Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения

ОмГУПС (ОмИИТ)

Кафедра "Электроснабжение железнодорожного транспорта"

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине "Электронная техника и преобразователи в электроснабжении"

Проектирование преобразователя для тяговой подстанции постоянного тока

Студент гр.48 А

С.Н. Найден

Руководитель: доцент кафедры ЭЖТ

Е.Ю. Салита

Омск 2011

Задание

Студенту гр.48 А С.Н. Найдену

на курсовую работу по теме: "Проектирование преобразователя для тяговой подстанции постоянного тока"

Спроектировать полупроводниковый преобразователь, получающий питание от трехфазной сети переменного тока, с заданными схемой и режимом работы при бесконечной индуктивности цепи выпрямленного тока (X_d=).

Исходные данные (по шифру 218):

1. Схема преобразователя - мостовая сложная последовательного типа.

2. Число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения m = 12.

3. Назначение - железнодорожный транспорт.

4. Режим работы - неуправляемый выпрямитель.

5. Параметры питающей сети: U_1л=35кВ; S_к.з.с=200 МВА.

6. Напряжение короткого замыкания трансформатора u_к=7,5 %.

7. Параметры сети постоянного тока:

U_dном=3,3 кВ; I_dном=1600 А.

8. Условия перегрузки по току и напряжению:

k_п = I_dпер/I_dном = 2,0; (U_vпов/U_vмакс) = 1,3; (U_vнепов/U_d0) = 4,5.

9. Тип диода - Д 143 - 630.

Реферат

УДК 621.311: 621.314.632:621.331

Курсовая работа содержит 36 страниц, 9 рисунков, 5 таблиц, 11 источников.

Неуправляемый выпрямитель, двенадцатипульсовая мостовая схема, электромагнитные процессы, параметры, коммутация, трансформатор, диоды, схема главных электрических соединений, эксплуатационные характеристики, качество электроэнергии.

Объектом исследования является неуправляемый двенадцатипульсовой мостовой силовой полупроводниковый преобразователь для тяговой подстанции постоянного тока электрифицированного железнодорожного транспорта.

Цель работы - рассчитать параметры и характеристики преобразователя, построить электромагнитные процессы, выбрать необходимую коммутационную и измерительную аппаратуру.

Методы исследования - аналитические и графические.

Дано предварительное описание выпрямителя, определены основные параметры схемы преобразователя. Произведен выбор трансформатора и диодов с охладителями. Рассчитано групповое соединение вентилей, выбрана коммутационная, защитная и измерительная аппаратура. Определены показатели, характеризующие качество электрической энергии на выходе и входе преобразователя, построены диаграммы электромагнитных процессов и рассчитаны эксплуатационные характеристики. Сделан вывод о целесообразности использования данной схемы выпрямления в устройствах электроснабжения электрических железных дорог постоянного тока.

Содержание

• Введение
• 1. Принцип работы преобразователя
• 1.1 Описание схемы и режима работы
• 1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов в схеме
• 2. Расчет основных параметров схемы преобразователя
• 2.1 Расчет напряжений на элементах схемы
• 2.2 Расчет токов в цепях схемы
• 2.3 Расчет мощностей трансформатора
• 2.4 Расчет продолжительности коммутации тока
• 3. Выбор трансформатора
• 3.1 Критерии выбора трансформатора
• 4. Проект вентильной части преобразователя
• 4.1 Выбор вентилей по типу и классу
• 4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях
• 4.3 Расчет группового соединения вентилей
• 5. Схема главных электрических соединений преобразователя
• 5.1 Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя
• 5.2 Выбор типа и обоснование примененных оборудования и аппаратов в схеме
• 6. Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии
• 6.1 Качество выпрямленного напряжения
• 6.2 Качество сетевого тока
• 6.3 Внешняя характеристика
• 6.4 Характеристика коэффициента мощности
• 6.5 Характеристика коэффициента полезного действия
• Заключение
• Библиографический список
• Введение

Основными элементами тяговых подстанций постоянного тока электрических железных дорог, метрополитена, городского и рудничного (карьерного) электротранспорта являются мощные выпрямительные, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи, являющиеся промежуточными звеньями между источниками и приемниками электроэнергии. Выпрямители должны обеспечивать надежное питание тяговых двигателей электроподвижного состава, инверторы надежный прием избыточных токов рекуперации, выпрямительно-инверторные преобразователи совмещать их функции.

Любой из вышеперечисленных преобразователей состоит из тягового трансформатора, служащего для преобразования уровня напряжения и числа фаз; вентильных конструкций, состоящих из управляемых или неуправляемых вентилей, которые обладают односторонней проводимостью; устройств коммутации и защиты преобразователя от аномальных режимов работы.

1. Принцип работы преобразователя

1.1 Описание схемы и режима работы

Рисунок 1 - Двенадцатипульсовая схема выпрямления последовательного типа

Двенадцатипульсовые схемы выпрямления позволяют: повысить коэффициент мощности тяговых подстанций до 0,97…0,98; улучшить форму кривой потребляемого от сети тока и тем самым повысить качество электрической энергии; улучшить форму кривой выпрямленного напряжения и снизить влияние тяговой сети на линии связи; повысить уровень напряжения в тяговой сети без применения специальных устройств регулирования напряжения; снизить расходы электротехнических материалов, затрагиваемых на изготовление выпрямителей. Приведенная схема является результатом последовательного соединения двух секций, каждая из которых представляет собой простую шестипульсовую мостовую схему выпрямления. Различие между секциями состоит с том, что у одной из них вентильная обмотка трансформатора соединена по схеме "звезда", а у другой - по схеме "треугольник". В результате этого кривые выпрямленных напряжений секций сдвинуты одна относительно другой на угол 30^о, а результирующее напряжение на выходе выпрямителя имеет двенадцатипульсовую форму. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора может соединяться как в "звезду" так и в "треугольник". В этой схеме катод мостовой схемы "звезды" соединен с анодом "треугольника" нагрузка подключается к выводам "+U_d" и "-U_d". В каждой мостовой схеме работают одновременно два диода: один - из катодной группы, другой - из анодной. При совместной работе находятся одновременно четыре диода, напряжение одной схемы складывается с напряжением другой, в результате чего на нагрузку поступает двенадцатипульсовое выпрямленное напряжение.

1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов в схеме

Векторная и временные диаграммы электромагнитных процессов в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа приведены на рисунке 2 и 3 соответственно.

Рисунок 2 - Векторная диаграмма в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа

Рисунок 3 - Временные диаграммы электромагнитных процессов в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа

2. Расчет основных параметров схемы преобразователя

2.1 Расчет напряжений на элементах схемы

полупроводниковый преобразователь трансформатор коммутатор

Исходным для определения напряжения на обмотках трансформатора и вентильных плечах является среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе преобразователя (U_d0). Определить U_d0 можно и из уравнения внешней характеристики для неуправляемого выпрямительного режима:

(1)

Так как известно, что при , то

(2)

где U_d - среднее значение выпрямленного напряжения при токе нагрузки ;

А - коэффициент наклона внешней характеристики, зависящий от схемы, который может быть либо рассчитан, либо принят согласно справочным данным (таблицу 4[1]);

u_к - напряжение короткого замыкания трансформатора, определенное заданием и выраженное в относительных единицах.

Разница между значениями и учитывает потери напряжения в обмотках трансформатора, обусловленные их индуктивным сопротивлением и процессом коммутации тока. С целью учета потерь напряжения в активных сопротивлениях обмоток, вентилях, токоведущих шинах и в дополнительном оборудовании целесообразно округлить U_d0 в большую сторону, увеличив его на 1 - 3 %.

Для сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления последовательного типа действующие значения напряжений вентильной обмотки трансформатора определяются для каждой из секций: для секции "звезды" используется значение соотношения U_d0/U₂, указанное в числителе, для секции "треугольника" - в знаменателе (см. таблицу 4[1]).

Для секции "звезды":

Для секции "треугольника":

Учитывая, что номинальное линейное напряжение питающей сети U_1л задано, коэффициент трансформации трансформатора:

, (3)

где U₁ и U₂ - действующие значения фазных напряжений первичной и вторичной вентильных обмоток трансформатора.

Для секции "звезды":

Надежность работы полупроводниковых вентилей определяется максимальным (амплитудным) обратным напряжением на вентильном плече, т.е.

. (4)

Для секции "звезды":

Для секции "треугольника":

2.2 Расчет токов в цепях схемы

Условия работы вентильного плеча определяются максимальным I_Vmax и средним I_Vср значениями тока, поэтому для проектирования преобразователя необходимо рассчитать их через известный ток выпрямителя I_dном. Соотношения между ними определяются схемой преобразователя (см. табл. 4[1]).

Заданием предусмотрена работа схем при абсолютно сглаженном токе преобразователя (I_d = const, так как X_d = ). В этом случае мгновенный и максимальный значения тока вентильного плеча равны, причем для сложных мостовых схем последовательного типа I_Vmax = I_dном.

Среднее значение тока в этих цепях:

, (5)

где = 2/3 - продолжительность проводящего состояния вентильного плеча.

Действующее значение тока вентильной обмотки трансформатора I₂ определяется из соотношений, приведенных в таблице 4[1]. Для сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления последовательного типа токи I₂ определяются для каждой из секций: для секции "звезды" используется значение соотношения I₂/I_d, указанное в числителе, для секции "треугольника" - в знаменателе.

Для секции "звезды": I₂=.

Для секции "треугольника": I₂=.

Действующее значение тока сетевой обмотки трансформатора I₁ определяется из соотношений, приведенных в таблице 4[1].

I₁=89,714 А.

2.3 Расчет мощностей трансформатора

Особенностями преобразовательного трансформатора по сравнению с обычным силовым являются:

1) различное в большинстве случаев число фаз сетевой m₁ и вентильной m₂ обмоток, т.е. ;

2) нестандартное значение напряжения на вентильной обмотке;

3) неравенство мощностей сетевой S₁ и вентильной S₂ обмоток.

Вследствие последнего положения трансформатор характеризуется так называемой типовой мощностью S_тип, которая определяется по выражению:

(6)

Мощность сетевой обмотки:

. (7)

При расчете сложных мостовых схем, в которых вентильные обмотки соединены в "звезду" и "треугольник":

. (8)

В теории выпрямления тока принято выражать S₁, S₂ и S_тип через так называемую условную мощность:

. (9)

При сравнении рассчитанных по уравнениям (6) - (8) мощностей S₁, S₂ и S_тип с основными расчетными соотношениями, приведенными в таблице 4[1], получаем равенство.

2.4 Расчет продолжительности коммутации тока

Процесс преобразования электрической энергии представляет собой регулярное чередование внекоммутационных и коммутационных интервалов в пределах каждого периода сетевого напряжения, поэтому необходимо определить продолжительность коммутации тока (значение угла коммутации ). С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения, абсолютно сглаженный ток на стороне постоянного напряжения, отсутствие взаимного влияния секций в сложных схемах, расчет при нагрузках, не превышающих номинальной и др.) можно определить угол коммутации и оценить его влияние на работу преобразователя.

Обобщенное для всех схем и режимов выражение, определяющее , согласно литературе [2, 10, 11] имеет вид:

, (10)

где - искомый угол коммутации;

= 0 - угол регулирования;

- угол опережения открытия тиристоров;

x_в - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к напряжению вентильных обмоток,

; (11)

I_Vmax = f(I_d) - ток, который коммутируют вентильные плечи данной схемы.

В результате вычислений получаем г = 16,24^?.

3. Выбор трансформатора

3.1 Критерии выбора трансформатора

Трансформатор преобразователя должен обеспечить реализацию заданной схемы, надежность и экономичность агрегата. При выборе трансформатора необходимо добиться соответствия паспортных данных условиям эксплуатации. При этом выбор производится по следующим критериям:

1) по соответствию параметрам питающей системы. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора и подведенная питающая сеть должны иметь одинаковое число фаз m₁ и равные номинальные линейные напряжения;

2) по мощности. Мощность трансформатора должна обеспечить надежную работу преобразователя во всем диапазоне нагрузок, для этого при выборе необходимо соблюдение условия:

S_тип S_т.ном, (12)

где S_тип типовая (расчетная) мощность трансформатора, определенная в разделе 2 для проектируемого преобразователя;

S_т.ном номинальная мощность выбранного типа трансформатора, соответствующая одному из установленных значений шкалы номинальных мощностей трансформаторов, выпускающихся в России;

3) по схеме вторичных (вентильных) обмоток. Схема вентильных обмоток выбранного трансформатора должна соответствовать заданной;

4) по системе охлаждения. Выбор системы охлаждения производят в зависимости от типовой мощности и условий эксплуатации трансформатора (от назначения преобразователя). Применяемые в составе преобразователя трансформаторы могут быть сухими или масляными. В настоящее время сухие трансформаторы изготавливаются мощностью до 2500 кВ•А и разрабатываются более мощные. На тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока применяются исключительно масляные трансформаторы.

С учетом выше изложенных условий выбираем трансформатор типа:

ТРМП-6300/35ЖУ 1

Дополнительные данные:

схема и группа соединений обмоток - ;

схема преобразователя - двенадцатипульсовая последовательного типа;

потери холостого хода Р_х.х = 9 кВт;

потери короткого замыкания Р_к.з = 39 кВт;

мощность сетевой обмотки 5,7 ;

номинальное фазное напряжение вентильной обмотки 755;

масса 14,6 т;

номинальное напряжение преобразователя 3,3 кВ;

номинальный ток преобразователя 1,6 кА;

номинальная мощность 6300 кВ·А;

напряжение короткого замыкания 7,5%.

4. Проект вентильной части преобразователя

4.1 Выбор вентилей по типу и классу

Вентильная часть преобразователя состоит из полупроводниковых вентилей (диодов), соединённых в плечи и секции; охладителей для отвода тепла от вентилей в окружающую среду и систему охлаждения; несущих конструкций и конструктивных узлов.

Выбор вентиля производится по следующим критериям:

по назначению преобразователя и режиму работы;

по принципу охлаждения;

по конструктивному исполнению приборов;

по допустимому среднему току прибора;

по классу прибора.

В настоящее время наибольшее распространение получили таблеточные вентили прижимной конструкции, для которых значительно облегчается работа в условиях циклической токовой нагрузки, так как исключено быстрое разрушение контактных соединений.

Вентильные конструкции преобразователя состоят из:

диодов типа Д 143-630: Д - диод; 1 - номер модификации; 4 - диаметр таблетки; 3 - таблеточного исполнения; максимально допустимый средний ток в открытом состоянии - 630 А (постоянный ток). Данный диод используется с охладителем О 243 -150, работающим при естественном охлаждении.

Параметры выбранных диодов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры вентиля типа Д 143-1000 с охладителем О 243 - 150

Обозначение параметра диода	Наименование параметра	Значение
IFAVm	максимально допустимый средний прямой ток, А	630
URRM	повторяющееся импульсное обратное напряжение (напряжение класса), В	4000
IFSM	ударный неповторяющийся прямой ток (ударный ток), кА	7,5
UFM	импульсное (амплитудное) прямое напряжение, В	2,1
U(TO)	пороговое напряжение, В	1,0
rт	дифференциальное прямое сопротивление (динамическое сопротивление), мОм	0,65
Tjm	максимально допустимая температура перехода, С	150
Rthjc	тепловое сопротивление переход - корпус, С/Вт	0,034
Rthha	тепловое сопротивление охладитель - охлаждающая среда, С/Вт	0,25
Rthch	тепловое сопротивление корпус - контактная поверхность охладителя, С/Вт	0,01
Z(th)tjc	переходное тепловое сопротивление переход - корпус при t=10с, С/Вт	0,04
Z(th)tha	переходное тепловое сопротивление охладитель - охлаждающая среда при t=10с, С/Вт	0,02

4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях

Максимально допустимый средний прямой ток при заданных условиях работы отличается от указанного в обозначении типа вентиля, так как прибор в конкретной схеме имеет иную продолжительность открытого состояния, различные значения температуры охлаждающей среды, интенсивности охлаждения и т. п., поэтому для оценки реальной нагрузочной способности вентиля рассчитывается I_FAVm в заданных условиях по выражению:

, (13)

где R_thja - тепловое сопротивление "переход - среда", ^оС/Вт, причем

; (14)

k_ф = 1,73 коэффициент формы кривой тока, зависящий от характера нагрузки и схемы преобразователя, равный отношению действующего значения тока к среднему;

Т_а - температура охлаждающей среды (воздуха). В расчетах обычно принимается равной +40^оС, но может изменяться в зависимости от места установки преобразователя, климатических условий и способа эксплуатации.

Критериями оценки работоспособности полупроводниковых приборов при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристики и ударный неповторяющийся ток. Исходными данными для расчета перегрузочных характеристик являются типы прибора и охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.

Допустимый ток перегрузки определяется по формуле:

, (15)

где T_j - температура перехода в результате нагрева его током предварительной нагрузки,

; (16)

P_F(AV) - мощность потерь в вентиле, обусловленная током предварительной нагрузки,

; (17)

Z_(th)tja - переходное тепловое сопротивление "переход - среда" для продолжительности перегрузки t, с.

При t = 10 с:

Z_(th)10ja = Z_(th)10jc + R_thch + Z_(th)10ha. (18)

Наиболее тяжелым будет режим при номинальном токе до наступления перегрузки, т. е. при

, (19)

где а = 2 - число вентилей, соединяемых в плече параллельно.

Z_(th)10ja = 0,01 + 0,04 + 0,02=0,07С/Вт;

Вентильные конструкции должны выдерживать и аварийные перегрузки, в том числе сохранять исправность при режиме короткого замыкания (к. з.). Перегрузочная способность вентиля характеризуется ударным неповторяющимся прямым током I_FSM - током, при котором превышается максимально допустимая температура перехода, но который протекает кратковременно и в единичных случаях за весь срок службы прибора. Нормируется допустимое значение ударного неповторяющегося прямого тока в виде одиночного импульса синусоидальной формы длительностью 10 мс в аварийном режиме. Обычно I_FSM (15 - 20) I_FAVm.

Этот ток сравнивается с расчетным ударным током к. з. в схеме преобразователя. Определить последний можно по упрощенной методике по выражению:

, (20)

где - напряжение короткого замыкания, эквивалентное сопротивлению питающей системы с мощностью к. з. S_к.з.с,

. (21)

Ударное значение тока к. з. определяется по выражению:

I_уд = 2,55 I_к.з. (22)

I_уд = 2,55· 12216,8 = 31152,8 А.

4.3 Расчет группового соединения вентилей

В преобразователях большой мощности, как правило, приходится использовать групповое соединение силовых полупроводниковых приборов с целью обеспечения нагрузочных режимов и необходимой надежности.

Порядок расчета числа параллельно соединенных вентилей предусматривает определение его по трем режимам:

1) номинальной нагрузки -

, (23)

где I_FAVm - максимально допустимый средний прямой ток вентиля, определяемый для заданных условий по выражению (19);

= 0,8 - коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между параллельно соединенными вентилями;

2) технологической перегрузки -

, (24)

где I_Vпер - максимальное значение тока вентильного плеча при перегрузке,

, (25)

k_п=2 - коэффициент перегрузки за t = 10 с принимаемый в соответствии с заданием;

I_F(OV) - амплитуда допустимого тока перегрузки одного вентиля, рассчитанная по формуле (15);

3) короткого замыкания -

, (26)

где I_уд - ударное значение тока к. з. в схеме преобразователя, определенное по выражению (22);

I_FSM - ударный неповторяющийся прямой ток вентиля, принимаемый согласно паспортным данным.

Наибольшим из них является а₃ ? 5.

Число последовательно соединяемых вентилей в плече схемы также определяется по трем режимам:

1) расчетному -

, (27)

где U_Vmax - максимальное обратное напряжение на вентильном плече, определенное по выражению (4) для данного режима;

U_RWM - рабочее обратное напряжение одного вентиля, принимаемое как параметр по паспорту. В случае отсутствия данных в паспорте принимается условие: ;

k_U = 0,9 - коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение напряжения;

2) по повторяющимся (коммутационным) перенапряжениям -

, (28)

где U_Vпов = 2290В - регулярно повторяющееся перенапряжение на плече, определенное процессами в схеме, значение которого задано в исходных данных;

U_RRM - повторяющееся обратное напряжение вентиля (напряжение класса);

3) по неповторяющимся перенапряжениям -

, (29)

где U_Vнепов = 15165 В - неповторяющееся аварийное перенапряжение, определенное исходными данными как перенапряжение между плюсовой и минусовой шинами преобразователя;

U_RSM - неповторяющееся обратное напряжение, допустимое на один вентиль, U_RSM = 1,25U_RRM;

U_RSM = 1,25·4000 = 4640 В;

n - число последовательных плеч в схеме, включенных на выпрямленное напряжение.

Для повышения ненадежности добавим еще один вентиль и округлим s₃ до целого, в результате число последовательно соединенных вентилей принимается s=2.

Схема группового соединения вентилей в плече представлена на рисунке 4.

Общее число вентилей в преобразователе определяется по выражению:

N = p a s, (30)

где p - число вентильных плеч в преобразователе.

N = 12·5·2 = 120.

Рисунок 4 - Схема группового соединения вентилей в плече

5. Схема главных электрических соединений преобразователя

5.1 Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя

Схема, показывающая способ соединения вентильной части преобразователя с обмотками трансформатора, а также основные элементы электроустановки (коммутационные аппараты и защитное оборудование), соединенные в такой последовательности, которая выполнена в реальных условиях, называется схемой главных электрических соединений преобразователя.

При проектировании преобразователя кроме выбора трансформатора и расчета вентильной части необходимо предусмотреть следующие коммутационные аппараты и защитное оборудование:

1) высоковольтные выключатели для производства оперативных и аварийных переключений под нагрузкой со стороны как переменного, так и постоянного тока;

2) разъединители для обеспечения безопасности производства ремонтно-наладочных работ;

3) измерительные трансформаторы, шунты и добавочные сопротивления для подключения средств измерения и защиты;

4) токоведущие конструкции (шины) для подключения преобразователя к шинам переменного и постоянного напряжения и для соединения выводов трансформатора с вентильными плечами;

5) ограничители перенапряжений (ОПН) или разрядники для защиты от воздействия атмосферных и коммутационных перенапряжений, возникающих как в тяговой сети и питающих линиях переменного тока, так и при включениях и отключениях преобразователей, включениях сглаживающего фильтра, отключениях токов к. з. и опрокидываний.

Схема главных электрических соединений преобразователя приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема главных электрических соединений преобразователя

5.2 Выбор типа и обоснование примененных оборудования и аппаратов в схеме

Условия выбора аппаратов и шин:

аппараты и шины выбираются по назначению и способу установки (наружная или внутренняя);

аппараты и изоляторы - по номинальному напряжению аппарата (U_ном.ап) в сравнении с номинальным напряжением установки (U_{ном.уст}) при условии, что ;

аппараты и токоведущие шины - по допустимому току (I_ном.ап) в сравнении с номинальным рабочим током цепи (I_{ном.уст}) при условии, что .

Наименование выбранных коммутационных аппаратов, защитного оборудования и токоведущих шин, место их установки, основные параметры и позиционные обозначения сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Перечень элементов схемы главных электрических соединений преобразователя

Поз. обозначение	Наименование	Место установки	Кол-во	Номинальное напряжение, кВ	Номинальный ток, А
				Uном.ап	Uном.уст	Iном.ап	Iном.уст
1	2	3	4	5	6	7	8
Q	Высоковольтный вакуумный выключатель ВБЭТ-35 II 25/630	Сторона переменного напряжения	1	35	35	630	89,714
QF	Выключатель автоматический быстродействующий ВАБ-49-4000/30-К-УХЛ 4	Сторона постоянного напряжения	1	3,3	3,3	4000	1600
QS1	Разъединитель наружной установки РНД(З)-35/630	Сторона переменного напряжения	1	35	35	630	89,714
QS2	Разъединитель РВПТЗ-3/4000 УХЛ 2	Сторона постоянного напряжения	1	3,3	3,3	4000	1600
РА	Амперметр М 367 с наружным шунтом ШС 75 ШСМ	Сторона постоянного напряжения	1	-	-	4000	1600
РV	Вольтметр М 151 с добавочным резистором Р 103	Сторона постоянного напряжения	1	4	3,3	-	-
R1	Ограничители перенапряжений ОПН-1,5УХЛ 1	Подключение к выводам вентильных обмоток тягового трансформа-тора	6	1,5	1,24	-	-
-	Шина переменного тока РУ-35 кВ А 1530	Подключение преобразователя на переменное напряжение	3	-	-	165	89,714
-	Шина постоянного тока РУ-3,3 кВ А 1008	Подключение преобразователя на постоянное напряжение	2	-	-	1625	1600
-	Шина подключения вентильного блока к вторичным обмоткам трансформатора А 808	Соединение выводов трансформа-тора с вентильными плечами	6	-	-	1320	1307,2

6. Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии

6.1 Качество выпрямленного напряжения

В кривой выпрямленного напряжения при симметричных и синусоидальных напряжениях питающей сети содержатся гармонические составляющие следующего порядка:

n = k m, (31)

где k = 1, 2, 3, 4,…;

m - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения.

Действующее значение каждой гармоники определяется по выражению:

; (32)

По выражению (32) можно определить действующее значение гармоники U_d0n:

(33)

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения характеризует результирующее влияние всех гармоник и определяется по формуле:

; (34)

Качество выпрямленного напряжения определяется коэффициентом полной волнистости:

; (35)

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета действующего значения переменной составляющей выпрямленного напряжения и коэффициента полной волнистости преобразователя

Неуправляемый выпрямитель
n		Ud0n	U2d0n
12	0,0099	33,33	1110,75
24	0,0025	8,29	68,70
36	0,0011	3,68	13,54
48	0,0006	2,07	4,28
60	0,0004	1,32	1,75
72	0,0003	0,92	0,85
1199,88
34,639
щd0 = 0,01

6.2 Качество сетевого тока

Форма кривой тока, потребляемого выпрямителем из сети, несинусоидальна и содержит гармонические составляющие с порядковым номером:

, (36)

где k = 0, 1, 2, 3, …

В результате расчетов получили n₁=1, 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49.

Если принять = 0 и X_d = , то доля каждой гармоники I_1(n1) от основной или первой (f = 50 Гц) гармоники тока I₁₍₁₎ :

, (37)

а действующее значение полного сетевого тока:

; (38)

Показателем качества этого тока является коэффициент формы кривой сетевого тока:

₀ , (39)

характеризующий совершенство схем.

₀

6.3 Внешняя характеристика

Большое значение для оценки эффективности преобразователя имеет внешняя характеристика, устанавливающая зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки: U_d = f(I_d).

Для выпрямительного режима работы уравнение внешней характеристики имеет вид:

(40)

Внешняя характеристика представлена на рисунке 7.



Рисунок 7 - Внешняя характеристика преобразователя

6.4 Характеристика коэффициента мощности

Коэффициент мощности показывает долю активной мощности P₁ от полной S₁, потребляемой выпрямителем (реализуемой инвертором) с данной схемой в зависимости от нагрузки, т. е.

. (41)

Расчетным выражением для определения коэффициента мощности, справедливым для выпрямительного режима, является следующее:

, (42)

Смысл аргумента косинусной функции - угол сдвига первой гармоники сетевого тока относительно кривой питающего напряжения.

Результаты расчетов сведены в таблицу 4. Характеристика коэффициента мощности представлена на рисунке 8.

Таблица 4 - Результаты расчета коэффициента мощности преобразователя

	Неуправляемый выпрямитель
	, гр.
0,2	7,25	0,989
0,4	10,26	0,987
0,6	12,58	0,985
0,8	14,53	0,983
1,0	16,24	0,981

Рисунок 8 - Характеристика коэффициента мощности

6.5 Характеристика коэффициента полезного действия

Характеристика коэффициента полезного действия (КПД) показывает отношение мощности P_d, отдаваемой выпрямителем нагрузке в данном режиме работы, к активной мощности Р ₁, потребляемой из питающей сети. Расчетным выражением для определения КПД будет следующее:

, (43)

где P_d - мощность на стороне постоянного тока,

P_d = U_d I_d ; (44)

P_d = 3300· 1600 = 5280000 Вт;

P - активные потери в схеме преобразователя;

P_т - потери мощности в трансформаторе,

, (45)

где P_х.х - потери холостого хода трансформатора;

P_к.з - потери короткого замыкания трансформатора;

P_в - потери мощности в вентилях преобразователя,

, (46)

где n_a = 1 - число параллельных секций;

P_с.н - потери мощности в устройствах собственных нужд преобразователя, включающие потери в системах управления и охлаждения, а также в устройствах защиты;

P_р - потери мощности в сглаживающем реакторе,

P_р = R_p I_d², (47)

где R_p - активное сопротивление обмотки реактора.

Потери мощности P_с.н не зависят от схемы и режима преобразователя, поэтому допустимо в курсовой работе их не учитывать, или принять равными 0,5% P_d при токе I_d = I_dном. Так как в курсовой работе не выбирается сглаживающий реактор, то потери мощности P_р также можно не учитывать.

Результаты расчета КПД преобразователя для заданного режима работы сведены в таблицу 5. Характеристика коэффициента полезного действия представлена на рисунке 9.

Таблица 5 - Результаты расчета КПД преобразователя

Id, А	Ud, В	Pd		Pт			Pв	P
		кВт	А	В	кВт	-
320	3356,8	1074	1,56	10,56	2560	1,04	2,67	13,23	0,98784
640	3343,7	2140	6,24	15,24	5120	1,08	5,55	20,79	0,99038
960	3330,6	3197	14,04	23,04	7680	1,12	8,64	31,68	0,99019
1280	3317,4	4246	24,96	33,96	10240	1,17	11,94	45,90	0,98931
1600	3304,3	5287	39,00	48,00	12800	1,21	15,46	63,46	0,98814

Рисунок 9 - Характеристика коэффициента полезного действия

Заключение

В процессе данной курсовой работы был спроектирован полупроводниковый преобразователь, получающий питание от трехфазной сети переменного тока, с двенадцатипульсовой схемой выпрямления последовательного типа и режимом работы при бесконечной индуктивности цепи выпрямленного тока (X_d = ?), выбран преобразовательный трансформатор типа ТРМП - 6300 / 35ЖУ 1, спроектирована вентильная часть преобразователя, разработана схема главных электрических соединений преобразователя, построены диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя, рассчитаны эксплутационные характеристики и параметры, характеризующие качество электроэнергии. Стабилизация напряжения в контактной сети повышает пропускную способность участков железных дорог.

Применение в спроектированном преобразователе двенадцатипульсовой схемы выпрямления позволяет: повысить коэффициент мощности тяговых подстанций до 0,988; улучшить форму кривой потребляемого от сети тока и тем самым повысить качество электрической энергии; улучшить форму кривой выпрямленного напряжения и снизить влияние тяговой сети на линии связи; повысить уровень напряжения в тяговой сети без применения специальных устройств регулирования напряжения; снизить расходы электротехнических материалов, затрагиваемых на изготовление выпрямителей. Данный преобразователь имеет достаточно большой коэффициент полезного действия (0,99).

Библиографический список

1. Салита Е.Ю. Проектирование преобразователей для тяговых подстанций постоянного тока: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Электронная техника и преобразователи в электроснабжении" / Е.Ю. Салита, Т.В. Комякова, Т.В. Ковалева / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 52 с.

2. Барковский Б.С. Теория выпрямления тока на тяговых подстанциях: Конспект лекций / Б.С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 50 с.

3. Салита Е.Ю. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине "Электронная техника и преобразователи в электроснабжении" / Е.Ю. Салита, Т.В. Комякова, Т.В. Ковалева / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 40 с.

4. Силовые преобразователи тяговых подстанций и электроподвижного состава: Учебное пособие / Е.Ю. Салита, Г.С. Магай, Т.В. Комякова и др.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 103 с.

5. Давыдова И.К. Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования / И.К. Давыдова, Б.И. Попов, В. М.Эрлих. М.: Транспорт, 1978. 416 с.

6. Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев, Р.П. Недошивин. М.: Энергоатомиздат, 1985. 400 с.

7. Новое оборудование для проектирования тяговых и трансформаторных подстанций: Учебное пособие / Г.С. Магай, Е.Ю. Салита, Т.В. Комякова и др.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 81 с.

8. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог. Сборник справочных материалов / ОАО "Российские железные дороги", филиал "Проектно-конструкторское бюро по электрификации железных дорог". М.: Трансиздат, 2004. 384 с.

9. Почаевец В.С. Электрические подстанции: Учеб. для техникумов и колледжей ж.-д. трансп. / В.С. Почаевец. М., 2001. 512 с.

10. Барковский Б.С. Инвертирование тока на тяговых подстанциях и электровозах / Б.С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1980. 36 с.

11. Засорин С.Н. Электронная и преобразовательная техника / С.Н. Засорин, В.А. Мицкевич, К.Г. Кучма М., 1981. 319

Размещено на Allbest.ru

...