Расчет режимов работы выпрямителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Энергетический институт

Кафедра ЭПП

Курсовая работа

«Расчет режимов работы выпрямителя»

по курсу «Силовые преобразователи в электроснабжении»

Выполнила: студентка гр. 938Т1 Шилова Е.В.

Проверил: преподаватель Плотников И.А.

Томск - 2010

Содержание

Введение

Основная часть

1. Структурная схема системы фазового управления

2. Расчет номинального рабочего режима выпрямителя

3. Построение временных диаграмм работы выпрямителя и графическое определение величины пульсаций выпрямленного напряжения при б = 0

4. Расчет и построение регулировочной и внешних характеристик выпрямителя для режима номинальной нагрузки

5. Расчет коэффициентов преобразования выпрямителя

6. Расчет гармонического состава и коэффициентов искажения синусоидальности фазных токов и напряжений выпрямителя для номинального режима при б = 0

7. Расчет баланса мощностей выпрямителя

8. Выбор вентилей выпрямителя и расчет их теплового режима

9. Расчет силового фильтра

Заключение

Литература

Введение

Целью курсовой работы является освоение основных методов расчета энергетических и эксплуатационных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей на примере наиболее характерного устройства - выпрямителя.

При выполнении курсовой работы необходимо закрепить теоретические знания практическим выполнением расчетов рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей и анализом их температурного режима, расчетом искажений токов и напряжений питающей сети и выбором фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволяет глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии.

Темой курсового проекта является управляемый выпрямитель, выполненный по трехфазной мостовой схеме. Выпрямитель может использоваться для питания якорных цепей двигателей постоянного тока в электроприводах станков и других машин, а также может использоваться в качестве регулятора напряжения в цепях с активной или активно-индуктивной нагрузкой. При выполнении курсовой работы закрепляются теоретические знания практическим выполнением расчетов рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей и анализом их температурного режима, расчетом искажений токов и напряжений питающей сети и выбором фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволяет глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии.

1. Структурная схема системы фазового управления

фазовый выпрямитель синусоидальность ток

Наиболее распространенным способом регулирования углов включения тиристорами 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 U_с и управляющего U_у сигналов определяет соответствующее значение угла управления тиристором.

Канал управления плечом трехфазного мостового выпрямителя показан на рисунок 1.

На рисунке обозначены: ГПН - генератор пилообразного напряжения; К - компаратор; ФИ - формирователь импульса; У - усилитель.

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

Аналогичные каналы управления имеются в фазах В и С.

2. Расчет номинального рабочего режима выпрямителя

Номинальный режим выпрямителя характеризуется номинальной нагрузкой и углом управления вентилями ?=0. С изменением ? происходит регулировка выходного напряжения, и режим работы выпрямителя изменяется.

Рисунок 2. Расчетная схема выпрямителя

Расчетная схема выпрямителя приведена на рисунке 2.

Анализ физических процессов и энергетических соотношений в схемах выпрямления переменного тока проводится при следующих общепринятых допущениях.

1. ЭДС питающего трансформатора составляют трехфазную симметричную систему:

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

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

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

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

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

2. Коммутационный режим - в работе участвуют под действием ЭДС самоиндукции индуктивности Х_ф три и более фаз и, соответственно три и большее количество вентилей. В этом режиме происходит коммутация тока из одной фазы в другую. При нормальной загрузке выпрямителя в коммутационном процессе одновременно участвуют три фазы, и длительность коммутации не превышает ? ? 60^о.

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

Временные диаграммы работы схемы выпрямления в нормальном режиме приведены на рисунке 3.

Угол коммутации управляемого выпрямителя для рассматриваемого случая может быть определен по формуле



где ? - угол управления вентилями.

Величина выпрямленного напряжения:

Определение интегральных энергетических характеристик выпрямителя позволяет ввести коэффициенты преобразования схемы по току, напряжению, мощности. Обычно, эти коэффициенты определяются для линеаризованной кривой фазного тока, которая принимается трапецеидальной. Тогда действующее значение фазного тока трансформатора, питающего выпрямитель равно:

Коэффициент преобразования схемы выпрямления по току:

Данный коэффициент при принятых допущениях не зависит от угла управления ?. С ростом угла коммутации ? численное значение К_I уменьшается.

Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению равен:

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

Расчет режима работы выпрямителя целесообразно осуществлять методом последовательных итераций до получения заданной погрешности сходимости численных величин выпрямленных тока, напряжения и угла коммутации ?. Итерации продолжаются до тех пор, пока значение параметров (например, угла ?) на предыдущем и последующем этапах расчета будут отличаться на величину, определяющую погрешность вычислений, например 5 %.

Расчёт номинального рабочего режима б = 0

Принимаем г₁ = 0 , тогда

;

Дальнейшие вычисления сведём в таблицу 1:

Таблица 1

Итерация	г, град.	Ud, о.е.	Id, о.е.
1	24,43	2,34	0,73
2	23,87	2,23	0,70
3	23,89	2,24	0,70

Погрешность между 2 и 3 итерацией равна 0,1%, что меньше 5%, принимаем г = 23,89° или г = 0,42 рад.

Определим остальные параметры и энергетические характеристики выпрямителя.

Действующее значение фазного тока трансформатора, питающего выпрямитель:

;

Коэффициент преобразования схемы выпрямления по току:

;

Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению:

;

Коэффициент использования мощности питающего трансформатора:

.

Расчёт режима работы при угле управления не равным 0, вычисления будут аналогичные предыдущим. Расчёты сведём в табл. 2.

Итерационным методом расчета определили длительность коммутационного процесса г при углах управления б = 0,20,40,60,80 град., величину выпрямленного напряжения и ток нагрузки с минимальной погрешностью вычисления.

Таблица 2

б, град.	Итерация	г, град.	Ud, о.е.	Id, о.е.	y,град/рад	IД, о.е.	КI	КU	КP
0є	1	24,43	2,34	0,73	23,89/0,417	0,550	0,790	0,450	0,950
	2	23,87	2,23	0,70
	3	23,89	2,24	0,70
20°	1	11,178	2,189	0,687	10,777/0,188	0,529	0,804	0,475	0,872
	2	10,758	2,100	0,656
	3	10,777	2,104	0,658
40°	1	5,776	1,792	0,560	5,541/0,097	0,434	0,810	0,583	0,706
	2	5,530	1,712	0,535
	3	5,541	1,715	0,536
60°	1	2,920	1,170	0,365	2,797/0,049	0,285	0,813	0,893	0,459
	2	2,791	1,117	0,349
	3	2,797	1,120	0,350
80°	1	0,903	0,406	0,127	0,865/0,015	0,099	0,816	2,572	0,159
	2	0,863	0,388	0,121
	3	0,865	0,389	0,122

3. Построение временных диаграмм работы выпрямителя и графическое определение величины пульсаций выпрямленного напряжения при б = 0

Используя расчетное значение г и известные параметры напряжения питающей сети и тока нагрузки выпрямителя, строим в масштабе временные диаграммы напряжения в нагрузке выпрямителя.

Величина пульсации определяется как:

Рисунок 4 - Временные диаграммы работы схемы выпрямления в нормальном режиме

4. Расчет и построение регулировочной и внешних характеристик выпрямителя для режима номинальной нагрузки

Изложенная выше методика расчета режимов работы выпрямителя позволяет рассчитать его регулировочную характеристику по выражению

Для этого необходимо задаться несколькими значениями углов управления ?, для каждого из которых повторяется расчет соответствующего режима и определяется графическая зависимость U_d = f(?) , E_m = const, R_н = const.

Таблица 3

б	0	20	40	60	80
Ud	2,239	2,104	1,715	1,120	0,389

Рисунок 5. Регулировочная характеристика

Внешние характеристики U_d = f(I_d) при ? = const легко определяются выражением:

Данное выражение справедливо для нормального двух - трех вентильного режима работы выпрямителя, т.е. для значений угла коммутации . Значение тока нагрузки, при котором выпрямитель перейдёт в аварийный трёх - четырёх вентильный режим работы при угле коммутации г = 60°, следовательно, внешняя характеристика выпрямителя нормального режима при б = 0 ограничивается значением тока I_dmax, при котором г = (р / 3).

Таблица 4 - Расчетные данные

б, град.	Id, о.е.	Ud, о.е.
0	0	2,339
	4,082	1,754
20	0	2,198
	4,082	1,613
40	0	1,792
	4,082	1,207
60	0	1,170
	4,082	0,585

Рисунок 6. Регулировочная характеристика

5. Расчет коэффициентов преобразования выпрямителя

Значения коэффициентов преобразования для нескольких значений ?, берём из предыдущего раздела работы. Построим графическую зависимость К_U, К_I, К_р = f(?).

Коэффициенты преобразования выпрямителя К_U, К_I, К_ис могут быть определены по выражениям:

;

;

Таблица 5 - Расчетные данные

б	КI	КU	КР
0	0,790	0,450	0,950
20	0,804	0,475	0,872
40	0,810	0,583	0,706
60	0,813	0,893	0,459
80	0,816	2,572	0,159

Рисунок 7. Зависимость К_U, К_I, К_р = f(б)

Фазовый сдвиг первой гармоники фазного тока выпрямителя относительно ЭДС приближенно определяется как ц₁ = ? + ?/2 . Задаваясь значениями ? и имея из предыдущих расчетов значения угла коммутации ? для заданных ? отыскиваем зависимость cos?₁ = f(?).

Таблица 6 - Расчетные данные

б, град.	0	20	40	60	80
г, град.	23,893	10,777	5,541	2,797	0,865
cosц1	0,978	0,903	0,734	0,479	0,166

Рисунок 8. Регулировочная характеристика выпрямителя

6. Расчет гармонического состава и коэффициентов искажения синусоидальности фазных токов и напряжений выпрямителя для номинального режима при б = 0

Задание состоит в определении коэффициента гармоник напряжения сети, питающей управляемый выпрямитель. Исходными данными служат параметры номинального режима выпрямителя, рассчитанные в предыдущем пункте №3.

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. Достаточно простое математическое описание кривой фазного тока позволяет получить аналитические зависимости его гармонического состава

где I_кm - 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 I_кm - амплитуды высших гармоник;

I_1m - амплитуда первой гармоники фазного тока.

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

где U_кm - амплитуды высших гармоник напряжения, U_1m - амплитуда первой гармоники напряжения.

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

Искажения сетевого напряжения вентильной нагрузкой 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 I_?к нагружен на эквивалентное сопротивление питающей сети Z_фк =r_ф+jк·хф, 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 К_ГU. 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 питающей сети существенно уменьшается за счет влияния емкостей кабеля и другого оборудования.

Исходными данными для расчета являются параметры номинального режима, рассчитанные в предыдущем пункте. Основным параметром для расчета I_кm является величина угла коммутации при известных значениях E_m, ?, x_ф. Активное сопротивление сети принимается равным ?0,1x_ф?=?r_ф?.

Расчет начинается с определения гармонического состава фазного тока сети, питающей выпрямитель. Далее, по известному спектру тока определяем падение напряжения на сопротивлении сети от каждой гармоники тока и находится К_ГU.

Пример расчёта для гармоник:

1-ая гармоника:

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

Амплитудное значение основной гармоники тока трансформатора:

Активное сопротивление сети принимается равным | 0,1х_ф | = | r_ф |.

Эквивалентное сопротивление питающей сети, реактивная составляющая которой зависит от частоты:

Ток к - ой гармоники в питающей сети создает падение напряжения:

5-ая гармоника:

Амплитудное значение к - ой гармоники находится:

где коэффициенты:

Таблица 7

к	Кк1	Кк2	Ikm	|Zфк|	Umk = Ikm·|Zфк|
1	-	-	0,768	0,151	0,116
5	0,0007257	0,117	0,136	0,75	0,102
7	0,001143	0,079	0,086	1,05	0,091
11	0,001393	0,017	0,038	1,65	0,062
13	0,001154	0,003137	0,025	1,95	0,048

Степень искажения формы тока определяется коэффициентом гармоник по току:

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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

7. Расчет баланса мощностей выпрямителя при б = 0

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

Выразив действующие значения токов и напряжений через коэффициенты гармоник и первую гармоническую составляющую, получим:

Активная и реактивная мощность первых гармонических составляющих

Соответственно, мощность искажений определится как

8. Выбор вентилей выпрямителя и расчет их теплового режима

Расчет условий работы вентилей выпрямителя следует проводить для режима максимальной нагрузки при ? = 0.

Исходными данными для расчета являются заданный ток нагрузки и режим работы выпрямителя. Расчет производится в именованных единицах.

Порядок расчета следующий:

1. По известному току I_d определяются среднее I_ср и действующее значение тока вентиля:

Коэффициенты амплитуды К_а = 3 и формы К_ф =1,73 [1, таблица 3-4].

2. Предварительно выбираем низкочастотный нелавинный тиристор типа Т-50 со следующими параметрами:

* Пороговое напряжение U_о = 1,2 В;

* Динамическое сопротивление R_Д = 336•10^-5 Ом;

* Установившееся тепловое сопротивление в статике R_т = 1,85⁰ С/Вт;

* Максимально допустимая температура структуры И_р-н =125°С;

* Способ охлаждения - естественное, воздушное.

3. Величина мощности потерь в тиристоре:

4. Определяем температуру полупроводниковой структуры прибора при известной температуре окружающей среды И_с = 20°С:

5. Подсчитанное значение ( = 114,72^оС) меньше максимально допустимой температуры (И_р-н = 125°С);

6. Проводим проверку теплового режима при повторно-кратковременном режиме работы. Температура определяется для длинной серии импульсов мощности потерь ?Р.

Рассчитаем периодичность включения нагрузки:

Время подключения нагрузки:

Определяем из справочника переходные тепловые сопротивления при выбранных условиях охлаждения соответствующим отрезкам времени:

Подсчитанное значение ( = 72,5^оС) меньше максимально допустимой температуры (И_р-н = 125°С).

Максимально допустимое мгновенное значение напряжения, приложенное к полупроводниковому прибору в обратном или прямом закрытом направлении равно:



С учетом этого выбираем класс тиристора - 6 [1, табл. 3-7]

9. Расчет силового фильтра

Расчет ведется в именованных единицах, для чего относительные значения гармоник фазных токов выражаются в Амперах. Действующее значение фазного тока определяется по заданному току I_d и подсчитанному значению К_I. Гармонические составляющие фазных токов в именованных единицах находятся по известному из предыдущих расчетов процентному содержанию высших гармоник в кривой тока:

Последовательность расчета элементов фильтра следующая.

1. Определяется мощность батареи конденсаторов на фазу

Q_к = 1,3 U_фд · I_кд

где U_фд - действующее значение фазного напряжения, В;

I_кд - действующее значение тока к-ой гармоники, А.

2. Учитывается уменьшение реактивной мощности конденсаторов при уменьшении сетевого напряжения. Учет производится с помощью коэффициента в_к, значения которого для 5,7 гармоник принимаются 0,83-0,82; для 11, 13 гармоник - 0,77-0,765. Тогда Q_ф = в_k Q_к.

3. Выбираются стандартные конденсаторы, ориентируясь по расчетной мощности.

4. Определяем требуемое значение индуктивного сопротивления дросселя. Сопротивление выбранного конденсатора х_к емкостью С на к-ой гармонике определяется по формуле:

Тогда индуктивность дросселя получим из соотношения:

Соответствующие расчеты проводятся для 5, 7, 11, 13 гармонических составляющих питающего напряжения:

Пример расчёта параметров фильтра для 5-ой гармоники:

Выбираем конденсатор типа КМ 0,23-5-3 , типовая мощность которого равна 5,4 КВар, типовая ёмкость равна С= 220 мкФ.

Для систематизации расчёта параметров фильтров для различных гармоник составим соответствующую таблицу 9.

Таблица 9 - Расчетные данные

№ гармоники	Iкд, А	Qк, ВАр	вк	Qф, ВАр	Тип конденсатора	Номинальное напряжение, В	Типовая емкость, мкФ	Типовая мощность, кВАр	Предельное напряжение, В	хк = хL, Ом	L, мГн
5	10,73	3070	0,83	2550	КМ-0.23-5-3	230	220	5,4	230	2,9	9,23
7	6,79	1941	0,83	1611	КМ-0.23-5-3	230	220	5,4	230	2,9	9,23
11	3,00	857	0,77	660	КМ-0.23-5-3	230	220	5,4	230	2,9	9,23
13	1,97	564	0,77	434	КМ-0.23-5-3	230	220	5,4	230	2,9	9,23

Заключение

При выполнении данной курсовой работы был изучен основной метод расчета энергетических и эксплуатационных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей на примере наиболее характерного устройства - выпрямителя. Также были закреплены теоретические знания практическим расчетом рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей и анализом их температурного режима, расчетом искажений токов и напряжений питающей сети и выбором фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволяет глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии.

Список литературы

1.Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник.-М.Энергия, 1975.

2.Лукутин Б.В. Силовые преобразователи электроэнергии. Выпрямитель. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов ЭЛТИ специальности 140200 по курсу “Силовые преобразователи в электроснабжении”. - Томск: Изд. ТПУ, 2006. - 28 с

Размещено на Allbest.ru

...