Силовой трансформатор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Выбор и расчет выпрямителя

2. Расчет параметров элементов

2.1 Расчет параметров силового трансформатора

2.2 Расчет падений выпрямленного напряжения

3. Выбор и расчет вентилей

4. Расчет потерь в вентилях

5. Расчет КПД

5.1 Защита тиристоров

5.2 Выбор резистора и конденсатора

6. Разработка СИФУ

7. Моделирование преобразователя

8. Разработка конструкции преобразователя

Заключение

Список использованной литературы



1. Выбор и расчет выпрямителя

Тип преобразователя: тиристорный, схема 3-х мостовая, реверсивный, встречно-параллельный, управление раздельное.

Параметры нагрузки:

Ud = 220 В;

Id = 150 А;

Rн = 0,3 Ом;

Lн = 5 мГн.

Источник:

3 N;

50 Гц;

380 В.

Реверсивным называется преобразователь, через который выпрямленный ток может протекать в обоих направлениях.

Так как тиристоры пропускают ток только в одном направлении, то для изменения направления тока приходится использовать два комплекта тиристоров, каждый из которых работает в своём направлении. Двухкомплектные преобразователи выполняются по встречно-параллельной и перекрестной схемам.

Во встречно-параллельной схеме (рисунок ниже) оба комплекта тиристоров питаются от общей обмотки трансформатора, причём обе тиристорные группы включены встречно-параллельно друг другу.

Расчет данной схемы сводится к расчету трехфазного мостового тиристорного выпрямителя, так как данный каскад стоится на двух идентичных схемах, подключённых встречно-параллельно.

Все рассчитанные параметры будут подходить для обоих частей данной схемы.



Рисунок 1:

Рисунок 2. - Схема:

Таблица 1. - Расчетные соотношения для мостового выпрямителя:



2. Расчет параметров элементов

Для выбора элементов выпрямителя определим мощность, которую необходимо получить на нагрузке.

Напряжение, подаваемое на нагрузку:

Где:

U_VS,_откр - прием 2 вольта. Получаем:

Максимальная величина мощности, отдаваемой в нагрузку:

Расчётная мощность трансформатора:

2.1 Расчет параметров силового трансформатора

Схема замещения трансформатора и его расчет.

Рисунок 3:

Таблица 2. - Технические характеристики трансформатора ТМ-63:

Габаритная мощность на одну фазу:

Согласно заданию первичные обмотки трансформатора включены по схеме звезда.

При этом напряжение первичной обмотки трансформатора:

Напряжение вторичной обмотки трансформатора:

Расчетный коэффициент трансформации:

Ток первичной обмотки трансформатора:

Тогда:

Полная кажущаяся мощность холостого хода:



Угол сдвига тока относительно напряжения:

Активное сопротивление, учитывающее потери на гистерезис и вихревые токи:

Индуктивное сопротивление намагничивания:

Индуктивность намагничивания:

Аналогично расчет по данным опыта короткого замыкания:

Индуктивность намагничивания:



Полученные величины приводим ко вторичной цепи:

Т. о., паразитные параметры на одну фазу трансформатора:

2.2 Расчет падений выпрямленного напряжения

Падение выпрямленного напряжения на активных сопротивлениях:

Угол коммутации, определяемый активными сопротивлениями фазы трансформатора:

Падение напряжения от коммутации при индуктивном сопротивлении:



Угол перекрытия фаз:

Выпрямленное напряжение холостого хода:

Значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Уточненный коэффициент трансформации.

Расчет по первичным данным.

Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора:

Действующее значение тока первичных обмоток:

Габаритная мощность первичных обмоток трансформатора:



Коэффициент использования первичных обмоток:

Расчет по первичным данным.

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора:

Коэффициент использования вторичных обмоток:

Габаритная мощность трансформатора:

Коэффициент использования трансформатора:

Указанные величины отличаются соответственно.

При расчете опять берем первичные данные.



Т. о., полученные величины (S_ТР и K_ИСП) близки к взятым ориентировочно.



3. Выбор и расчет вентилей

Действующее значение тока вентиля:

Среднее значение тока вентиля:

Выбираем из справочника тиристор ТБ2-160-3, его параметры.

Таблица 3:

Рисунок 4:



ВАХ диода.

Вольтамперная характеристика диода представлена выше.

Аппроксимируем ВАХ линейной функцией:



4. Расчет потерь в вентилях

Мощность потерь на одном вентиле:

Мощность потерь на вентилях всех фаз:



5. Расчет КПД

Коэффициент полезного действия трансформатора найдем по выражению:

Тогда:

5.1 Защита тиристоров

В силовых полупроводниковых преобразователях различают следующие виды перенапряжений:

- внешние перенапряжения, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки;

- внутренние перенапряжения, возникающие при коммутации в преобразователях;

- перенапряжения, обусловленные эффектом накопления носителей в полупроводниковых приборах при коммутации тока.

Для защиты силовых полупроводниковых вентилей от коммутационных перенапряжений в процессе их переключений, а также от коммутаций в цепи нагрузки, параллельно вентилям включают индивидуальные RC-цепочки.

Конденсатор и резистор должны иметь как можно меньшую собственную индуктивность. Для того, чтобы защитная цепочка имела в целом возможно меньшую индуктивность, она должна быть размещена непосредственно около вентиля.

Произведём расчёт параллельной RС-цепочки для защиты прибора от коммутационных перенапряжений, возникающих при переключении тиристоров.

Рисунок 5. - Расчетная схема для RC-цепочки:

На схеме суммарная индуктивность рассеяния двух соседних фаз трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке:

Рисунок 6. - Напряжение на вентиле при коммутации:

При выходе вентиля из включенного состояния на него действует напряжение U_вых. Применяемый тиристор имеет критическую скорость нарастания напряжения В/мкс:



Тогда:

В момент коммутации:

Выразим величину сопротивления RC-цепочки:

Ограничим выброс коммутационного перенапряжения величиной U_VSmax = 1,25_вых, что соответствует коэффициенту демпфирования:

Выразим величину емкости конденсатора в RC-цепочке:

Подставим числовые данные и определим величины R и C:



Мощность резистора определим, учитывая то, что за период происходит заряд и разряд конденсатора, сопровождающийся протеканием тока через резистор и выделением тепла на нем, из выражения:

Цепью разряда конденсатора RC-ветви являются резистор и включенный тиристор. Следовательно, вентиль будет испытывать дополнительную токовую нагрузку. Определим величину дополнительной токовой добавки:

Рассмотрим наихудший случай перенапряжения, когда происходит отключение индуктивной нагрузки от работающего преобразователя, и величина э. д. с. самоиндукции складывается с фазным напряжением, действующим на вентиль. Для того, чтобы использовать уже рассчитанную выше RC-цепочку для данного вида перенапряжений, выполним проверочный расчет величины (du/dt) при воздействии суммарной э. д. с., равной 220В.

Тогда:

Следовательно, данная RC-цепочка может служить защитой как от перенапряжений, вызванных коммутациями с вентиля на вентиль, так и в цепи нагрузки.

На основе данных расчета выбираем элементы защитной RC-цепочки.



5.2 Выбор резистора и конденсатора

Из справочника выбираем резистор ТВО - 68 Ом±10%.

Таблица 4:

Рисунок 7:

Таблица 5:



6. Разработка СИФУ

Соединения выпрямителей выполняется параллельно и последовательно, в зависимости от напряжения и тока преобразователя.

Рисунок 8. - Встречно-параллельная силовая схема реверсивного тиристорного преобразователя:

В двухкомплектных реверсивных преобразователях используют раздельное и совместное управление тиристорными группами (комплектами).

В преобразователях с раздельном управлением уравнительные реакторы не требуются.

Раздельное управление принципиально отличается от совместного тем, что управляющие импульсы СИФУ подаются только на работающий комплект (группу) тиристоров, другая группа (противоположной полярности) оказывается в это время запертой. Одновременная работа вентильных групп запрещена.

Условия предотвращения аварийных режимов преобразователя при раздельном управлении:

- недопустима одновременная подача отпирающих импульсов на оба комплекта тиристоров;

- запрет включения одного комплекта при наличии тока в другом;

- запрет снятия отпирающих импульсов с работающего комплекта тиристоров.

Реализация условий запрета подачи импульсов на тот или иной комплект тиристоров осуществляется посредством логического переключающего устройства (ЛПУ), представляющего собой схему релейного действия с дискретными входными и выходными величинами. Раздельное управление реализуем следующим способом переключением комплектов в функции знака управляющего сигнала, подаваемого на вход системы управления (ЛПУ не разрешает переключение до момента равенства тока нагрузки Id=0).

Этот способ наиболее прост и применим при питании пассивных цепей нагрузки, например, обмотки возбуждения эл. машины.

При раздельном управлении, встречные вентильные группы (комплекты) могут иметь индивидуальные системы фазового управления, так же может быть одна СИФУ.

В зависимости от их согласования будет меняться регулировочная характеристика преобразователя.

При раздельном управлении уменьшается вероятность опрокидывания инвертора вследствие меньшего времени работы тиристорной группы в этом режиме по сравнению с совместным управлением, уменьшаются потери электроэнергии в повышается коэффициент полезного действия из-за исключения уравнительных токов.

Агрегат тиристорный серии ТЕР4-63/460Н является комплектным устройством и предназначен для питания якорных цепей двигателей постоянного тока в станкостроительной и других отраслях промышленности. Он выполнен в незащищенном исполнении по реверсивной схеме с раздельным управлением и рассчитан на ток 63 А и выпрямленное напряжение 460 Вольт.

В каждом плече выпрямительного моста установлено по одному тиристору.

В преобразователе используется одна система импульсно-фазового управления (СИФУ) комплектами тиристоров "Вперед" и "Назад".

Логическое переключающее устройство раздельного управления включает в себя нуль-орган (НО), триггер T1 заданного направления тока, триггер T2 истинного значения тока, схему совпадении состояний триггеров (CС), элемент отсчёта выдержки времени (ЭОВВ), датчик проводимости вентилей (ДПВ).

Блок логики работает следующим образом.

При изменении полярности напряжения на входе нуль органа НО (которая может произойти из-за смены знака разности напряжения управления и напряжения пропорционального э. д. с. двигателя) поменяется сигнал на выходе НО. После исчезновения тока в силовой цепи на выходе датчика проводимости вентилей ДПВ формируется сигнал "1" и при отсутствии управляющих импульсов (Uбл.имп=1), триггер Т1 перебрасывается в новое состояние. Схема совпадений СС фиксирует несоответствие состояний триггеров (Uр=0). Сигналом Uр=0 обеспечивается блокировка выдачи управляющих импульсов СИФУ а также запускается элемент отсчёта выдержки времени t.

Рисунок 9. - Схема логического переключающего устройства преобразователя:

После отсчёта выдержки времени (примерно 1 м/с) формируется сигнал "1" на выходе элемента t и при отсутствии блокирующего сигнала ДПВ, триггер T2 перебрасывается в новое состояние.

Если во время отсчёта выдержки времени на выход НО поступает команда на включение в первоначальное положение, то триггер 1 возвращается в исходное состояние, соответствующее триггеру 2, и мгновенно разрешается выдача управляющих импульсов на тиристоры первоначально работающего комплекта.

Это позволяет исключить потерю информации в системе регулирования тока нагрузки, уменьшить не токовые паузы и обеспечить тем самым устойчивую работу преобразователя.

Нуль-орган выполнен на усилителе А2, триггер 1 - на микросхеме Д1, триггер 2 - на микросхеме Д2, а схема совпадения и элемент t - на микросхеме ДЗ.

Рисунок 10. - Схема датчика проводимости вентилей:

Рисунок 11:

Датчик проводимости вентилей работает по принципу контроля напряжения на тиристорах и состоит из диодных мостов ВМ1-ВМ3, оптронов У1-У3, резисторов Р1-РЗ и нуль органа (транзисторы У4 и У5).

При наличии напряжения на всех тиристорах вход нуль органа (перехода эмиттер-база транзисторов У4, У5) шунтируется, в результате чего транзисторы У4, У5 закрываются и на выходе ДПВ формируется сигнал "1".



7. Моделирование преобразователя

Моделирование.

Соберем трех мостовую схему в пакете MatLab и проведем ее моделирование.

Рисунок 12. - Схема в MatLAB:

Результат моделирования.



Рисунок 12. - Ток и напряжение на нагрузке:

Рисунок 13. - Управляющие импульсы на каждом из вентилей:



Рисунок 14. - Напряжения на обмотках трансформатора:

Рисунок 16. - Ток и напряжение на одном вентиле:



8. Разработка конструкции преобразователя

Необходимые требования к конструкции: шкаф, со степенью защиты IP 24. Степень защиты приводится в виде IPXX, где первая цифра обозначает - уровень защиты от попадания твёрдых частиц и степень защиты по электробезопасности, а вторая - защиту от влаги.

IP 2 X Частицы > 12,5 мм.

IP X 4 Брызги со всех сторон.

Так же необходимо обеспечить защиту от прикосновения пальцами к токоведущим частям.

ГОСТ 14254-80.

Настоящий стандарт распространяется на электротехнические изделия с номинальным напряжением не более 72,5 кВ и устанавливает степени защиты, обеспечиваемые оболочками, их обозначения и методы испытаний. Стандарт не распространяется на защиту персонала от соприкосновения с находящимися под напряжением и движущимися частями, расположенными вне оболочки изделия.

Условия эксплуатации У2 по ГОСТ 15543-70 и М3 следующие: температура от 1...40°С, влажность не более 80% при температуре 20°С, высота над уровнем моря не более 1000 метров.



Заключение

В ходе проектирования мы изучили работу трехфазной мостовой встречно-параллельной, реверсивной схемы выпрямителя, обосновали выбор элементов его принципиальной схемы на этапе разработки. Для управления тиристорами была разработана СИФУ. Реализовали раздельное управление, что было указано в задании.



Список использованной литературы

1. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под. ред. В.И. Круповича и др. 3-изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1982.

2. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О.Г. Чебовский и др. - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

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

4. Основы преобразовательной техники / И.М. Чиженко. - М.: Высшая школа, 1980.

5. Справочник по преобразовательной технике / И.М. Чиженко. - М.: Высшая школа, 1978. выпрямитель реверсивный электротехнический

6. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства. Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков и др. - Минск, 1994.

7. Промышленная электроника / Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...