99440

Нереверсивные ведомые сетью преобразователи постоянного напряжения на базе тиристорных управляемых выпрямителей

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Полупроводниковые управляемые выпрямители нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: на железнодорожном транспорте для питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности в системах вожбуждения крупных электрических генераторов для питания систем электропривода постоянного тока различного назначения и мощности на тяговых подстанциях и магистральных электровозах и т. Наиболее часто встречающаяся область их применения - электроприводы постоянного тока предназначенные для управления скоростными...

Русский

2016-09-16

406.5 KB

0 чел.

5

Содержание


Введение

Преобразование переменного тока в постоянный является в настоящее время наиболее распространённным видом преобразования электрической энергии. Полупроводниковые управляемые выпрямители нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: на железнодорожном транспорте, для питания процессов электролиза, в цветной металлургии и химической промышленности, в системах вожбуждения крупных электрических генераторов, для питания систем электропривода постоянного тока различного назначения и мощности, на тяговых подстанциях и магистральных электровозах и т. д.

При всём разнообразии схем и нагрузок методика расчёта рассматриваемого класса преобразователей одинакова и может быть сведена к расчёту и выбору элементов одного комплекта управляемого выпрямителя.

Широкое применение в промышленности находят нереверсивные ведомые сетью преобразователи постоянного напряжения на базе тиристорных управляемых выпрямителей. Наиболее часто встречающаяся область их применения - электроприводы постоянного тока, предназначенные для управления скоростными режимами поточных линий и отдельных машин различных производств. Преобразователи обеспечивают возможность построения нереверсивных электроприводов постоянного тока с обратной связью по скорости или ЭДС двигателя.

  1.  
    Подготовка и анализ исходной информации

В данном разделе производится подготовка необходимой информации для выполнения последующих расчётов, разработки схем, выбора и проверки всех элементов преобразователя, построения необходимых характеристик.

1. Условия охлаждения преобразователя. Наибольшее распространение получило воздушное охлаждение (естественное и принудительное) как наиболее простое в реализации. Естественное воздушное охлаждение повышает надёжность функционирования преобразовательной установки и является предпочтительным для токов нагрузки IdH=800...1000А. Поскольку ток нагрузки равен IdH=168.2А, то примем естественное воздушное охлаждение (Vc=0 м/с). Расчётная температура окружающей среды равна Tc=25ºC.

2. Рсчётный ток нагрузки - Id. В следствии отсуцтвия графика нагрузки можно в качестве расчётного тока принять номинальный ток Id=IdH=168.2А.

3. Параметры цепи нагрузки. Для двигателя постоянного тока активное сопротивление его якорной цепи RЯЦ, состоит из сопротивлений обмоток якоря RЯ, дополнительных полюсов RДП и компенсационной RК, может быть вычисленно по приближённой формуле, Ом,

где UdH, IdH, PH – номинальные напряжение, В, ток, А, и мощность, Вт, электродвигателя постоянного тока.

Собственная индуктивность якоря двигателя постоянного тока определяется по формуле Лиумвиля-Уманского, Гн,

где KL – конструктивный коэффициент, 2p – число полюсов электродвигателя, nH – номинальная скорость вращения, об/мин.

  1.  Выбор согласующего трансформатора или токоограничивающего реактора
    1.  Выбор вида связи выпрямителя с сетью

В качестве звена, связывающего выпрямительный блок с сетью переменного тока, может использоваться согласующий трансформатор либо токоограничивающий реактор.

Согласующий трансформатор может применяться для следующих целей:

1) изменить величину переменного напряжения сети в соответствии с принятой схемой выпрямления;

2) преобразовать число фаз сети переменного и/или создать среднюю точку;

3) своим сопротивлением понизить токи короткого замыкания при внутренних и внешних повреждениях в выпрямителе и ограничить скорость нарастания прямого тока вентилей в коммутационных процессах.

Токоограничивающий реактор может выполнять только третью задачу.

Преобразователь должен обеспечить номинальное напряжение на нагрузке в нормальных режимах работы с учётом минимально допустимых углов регулирования (для реверсивных преобразователей при согласованном управлении), возможных понижений напряжения сети и падений напряжения в элементах установки (вентильной схеме, сглаживающем реакторе, соединительных проводах), В,

где UdH – номинальное напряжение нагрузки, В; IdRC = 0.05UdH – падение напряжения на активных сопротивлениях цепи выпрямленного тока; КВ – коэффициент схемы выпрямления; КС – коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения сети; αmin – минимальный угол регулирования; А – коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя, учитывающий понижение напряжения на выходе выпрямителя при коммутации токов вентилей; UK – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Ток на входе вентильного пребразователя равен, А,

где Кi2 – коэффициент фазного тока для данной схемы выпрямления при активно-индуктивной нагрузке; Кi – коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной.

Для трёхфазных схем возможно применение токоограничивающего реактора при выполнении условия:

поскольку в нашем случае это условие не выполняется, необходимо применение согласующего трансформатора.

  1.  Выбор и проверка согласующего трансформатора

Габаритная мощность трансформатора определяется по выражению, кВА,

где KS – коэффициент типовой мощности трансформатора для данной схемы выпрямления.

Необходимо подобрать соответствующий трехфазный трансформатор, отвечающий следющим условиям:

1) SНТSТ = 43.89

2) U = UСЛ = 380

3) U = U = 106.7 = 184.81

4) II = 144

где SНТ, U, U, I – соответственно номинальные значения мощности, первичного и вторичного напряжений и вторичного тока трансформатора.

Этим требованиям удовлетворяет трансформатор типа ТС-63/0.66 имеющий следующие параметры:

SНТ = 63 кВА

U = 380 В

U = 230 В

PХХ = 350 Вт

PКЗ = 1050 Вт

UК =4.5 %

IХХ = 6 %

Номинальный ток трансформатора рассчитывается по формуле, А,

где m2 – число фаз вторичной обмотки; КСХ – коэффициент схемы.

Определим некоторые параметры согласующего трансформатора – индуктивное XТ и активное RТ сопротивления, Ом, приведённые ко вторичному напряжению, и коэффициент трансформации КТ:

где ∆PКЗ – потери короткого замыкания в трансформаторе, Вт.

При использовании согласующего трансформатора в дальнейших расчётах будем учитывать, что к выпрямителю подводится номинальное переменное напряжение создаваемое вторичной обмоткой U2 = U = 230 В.

  1.  Расчёт регулировочной характеристики

Регулировочной характеристикой является аналитическая или графическая зависимость напряжения на выходе выпрямителя от угла регулирования. Исходными данными для её построения служат напряжение, подводимое к вентильной схеме U2 и режим работы преобразователя.

В качестве расчётного принимается режим непрерывных токов при работе на ктивно-индуктивную нагрузку. Регулировочная характеристика строится без учёта падений напряжения в выпрямителе и в цепи выпрямленного тока.

Выпрямленное напряжение преобразователя при угле регулирования α = 0 определяется, В:

Регулировачная характеристика для всех симметричных выпрямителей без обратных диодов при работе на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывных токов имеет вид:

По этим характеристикам определяется минимальный (начальный) угол управления αНАЧ, необходимый для ограничения выходного напряжения номинальной величиной, и максимальный (конечный) угод αКОН, необходимый для обеспечения минимального напряжения:


Рисунок . Регулировачная характеристика.

  1.  Расчёт индуктивности цепи нагрузки. Внешние характеристики управляемого выпрямителя
    1.  Необходимая индуктивность цепи нагрузки

Для обеспечения режима непрерывного тока во всём диапазоне изменения нагрузки необходимо в цепи выпрямленного тока иметь индуктивность, Гн,

где КПmax – максимальное значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения в рабочем диапазоне углов регулирования αНАЧ ... αКОН; fС – частота напряжения сети, Гц; mП – коэффициент пульсности схемы выпрямления; Idmin – заданная граница непрерывного тока нагрузки, А.

В контуре протекания выпрямленного тока находится индуктивность, Гн,

где k – число фаз трансформатора, LТ – индуктивность фазы трансформатора, Гн,

При выполнении условия  нет необходимости в дополнительной индуктивности в цепи выпрямленного тока.

  1.  Построение внешних характеристик управляемого выпрямителя

При работе преобразователя напряжение на нагрузке Ud меньше определённого по регулировочной характеристике U на величину падения напряжения на суммарном сопротивлении Rd цепи постоянного тока:

Rd образуется сопротивлениями трансформатора RТ и коммутационным RП, обусловленным перекрытием анодных токов преобразователя:

где nВ – число эквивалентных вентилей (вентильных плеч) в схеме.

Внешние (нагрузочные) характеристики тиристорного преобразователя, построенные в зоне непрерывных токов, представляют собой семейство прямых линий, каждую из которых можно провести по двум точкам:

- холостой ход: Id = 0, Ud = U;

- расчётная (номинальная) нагрузка: Id = IdH, Ud = UIdHRd.

Характеристики построим для α = αНАЧ, α = αКОН и для двух значений α в середине диапазона (см. табл. 1).

Для каждой характеристики определим границу непрерывного тока:

где КПα – коэффициент пульсации выпрямленного напряжения для принятого угла регулирования α. Результаты расчётов сведены в таблицу 1.

Таблица

α, °

Ud, В

КПα

IdГР, А

Id = 0 А

Id = IdH = 168.2 А

45

220

211

0.25

16.2

60

155.4

147

0.31

20.1

74

85.6

77.2

0.34

22.1

86

22

13.8

0.35

22.7

Рисунок . Внешние характеристики управляемого выпрямителя.

  1.  Расчёт рабочих и аварийных режимов работы
    1.  Рабочий режим работы преобразователя

Рабочий режим – длительный режим работы установки при номинальных (с учётом допустимых отклонений) параметрах питающей сети и нагрузки. Параметры рабочего режима в различных цепях определяются следующим образом.

1. Сетевая обмотка трансформатора. Действующее значение тока цепи определяется по выражению, А:

2. Фазный вентиль. Среднее значение тока IV (А) и амплитуда импульсного рабочего напряжения UОБР.М (В) для фазного вентиля определяются следующим образом:

где Kiv – коэффициент среднего тока вентиля; КНС – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по фазам и зависящий от точности работы системы управления; m – число параллельных приборов в эквивалентном вентиле; КДТ – коэффициент равномерности деления тока по полупроводниковым приборам; KVU – коэффициент обратных напряжений данной схемы выпрямления; n – число последовательно соединённых приборов в схеме эквивалентного вентиля; КДН – коэффициент равномерности деления напряжения по последовательно соединённым приборам.

  1.  Аварийный режим работы преобразователя

Аварийный режим вызывается аварийными условиями работы питающей сети, преобразователя или нагрузки и возникает ограниченное число раз за срок службы. Наиболее часто встречающийся аварийный режим преобразователя – короткие замыкания в различных точках электрической схемы. Наиболее характерными являются короткие замыкания в цепи переменного тока преобразователя (точка К1), внешние – на шинах постоянного тока (точка К2) и внутренние – при пробое титистора. Основой для расчёта параметров вышеперечисленных аварийных режимов является информация о трёхфазном коротком замыкании в цепи переменного тока за согласующим трансформатором преобразовательной установки. Основной характеристикой рассматриваемого режима является величина периодической составляющей тока короткого замыкания, которая вычисляется по выражениям:

- действующее значение:

- амплитудное значение:

где RТ и XТ – активное и индуктивное сопротивления согласующего трансформатора.

При коротком замыкании в точке К1 из сети будет потреблятся ток, действующее значение периодической составляющей IП1 (А) которого определяется следующим образом:

Амплитудное значение этого тока, А:

Тепловой эквивалент, А2 *с:

При повреждении в точке К2 установившееся значение тока короткого замыкания управляемого выпрямителя при небольших углах управления определяется для трёхфазной мостовой схемы по выражению, А:

Дополнительные данные. К ним можно отнести скорость нарастания тока в эквивалентном вентиле при включении. Она может быть достаточно высокой и ограничиватся толко индуктивными сопротивлениями согласующего трансформатора. Её максимальное значение определяется выражением:

где k – число фаз согласующего трансформатора в контуре коммутации тока вентиля.

  1.  Выбор и проверка вентилей силового преобразователя
    1.  Предварительный выбор и расчёт тиристоров

1. Выбор вида и подвида полупроводникового прибора. Для нашего управляемого выпрямителя необходимо применение низкочастотных силовых тиристоров.

2. Выбор номинального тока вентиля. Максимально допустимый средний ток ветиля, указанный в паспортных данных (номинальный ток), определён при так называемых квалификационных условиях (частоте 50 Гц, однополупериодном синусоидальном токе, температуре корпуса 85ºС, угле проводимости 180º и т. д.). Реальные условия работы (особенно охлаждение) полупроводниковых приборов в значительной степени отличаются от квалификационных, что затрудняет выбор вентиля по току. Предварительное значение номинального тока в предполагаемых условиях охлаждения определяются по соотношению:

где К0 – коэффициент условия охлаждения фазного вентиля; КiW – коэффициент запаса по рабочему току.

3. Выбор класса вентиля по рабочему напряжению. Класс тиристора определяется допустимым значением повторяющегося импульсного обратного напряжения UОБР.П, делённым на 100. Напряжение UОБР.П фазного вентиля не должно быть меньше амплитуды рабочего напряжения на вентиле. Уровень запаса выбирается из условия получения приемлемых параметров устройств ограничения перенапряжений и потерь в них:

где КUW – коэффициент запаса по рабочему напряжению.

Выбираем полупроводниковый прибор со значением UОБР.П = 500 В, т. е. пятого класса.

4. Выбор типа охладителя. Охладители предназначены для отвода тепла от полупроводникового прибора и создания приемлемого теплового режима. Тип охладителя выбирается в соответствии с рекомендациями информационных материалов и конструктивно совместимых с вентилем.

Т. о. будем применять тиристоры Т171-200-5 совместно с охладителями О181-110.

  1.  Проверка фазных полупроводниковых приборов

1. Проверка по нагреву рабочим током. В нормальном режиме работы температура p-n перехода не должна превышать максимального допустимого значения, для чего необходимо выполнить условие:

Максимально допустимый средний ток вентиля определяется по реальным условиям охлаждения и работы прибора, А:

где U0 – пороговое напряжение, В; RД – дифференциальное сопротивление вентиля в открытом состоянии, Ом; TП.MAX – максимально допустимая температура p-n перехода, ºС; TС – температура окружающей среды, ºС; RТ(П-С) – установившееся тепловое сопротивление переход-среда, ºС/Вт.

2. Проверка по аварийному току. Для защиты вентилей полупроводниковых преобразователей в аварийных режимах работы используются быстродействующие автоматические воздушные выключатели. В этом случае при анализе теплового режима можно считать, что через вентиль проходит один импульс аварийного тока и выделяется количество тепла, соответствующее тепловому эквиваленту BК.РАСЧ.. Защитный показатель вентиля определяется по значению ударного неповторяющегося тока IУД следующим выражением, А2с,

Полупроводниковый прибор будет устойчив к тепловому воздействию аварийного тока при выполнении условия:

В нашем случае это условие не выполняется

поэтому защита вентилей преобразователя должна быть дополнена плавкими предохранителями.

3. Проверка по коммутационным параметрам. Для ведомых сетью преобразователей обычно достаточно проверить тиристоры по скорости нарастания тока при включении. Ограниченная способность тиристоров выдерживать нарастание тока при включении связана с тем, что процесс распространения проводящей зоны вблизи управляющего электрода идёт со скоростью 0.03 ... 0.1 мм/мкс и при превышении определённой скорости нарастания тока di/dt происходит локальный перегрев области первоначального включения. Допустимая (критическая) скорость нарастания тока (di/dt)КРИТ задаётся в каталогах при максимально дпустимой температуре перехода. Для тиристора должно выполняться устовие

  1.  Расчёт допустимых рабочих перегрузок преобразователя по току

Перегрузки могут возникать в рабочих и аномальных режимах (пуски, неисправности механизмов и т. п.). Их допустимость оценивается по рабочим перегрузочным характеристикам, определяющим в функции времени допустимый ток перегрузки, при котором не превышается допустимая температура p-n перехода. Допустимый ток перегрузки вентиля зависит от предварительной загрузки преобразователя и условий охлаждения. В предшествующем режиме через преобразователь протекает ток Id, а через фазные вентили ток IV, нагревающие p-n переход до температуры

где PОС.СР – мощность, рассеиваемая в вентиле, Вт, определяемая выражением:

Амплитудное значение допустимого тока вентиля при длительности перегрузки t рассчитывается по формуле:

В этом выражении коэффициенты А и В определяются следующим образом:

где  - переходное тепловое сопротивление переход-среда, соответствующее времени перегрузки t, ºС/Вт;  - переходные тепловые сопротивления переход-корпус, соответствующие временам перегрузки 26, 20 и 6 мс, ºС/Вт.

Из справочника (ºС/Вт):

Для анализа возможных режимов установки в целом целесообразно определять не амплитудное значение допустимого тока перегрузки отдельного вентиля, а среднее значение тока перегрузки всего преобразователя, которое при активно-индуктивном характере нагрузки рассчитывается:

Рассчитаем и построим в логарифмическом масштабе (по оси t) перегрузочные характеристики преобразователя IdПРГ = f(t) для двух предшествующих режимов работы:

- холостой ход преобразователя Id = 0;

- номинальная нагрузка преобразователя Id = IdН.


Результаты всех расчётов сведём в таблицу 2.

Таблица

t, с

ZТ(П-С)t, ºС/Вт

В

Id = 0

Id = IdН

А

IdПРГ, А

А

IdПРГ, А

0.1

0.03

0.028

100

1551

53.6

1023

1

0.08

0.043

100

1166

57.7

793.9

10

0.15

0.064

100

883.9

63.4

634.0

100

0.25

0.094

100

668.0

71.5

518.0

1000

0.40

0.139

100

485.5

83.7

430.7

10000

0.42

0.145

100

479.3

85.4

422.9

Рисунок . Перегрузочные характеристики преобразователя.

  1.  Выбор аппаратов и элементов зашиты выпрямителя
    1.  Защита от аварийных перегрузок автоматическими воздушными выключателями

Аварийные перегрузки, сопровождающиеся большими токами, возникают как при коротких замыканиях в элементах цепи переменного тока преобразовательной установки, так и при коротких замыканиях в нагрузке и повреждениях отдельных полупроводниковых приборов. В последних случаях протекание сверхтоков через исправные вентили приводит к резкому повышению температуры p-n перехода, что может послужить причиной прожога выпрямительного элемента.

Защитная аппаратура при своём срабатывании призвана с минимальным запаздыванием разорвать цепь короткого замыкания и тем самым ограничить электродинамические и термические воздействия аварийного режима на вентили и другие элементы электрической установки.

В качестве аппарата, защищающего оборудование электроустановки в аварийных режимах, используются автоматические воздушные выключатели (автоматы), срабатывающие при повышении в них тока до значения установки. Автомат, установленный в цепи переменного тока преобразовательной установки, отключается как при внешних, так и внутренних повреждениях. Автомат в цепи постоянного тока отключается только при коротких замыканиях в нагрузке.

Выбор автомата А1:

переменного тока, трёхполюсный,

где  - ударный коэффициент, .

Этим требованиям удовлетворяет А3712Б.

Выбор автомата А2:

постоянного тока, духполюсный,

Этим требованиям удовлетворяет А3721Б.

  1.  Защита плавкими предохранителями

Дополнительно с автоматами для защиты полупроводниковых приборов при внутренних и внешних коротких замыканиях в некоторых случаях применяются специальные быстродействующие плавкие предохранители.

Для дополнительной защиты тиристоров выбираем предохранители типа ПП57-3137, отвечающие следующим условиям:

где UПР.Н, IПЛ.Н – номинальные напряжение предохранителя и ток плавкой вставки; IПР.ОТКЛ – ток отключения предохранителя.

  1.  Защита вентилей от перенапряжений

Переходные процессы в цепях вентильных преобразователей часто сопровождаются перенапряжениями, основными из которых являются: перенапряжения, обусловленные внутренними процессами в полупроводниковых приборах в моменты коммутации тока; коммутационные перенапряжения, возникающие в моменты отключения внешних цепей с индуктивностями и др. Перенапряжения могут привести к электрическому пробою приборов и коротким замыканиям. Для снятия возникающих перенапряжений применяют RC – цепочки, включаемые параллельно вентилям. Необходимую ёмкость конденсатора в такой цепочке можно определить по формуле, мкФ,

где UК – напряжение короткого замыкания трансформатора, %; IОБР.П – повторяющийся импульсный обратный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии, мА; IVM –амплитудное значение прямого тока, А.

Сопротивление резистора выбирается из необходимости ограничения тока при разряде конденсатора через открывающийся вентиль, особенно при больших углах регулирования. Если учесть, что ток, обеспечивающий нормальное развитие процесса включения тиристора, составляет 15 ... 20 А, а конденсатор может зарядиться до амплитуды напряжения источника питания, то

Мощность резистора RC – цепочки расчитывается по формуле, Вт,

где n – количество коммутаций в течении периода; UdM – амплитудное значение выпрямленного напряжения, В; T – период, с.

  1.  Защита вентилей при большой скорости нарастания пямого тока

При работе выпрямителя в течении периода происходит несколько коммутаций тока с одного тиристора на другой под действием напряжения сети. Скорость изменения тока в этом процессе может быть достаточно высокой, особенно при углах регулирования , и ограничивается только индуктивностью источника питания. Максимальное значение скорости нарастания прямого тока, определённое в разделе 6, не должно превышать критического значения:

  1.  Энергетические характеристики преобразователя
    1.  Коэффициент полезного действия

КПД (η) преобразовательной установки определяется суммарными потерями в согласующем трансформаторе (∆PТ), вентилях (∆PVC), цепях управления, защитных цепочках, собственных нуждах (∆PУ):

где  .

Отдельные составляющие потерь определяются следующим образом:

1) потери в согласующем трансформаторе, Вт,

где  - потери холостого хода и короткого замыкания в трансформаторе, Вт;  - коэффициент нагрузки трансформатора.

2) суммарные потери мощности в вентилях выпрямительной схемы, Вт,

где nТ – общее число тиристоров.

3) потери мощности в цепях управления, собственных нужд, защитных цепочках определяются приближённо в долях от номинальной мощности согласующего трансформатора, Вт,

Расчитаем и построим кривые КПД в зависимости от тока нагрузки при αНАЧ, αСР и αКОН углах регулирования, полученных из регулировочной характеристики. Ток нагрузки зададим: Id = 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1.0; 1.2 IdН. Наряжение на нагрузке Ud определяется по внешней характеристике при принятых значениях угла регулирования α и токах нагрузки Id.

Таблица

Id, А

PУ, Вт

PТ, Вт

PVC, Вт

Σ∆P, Вт

Ud, В

η

αНАЧ

αСР

αКОН

αНАЧ

αСР

αКОН

33.64

630

382

84.2

1096

218

52.2

20.5

0,993

0,968

0,904

67.28

477

168

1275

217

50.5

18.7

0,992

0,963

0,891

100.9

634

252

1517

215

48.3

17.0

0,990

0,956

0,872

134.6

856

337

1823

213

47.0

15.3

0,988

0,947

0,851

168.2

1140

420

2191

211

45.3

13.5

0,986

0,937

0,826

201.8

1488

505

2623

210

43.5

11.8

0,983

0,926

0,798

Рисунок . Кривые КПД в зависимости от тока нагрузки при разных углах регулирования.

  1.  Коэффициент мощности

Коэффициент мощности χ в общем случае может быть определён как отношение активной мощности, потребляемой из сети P, к полной мощности S:

где Q – потребление реактивной мощности преобразователем.

Активная мощность определяется мощностью, отдаваемой в нагрузку и потерями мощности в элементах преобразователя  и была рссчитана в предыдущем разделе.

Потребление реактивной мощности Q преобразователем складывается из двух составляющих:

где QТ и QВ – потребление реактивной мощности согласующим трансформатором и вентильной схемой.

Для согласующего трансформатора потребление реактивной мощности определяется только величиной тока нагрузки преобразователя:

где m2 – число фаз вторичной обмотки трансформатора; IХХ – ток холостого хода трансформатора, %.

Потребление реактивной мощности вентильной схемой QВ может быть определено через её коэффициент мощности χВ:

Для выпрямителя, как и для любой электрической установки с несинусоидальными токами, коэффициент мощности χВ определяется произведением коэффициентовискажения Ки и сдвига cosφ1 первичного преобразователя:

Для трёхфазной мостовой симметричной схемы выпрямления коэффициент искажения первичного тока равен , а коэффициент сдвика первичного тока . И т. о. коэффициент мощности равен .

Расчитаем и построим кривые коэффициентов мощности в зависимости от тока нагрузки при αНАЧ, αСР и αКОН углах регулирования, полученных из регулировочной характеристики. Ток нагрузки зададим: Id = 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; 1.0; 1.2 IdН. Наряжение на нагрузке Ud определяется по внешней характеристике при принятых значениях угла регулирования α и токах нагрузки Id.

Приведём в таблице окончательные результаты расчётов.

Таблица

Id, А

χ

αНАЧ

αСР

αКОН

33.64

0.582

0.371

0.127

67.28

0.627

0.391

0.112

100.9

0.645

0.400

0.110

134.6

0.656

0.406

0.113

168.2

0.663

0.411

0.119

201.8

0.668

0.416

0.128

Рисунок . Кривые коэффициента мощности в зависимости от тока нагрузки при разных углах регулирования.

  1.  Разработка системы управления преобразователем
    1.  Определение параметров управляющих импульсов и схемы управления

Для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое на его управляющий электрод следует подать управляющий импульс тока определенных уровня, формы и длительности, и при этом не должна быть превышена допустимая мощность потерь на управляющем электроде. В большинстве случаев включение тирнсторов осуществляется импульсами тока с крутым фронтом и достаточной амплитудой, при этом обеспечиваются точное задание угла отпирания тиристоров, симметрия тока в многофазной нагрузке, стойкость тиристоров к большим скоростям нарастания анодного тока.

Требуемая длительность импульса управления зависит от времени задержки включения, схемы преобразовательной установки и характера нагрузки. За время протекания импульса должен быть достигнут ток включения тиристора с учетом индуктивности нагрузки. В преобразовательных установках нереверсивных электроприводов должна обеспечиваться длительность импульса tу=300...500 мкс c длительностью фронта 3...4 мкс. В трехфазных мостовых преобразователях необходимо формирование на периоде для каждого тиристора двух импульсов, следующих друг за другом через 60 эл. град.

При расчете схемы управления определяют напряжение холостого хода Uxx и внутреннее сопротивление Rвн источника управления, при которых обеспечиваются требуемые параметры прямоугольного импульса. Необходимые величины определим по вольт-амперным характеристикам управляющего электрода (ВАХУ) тиристора, приводённым в справочнике.

ВАХУ тиристоров, соответствующие техническим условиям, ограничены кривыми, определенными при максимально н минимально допустимых входных сопротивлениях цепи управляющего электрода. На ВАХУ также нанесены максимально допустимые значения прямого тока Iуmax, импульсного прямого напряжения Uуmax управляющего электрода и кривые максимально допустимых потерь мощности Рум на управляющем электроде при различной длительности tу и скважности Ку импульсов трапецеидальной формы:

Ky=T/(n*ty),

где Т- период повторяемости импульсов управления, с; n - число импульсов на периоде.

Для определения параметров системы управления на ВАХУ дополнительно необходимо нанести линии, соответствующие значениям отпирающих тока Iyo и напряжения Uyo управления. Зона, ограниченная этими линиями и осями ординат является областью негарантированного отпирания.

Напряжение Uxx и сопротивление Rвн должны выбираться таким образом, чтобы линия нагрузки источника управления не пересекала гиперболу максимально допустимой мощности потерь при принятой скважности управляющих импульсов и область негарантированного отпирания при всех возможных в эксплуатации отклонениях Uxx и Rвн от расчетных значений.

Возможные отклонения Uxx определяются допустимыми колебаниями напряжения источника питания, а Rвн - допуском на отклонение его величины от номинального значения и колебаниями температуры окружающей среды. Обычно источник управления имеет сравнительно небольшое внутреннее сопротивление, поэтому для ограничения тока управления, целесообразно последовательно с электродом управления включить дополнительное сопротивление, которое условно можно отнести к внутреннему сопротивлению. К Rвн можно также отнести сопротивление соединительных проводов.

Линия нагрузки 2, соответствующая минимальному значению напряжения Uxxmin и максимальному значению сопротивления Rвнmax, не должна пересекать область негарантированного открытия, а может лишь касаться её в предельном случае. Линия нагрузки 1, соответствующая максимальному напряжению Uxx и минимальному сопротивлению Rвнmin не должна пересекать линию допустимой мощности потерь Py1 для выбранной длительности ty1 и скважности Ky1 импульса, а может лишь касаться её (точка D). Напряжение холостого хода источника управления Uxx принимается равным напряжению в точке пересечения нагрузочной прямой 1 с осью координат, при этом должно выполняться условие:

Uу(D)<Uxx≤2Uу(D),

где Uy(D) напряжение на управляющем электроде в точке D. Uxx = 20 В, Iкз.max = 5 А.

Минимальное сопротивление Rвнmin соответствующее линии нагрузки I, находится по формуле:

Rвнmin= Uxx / Iкз.max,

Rвнmin= 20 /5=4 Ом.

  1.  Разработка электрической схемы СИФУ

В качестве системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами будем использовать СИФУ тиристороного преобразователь серии ПТ3 выпускаемого в комплекте с двигателями серии ПБСТ мощностью от 1.15 до 11.3 кВт и предназначенного для регулирования скорости рабочих органов станков или машин в диапазоне от 100:1 до 200:1.

Вентильный силовой блок собран по трёхфазной симметричной схеме на тиристорах VS1 ... VS6 (рис. 4).

Для формирования и усиления импульсов управления, подаваемых на тиристоры, служат шесть одинаковых блоков Б1 ... Б6. На каждый блок подаётся алгебраическая сумма напряжений: пилообразного, поступающего с блока пилообразных напряжений, и напряжения управления Uу с выхода промежуточного усилителя. В момент равенства этих напряжений выдаётся импульс на тиристор (рис. 2).

Блок пилообразных напряжений. Блок выполнен на трёх одинаковых трансформаторах Т1, Т2, Т3, каждый из которых имеет одну первичную и шесть вторичных обмоток (рис. 5). Первичные обмотки соединены в треугольник.

Блок выдаёт шесть пилообразных напряжениё, сдвинутых относительно друг друга на 60º эл. Пилообразное напряжение получается при сложении синусоиды и двух полусинусоид, сдвинутых относительно основной синусоиды на угол ±60º. Получение "пилы" для первого тиристора показано на рис. 1 (см. ещё рис. 5). Изменение потенциалов начал обмоток (отмеченных точками) показано на рис. 1 сплошными линиями. Изменение потенциалов концов относительно начал – пунктирными. На рисунке видно, что полусинусоиды – UТ1 и UТ3 сдвинуты относительно основной соответственно на +60º и –60º. Полусинусоиды – это падения напряжений на сопротивлениях и образованы благодаря диодам, включённым последовательно с обмотками Т1 и Т3 (в первой "пиле"). Чтобы получить пилообразное напряжение, достаточно геометрически сложить основную синусоиду и две полусинусоиды.

Необходимый сдвиг рабочей зоны пилообразного напряжения относительно анодного обеспечивается соответствующим включением обмоток трансформатора пилообразного напряжения относительно вторичных обмоток силового трансформатора (рис. 2).

На рисунке момент времени t0 соответствует углу α = 0, то есть моменту естественной коммутации. При Uу = Uу1 угол α = α1, при Uу = Uу2 угол α = α2.

Напряжение управления с промежуточного усилителя подаётся сразу на все шесть блоков управления. Как уже упоминалось, на входы блоков управления подаётся алгебраическая сумма напряжений: Uу и "пилы". При изменении напряжения управления по величине и напрявлению изменяется угол α (рис. 2).

Рассмотрим работу первого блока управления (рис. 3). Когда напряжение на входе блока становится равным и меньше нуля, транзистор VT4 (p-n-p), выполняющий роль нуль-органа, отпирается. При отпирании транзистора VT4 напряжение на переходе эмиттер-коллектор VT4 становится равным нулю. При нулевом базовом напряжении транзистор VT3, выполняющий роль усилителя, запирается. В момент запирания VT3 происходит зарядка конденсатора C1 по цепи: эмиттер-база VT2, эмиттер-база VT1 – VD3 – С1 – R3. Ждущий блокинг-генератор, выполненный на составном транзисторе (VT2, VT1), запускается, то есть оба транзистора отпираются. На тиристор VS1 через диод VD1 с выходной обмотки импульсного трансформатора Т подаётся отпирающий импульс.

Диод VD6 служит для разрядки конденсатора C1 через отпертый транзистор VT3. Транзистор VT4 отперт в течении времени, пока (U"пилы" - Uу) < 0. Время отпертого состояния транзисторов VT2, VT1, а, значит, и время выходного прямоугольного импульса блокинг-генератора зависит от индуктивности трансформатора Т, коэффициента усиления по току составного транзистора и других величин. Время короткого импульса, запускающего блокинг-генератор, определяется постоянной времени заряда конденсатора C1. Сопротивление R5 включено в цепь положительной обратной связи. Под действием этой обмотки в момент срабатывания блокинг-генератора через переходы эмиттер-база транзисторовVT1, VT2 проходит импульс тока, способствующий отпиранию составного транзистора. Конденсатор С2, соединяющий коллектор с базой VT1, осуществляет отрицательную обратную связь и снижает чувствительность блокинг-генераотра к помехам. Диод VD2 и резистор R4 шунтируют первичную обмотку импульсного трансформатора и снижают перенапряжение на обмотке при спаде тока, то есть при запирании транзисторов VT1, VT2. Это перенапряжение направлено согласно с питающим напряжением по отношению к переходам коллектор-эмиттер транзисторов.

Как известно, в трёхфазной мостовой симметричной схеме на каждый тиристор подаётся два импульса, сдвинутых на 60º. Система получения таких импульсов представляет собой логическую схему сложения.

Например, с первого блока (рис. 3; 4) импульс, синхронный с импульсом управления первого тиристора, поступает в блок Б6 (точка a), а с блока Б2 на первый блок (точка b) поступает импульс, отстающий на 60º.

Блоки управления обеспечивают получение управляющих импульсов с амплитудой Uвых = 12 В при токе Iвых = 500 мА, ширина импульса –10 ... 20º эл.

Напряжение питания блока управления –24 В, напряжение управления ±10 В, амплитуда пилообразного напряжения ±12 В.

  1.  Заключение

Обучаясь на кафедре промышленной электроники Ивановского Государственного Энергетического Университета я смог изучить наиболее часто применяемые схемы выпрямления и применить полученные знания на практике при работе над курсовым проектом по дисциплине "Энергетическая электроника" в наиболее полной мере. При большом разнообразии схем и нагрузок методика расчета рассматриваемого класса преобразователей одинакова и была сведена к выбору элементов одного комплекса управляемого выпрямителя.

В моем проекте я рассчитал основные параметры трёхфазной мостовой симметричой схемы выпрямления и построил  различные характеристики управляемого выпрямителя, предназначенного для питания двигателя постоянного тока типа П-81 с мощностью 32 кВт, питающегося от сети переменного тока 220/380 В. Также в процессе работы я ознакомился с основными видами тиристоров, трансформаторов, автоматических выключателей, применяемых в промышленности, и их параметрами.

  1.  
    Список литературы

1. Глух Е. М., Зеленов В. Е. Защита полупроводниковых преобразователей.- 2-е изд.- М.: Энергоиздат, 1982. - 152 с.

2. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М. И. Абрамович, В.М. Бабайлов, В. Е. Либер и др. – М.: Энергоатомиздат, 1992. - 432 с.

3. Замятин В. Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник / В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, В. М. Петухов и др. - М.: Радио и связь, 1987. - 576 с.

4. Полупроводниковые выпрямители / В. И. Беркович, В. Н. Ковалев, Ф. И. Ковалев и др.; Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой - 2-е изд. - М.: Энергия, 1978. - 448 с.

5. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник / И. X. Евзеров, А. С. Горобец, Б. И. Мошкович и др.; Под ред. В. М. Перельмутера - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319с.

6. Руденко В. С., Сенько В. И., Чиженко И. М. Основы преобразовательной техники: Учеб для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1980. - 424 с.

7. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко - Киев: Техника, 1978. - 447с.

8. Характеристики полупроводниковых преобразователей: Учебн. пособие / Н. Л. Архангельский, Б. С. Курнышев; Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 1993. - 72 с.

9. Чебовский О. Г, Моисеев Л. Г., Недошивин Р. П. Силовые полупроводниковые приборы; Справочник - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75357. Структура і графоаналітична модель потенціалу підприємства 119 KB
  Під структурою системи, якою є потенціал підприємства, розуміють мережу найбільш суттєвих, стійких (інваріантних) звязків між елементами. На думку М.Ф. Овчинникова, структура представляє собою «інваріантний» аспект системи. В.И.Кремянський також звертає увагу на те, що структура виражає не усю сукупність звязків обєкту
75358. ФОРМУВАННЯ ПОТЕНЦІАЛУ ПІДПРИЄМСТВА 374.5 KB
  Методичні та організаційноекономічні засади формування потенціалу підприємств Формування потенціалу підприємства це процес ідентифікації та створення спектру підприємницьких можливостей його структуризації та побудови певних організаційних форм задля стабільного розвитку та ефективного відтворення. Розглянемо більш детально що представляє собою процес формування потенціалу підприємства. Властивості економічної системи Властивості економічних систем дозволяють виокремити загальні...
75359. Особливості формування виробничого потенціалу підприємства 86.5 KB
  Особливості формування виробничого потенціалу пва 1.Загальні підходи щодо формування потенціалу підприємства Процес формування потенціалу підприємства є одним з напрямків його економічної стратегії і передбачає створення й організацію системи ресурсів і компетенцій таким чином щоб результат їхньої взаємодії був фактором успіху в досягненні стратегічних тактичних і оперативних цілей діяльності підприємства. Системний підхід є одним з основних у процесі формування потенціалу підприємства. Потім визначаються параметри входу: які потрібні...
75360. ОЦІНЮВАННЯ ВАРТОСТІ ЗЕМЕЛЬНОЇ ДІЛЯНКИ, БУДІВЕЛЬ І СПОРУД 157.5 KB
  Особливості оцінки земельної ділянки будівель і споруд. Проблема оцінки незабудованої земельної ділянки або земельної ділянки з поліпшеннями нерухомістю вже давно є об’єктом ретельного дослідження багатьох науковців. Вартість земельної ділянки будівель і споруд визначається їх специфічною корисністю унікальністю довговічністю місцерозрашуванням а також кількістю ринкових пропозицій.
75361. ОЦІНЮВАННЯ РИНКОВОЇ ВАРТОСТІ МАШИН І ОБЛАДНАННЯ 221 KB
  Вживаний у практиці господарювання термін “машини та обладнання” має більш широке значення і не зводиться тільки до четвертої групи типової класифікації основних фондів, яка використовується діючими системами бухгалтерського обліку та статистики.
75362. Нематеріальні активи та методи їх оцінки 185.5 KB
  Визначимо специфічні риси нематеріальних активів: відсутність матеріальної основи для отримання вигод; умовна невіддільність від суб’єкта господарювання; тривалий термін використання; відсутність корисних відходів; невизначеність усього спектру можливих ефектів від використання; підвищений рівень ризику на стадіях створення та використання. Відзначені риси нематеріальних активів характеризують їх в якості об’єкта обліку як узагальнену оцінку результатів творчої діяльності і засобів індивідуалізації юридичних осіб...
75363. ТРУДОВИЙ ПОТЕНЦІАЛ ПІДПРИЄМСТВА ТА ЙОГО ОЦІНЮВАННЯ 210.5 KB
  Роль і значення трудового потенціалу в економічних відносинах. Методологія оцінювання трудового потенціалу підприємства. Методики оцінювання трудового потенціалу підприємства. Роль і значення трудового потенціалу в економічних відносинах Трудові ресурси це економічно активна працездатна частина населення регіону яка володіє фізичними і культурноосвітніми можливостями для участі у економічній діяльності підприємства організації.
75364. ОЦІНЮВАННЯ ВАРТОСТІ БІЗНЕСУ 234 KB
  Відповідно до міжнародних стандартів, оцінювання вартості бізнесу — це акт чи процес формування точки зору оцінювача та підрахунку вартості бізнесу, цілісного майнового комплексу або пов’язаних з ним прав. Визначення вартості окремих елементів бізнесу досліджувалося у попередніх розділах
75365. СУТНІСНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТЕНЦІАЛУ ПІДПРИЄМСТВА 134 KB
  Властивості потенціалу підприємства. Воблого знайшло обґрунтування поняття потенціалу виробничих сил як потенційної можливості країни виробляти матеріальні блага для задоволення потреб населення. До складових потенціалу в цьому розумінні відносять відповідні трудові матеріальні фінансові та інформаційні ресурси які залучаються у сферу вдосконалення виробництва.