставляет производителей разрабатывать технологии, позволяющие улучшить характеристики встроенного диода. Примером может служить семейство транзисторов HiPerFET компании IXYS.

Второй подход к решению данной проблемы заключается в блокировке паразитного диода последовательным с транзистором диодом Шоттки и подключении встречно-параллельно диода ULTRAFAST или SiC (рисунок 3.3). Приборы, реализующие этот принцип, выпустила компания Advanced Power Technology. Однако наличие последовательного диода резко увеличивает статические потери по сравнению с одиночным MOSFET [9].

Для выбора силового транзистора требуются следующие параметры:

- амплитуда входного напряжения                                     ;

- действующий выходной ток                                    .

С учетом этих параметров выбираем транзистор IRFPS3815 фирмы International Rectifier[10]. С параметрами:

- максимальное напряжение ключа VDSS=150 В;

- действующий ток через транзистор Id=105 А;

- сопротивление открытого транзистора RDS=0.015 Ом.

Корпус транзистора в ТО-247.

Определим статические и динамические потери в транзисторе при сопротивлении затвора Rзатвора= 1 Ом, напряжении питания Uупр= 10 В. Сопротивление открытого транзистора взято из технической документации и равно Rоткр=0.015 Ом

Статические потери в транзисторе равны:

          (3.20)

Для расчета динамических потерь зададимся следующими параметрами:

- время нарастания фронта tнарастания= 130 нс;

- время спада фронта tспада=60 нс.

               (3.21)

3.1.4  Расчет цепи питания драйверов

Для обеспечения питания выходного каскада драйвера было принято решение сделать трансформаторную развязку. Первичная обмотка трансформатора запитывается от одной из вторичных обмоток трансформатора вторичного источника питания. Для этого произведем расчет трансформатора. Определим начальные условия:

- магнитная индукция Bипсн=0.1 Тл;

- частота преобразования Fипсн=100 кГц;

- площадь сердечника Sипсн=15 мм2;

- входное напряжение переменное Uвх=12 В;

- выходное напряжение Uвых=15 В.

Определим количество витков первичной обмотки:

  (3.22)

Определим коэффициент трансформации:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8