Силовые преобразователи в энергоснабжений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

о.е.

о.е.

В

о.е.

=

вкл./час

Введение

В настоящее время основное количество электрической энергии, вырабатываемой во всем мире, производится генераторами переменного тока. Однако в дальнейшем значительная часть этой энергии преобразуется в энергию постоянного тока; во многих случаях бывает необходимо, наоборот, преобразовать энергию постоянного тока в энергию переменного тока или энергию постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения и т.д. Эти вопросы и целый ряд других инженерных задач во многих областях электротехники позволяют решать силовые преобразователи электрической энергии. В начале такие преобразователи выполнялись исключительно на основе электромеханических систем, например, в системе "Двигатель-Генератор", когда двигатель, питаемый электроэнергией одного вида, приводит во вращение генератор, вырабатывающий электроэнергию другого вида или с другими параметрами. Однако в настоящее время такие системы почти полностью вытеснены полупроводниковыми статическими преобразователями, имеющими существенные преимущества, такие как:

- отсутствие вращающихся частей;

- отсутствие скользящих контактов;

- достаточно высокий КПД;

- приемлемые массогабаритные показатели; простота обслуживания.

Современная классификационная схема подразделяет силовые преобразователи на следующие группы:

1. Выпрямители преобразующие энергию переменного тока в энергию постоянного тока;

2. Инверторы преобразующие энергию постоянного тока в энергию переменного тока;

3. Преобразователи переменного тока преобразующие энергию переменного тока одних параметров в энергию переменного тока других параметров;

4. Преобразователи постоянного тока преобразователи энергии постоянного тока одного напряжения в энергию постоянного тока другого напряжения.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ

Наиболее распространенным способом регулирования углов включения тиристоров является вертикальное управление. Принцип вертикального управления заключается в сравнении синхронизирующего напряжения пилообразной формы с управляющим напряжением. Синхронизирующее напряжение формируется синхронно и синфазно с сетевым напряжением выпрямителя. В результате точка сравнения синхронизирующего и управляющего сигналов определяет соответствующее значение угла управления тиристором.

Канал управления плечом трехфазного мостового выпрямителя показан на рис.1. На рисунке обозначены: ГПН - генератор пилообразного напряжения, К- компаратор, ФИ- формирователь импульса, У- усилитель.

Аналогичные каналы управления имеются и в фазах В,С.

фазовый выпрямитель ток напряжение

Рис. 1. Блок-схема фазового управления вентилями фазы А выпрямителя

РАСЧЕТ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Номинальный режим выпрямителя характеризуется номинальной нагрузкой и углом управления вентилями . С изменением происходит регулировка выходного напряжения и режим работы выпрямителя изменяется.

Расчетная схема выпрямителя приведена на рис. 2.

Анализ физических процессов и энергетических соотношений в схемах выпрямителя переменного тока проводится при следующих общепринятых допущениях:

1. ЭДС питающего трансформатора составляет трехфазную симметричную систему:

; i = 0,1,2.

2. Нагрузка выпрямителя имеет индуктивный характер и ток нагрузки идеально сглажен.

3. Фазное сопротивление трансформатора хф принимается постоянным во всех режимах работы. Активном сопротивлением фазы пренебрегаем ввиду его малости.

4. Вентили представляются идеальными ключами, срабатывающими когда напряжения на аноде и катоде равны.



Рис. 2. Расчетная схема выпрямителя.

В работе выпрямителя можно выделить два режима, отличающиеся количеством одновременно работающих вентилей.

1. Внекоммутационный режим - в работе участвуют два вентиля и, соответственно, две фазы питающего трансформатора.

2. Коммутационный режим - в работе участвуют под действием ЭДС самоиндукции индуктивности хф три и более фаз и, соответственно три и большее количество вентилей. В этом режиме происходит коммутация тока из одной фазы в другую. При номинальной загрузке выпрямителя в коммутационном процессе одновременно участвуют тр фазы и длительность коммутации не превышает 0.Временные диаграммы работы схемы выпрямителя в нормальном режиме приведены на рис.3.

Рис. 3. Эпюры токов и напряжений трехфазного мостового выпрямителя, работающего с углом управления тиристором

Уравнение, связывающее длительность коммутационного процесса с параметрами схемы имеет вид

где

=

при a=0 угле управления вентилями.

Величина выпрямленного напряжения равна

a=0

Для нахождения данной величины применим итерационным методом, начальное приближении для g=0, а выпрямленное напряжение примем

Тогда, соответствующее значение тока запишется как:



Находим угол g, далее уточняем значение Ud по формуле:

После этого уточняем значение и далее находим новое значение g, и проделываем данные операции пока точность вычислений не будет достигнута.

Данные очень громоздки поэтому проделываем их на компьютере в математическом пакете "MathCad". Все промежуточные значения , и g приведены ниже для a=0

Как видим на пятой итерации мы имеем точность вычислении в пятом знаке.

Итак мы нашли величины в относительных единицах номинальный режим.

о. е.

о. е.

Находим эквивалентный коэффициент мощности

=

Ток фазы выпрямителя (действующие значение)

=

Коэффициент преобразования схемы выпрямления по току

=

Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению равен:

=

Зная коэффициенты преобразования выпрямителя по току и напряжению, можно определить коэффициент использования мощности питающего трансформатора:

=



Аналогично проводим расчеты для других углов a см. таблицу ниже

Определяем величину пульсации выпрямленного напряжения. Для этого строим временные диаграммы см. рис. 4 и 5



Рис. 4

С учетом рис.3 (при a=0 и полученном значение g) мы получим напряжение на выходе выпрямителя см. рис. 5

По рис. 4 видно что

Тогда относительная величина пульсации будет равна

=

Рис. 5

РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Изложенная выше методика расчета режимов работы выпрямителя позволяет рассчитать его регулировочную характеристику по величине выпрямленного напряжения . Для этого необходимо задаться несколькими значениями углов управления , для каждого из которых повторяется расчет соответствующего рабочего режима выпрямления по методике, изложенной выше, и строится графическая зависимость при условии Em=const , Rн=const.

берем несколько значений a и находим Ud в о.е.

Рис. 6

Внешние характеристики при =const легко определяется выражением . Данное выражение справедливо для нормального двух-трехвентильного режима работы выпрямителя, т.е. для значений угла коммутации .

при a=0

=

Для угла a=p/6

=

Для угла a=p/4

=

Далее проведем расчет для угла ?=?/3

=

Строим эти зависимости



Рис. 7

Соответственно внешняя характеристика выпрямителя при =0 ограничивается значением тока , при котором . Этот ток можно определить из выражения -a, решив его относительно .

Поскольку двух-трехвентильный режим мостового выпрямителя при наступает при больших токах, или не наступает совсем, то для внешних характеристик с другими значениями ? найденное значениие не приведет к выводу выпрямителя из зоны нормальных нагрузок.

При получим

=

о. е.

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Коэффициенты преобразования выпрямителя , , могут быть определены по выражениям:

, , .

Значения параметров ,, для различных значений a берем из предыдущих расчетов работы. Посчитав значения коэффициентов преобразования для нескольких значений a строим графические зависимости ,,.

Очевидно KI(a) не зависит от a

Рис. 8

Фазовый сдвиг первой гармоники фазного тока выпрямителя относительно ЭДС приближенно определяется как . Задаваясь значениями a имея из предыдущих расчетов соответствующие значения углов коммутации g для заданных a отыскиваем зависимость.

Строим эту зависимость

Рис. 9

РАСЧЕТ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА ФАЗНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Определение степени искажения кривой напряжения осуществляется по известному гармоническому спектру несинусоидального, в частности, трапецеидального, тока, потребляемого вентильной нагрузкой.

При принятых допущениях кривая фазного тока трехфазного мостового выпрямителя представляет собой криволинейную трапецию. При пренебрежении активным сопротивлением фазы, закон изменения тока на интервале коммутации представляет собой синусоидальную зависимость. Математическое описание кривой фазного тока позволяет получить аналитические зависимости его гармонического состава:

,

где - амплитудное значение к-ой гармоники, к=1,5,7,11,13,17......;

;

коэффициенты

Амплитудное значение основной гармоники тока трансформатора имеет вид

Угол сдвига фаз между ЭДС и основной гармоникой тока трансформатора определяется соотношением



Степень искажения формы тока определяется коэффициентом гармоник по току

где - амплитуды высших гармоник; - амплитуда первой гармоники фазного тока.

Несинусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению

где - амплитуды высших гармоник напряжения ; - амплитуда первой гармоники напряжения, падающего на сопротивление .

Стандарты на качество напряжения устанавливают величину в сетях 0,38 кВ до 12%.

Искажения сетевого напряжения вентильной нагрузки возникают за счет падения напряжений на внутреннем сопротивлении сети. Для количественной оценки искажений выпрямитель в электрической системе обычно рассматривается как генератор гармоник тока. Источник суммарного тока всех гармоник нагружен на эквивалентное сопротивление питающей сети , реактивная составляющая которой зависит от частоты. Тогда ток к-ой гармоники в питающей сети создает падение напряжения

Суммарное напряжение от высших гармоник в сети можно определить, используя принцип наложения, предварительно рассчитав падение напряжения от каждой гармоники тока. Определив содержание высших гармоник в напряжении питающей сети, находим коэффициент гармоник . Как правило, расчет ведется для гармоник не выше к=13, так как амплитуды токов и напряжений более высоких порядков относительно малы. кроме того, эквивалентное сопротивление питеющей сети существенно уменьшается за счет влияния емкостей кабеля и другого оборудования.

Расчет начинаем с определения гармонического состава фазноготока сети, питающей выпрямитель. Далее, по изветсному спектру тока определяется падание напряжения на сопротивлении сети от каждой гармоники тока и находится .

Расчет представлен в виде таблицы 1 в о. е..

По данным таблицы находится значения коэффициентов гармоник для тока и напряжения

=

=

Как видим значение КгU меньше 12%

БАЛАНС МОЩНОСТЕЙ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Полная мощность, потребляемая выпрямителем складывается из активной мощности первой гармоники Р1, реактивной мощности Q1 и мощности искажений N:

Выразив действующие значение токов и напряжений через коэффициенты гармоник и первую гармоническую составляющую получим.



Активная мощность первых гармонических составляющих на фазу равна

=

где =

=

и соответственно реактивная мощность равно:

=

Соответственно, мощность искажений определяется так

Находим полную мощность

=

Тогда мощность искажений равна

=

ВЫБОР ВЕНТИЛЕЙ ВЫПРЯМИТЕЛЯ И РАСЧЕТ ИХ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Порядок расчета следующий:

1. По известному току Id определяются среднее Iср.при коэффициенты амплитуды Ка=3

=

2. По среднему значению тока предварительно выбираем тиристор АТ 681 с параметрами

3. Определяем величину мощности потерь в тиристоре

=

4.Определяем температуру полупроводниковой структуры прибора при

С < 125 С

Как видим это условие выполняется

Находим длительность импульса мощности потерь при периоде следования импульсов

5. Потом проводим проверку теплового режима при повторнократковременного режима работы переходных тепловых сопротивлениях тиристора

=

С < 125 С

Как видим и это условие тоже выполнилось

РАСЧЕТ СИЛОВОГО ФИЛЬТРА

Основной энергетических фильтров высших гармонических напряжений является последовательные индуктивно-емкостные резонансные цепи.

Резонансные L-С фильтры обычно настраиваются на 5, 7, 11, 13 гармоники и позволяют существенно снизить степень искажений формы кривой сетевого напряжения.

Структурная схема включения фильтров высших гармоник приведена на рис. 4 где Zф- фазное сопротивление сети, В- вентильная нагрузка, Z5, Z7, Z11, Z13 - резонансные фильтры для 5, 7, 11, 13 гармоник



Рис. 10 Структурная схема включения резонансных фильтров высших гармоник

1. Определяем токи 5, 7, 11, 13 гармоник в именованных единицах (А) переведя их из относительных

=

Получим

2. Определяем мощность батареи конденсаторов на фазу по формуле

для гармоник5 711 13

3. Учитываем уменьшение реактивной мощности конденсаторов при уменьшении сетевого напряжения.

для гармоник 5 7 11 13

4. Выбираем стандартные конденсаторы по расчетной мощности для 5-гармоники КМ 0,23-2-3 мощностью для 7-гармоники КМ 0,23-1-3 мощностью влияние 11 гармоники на кривую напряжения не значительное, поэтому фильтр для этой гармоники подбирать не будем. для 13-гармоники КМ 0,23-045-3 мощностью

5. Далее определяем требуемое значение индуктивного сопротивления дросселя по формуле

Находим для каждой гармоники значение xL

=

=

=

И последнее находим индуктивность зная индуктивное сопротивление:

=

=

=

Заключение

В данной работе были рассчитаны режимы работы выпрямителей.

Был рассчитан номинально рабочий режим выпрямителя. Найдены: длительность коммутационного процесса , так же выпрямленное напряжение и соответствующие ему значение тока в относительных единицах.

Построены временные диаграммы работы выпрямителя по расчетным данным режима и графическое определение величины пульсаций выпрямленного напряжения при б = 0 (рис 4, рис 5.)

Построены регулировочные и внешние характеристики выпрямителя для режима номинальной нагрузки (рис.6, рис.7).

Так же были рассчитаны энергетические характеристики выпрямителя: КU , КI, Kp,cos ц2 и определение их зависимостей от б (рис.8, рис.9).

Рассчитаны гармонические коэффициенты искажения синусоидальности фазных токов и напряжений выпрямителя при б = 0 (см табл.1).

Рассчитаны балансы мощностей выпрямителя для б = 0.

Были выбраны вентили выпрямителя, и проведена проверка их теплового режима в статическом режиме и в повторно-кратковременном режиме вкл./час, считая длительность включенного и выключенного состояний одинаковыми.

И в конце был проведен расчет параметров силового фильтра

Литература

1. Чебоновский О.Г. и др "Силовые полупроводниковые приборы" Справочник- М.: Энергия, 1975

2. Лукутин Б.В. "Силовые преобразователи электроэнергии" - Томск: изд. ТПУ, 1977

Размещено на Allbest.ru

...