Расчет управляемого выпрямителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание на курсовой проект

Исходные данные

1. Выбор и расчет схемы выпрямления

1.1 Выбор схемы выпрямления

1.2 Определение параметров согласующего трансформатора

1.3 Определение параметров элементов фильтра

1.4 Выбор и расчёт вентилей

1.5 Расчёт RC-цепей тиристоров

2. Расчет регулировочной характеристики

3. Расчет внешних характеристик преобразователя

4. Разработка функциональной схемы управления вентилями

Выводы

Список литературы

Задание на курсовой проект

1. Выполнить расчёт управляемого выпрямителя. Обосновать выбор силовой схемы. Произвести выбор и расчёт вентилей, а также RC цепей тиристоров. Определить параметры согласующего трансформатора и параметры элементов фильтра. При выборе схемы принять КПД трансформатора =95%

2. Рассчитать и построить регулировочную характеристику в абсолютных единицах для режима непрерывного тока и для режима прерывистого тока.

3. Рассчитать и построить семейство внешних характеристик при значениях угла управления б=0°, б=30°, б =60° в абсолютных единицах. Расчет внешних характеристик произвести с учётом коммутации вентилей. При этом реактивную составляющую напряжения короткого замыкания трансформатора и питающей сети принять равным 10%. Активной составляющей напряжения короткого замыкания пренебречь.

4. Разработать функциональную схему управления вентилей (СИФУ). Привести описание работы силовой части выпрямителя совместно с функциональной схемой системы управления.

Исходные данные

1. Напряжение сети Uc=6000 В (Uc - линейное напряжение 3х фазной сети);

2. Среднее значение выпрямленного напряжения Ud=250 В;

3. Среднее значение тока нагрузки Id=1500 А;

4. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения q=3%;

5. Коэффициент полезного действия схемы выпрямления з=93%;

6. При выборе схемы выпрямления КПД трансформатора з=95%;

7. При расчёте параметров принять напряжение вентилей в открытом состоянии Uv=1,75 В;

1. Выбор и расчёт схемы выпрямления

1.1 Выбор схемы выпрямления

В данной курсовой работе выбор схемы осуществляется на основании двух параметров:

1. Коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения q=3 %

2. Общего КПД схемы з=93%

Под коэффициентом пульсаций понимается отношение амплитудного значения гармоники с номером n к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для выбора выпрямителей по коэффициенту пульсаций во внимание принимается коэффициент пульсаций самой низкочастотной гармоники q, который находится по формуле:

где m-число фаз выпрямления.

Значения коэффициента пульсаций самой низкочастотной гармоники, рассчитанные для схем с различным числом фаз, приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

m	3	6	12
q	0.25	0.057	0.014

По таблице 1 выбираем коэффициент пульсаций самой низкочастотной гармоники наиболее близкий к заданному коэффициенту пульсаций выпрямленного напряжения. Выбранный коэффициент пульсаций должен быть больше заданного.

Таким образом, выбранный коэффициент пульсаций самой низкочастотной гармоники: q=5.7%. При этом число фаз выпрямления схемы m=6.

Данное число фаз обеспечивают две схемы:

1. трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова)

2. двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором.

Выбор схемы осуществляется сравнением требуемого КПД и КПД каждой схемы. Выбираем ту схему, расчетный КПД которого будет максимально приближен к требуемому.

Схема Ларионова

Мощность нагрузки:

Потери мощности в тиристорах:

КПД тиристора:

КПД схемы Ларионова:

Таким образом, рассчитанный коэффициент полезного действия удовлетворяет требованиям, предъявленным в задании. Поэтому схему Ларионова можно использовать в качестве схемы выпрямления.

Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором.

Мощность нагрузки:

Потери мощности в тиристорах:

КПД тиристора:

КПД двойного трехфазного выпрямителя с уравнительным реактором:

Таким образом, коэффициент полезного действия схемы двойного трехфазного выпрямителя с уравнительным реактором несколько больше требуемого в задании, поэтому выбор этой схемы приведет к увеличению числа вторичных обмоток и к необходимости использования уравнительного реактора, что приведет к дополнительным финансовым затратам.

Исходя из приведенных расчетов, выбираем схему Ларионова в качестве исходной схемы выпрямления.

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова) изображена на рис. 1.

Рис.1. Трёхфазная мостовая схема выпрямления

1.2 Определение параметров согласующего трансформатора

В общем случае выходное выпрямленное напряжение рассчитывается по следующей формуле:

В данной схеме , , тогда:



Значение тока вторичной обмотки трансформатора :

Коэффициент трансформации равен:

С учетом коэффициента трансформации можно определить действующее значение тока в первичных обмотках трансформатора по следующей формуле:

В схеме Ларионова мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора равны между собой и равны полной мощности трансформатора:



1.3 Определение параметров элементов фильтра

Для выпрямителей большой мощности (более 10 кВт) рекомендуется применять индуктивный фильтр. Величина индуктивности фильтра пропорциональна сопротивлению нагрузки, поэтому такие фильтры рекомендуется применять в выпрямителях, работающих на низкоомную нагрузку.

Коэффициент пульсации схемы Ларионова:

Заданный схемный коэффициент пульсации:

Коэффициент сглаживания:

Сопротивление нагрузки:

Индуктивность фильтра:

1.4 Выбор и расчет тиристоров

Средний ток тиристора:

Максимальный ток тиристора:

Максимальное напряжение на тиристора:

Максимальное обратное напряжение на тиристоре:



Выбор тиристоров производится в соответствии с параметрами Ivcp и Uvобр, затем тиристоры проверяются на Iдоп.ср.

Выбор номинального тока тиристора

Максимально допустимый средний ток тиристора, указанный в паспортных данных (номинальный ток), определен при так называемых квалификационных условиях (частоте 50 Гц, однополупериодном синусоидальном токе, температура корпуса 850 С, угле проводимости 1800 и т.д.). Реальные условия работы (особенно охлаждение) полупроводниковых приборов в значительной степени отличаются от квалификационных, что затрудняет выбор тиристора по току. Предварительное значение номинального тока в предполагаемых условиях охлаждения определяются по соотношению:

,

где K0 - коэффициент условий охлаждения тиристора (K0 = 2…4 при естественном охлаждении тиристоров на стандартных радиаторах), Кiw = 0.5…0,8 - коэффициент запаса по рабочему току, принимаем К 0 = 2, Кiw = 0.65:

.

Выбор класса тиристора по рабочему напряжению

Класс тиристора определяется допустимым значением повторяющегося импульсного напряжения , деленным на 100. Напряжение тиристора не должно быть меньше амплитуды рабочего напряжения на тиристоре. Уровень запаса выбирается из условия получения приемлемых параметров устройств ограничения перенапряжений и потерь в них:

>,

где - коэффициент запаса по рабочему напряжению, =0,5…0,8 выбираем =0,7.

= 261,7 / 0,7 = 382,43 В.

Выбираем полупроводниковый прибор со значением , наиболее близким к рассчитанному. Выбираем тиристоры типа Т 153-1600-4.

Охладители предназначены для отвода тепла от полупроводникового прибора и создания приемлемого теплового режима. Выберем охладитель типа О 173-200.

Таблица 2. Параметры тиристора

Параметр	Предельно допустимое значение
Средний ток в открытом состоянии, Ivср,А	1600
Действующий ток в открытом состоянии, А	2512
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В	400
Пороговое напряжение U0	1,01
Максимально допустимая температура перехода Тп.мах	130 0С
Дифференциальное сопротивление Rд	0,069
Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии, А/с	200
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/с	500-1600
Установившееся тепловое сопротивление переход - среда	0,175

В нормальном режиме работы температура p-n перехода не должна превышать максимального допустимого значения, для чего необходимо выполнить условие:. Максимально допустимый средний ток тиристора определяется по реальным условиям охлаждения и работы прибора:

,

где U0 - пороговое напряжение; RД - дифференциальное сопротивление тиристора в открытом состоянии, Ом; ТП.МАХ - максимально допустимая температура p-n перехода; ТС - температура окружающей среды; RТ(П-С) - установившееся тепловое сопротивление переход - среда.

А,

- условие выполняется.

1.5 Расчет RC цепей тиристоров

RC цепи предназначены для ограничения скорости нарастания напряжения (dU/dt) на тиристорах при выключении, в процессе коммутации, а также в режиме включения преобразователя в работу.

Величина емкости С:

,

где - коэффициент запаса

Выбираем конденсатор с требуемым или с ближайшим большим значением емкости, предназначенный для работы в цепях переменного тока и рассчитанный на напряжение питающей сети. В соответствии с этим выбираем конденсатор МБГО-10 мкФ-400 В.

Резистор предназначен для ограничения тока разряда конденсатора при включении тиристора до уровня дополнительного тока рабочей перегрузки Iрп.

Ток рабочей перегрузки для тиристоров в 10 раз больше номинального тока нагрузки. Исходя из этого:

Рассчитаем мощность резистора. Для этого необходимо определить энергию, накопленную в конденсаторе:

Теперь непосредственно рассчитаем мощность резистора:

Из справочника выбираем резистор с ближайшим большим сопротивлением 0.1 Ом, мощностью 25Вт марки С 5-43.

2. Расчёт регулировочной характеристики

При активно-индуктивной нагрузке схема может работать в двух режимах:

1. режим непрерывного тока; 2. режим прерывистого тока.

Прерывистость тока в цепи нагрузки зависит от угла регулирования б и от соотношения параметров нагрузки Rd и индуктивного фильтра Ld.

При () непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях Rd и Ld.

При увеличении угла управления б непрерывный режим тока сохраняется только при значительном увеличении индуктивности Ld. Для без больших погрешностей можно считать ток нагрузки идеально сглаженным. выпрямитель трансформатор тиристор

Регулировочные характеристики пересекают ось угла регулирования б в точках б = 900 и б = 1200 электрических градусов для режимов непрерывного и прерывистого токов соответственно. Режим прерывистого тока начинается при значении угла регулирования б = 600.

Рис. 2. Регулировочные характеристики выпрямителя

Ud1 - соответствует режиму непрерывного тока.

Ud2 - соответствует режиму прерывистого тока.

3. Расчёт внешних характеристик преобразователя

Рассчитаем и построим семейство внешних характеристик при значениях угла управления б=0°, б=30°, б =60° с учётом коммутации вентилей. При этом реактивную составляющую напряжения короткого замыкания трансформатора и питающей сети примем равным 10%. Активной составляющей напряжения короткого замыкании пренебрегаем.

- падение напряжения на анодной индуктивности;

Тогда среднее напряжения значение на выходе выпрямителя с учетом коммутации

Так как реактивную составляющую напряжения короткого замыкания трансформатора и питающей сети приняли равной 10%, то

,

Ом.

Тогда семейство внешних характеристик при б1=0°, б2=30°, б3=60° будут выглядеть следующим образом:

Рис. 3. Внешние характеристики выпрямителя

Из графика внешних характеристик видно, что с увеличением угла управления значение выходного напряжения уменьшается. Наклон внешних характеристик обусловлен численным значением

4. Разработка функциональной схемы управления вентилями

Вентильные преобразователи состоят из силовой части и системы управления. Силовая часть управляемого выпрямителя, выполненная на управляемых вентилях (тиристорах), может работать только при подаче на управляющие электроды в определённые моменты времени импульсов, обеспечивающих включение данных вентилей. Эту функцию выполняет система управления. Она выполняет две основных задачи:

1. Определение моментов времени, в которые должны быть включены те или иные конкретные вентили;

2. Формирование управляющих импульсов, т.е. создание управляющих сигналов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров.

Рис. 4. Функциональная схема системы управления тиристорами

На рисунке 4 приведена функциональная схема системы управления тиристорами, где:

1. ТV2 - понижающий трансформатор;

2. К1 и К2 - компараторы;

3. ГПИ - генератор пилообразного напряжения;

4. ФКИ - формирователь коротких импульсов;

5. ИУ - импульсный усилитель.

С силового трансформатора TV1 снимается значение линейного напряжения (Uac). Полученный сигнал поступает на понижающий трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку системы управления и силовой части выпрямителя, с целью защиты от больших величин напряжения и тока. С помощью компаратора К1 синусоидальное линейное напряжение преобразовывается в прямоугольные импульсы такой же продолжительности. Полученные импульсы с компаратора К1 поступают на генератор пилообразного напряжения ГПН, где сигналы из импульсов заменяются напряжением пилообразной формы. Компаратор К2, при заданном управляющем напряжении Uупр и поступающем пилообразном напряжении, формирует из них сигнал прямоугольной формы, который и определяет угол управления б. Формирователь коротких импульсов ФКИ из полученного прямоугольного импульса создает импульс напряжения значением не менее значения необходимого по продолжительности и величине для открытия тиристора. Результирующий сигнал после импульсного усилителя ИУ поступает на управляющий электрод тиристора.

На рисунке 5 представлены графики работы системы управления.

Рис. 5. Графики работы системы управления

Выводы

1. В соответствие с заданными значениями произвел расчёт и выбор схемы выпрямления. По заданному значению КПД выбрал трёхфазную мостовую схему выпрямления (схема Ларионова).

2. Рассчитал параметры согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации .

3. Произвел выбор вентиля - Т 153-1600 и его охладителя - О 353-150. Выбрал индуктивный фильтр, так как он более подходящий для выпрямителей мощностью > 10 кВт (в данной работе кВт). В цепи управления тиристорами выбрал конденсатор К 73-50-10 мкФ-400 В, а также резистор С 5-43 сопротивлением 0.1 Ом и мощностью 25 Вт.

4. Рассчитал и построил регулировочную характеристику выпрямителя. Характеристики режима непрерывного тока и режима прерывистого тока совпадают при значении угла регулирования . Характеристика режима непрерывного тока обращается в ноль при , а характеристика прерывистого тока обращается в ноль при, что характерно для схемы Ларионова.

5. Рассчитал и построил семейство внешних характеристик при различных значениях угла регулирования. Показал, что с увеличением значение напряжения на выходе выпрямителя снижается.

6. Разработал функциональную схему управления вентилей на основе СИФУ. Произвел её описание.

Список литературы

1. Проектирование и расчет непосредственного преобразователя частоты. Медод. Указания/НГТУ/ А.А. Асабин, С.В. Симанов - Н.Новгород, 1998.

2. Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. - М.: Энергия, 1985.

3. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. - М.: Энергоиздат, 1982.

Размещено на Allbest.ru

...