Размещено на http://allbest.ru

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

Кафедра «Электроснабжение железных дорог»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Выполнил студент А.К. Москалец

Группа ЭС - 205

Руководитель Ю.П. Васильев

Нормоконтроль Ю.П. Васильев

Санкт-Петербург

2005

Содержание

1. Выбор и обоснование выпрямительной схемы

2. Расчет напряжения, токов и мощности. выбор трансформатора

3. Выбор прототипа преобразовательного трансформатора и расчет его сопротивлений

4. Расчет токов в аварийных режимах

5. Выбор типа диода и разработка соединения схемы плеча преобразователя

6. Разработка соединения схемы плеча преобразователя

7. Исследование внешних характеристик выпрямительного агрегата и исследование коммутации

8. Исследование энергетических характеристик

Заключение

Список литературы

1. Выбор и обоснование выпрямительной схемы

В курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме (трвеугольник-треугольник) преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя (рис. 1).

Рис. 1

Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора - 0,95 против 0,8.

Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе.

В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.

Схема шестипульсового мостового управляемого выпрямителя ТД

2. Расчет напряжения, токов и мощности. выбор трансформатора

Номинальный и перегрузочный режимы принимаются исходя из рекомендаций.

Параметры номинального режима по току определяются по заданию.

Кратность в процентах от номинального тока, длительность перегрузок и цикличность должны соответствовать требованиям к тяговым выпрямителям (ГОСТ 2329-70):

125% в течении 15 минут 1 раз в 2 часа: 3500 A

150% в течении 2 минут 1 раз в 1 час: 4200 A

200% в течении 10 секунд 1 раз в 2 мин: 7000 A

Предварительно производится расчет для номинального режима при идеальных СПП и пренебрежении сопротивлениями питающей сети.

Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода вычисляется по формуле:

,

где - потери выпрямленного напряжения на коммутацию, 10% от

Udo=825+0.1*825

^В

Максимальное значение напряжения в контактной сети, В

- метро.

Номинальный угол управления (, рад) высчитывается по формуле

Линейное напряжение вторичной обмотки вычисляется по следующей формуле:

U2=*1.1*Udн=*1.1*825

^В

Максимальное обратное напряжение на плече преобразователя, В

=*671.986

^В

Коэффициент трансформации трансформатора для схемы треугольник-треугольник вычисляется:

=6000/671.986=8.929

Среднее значение тока плеча в номинальном режиме, А

=2800/3=933.333A

^А

Эффективное значение тока плеча в номинальном режиме, А

^А

Эффективное значение линейного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А

^А

Эффективное значение фазного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А

^А

Эффективное значение фазного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А

I1fn=1319.933/8.929

^А

Эффективное значение линейного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А

I1fn=1319.933/8.929

^А

Расчетная мощность трансформатора, Вт

3. Выбор прототипа преобразовательного трансформатора и расчет его сопротивлений

Выбран трансформатор соответствующий требованиям проекта.

ТМНПВ-5000/10

- типовая мощность преобразовательного трансформатора, Вт;

- мощность короткого замыкания, Вт;

u_k = 9,6% - напряжение короткого замыкания коммутации, %.

Активное приведенное сопротивление фазы трансформатора



^Ом

Индуктивное приведенное сопротивление фазы трансформатора

^Ом

Эквивалентное анодное индуктивное сопротивление, Ом

^Ом

Эквивалентное анодное активное сопротивление, Ом

4. Расчет токов в аварийных режимах

Аварийным режимом является короткое замыкание в полюсах выпрямительного моста.

Начало развитии короткого замыкания совпадает с моментом окончания очередной коммутации. Это обусловлено тем, что в момент окончания коммутации в схеме происходят наибольшие коммутационные перенапряжения.

Режим предшествующий короткому замыканию - нормальный.

На рис. 2 представлена схема возможных коротких замыканий трёхфазного мостового преобразователя, а на рис. 3 представлена расчётная схема замещения.

Схема возможных коротких замыканий трехфазного мостового преобразователя.

Рис. 2

Расчётная схема замещения при коротком замыкании на шинах трёхфазного мостового преобразователя, одно плечо.

Рис. 3

угол коммутации выпрямителя.



=36.099/57.3=0.63рад

- постоянная времени, с

= 50 - частота питающей сети, Гц

- круговая частота питающей сети, с^-1

ф = La/Ra=( / щ)/ Ra

ф=(0.0326/(2*50* р))/0.006=0.0017c

Угол сдвига периодической составляющей тока короткого замыкания, Рад

Амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания, А

Временная диаграмма тока короткого замыкания представлена на рис. 4

Рис. 4

Максимальное значение тока короткого замыкания, А

Ток короткого замыкания определяется по формуле

где амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;

фазовый угол сдвига между кривыми напряжения и тока;

угол коммутации выпрямителя.

5. Выбор типа диода и разработка соединения схемы плеча преобразователя

Выбор диода производиться по двум параметрам:

предельный ток диода

максимальное обратное повторяющееся напряжение

Так как СПП имеют низкую перегрузочную способность, то при расчете необходимо рассмотреть три режима работы тягового преобразователя:

режим длительной нагрузки

режим рабочий перегрузки но не чаще чем через каждые

режим аварийной перегрузки

В расчете определяем число параллельных (а) СПП для перечисленных выше режимов, а затем принимаем наибольшее из них и округляют его до большего целого числа, если дробная часть превышает 0,1.

A

На основании выше указанных значений, выбираем для расчета диод Д253-1600 с охладителем О153-150.

Характеристики диода:

максимальное обратное напряжение U_RRM=1000

предельный ток диода

пороговое напряжение

дифференциальное сопротивление Ом

тепловое сопротивление структура-контур

тепловое сопротивление корпус-охладитель

тепловое сопротивление охладитель - окружающая среда при естественном охлаждении и температуре воздуха

максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры

наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов

переходное тепловое сопротивление за время соответствующее эквивалентному прямоугольному импульсу мощности (t=6мс)

переходное тепловое сопротивление переход корпус за время ф=6 мс (соответствует 120 эл. град.)

переходное тепловое сопротивление переход корпус за период Т=20 мс

Расчет предельного тока по формуле нагрузочной способности:

где: - установившееся тепловое сопротивление цепи полупроводниковая структура -

охлаждающая среда,

- температура окружающей среды, 25;

- коэффициент формы тока, .



Ом

Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения:

где: - ток плеча преобразователя для соответствующего режима его работы (в режиме длительной нагрузки , в режиме кратковременной перегрузки для режима аварийной перегрузки ток плеча принимается равным амплитуде тока короткого замыкания), А;

- предельный ток диода, А;

- коэффициент нагрузки или коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительной перегрузки:

 - коэффициент, учитывающий снижение предельного тока из-за повышенной температуры охлаждающей среды, если не оговорены условия охлаждения, то

- коэффициент перегрузки в различных режимах;

- среднее значение тока перегрузки. В режиме длительной нагрузки этот ток равен предельному току.

- коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях.

Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с:

где: - одно из значений температуры структуры при кратности нагрузки , предшествовавшей режиму перегрузки, обычно принимается по условиям эксплуатации

- коэффициент скважности импульсов прямого тока;

- одно из значений потерь мощности:

В соответствии с расчетом на ЭВМ примемx=0.6



На основании сравнения расчета для номинального режима а₁=1,414 , режима рабочей перегрузки а₂=0,38 и аварийного режима а₃=1,887, округляем значения до целых и принимаем максимальное число параллельных ветвей а=2

6. Разработка соединения схемы плеча преобразователя

Число последовательных СПП определяется из соотношения:

где: - максимальное обратное напряжение на плече преобразователя в номинальном режиме, В;

- неповторяющееся импульсное напряжение, В;

- коэффициент неравномерности распределения напряжения, в расчетах принимается равным 1,1;

- кратность перенапряжений, принимаем равным 1,7…1,8 для тяговых преобразователей. s=1.143 s:=ceil(s) s=2

Для равномерного деления напряжения применяют активные () и емкостные (С) и смешанные (КС) цепи, включаемые параллельно СПП рис.3.

Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:

где: - число последовательных приборов;

- наибольшее допустимое мгновенное напряжение для одного СПП данного класса (повторяющееся напряжение), В;

- наибольшее мгновенное обратное напряжение на плече, В;

- наибольший повторяющийся импульсный обратный ток СПП, А.

^Ом

Мощность резистора определяется по формуле, Вт:

где: - эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.

^Вт

Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:

где: - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.

 ^Кл

7. Исследование внешних характеристик выпрямительного агрегата и исследование коммутации

Одной из важнейших характеристик, определяющих работу выпрямителя, является его внешняя характеристика, которая представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока .

С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение уменьшается. Потери в преобразователе можно условно разделить на следующие основные составляющие:

· потеря напряжения на коммутации

· потеря напряжения на активных сопротивлениях (в обмотках трансформатора)

· потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах

Потеря напряжения на коммутацию:

^В

Потеря напряжения на активных сопротивлениях:



где: -угол коммутации выпрямителя;

^В

Потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах:

где: - число плеч, одновременно проводящих ток;

- число последовательных СПП в одном плече;

^В

Уравнение внешней характеристики имеет вид:

^В

графическое изображение представлено на рис. 5



Рис. 5

Ом

Наличие индуктивных сопротивлений на стороне переменного тока преобразователя приводит к появлению интервала коммутации, который называется углом коммутации и измеряется в электрических градусах.

С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения; полностью сглаженный ток на стороне выпрямленного напряжения; расчеты выполняются при нагрузке не выше нормальной) угол коммутации определяется по выражению:

 (37)

Далее исследуется форма тока на коммутационном интервале. Ток коммутации определятся по формуле:

(38)

Ток плеча, входящего в работу , изменяется по закону тока коммутации и при достигается в амплитуде значения .

Ток плеча, выходящего из работы i_n(вых), изменяется как и при становится равным нулю. Производится расчет токов плеч при изменении от 0 до .

Графические результаты расчетов представлены на Рис. 6

Рис. 6 Зависимость токов плеч от

Если известна мощность на стороне выпрямленного тока, то для определения полной мощности преобразователя необходимо знать коэффициент мощности:

где: -коэффициент фазового сдвига основной гармонической тока питающей сети;

- коэффициент искажения формы тока первичной сети;

,

- эффективное значение высших гармонических составляющих тока питающей сети;

Полученный график зависимостей представлен на Рис.7



Рис. 7 Зависимость коэффициента мощности от тока

8. Исследование энергетических характеристик

Суммарные активные потери в схеме преобразователя определяются по формуле:

где: - потери в стали преобразовательного трансформатора, равные потерям холостого хода для выбранного трансформатора;

- потери в меди преобразовательного трансформатора, которые определяются потерями короткого замыкания , пропорциональными квадрату отношения выпрямленного тока к номинальному току, т.е.:



- потери в СПП, т.е.:

- число плеч преобразователя одновременно проводящих ток;

-средний ток при

- потери в делителях напряжения и тока, составляющая

- потери в сглаживающем реакторе. Здесь - активное сопротивление обмотки сглаживающего реактора, которое в расчетах можно принять равным (0,01…0,02) Ом;

- потери в устройствах защиты и систем управления, применяются равными 0,2% от ;

Суммарные потери мощности:

Графическое отображение полученных величин представлено на Рис 8.

Рис. 8 Зависимость суммарных активных потерь в схеме преобразователя от тока

Мощность на стороне выпрямленного напряжения

P_d(I_d)=Ud(б_nI_d)*I_d

P_d(I_d)=2187668.293 Вт

Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется по формуле:

Зависимость КПД от тока Id представлены на Рис. 9

Рис. 9 Зависимость КПД от тока

Зависимость температуры полупроводниковой структуры от тока Id представлены на Рис. 10



Рис.10 Зависимость температуры полупроводниковой структуры от тока Id

Заключение

В курсовом проекте был произведен расчет преобразовательного полупроводникового агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена.

Рассчитаны основные величины, характеризующие качество получаемой энергии, произведен гармонический анализ.

Построены временные диаграммы напряжений и токов, а также получены основные характеристики тягового полупроводникового шестипульсового преобразователя.

диод трансформатор ток

Список литературы

1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.- д. трансп. - М.: Транспорт, 1999. - 464с.

2. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.2 / Под ред. К.М. Марквардта. - М.: Транспорт, 1981. - 392с.

3. Методическое указание к курсовому проекту. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя. А.Т. Бурков, А.П. Самонин. Санкт-Петербург 2001.

Размещено на Allbest.ru

...