4198

Розрахунок параметрів і вибір елементів тиристорних електроприводів постійного струму

Курсовая

Энергетика

Вихідними даними, якого є номінальна потужність 5,3 кВт і номінальна частота обертання 3350 об/хв двигуна, а також систематизація, поліпшення і закріплення знань в області проектування электроперетворювачей, самостійне використання технічної і довід...

Украинкский

2012-11-14

297 KB

26 чел.

Вихідними даними, якого є номінальна потужність 5,3 кВт і номінальна частота обертання 3350 об/хв двигуна, а також систематизація, поліпшення і закріплення знань в області проектування электроперетворювачей, самостійне використання технічної і довідкової літератури.

У результаті проектування був розрахован реверсивний тиристорний перетворювач для живлення двигуна постійного струму. Використана одна з найбільш розповсюджених схем – шестифазна нульова. Так само була приведена схема керування тиристорним перетворювачем і складена функціональна схема ЛПП, розраховані зовнішня і регулювальна харатеристики тиристорного перетворювача.


ВСТУП

У більшості сучасних перетворювачів для приводу  у якості силових вентилей використовують тиристори. На їх основі для електроприводу збудовані тиристорні перетворювачі (ТП) напруги переменного струму в постійний.

    Тиристорні перетворювачі володіють рядом достоїнств:

  1.  високий ККД, обумовлений незначним спаданням напруги на тиристорі;
  2.  мала інерційність, обумовлена фільтрами в ланцюгах керування і некерованістю тиристорів у плині інтервалу провідності (10–20 мс);
  3.  висока надійність при використанні швидкодіючого захисту і модульно-блоковому виконанні тиристорного перетворювача.

Однак у ТП крім достоїнств є й істотні недоліки:

  1.  низький коефіцієнт потужності при глибокому регулюванні напруги;
  2.  перекручування живильної напруги, внесені роботою тиристорних перетворювачів;
  3.  підвищений рівень випромінюваних радіоперешкод.

     Найбільш розповсюдженою  середньо-потужною схемою випрямлiння є трифазна нульова схема. Діапазон потуг для її використання від 1 до 10 кВт.

1 ВИБІР ЕЛЕКТРОДВИГУНА

Згідно з вихідними даними вибрав двигун постійного струму:

2ПБ180MУХЛ4

Потужність двигуна  = 9.5 кВт

Обертова  швидкість   = 2200 об/хв.

ККД          = 88 %

Опір якоря     = 0,084 Ом

Опір додаткових полюсів  = 0,056 Ом

Індуктивність кола якоря   = 2.4 мГн

Номінальна напруга   = 220 В

Номінальна швидкість обертання

         (1.1)

де     nн  - кутова    швидкість ,   обрт∕хв

  Електромагнітна потужність

           (1.2)

Номінальний струм якоря

     (1.3)

Конструктивна постійна двигуна

     (1.4)

Номінальний момент

         (1.5)

Індуктивність якірного кола

(вже задано);            (1.6)

       Для забезпечення нормальної роботи обраного електродвигуна живильний тиристорний перетворювач повинен мати запас за напругою. Потрiбна максимальна випрямлена напруга перетворювача.

,              (1.7)

де - коефіцієнт запасу за напругою (1,2 1,3),    Кu=1,3.

               2 ВИБІР СХЕМИ ТИРИСТОРНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА

          Тиристорні перетворювачі поділяють:

за призначенням: для живлення якірних кiл та обмоток збудження;

за виконанням: реверсивні та нереверсивні.

Основними параметрами є:

  •  номінальна випрямлена напруга  ();
  •  номінальний струм ().

       Обираємо схему тиристорного перетворювача відповідно до завдання на курсовий проект. Обираю трифазну нульову схему  з  роздільним  керуванням. Така схема   ТП    наведена  на рисунку 2.1.  

Рисунок 2.1 – Нульова схема тиристорного перетворювача.

              До складу тиристорного перетворювача входять:

силовий трансформатор або струмообмежувальний реактор (в даному випадку струмообмежувальний реактор відсутній);

силовий блок (напівпровідникові вентилі);

згладжуючий реактор (при живленні якірних кіл  постійного струму);

блок керування та захисту;

комутаційна апаратура;

система охолодження (при >100 А).

       Живлення тиристорних перетворювачів потужністю 1кВт здійснюється від трифазної мережі змінного струму.

       Залежно від співвідношення напруги мережі та потрібної для роботи двигуна випрямленої напруги, підключення перетворювача до мережі здійснюється через струмообмежувальний   реактор або через силовий трансформатор. Для данного навантаження ми використовуємо силовий трансформатор.

3 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

       Розрахункове значення напруги  трансформатора, який живить трифазний ТП під час його роботи на якір двигун постійного струму в зоні безперервних струмів, з урахуванням необхідного запасу напруги в силовому колі, визначається за формулою:

,           (3.1)

де  – розрахунковий коефіцієнт, що характеризує відношення напруги  

у  залежності  від  типу  схеми   ();

– коефіцієнт  запасу за напругою, що враховує можливе значення напруги мережі до  (1,05);

– коефіцієнт запасу за напругою, що враховує неповне відкриття вентилів при максимальному керуючому сигналі ();

– коефіцієнт  запасу за напругою, що враховує спад напруги в обмотках трансформатора, власний опір  вентилю й перекриття анодів (=1,05);

– максимальне випрямлена напруга  ТП.

      Розраховуємо лінійну напругу

                               (3.2)

      Розрахункове значення струму вторинної обмотки трансформатора.

 – номінальний випрямлений струм перетворювача, приймається рівним номінальному струму якоря двигуна .

                                                            (3.3)

де  – коефіцієнт  схеми, який характеризує відношення струмів ;

 – коефіцієнт, що враховує відхилення форми струму вентилів від прямокутника ();

      Коефіцієнт трансформації трансформатора.

                                                             (3.4)

де – фазна  напруга  живільної мережі.

     Діюче значення струму первинної обмотки дорівнює:

  А                               (3.5)

      Розрахункова потужність трансформатора

                                                (3.6)

де  – коефіцієнт  схеми, який характеризує співвідношення потужностей KS=1,46

      На підставі отриманих даних складається таблиця специфікації для індивідуального замовлення на виготовлення трансформатора (табю3.1)

Таблиця 3.1 – специфікація живильного трансформатора для тиристорного перетворювача.

Sн, кВА

Первинна      обмотка

Вторинна

Обмотка

Перетворювач

UЛ,В

I1Ф,А

U2ф,В

I2Ф,А

Ud,В

Idн, А

12,65

380

39,96

296

29.7

220

49


    4 ВИБІР ТИРИСТОРІВ

      Середнє значення струму тиристора з урахуванням умов охолоджування

                                                                 (4.1)

де – коефіцієнт  співвідношення струму, визначений  залежно від застосованої  схеми ().

 – коефіцієнт , який враховує інтенсивність охолоджування силового вентиля  ( – природне охолодження, тому що Idн < 100 A ).

       Максимальна зворотна напруга

                                                              (4.2)

де – коефіцієнт  співвідношення напруг, визначений залежно від застосованої схеми ().

Вибір тиристорів проводиться з урахуванням середнього значення струму через тиристор, максимального значення зворотної напруги та умов охолоджування.

За допомогою літератури [5] вибрали тиристор типу Т–50–68.

5 СКЛАДАННЯ ЛПП ПРИ РОЗДІЛЬНОМУ КЕРУВАННІ

       Принцип роздільного керування полягає в тому, що відкриваючі імпульси подаються тільки на одну групу, яка знаходиться в роботі, при цьому інша вентильна група закрита. У такому випадку відсутня необхідність у зрівняльних реакторах, що знижує масогабаритні показники ТП. Система керування ТП (рис. 5.1) містить систему імпульсно-фазового керування (СІФК1 і СІФК2), що подає керуючі імпульси на тиристори вентильних груп (ВГ1 і ВГ2) у визначений момент. Логічне перемикаюче пристрій виконує наступні функції:

  1.  вибір групи для роботи в залежності від знака керуючої напруги  - різниці напруги, що задає, і напруги зворотного зв'язку;
  2.  заборона відкривання непрацюючої групи при наявності струму в працюючій групі;
  3.  заборона зняття відкриваючих імпульсів із працюючої групи при протіканні по ній струму;
  4.  забезпечення тимчасової паузи перед включенням групи, що вступає в роботу.

      Інформацію про наявність струму в працюючій групі дає датчик нульового струму (ДНС). Датчик керування (ДК) видає сигнал , якщо  для ВГ1. І , якщо  для ВГ2.

      У даному випадку - сигнали наявності струму; - сигнали заборони на відкривання ВГ1 і ВГ2.

Схему ЛПП можна представити у виді, зазначеному на рис. 2.

       Алгоритм роботи даного ЛПП описується структурними формулами:

         (5.1)

Рисунок 5.1 – Схема ЛПП реверсивного ТП

        Відповідно з (5.1) Забороняючий сигнал y1 подається на СІФК1, якщо x2=1 або x2=0 i x1=0, но x0=1. Аналогічно y2=0, якщо x1=1 або x1=x2=0, но x0=0.

        Як видно із системи схема реалізується тільки за допомогою елементів І та НІ, що є одними з найпростіших і дешевих.

Таблиця 5.1 - Таблиця дійсності ЛПП

X0

X1

X2

Y1

Y2

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

1

0

0

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

0

6 РОЗРАХУНОК ЗГЛАДЖУЮЧОГО ДРОСЕЛЯ

6.1   Індуктивний опір  вторинної обмотки трансформатора.

                                                               6.1)

де  – напруга  короткого замикання (5 %  номінальної).

6.2   Індуктивність однієї фази трансформатора може бути знайдена за формулою:

                                                         (6.2)

6.3   Розрахунок проводиться з умов забезпечення безперервного струму в діапазоні регулювання від = 0 до  при струмі  навантаження 0,1. Для забезпечення режиму безперервного струму в діапазоні напруг, близьких до номінальних, значення  приймається 35 для нульової схеми. Необхідна індуктивність для якірного кола системи ТП–Д визначається формулою:

             (6.3)

де - коефіцієнт , визначений згідно графіком залежності від кута , де р=3 - число пульсацiй випрямленої напруги для мостової схеми ().

6.5   Необхідна величина індуктивності згладжуючого дроселя:

             (6.4)

Выбераю   дросель  с  параметрами  

L=36  мГн

Iн=49  А      

7 ПОБУДОВА РЕГУЛЮВАЛЬНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ

    Значення  граничного кута беремо  з  п.6.3  

        При роботі на активно-індуктивне навантаження межовий кут визначається струмом навантаження та індуктивністю кола.

        Для усіх схем випрямлення регулювальна характеристика випрямляча, що працює в безперервному режимі  0<α<35, виражається залежністю:

                (7.2)

         У режимі переривчатих струмів рівняння регулювальних характеристик для мостової трифазної схеми мають вигляд:

                                                                                   (7.3)

Розраховуємо значення Ud при зміненні від 0 до 120.

Будую регулювальну характеристику  

                Рисунок 7.1 - Регулювальна характеристика ТП.

8 ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ ТП

      Коефіцієнт потужності ТП необхідно розраховувати для номінального режиму двигуна. У загальному випадку значення  коефіцієнту потужності  визначається відношенням активної потужності P, що витрачається випрямлячем, до повної потужності  S:

                                                          (8.1)

   де  –  номінальна активна потужність ТП;                             (8.2)

.     –  номінальна повна потужність ТП.                                                (8.3)

      Кут зсуву  першої гармоніки струму  по відношенню до напруги можна прийняти рівним:

                                                                   (8.4)

 де - кут комутації        

 

8.1   Знаходимо кут .

        (8.6)

  1.  По регулювальній характеристиці (рисунок 3) визначаємо:    

                               

8.3   Знаходимо кут комутації .

. 

де - кут комутації при  .                                                                           (8.5)

9 ПОБУДОВА ЗОВНІШНЬОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТП

  Зовнішня характеристика ТП – це залежність напруги на перетворювачі  від струму навантаження .Зовнішні характеристики будуються для чотирьох значень кута регулювання: ,  , , .

      Рівняння зовнішньої характеристики для трифазної мостової схеми:

                                                (9.1)

де – еквівалентний активний опір  фази силового трансформатора, віднесений до вторинної обмотки, U2 = 1,85 В – пряме падіння напруги на тиристорі.

9.1  Знаходимо приведений до вторинної обмотки  активний  опір  первинної обмотки .

                  (9.2)

де K=1 – для нульової  схеми;  m =3  – число фаз трансформатора.

9.2   Знаходимо активний опір  дроселя .

             (9.3)

 

9.3   Знаходимо еквівалентний активний опір  фази силового трансформатора, віднесений до вторинної обмотки.           (9.4)

 

Рисунок 9.1 – Зовнішня характеристика ТП


10 РОЗРАХУНОК   АПАРАТУРИ   ЗАХИСТУ

      Для захисту тиристорів від струмів короткого замикання широко використовують швидкодіючі плавкі запобігачі, підключені послідовно з тиристорами. Можно приняти:

 Іпр  Іvср                         Іпр  49 А

де Іпр – номінальний струм плавкої вставки;

    Іvср – діючий струм тиристора при номінальному навантаженні.

Запобічачі вибираю [3] на напругу Uпр , яка не нище за номінальну напругу ТП

  Uпр  Ud0                         Uпр  286 B

      З довідника [3] обираю запобігачі типу ПНБ5, розраховані на намінальний струм 100 А, та напругу  380 В.

       Захист від перенапруження та зовнішних коротких замикань здіснюється швидкодіючими автоматичними вимикачами, які можна встановити:

  •  в якірне коло двигуна;
    •  в анодних колах спрямовувача;
    •  на виході змінної напруги ТП.

       Автоматичні вимикачі обираються таким чином:

       1. На боці змінного струму розцеплювача автомату струм повинен бути не  нище діючого струму кола

 

де КН – коефіцієнт розбігання характеристик розцеплювачів (КН = 1,2);

    КСХ – коефіцієнт схеми (КСХ = 0,816);

   КФ – коефіцієнт форми струму (КФ = 1,1).

Інрасц  1,20,8161,160,63 = 60,1 А

       2. При встановленні автоматичного вимикача в коло постійного струму, струм розцеплювача автомату визначається за співвідношенням:

            Інрасц  КН  Іd                             Інрасц  1,249 = 58,9А

       Струм спрацьовування електромагнітного розцеплювача повинен бути нище за струм, що проходе через перетворювач при к.з., але вище за максимальний робочій струм:

            Іустем  КН  Іdтах,

де  Іdтах – максимальне значення струму ТП в робочому режимі (2,5 Іd).

 Іустем  2,549, = 123,5 А

       За даними розрахунків з довідника [3] обираю автоматичні вимикачі типу А3110 на 100 А

            


ВИСНОВКИ

       Реверсивні ТП розділяють на два типи по засобу керування тиристорними групами: спільне і роздільне.

       При спільному керуванні відмикаючи імпульси, на тиристори як однієї, так і другої групи у всіх режимах роботи привода, задаючи одній групі режим керування, а іншої - режим інвертування. Кутам керування  і  відповідають тиристори груп 1 і 2, причому a1+a2=p, і зв'язані між собою умовою рівності середніх значень напруг  випрямовувача й інвертора. Середні значення напруг рівні, але миттєві значення відрізняються. Під дією різниці миттєвих значень виникає зрівняльний струм, що протікає по внутрішніх контурах перетворювача (відкриті тиристори обох груп і вторинна обмотка трансформатора). Для зменшення цього струму в схему вводять зрівняльні реактори. У такий спосіб схема зі спільним керуванням постійно готова до роботи двигуна в руховому чи генераторному режимі, але дорога через наявність зрівняльних реакторів.

      При роздільному керуванні імпульси, що відмикають, подаються на тиристори тільки тієї групи, що у даний момент бере участь у роботі. При такім керуванні зрівняльних струмів не виникає, але система виходить з невисокою швидкодією. Незважаючи на це, системи з роздільним керуванням застосовуються частіше, ніж системи зі спільним керуванням.

     У даній курсовій роботі застосоване роздільне керування тиристорними групами.


СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

  1.  Методичні вказівки до курсової роботи "Розрахунок параметрів і вибір елементів тиристорних електроприводів постійного струму" / Шумяцкий В.М., Светличний А.В., Кузьмін О.В. - Донецьк, ДонНТУ, 2002.
  2.  Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.И. Копылова и В.К. Клокова, т.1 - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.
  3.  Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок. Под. ред. Я.М. Большама, В.И. Круповича, М.Л. Самовера - М.: Энергия, 1974. - 728с.
  4.  Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1978. - 224 с.
  5.  Тиристоры: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, В.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.
  6.  Электротехнический справочник: в 3 т. / под ред. професоров МЕІ (глав. ред. И.М.Орлов), т.2 – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 712 с.
  7.  Резисторы: Справочник / В.В Дубровский, Д.М. Иванов и др.; Под. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терекова. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.