Расчет преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные

Тип силовой схемы - трёхфазная мостовая перекрёстная. Преобразователь реверсивный с совместным управлением. Обмотки силового трансформатора соединены в группу «звезда - двойная звезда». Силовая схема (с необходимыми элементами защиты).

Параметры питающей сети:

- номинальное линейное напряжение сети:

- число фаз сети:

- частота сети:

- отклонение напряжения сети:

Параметры преобразователя:

- допустимое относительное действующее значение уравнительного тока:

- допустимое относительное действующее значение основной гармоники выходного тока преобразователя:

- длительность 100% токовой перегрузки:

Тип двигателя и его параметры:

- электродвигатель постоянного тока 2ПФ180;

- номинальная мощность:

- номинальное напряжение:

- номинальная скорость:

- номинальный КПД:

2. Область применения заданного варианта схемы ВП, назначение всех его элементов, описание работы

Трёхфазная мостовая перекрёстная схема применяется для питания якорных цепей электродвигателей постоянного тока средней мощности. Реверсивный преобразователь имеет совместное согласованное управление.

Силовая схема состоит из преобразовательного трансформатора T, двух комплектов силовых вентилей VS1 - VS6 и VS7 - VS12, двух уравнительных реакторов L_УР, электродвигателя М и устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений.

Трансформатор обеспечивает согласование нагрузки с силовой питающей сетью.

Силовые вентили подключают нагрузку на линейное напряжение сети в соответствии с углом управления и обеспечивают необходимое значение напряжения на нагрузке.

Реакторы L_УР ограничивают уравнительный ток, протекание которого обусловлено тем, что при совместном управлении мгновенные значения напряжений выпрямителя и инвертора различны и между ними действует уравнительное напряжение.

Устройства защиты предохраняют преобразователь от аварийных токов и перенапряжений при коммутации вентилей и питающей сети. К ним относятся предохранители, автоматический выключатель, вспомогательные выпрямители (на каждый силовой комплект по одному) и разрядные RC цепи на каждом силовом вентиле.



Рисунок 1 - Схема преобразователя

3. Расчет параметров и выбор преобразовательного трансформатора

Для согласующего трансформатора необходимо определить напряжения и токи первичной и вторичной обмоток, полную мощность и ток холостого хода.

Фазное напряжение первичной обмотки, соединенной в «звезду», будет равно:

(3.1)

Фазное напряжение вторичной обмотки вычисляется по формуле:

(3.2)

где - учитывает возможное снижение напряжения сети, определяется по формуле:

 (3.3)

- учитывает коммутацию и асимметрию напряжений (принимается предварительно);

- учитывает падение напряжения в вентилях, обмотках трансформатора и реакторах (принимается предварительно);

- коэффициент схемы ВП, берётся из [1, с. 11 Таблица 1];

- номинальное напряжение на якоре двигателя, берётся из исходных данных на двигатель.

Расчетная мощность силового трансформатора:

(3.4)

где - коэффициент, зависящий от силовой схемы ВП, берётся из [1, с. 11 Таблица 1];

- наибольшая потребляемая нагрузкой мощность; (3.5)

- наибольшее среднее значение ЭДС ВП; (3.6)

- номинальный ток нагрузки. (3.7)

Действующее значение линейного тока ВП:

(3.8)

где - коэффициент схемы, берётся из [1, с. 11 Таблица 1].

Действующее значение фазного тока первичной обмотки трансформатора:

(3.9)

где - коэффициент трансформации; (3.10)

- коэффициент схемы, берётся из [1, с. 11 Таблица 1].

Трансформатор с указанной группой соединения обмоток «звезда - двойная звезда» затруднительно найти в промышленных каталогах, поэтому необходимо применить специальный трансформатор (выполненный по заказу), обладающий следующими рассчитанными параметрами:

- фазное напряжение первичной обмотки:

- фазное напряжение вторичной обмотки:

- полная мощность трансформатора:

- линейный ток первичной обмотки:

- линейный ток вторичной обмотки:

Так как трансформатор выполняется на заказ, то значения тока холостого хода, напряжения на холостом ходу и потери при холостом ходе и коротком замыкании берутся равными значениям параметров трансформатора той же мощности, который выпускается серийно [3]:

- полная мощность трансформатора:

- напряжение короткого замыкания:

- ток холостого хода:

- потери холостого хода:

- потери короткого замыкания:

4. Расчет параметров и выбор силовых вентилей преобразователя

Выбор вентилей производят по среднему значению тока, протекающего по ним, и величине приложенного повторяющегося импульсного напряжения.

Расчетное среднее значение тока вентиля:

(4.1)

где - коэффициент, зависящий от числа фаз.

Наибольшее расчетное значение повторяющегося импульсного напряжения на вентилях:

(4.2)

где - коэффициент схемы, берётся из [1, с. 11 Таблица 1].

По рассчитанным значениям и из справочника [2] выбираем тиристор Т151-100 со следующими основными параметрами, учитывая, что при применяется естественное охлаждение вентилей:

- наибольший допустимый средний ток:

- пороговое напряжение вентиля:

- повторяющееся импульсное обратное напряжение: (5-ый класс вентиля);

- дифференциальное сопротивление прямой ветви вентиля:

- максимально допустимая температура структуры:

- температура охлаждающего воздуха:

- установившееся тепловое сопротивление «переход-среда»:

- переходное тепловое сопротивление «переход-среда»:

Для выбранного типа прибора рассчитываем наибольшее допустимое значение прямого тока с учетом возможной 100% токовой перегрузки в динамических режимах работы привода в течение заданного интервала времени. При этом полагают ток нагрузки идеально сглаженным .

(4.3)

где - коэффициент формы тока вентиля для трехфазной схемы;

- потери в вентиле при токовой перегрузке; (4.4)

где - потери в номинальном режиме. (4.5)

Для надежной работы ВП необходимо, чтобы параметры выбранных приборов удовлетворяли условиям из [1, с. 13]:

(4.6)

(4.7)

Для выбранного вентиля Т151-100:

Полученные значения удовлетворяют условиям (4.6) и (4.7). Делаем вывод о том, что вентили выбраны правильно и будут надежно работать не только в номинальном режиме, но и при перегрузках.

5. Расчет параметров и выбор уравнительных реакторов

При совместном управлении группами ВП в контуры уравнительного тока с целью ограничения его величины включают уравнительные реакторы.

Величина суммарной индуктивности контура уравнительного тока:

(5.1)

где - наибольшая при согласованном управлении величина коэффициента действующего значения уравнительного тока, берётся из [1, с. 11 Таблица 1];

- амплитуда линейного напряжения, берётся из [1, с. 14];

(5.2)

Требуемая индуктивность уравнительных реакторов:

(5.3)

где - количество фазных обмоток, по которым одновременно проходит уравнительный ток, берётся из [1, с. 14];

- индуктивность рассеяния фазы согласующего трансформатора, берётся из [1, с. 14]. (5.4)

Действующее значения статического уравнительного тока:

(5.5)

Исходя из рассчитанных величин: выбираем уравнительные реакторы. Выбираем ближайший по параметрам типовой реактор из [3]. При выборе ненасыщающегося реактора со сталью необходимо учесть, чтобы он не насыщался при 100% токе перегрузки.

Выбирая конкретные типы реакторов необходимо также иметь в виду, что если они ненасыщающиеся, то индуктивность каждого из них должна быть равна , а для насыщающихся - .

Из справочника [3] выбираем ненасыщающиеся реакторы. Так как типовой реактор с требуемыми параметрами отсутствует, то проектируем нестандартный ненасыщающийся с исходными данными:

- номинальная индуктивность:

- номинальный ток нагрузки:

- активное сопротивление обмоток:

Активное сопротивление обмоток рассчитывается по:

(5.6)

где - активное сопротивление якоря двигателя; (5.7)

- номинальная угловая скорость вращения; (5.8)

- номинальная скорость двигателя;

- конструктивная постоянная двигателя; (5.9)

- номинальный момент двигателя. (5.10)

Расчет активного сопротивления якоря двигателя выполнен по [7].

6. Расчет сглаживающего реактора

Для уменьшения пульсаций тока ВП и сужения зоны прерывистых токов в якорную цепь двигателя включают сглаживающий реактор.

Требуемая величина индуктивности якорной цепи определяется из равенства:

(6.1)

где - кратность пульсаций выходного напряжения;

- основная гармоника выходного тока ВП, берётся из исходных данных;

- амплитуда основной гармоники выходного напряжения, берётся из [1, с. 15]; (6.2)

- угол регулирования, берётся из [1, с. 15]. (6.3)

Индуктивность сглаживающего реактора в общем случае определяется по формуле:

(6.4)

где - индуктивность обмотки якоря двигателя, берётся из [1, с. 15]; (6.5)

- число пар полюсов, берётся из [6];

- конструктивный коэффициент (для некомпенсированных машин), берётся из [1, с. 15].

По рассчитанному значению индуктивности и току с учетом заданной перегрузки выбирают типовой, либо приводят перечень исходных данных к проектированию нестандартного сглаживающего реактора. Так как значение отрицательно, то сглаживающий реактор не нужен. Индуктивности уравнительных реакторов и обмотки якоря двигателя хватает, чтобы сглаживать пульсации потребляемого тока.

7. Расчет элементов защиты вентильного преобразователя

Наиболее чувствительными элементами силовой части ВП являются полупроводниковые вентили, они требуют защиты от токов перегрузки и от перенапряжений, так как имеют относительно небольшую перегрузочную способность по этим параметрам.

Защита от аварийных токов

Защита ВП от внутренних к.з. обеспечивается плавкими предохранителями путем согласования их амперсекундных характеристик с амперсекундными характеристиками вентилей. При этом для любого момента времени из [1], допустимый ток вентиля должен быть больше тока срабатывания защиты т.е.

(7.1)

или

(7.2)

где - максимально допустимые значения интегралов квадрата аварийного тока вентиля и устройства защиты, соответственно, берётся из [1].

Значение интеграла определяется по формуле:

(7.3)

где - значение ударного тока вентиля при заданной длительности перегрузки, берётся из номинальных параметров вентиля по [2];

- длительность перегрузки, берётся из [1, с. 16].

Полученное максимально допустимое значение интеграла квадрата аварийного тока устройства защиты согласно ГОСТ 17242-86 будут удовлетворять плавкие предохранители с номинальным током плавкой вставки

В качестве плавких предохранителей FU выберем ПН2-100/63 А, предназначенные для защиты электрических сетей трехфазного переменного тока напряжением частотой и цепей постоянного тока с номинальным напряжением при перегрузках и коротких замыканиях, по [12]:

- номинальный ток предохранителя:

- номинальный ток плавкой вставки:

- номинальное напряжение:

Защита от перенапряжений

При коммутационных и аварийных режимах на вентиль действуют кратковременные периодические и однократные перенапряжения, для ограничения которых применяют специальные защитные устройства.

Для защиты от внешних перенапряжений, возникающих при включении и отключении преобразовательного трансформатора, применяют диодный выпрямитель, нагруженный на RC контур.

Параметры элементов определяются по формулам:

- емкость конденсатора в защитном мосту; (7.4)

(7.5)

- сопротивления резисторов в защитном мосту; (7.6)

Расчетная мощность резисторов определяется, соответственно, из выражений:

(7.7)

(7.8)

Для защиты вентилей от коммутационных перенапряжений, вызванных накоплением носителей в полупроводниковой структуре, параллельно вентилям включают защитные RC цепочки, параметры которых выбирают равными:

- емкость конденсатора в защитной RC цепи; (7.9)

- сопротивление резистора в защитной RC цепи; (7.10)

Расчетная мощность резистора определяется из формулы:

(7.11)

ЭДС на выходе защитного моста:

(7.12)

Максимальный импульсный ударный ток:

(7.13)

Реактивное сопротивление конденсатора:

 (7.14)

Сопротивление цепи нагрузки диодного моста после зарядки конденсатора:

(7.15)

Длительный прямой ток:

(7.16)

На основе расчетных значений емкостей конденсаторов, сопротивлений резисторов, их мощности и рабочих напряжений производится выбор этих элементов из справочных данных по [1], [3], [8], [10], [11], [13].

Выбор автоматических выключателей:

Для осуществления защиты ВП от аварийных токов при внешних к.з. и срывах инвертирования выбираем автоматические выключатели, исходя из величины линейного напряжения сети - номинального напряжения двигателя - действующего значения линейного тока первичной обмотки трансформатора - и номинального тока нагрузки

В качестве автоматического выключателя QF1 выберем трехфазный автоматический выключатель MC340A Hager 3P 6kA C-40A 3M, предназначенный для защиты от перегрузки и короткого замыкания:

- номинальный ток:

- номинальное рабочее напряжение:

- предельный ток отключения:

- количество полюсов:

- характеристика срабатывания электромагнитного расцепителя:

В качестве автоматического выключателя QF2 выберем автоматический выключатель постоянного тока ВА04-36-841810-20УХЛ3:

- номинальный ток:

- номинальное рабочее напряжение:

- предельный ток отключения:

- количество полюсов:

- характеристика срабатывания электромагнитного расцепителя:

Выбор резисторов:

В качестве резисторов выберем прецизионные металлодиэлектрические резисторы С2-29В с металлодиэлектрическим и металлоокисным проводящим слоем, предназначенные для работы в высокоточных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока в качестве элементов навесного монтажа:

- номинальная мощность: и

- номинальное сопротивление: и

- предельное рабочее напряжение: и

В качестве резистора выберем постоянные проволочные мощные (цементные) резисторы SQP-5, предназначенные для работы в промышленной электронике:

- номинальная мощность:

- номинальное сопротивление:

- предельное рабочее напряжение:

Выбор конденсаторов:

В качестве конденсатора выберем уплотненные самовосстанавливающиеся металлизированные полипропиленовые конденсаторы К73-36, предназначенные для работы в цепях постоянного и переменного тока:

- номинальная емкость:

- номинальное напряжение:

В качестве конденсатора выберем пленочные конденсаторы К73-11, предназначенные для работы в качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов и в импульсном режиме:

- номинальная емкость:

- номинальное напряжение:

Выбор диодов:

Рассчитаем параметры диодов:

(7.17)

В качестве диодов выберем выпрямительные диоды средней мощности 2Д215А:

- максимально допустимый средний прямой ток:

- повторяющееся импульсное обратное напряжение: (4-ый класс).

8. Внешние, регулировочные характеристики преобразователя и электромеханические характеристики привода

Внешние и регулировочные характеристики

Среднее значение выходного напряжения ВП является функцией двух переменных: тока нагрузки и угла управления , связь между которыми устанавливается следующими равенствами (без учета падения напряжения на вентилях и активных сопротивлениях силовых цепей) по [1]:

- в режиме непрерывного тока нагрузки

 (8.1)

- в граничном режиме

(8.2)

(8.3)

- в режиме прерывистого тока нагрузки

(8.4)

(8.5)

где - приведенное к вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора, берется из [1, c. 18]; (8.6)

- индуктивное сопротивление якорной цепи; (8.7)

- угол проводимости вентилей на интервале повторяемости кривой

- амплитуда линейного напряжения (для мостовых схем ВП).

Поскольку управление исследуемого вентильного преобразователя совместное, то из-за уравнительного тока, протекающего между анодной и катодной вентильными группами, режима прерывистого тока не будет.

Приведенные формулы при условии представляют собой аналитические выражения внешних характеристик ВП, а при - регулировочных.

Угол управления, соответствующий номинальному режиму работы , получим, подставив в формулу (8.1) номинальное напряжение и ток:

(8.8)

Внешние характеристики строятся по (8.1) при изменении тока от до для нескольких значений и изображены в графической части.

Таблица 1 - Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при

Регулировочные характеристики строятся по (8.1) при изменении угла управления от до при условии, что Расчет производится при холостом ходе и номинальной нагрузке Регулировочные характеристики изображены в графической части.

Таблица 2 - Зависимость выходного напряжения от угла управления при

Электромеханические характеристики

Электромеханические характеристики системы ВП - двигатель рассчитываются по формуле:

(8.9)

где - суммарное сопротивление цепи нагрузки;

- коэффициент, зависящий от параметров двигателя;

- магнитный поток двигателя;

Величина произведения может быть определена по паспортным данным двигателя из формулы:

(8.10)

Электромеханические характеристики строятся по (8.9) при изменении тока от до , и изображены в графической части.

Таблица 3 - Зависимость угловой скорости от тока нагрузки

9. Ограничительная характеристика и минимальный угол инвертирования

При работе ВП в инверторном режиме система управления должна ограничивать величину минимального угла инвертирования для предотвращения опрокидывания инвертора. Это ведет к ограничению тока нагрузки в зависимости от величины напряжения преобразователя, определяемое ограничительной характеристикой:

(9.1)

где - угловая длительность выключения тиристора, берется из [1, с. 20]; (9.2)

- время выключения тиристора;

- угол, учитывающий асимметрию импульсов управления.

Ограничительные характеристики строятся по (9.1) при изменении тока от до и изображены в графической части.

Таблица 4 - Зависимость ограничительной характеристики от тока

Минимальное значение угла инвертирования , определяемое путем совместного решения уравнений, описывающих внешнюю и ограничительную характеристику ВП, с учетом возможного снижения напряжения питающей сети, рассчитывается по формуле:

 (9.3)

10. Энергетические показатели преобразователя

преобразователь реверсивный трансформатор управление

Важнейшим энергетическим показателем ВП являются: полная мощность активная мощность реактивная - мощность искажения коэффициент мощности а также к.п.д. - Относительные значения этих показателей при постоянной величине тока нагрузки рассчитываются следующим образом.

Относительное значение полной мощности:

(10.1)

где - коэффициенты схемы, берутся из [1, с. 11 Таблица 1];

- угол коммутации, (10.2)

Относительная величина активной мощности:

(10.3)

Относительная величина реактивной мощности:

(10.4)

Относительная величина мощности искажения:

(10.5)

Коэффициент мощности ВП:

(10.6)

Энергетические показатели строятся по (10.1) - (10.6) при изменения угла от до при условии, что и изображены в графической части.

Таблица 5 - Зависимость ограничительных характеристик от угла

Коэффициент полезного действия (при ):

 (10.7)

где - суммарные потери мощности в ВП (сумма потерь в трансформаторе, линейных реакторах, в уравнительном и сглаживающем реакторах, в вентилях и цепях защиты),

Составляющие потерь определяются следующим образом:

Потери в трансформаторе:

где - справочные значения потерь мощности холостого хода и короткого замыкания, соответственно.

Потери в линейных токоограничивающих реакторах:

Потери в уравнительном и сглаживающем реакторах:

где - число уравнительных реакторов одновременно обтекаемых током нагрузки; - сопротивления уравнительного и сглаживающего реакторов, соответственно. Потери в вентилях:

где - число обтекаемых током нагрузки вентилей.

Потери в цепях защиты:

где - число защитных RC цепей, шунтирующих вентили;

- число цепей защиты от внешних перенапряжений.

Коэффициент полезного действия (при ):

так как только потери в уравнительных реакторах зависят от тока нагрузки то все остальные составляющие потерь остаются неизменными и принимаются равными из расчета для

Зависимость КПД от номинального момента строится по (10.7). Расчет производится при номинальной нагрузке и токе, равному половине номинального Зависимость КПД от номинального момента изображена в графической части.

Таблица 6 - Зависимость КПД от номинального момента

11. Построение временных диаграмм

Временные диаграммы работы ВП строятся в соответствии с рассчитанными параметрами для номинального режима работы:

Выходное напряжение выпрямительной и инверторной групп строятся при значении угла управления ВП:

Выходное напряжение реверсивных ВП при совместном согласованном управлении и не насыщающихся уравнительных реакторах может быть определено по формуле:

(11.1)

где - выходные напряжения нереверсивных преобразователей, входящих в состав реверсивного ВП, работающих соответственно в выпрямительном и инверторном режимах.

Уравнительное напряжение и ток строятся по формулам:

(11.2)

(11.3)

Временные диаграммы строятся с учетом угла коммутации вентилей:

Для упрощения построения кривых мгновенных значений токов следует пренебречь пульсациями тока нагрузки и пользоваться идеализированными кривыми.

Временные диаграммы построены в графической части.

Библиографический список

1. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Электронные и преобразовательные устройства» для студентов специальностей 1804, 01807, 1808 всех форм обучения.

В.В. Ваняев./НГТУ. Нижний Новгород, 2001.-26 с.

2. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. 2-е издание переработанное и дополненное. О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин./М.: Энергоатомиздат 1985.-400 с.

3. Электротехнический справочник. Т.2 Электротехнические изделия и устройства. В.Г. Герасимов./М.: Издательство МЭИ 1998.-518 с.

4. Основы преобразовательной техники. 2-е издание переработанное и дополненное. В.С. Руденко, И.М. Чиженко, В.И. Сенько./М.: Высшая школа 1980.-424 с.

5. Преобразовательные устройства. Г.А. Ривкин./М.: Энергия 1970.-544 с.

6. Справочник по автоматизированному электроприводу. В.А. Елисеев, А.В. Шинянский./М.: Энергоатомиздат 1983.-616 с.

7. Электрические машины. 4-е издание исправленное. И.П. Копылов./М.: Высшая школа 2004.-608 с.

8. Защита полупроводниковых преобразователей. Е.М. Глух, В.Е. Зеленов./М.: Энергоатомиздат 1982.-500 с.

9. Тиристорный электропривод постоянного тока. Я.Ю. Солодухо./М.: Энергия 1971.-300 с.

10. Резисторы. Справочник. В.В. Дубровский./М.: Радио и связь 1987.-528 с.

Размещено на Allbest.ru

...