Расчет мощного выпрямителя

Размещено на http://allbest.ru

Расчет мощного выпрямителя

Расчетное задание

полупроводниковый выпрямитель энергетический

В зависимости от назначения выпрямители могут быть выполнены по различным схемам и отличатьcя по конструкции; в выпрямителях возможно применение как естественного охлаждения полупроводниковых вентилей, так и принудительное воздушное охлаждение; кроме того, возможно использование различных способов защиты от токов короткого замыкания. В них применяются, как правило, кремниевые полупроводниковые вентили: диоды и тиристоры.

К выпрямителям предъявляются требования обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой. Для этого на входе преобразователя в трехфазной сети переменного тока устанавливаются резонансные фильтры для подавления высших гармоник, а на выходе преобразователя в цепи постоянного тока сглаживающий фильтр.

В контрольной работе предполагается разработка студентами электрической схемы мощного полупроводникового выпрямителя, выбор силовых вентилей и трансформатора, расчет электрических показателей и выходной характеристики, а также определение параметров входных и выходных фильтров. Структурная схема выпрямителя приведена на рис.1, где Т - силовой трансформатор, VZ - неуправляемый выпрямитель, F1 - входные фильтры высших гармонических, F2 - выходной фильтр.

1. Исходные данные к контрольной работе

1. Назначение мощного выпрямителя: питание электропривода постоянного тока, различных зарядных устройств, питание электрического транспорта, питание технологических установок (гальваника, электротермические установки и др.).

2. Выходная мощность выпрямителя: номинальная P_dн и максимальная P_{d mах}.

3. Выпрямленное номинальное напряжение U_dн.

4. Схема выпрямления. Возможны следующие варианты: нулевая (рис. 2,а), мостовая (рис. 2,б), с уравнительным реактором (рис. 2,в) (условно плечо выпрямителя представлено одним вентилем).

5. Система охлаждения вентилей выпрямителя: естественная или принудительная при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с или 12 м/с.

6. Питающее напряжение U₁: трехфазное переменного тока промыш-ленной частоты, линейное.

7. Напряжение короткого замыкания силового трансформатора пре-образовательной установки U_к , %.

8. Мощность короткого замыкания системы питания S_кз.

9. Допустимый коэффициент пульсации выпрямленного напряжения K_пульс.

10. Допустимый коэффициент несинусоидальности питающего напряжения K_нс.

Рис.1. Структурная схема выпрямителя

2. Задание и последовательность его выполнения

По приведенным в приложении исходным данным необходимо рассчитать мощный полупроводниковый выпрямитель трехфазного переменного тока. Номер варианта выбирается студентом в соответствии с последними цифрами в номере зачетной книжки.

Задание выполнять в следующей последовательности:

1) составить принципиальную схему преобразователя и выбрать типовую мощность силового трансформатора;

2) определить значения среднего, эффективного и максимального токов вентильного плеча преобразователя;

3) определить ток короткого замыкания и время его действия, зависящее от типа защиты вентильного плеча преобразователя;

4) определить значение максимального обратного напряжения на вентильном плече преобразователя;

5) выбрать тип вентиля c учетом полученных значений токов и напряжений и заданной системы охлаждения;

6) составить схему параллельных и последовательных соединений в вентильном плече c учетом деления тока и напряжения между вентилями;

7) выбрать тип выходного фильтра и рассчитать его параметры в зависимости от заданного коэффициента пульсации;

8) рассчитать параметры входного фильтра в зависимости от заданного коэффициента несинусоидальности;

9) составить полную схему преобразователя cо всеми элементами, предусмотреть возможность диагностирования исправности его элементов.



Рис. 2. Принципиальные схемы выпрямителей

Принципиальная схема преобразователя и выбор силового трансформатора

В соответствии с заданием следует разработать принципиальную схему преобразователя в соответствии с рис. 2. Так как число вентилей неизвестно, то в принципиальной схеме вентильное плечо изображается одним групповым полупроводниковым диодом.

Трансформатор к преобразователю выбирается по типовой мощности S_Т, которая зависит от схемы выпрямления и выходной номинальной мощности выпрямителя S_Н:

, (1)

где - коэффициент превышения расчетной мощности трансформатора, его значения приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения коэффициента для расчета мощности трансформатора

Схема выпрямления	Рис. 2, а	Рис. 2, б	Рис. 2, в
	1,34	1,05	1,26

Силовые трансформаторы в соответствии со стандартами выпускаются по специальной шкале мощностей и выбираются из условия .

Для выпрямителей при напряжении питания 1000 В и мощности до 500 кВт, устанавливаемых на вторых и выше этажах зданий, а также в пожароопасных помещениях, выбирают трансформаторы сухого исполнения, во всех остальных случаях с масляным охлаждением. Паспортные данные трансформаторов приведены в табл. 2--4.

Таблица 2. Трансформаторы трехфазные силовые с естественным масляным охлаждением напряжением до 10 кВ

Тип	Мощность SТ,кВА	Напряжение короткого Замыкания Uк,%	Потери, кВт	Ток холостого хода IХ,%	Полная масса, т
			РХ	РК
1	2	3	4	5	6	7
ТМ-63	63	4,5	0,265	1,280	2,8	0,600
ТМ-100	100	4,5	0,365	1,970	2,6	0,720
ТМ-160	160	4,5	0,540	2,650	2,4	1,100
ТМ-250	250	4,5	0,780	3.700	2,3	1,425
ТМ-400	400	4,5	1,080	5,500	2,1	1,900
ТМ-630	630	5,5	1,680	7,600	2,0	3,000
ТМ-1000	1000	5,5	2,450	12,20	1,4	4,70
ТМ-1600	1600	5,5	3.300	18,00	1,3	6,50
ТМ-2500	2500	5,5	4,600	25,00	1,0	8,00
ТМ-4000	4000	6,4	6,40	33,50	0,9	13,1

Таблица 3. Трансформаторы трехфазные силовые сухие защищенные напряжением до 10 кВ

Тип	Мощ-ность SТ, кВА	Напряжение короткого Замыкания Uк,%	Потери, кВт	Ток холостого хода IХ,%	Полная масса,т
			РХ	РК
ТСЗ-160 ТСЗ-250 ТСЗ-400 ТСЗ-630 ТСЗ-1000 ТСЗ-1600	160 250 400 630 1000 1600	5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5	0,7 1,0 1,3 2,0 3,0 4,2	2,7 3,8 5,4 7,3 11,2 16,0	4,0 3,5 3,0 3,0 2,5 2,5	1,4 1,8 2,4 3,4 4,6 6,5

Таблица 4. Трансформаторы трехфазные силовые сухие защищенные напряжением до 1600 В

Тип	Мощность SТ, кВА	Напряжение короткого Замыкания Uк,%	Потери, Вт	Ток холостого хода IХ,%	Полная масса, кг
			РХ	РК
ТСЗ-10 ТСЗ-16 ТСЗ-25 ТСЗ-40 ТСЗ-63 ТСЗ-100 ТСЗ-160	10 16 25 40 63 100 160	4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4.5 4,5	90 125 180 250 355 500 710	280 400 560 800 1090 1500 2060	7,0 5,8 4,8 4,0 3,3 2,7 2,3	150 180 240 320 440 580 800

Определение значений среднего, эффективного и максимального тока вентильного плеча преобразователя. Эти значения определяются, учитывая малую тепловую постоянную нагревания вентилей, на основании максимальной мощности преобразователя. Средний ток вентильного плеча равен

, (2)

где N - число параллельно работающих плеч преобразователя (табл. 5).

Таблица 5. Значения числа параллельно работающих плеч преобразователя в зависимости от вида схемы

Схема преоб-разователя	Рис. 2,а	Рис. 2,б	Рис. 2,в
N	3	3	6

Эффективный ток вентильного плеча I_ЭП определяется как

, (3)

где К_Э=3, так как во всех трех схемах (рис. 2) ток через плечо протекает в течение 1/3 периода.

Соответственно максимальный ток вентильного плеча равен

.

Определение тока короткого замыкания и времени его действия

За расчетный режим для определения значения тока короткого замыкания принимается режим короткого замыкания на нагрузке. Расчет ведется по эквивалентной схеме для одной фазы на стороне выпрямленного напряжения (рис. 3)

, (4)

где I_КЗ - эффективное значение установившегося тока короткого замыкания, A; Z_С, Z_Т - сопротивления соответственно внешней сети и трансформатора, Ом; U_Ф2 - эффективное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, В,

, (5)

где - коэффициент схемы (табл. 6).

Таблица 6. Значения К_сх в зависимости от вида схемы преобразователя

Схема преобразователя	Рис. 2,а	Рис.2,б	Рис.2,в
	1,17	2,34	1,17

Рис. 3. Эквивалентная схема определения

Сопротивление внешней сети зависит от мощности короткого замыкания системы

, (6)

где - мощность короткого замыкания, ВА; - фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора, В.

Сопротивление трансформатора

. (7)

Для схемы с уравнительным реактором полученное значение следует удвоить, так как в режиме короткого замыкания работает только половина обмотки трансформатора.

Для выбора вентилей необходимо знать амплитудное значение тока короткого замыкания :

- в случае, если защита срабатывает в течение времени не превышающем 10 мс;

- в случае, если защита срабатывает в течение времени 10 мс и более.

Первый случай соответствует применению в качестве защиты от токов замыкания быстродействующих плавких предохранителей или быстродействующих автоматических выключателей. Быстродействующие плавкие предохранители можно применять, если соблюдается соотношение

. (8)

При обычных предохранителях и выключателях время срабатывания защиты составляет 40-60 мс.

Определение максимального обратного напряжения на вентильном плече преобразователя

При определении максимального обратного напряжения на вентильном плече учитывают, что возможно в соответствии со стандартом на питающее напряжение его повышение на 5% и что в режиме холостого хода преобразователя на его выходе также будет иметь место повышенное, примерно на 5 %, напряжение.

Для схемы на рис. 2,a ;

рис. 2,б ;

рис. 2,в .

Выбор типа вентиля и составление схемы вентильного плеча

Паспортные данные вентилей плеча приведены в табл. 7. Желательно, чтобы в плече было минимальное число вентилей, поэтому следует выбрать вентили на большие токи и напряжения. Паспортные данные вентилей проводятся при принудительном охлаждении их со скоростью воздуха 12 м/с.

При скорости охлаждающего воздуха 6 м/с допустимый ток вентиля уменьшается в 1,5 раза, а при естественном охлаждении - в 3 раза. Вентили выпускаются двух типов: штыревые и таблеточные, последние требуют более сложных охладителей.

Вентили могут иметь обычную вольтамперную характеристику и лавинную, в последнем случае отпадает необходимость в устройстве защитных RС-цепочек и делителей напряжения.

Число последовательно соединенных вентилей в плече

. (9)

Число параллельных вентилей в плече выбирается наибольшим, исходя из следующих неравенств:

, , . (10)

Например: если в результате расчетов для преобразователя с естественным охлаждением и обычной защитой предохранителями получено =500 А; =870 А; =5000 А и если выбран вентиль Д133-800 с паспортными данными: =800 А, =2280 А, =5700 А при = =50 мс, то из полученных значений.

; ;

следует выбрать наибольшее значение =1,85, тогда в плече должны быть 2 вентиля, работающие параллельно.

Ток выбирается из условия, что вентиль до момента короткого замыкания был нагружен максимальным током, т.е. его переход имеет температуру 140 °С.

Для выбранного вентиля в контрольной работе должны быть приведены его паспортные данные.

Составляется электрическая схема плеча преобразователя. Если число параллельных ветвей вентилей не превышает трех, применяются индуктивные делители тока (рис. 4), если ветвей больше - применяются уравнительные сопротивления (рис. 5).

Рис. 4. Схема вентильного плеча с делителем тока на 3 параллельные ветви

Таблица 7. Паспортные данные силовых вентилей

Тип	Конструк-тивное ис-полнение	,A	,A	,кB	TС
					кA =10 мс	кA =50 мс
Д141-100 Д151-125 Д151-160 Д161-200 Д161-250 Д161-320 Д133-400 Д133-500 Д133-800 ДЛ132-50 ДЛ161-200 ДЛ171-320 Д4151-100 Д4171-250 Д4171-320 Д4143-800	Штыревой Штыревой “ Штыревой “ “ Таблеточ-ный “ “ Штыревой Штыревой Штыревой Штыревой Штыревой “ Таблеточный	100 125 160 200 250 320 400 500 800 50 200 320 100 250 320 800	157 250 - - 500 - 1120 1620 2280 78 320 500 157 393 502 1250	0,3-1,6 0,3-1,6 - - 0,3-1,6 - - 1,0-4,0 - 0,4-1,5 0,4-1,4 0,4-1,4 0,5-1,4 0,5-1,4 - 0,6-1,8	1,9 2,2 3,0 5,5 6,4 7,5 7,0 9,0 12,0 1,0 5,5 7,5 2,7 8,0 9,0 12,0	1,1 1,3 1,75 3,2 3,75 4,25 3,2 4,3 5,7 - 3,2 4,5 1,4 4,1 4,9 5,7

При обычных, нелавинных вентилях применяются RC-цепочки и делители напряжения (рис. 4).

Рис. 5. Схема вентильного плеча на лавинных вентилях с уравнительными сопротивлениями

Выбор выходного фильтра и расчет его параметров

Возможны три типа фильтров: чисто индуктивный (рис. 6,а), Г-образный (рис. 6,б) и с настроенными контурами (рис. 6,в).

Чисто индуктивный фильтр применяется в тех случаях, когда нагрузка изменяется в небольших пределах и нет необходимости в глубоком сглаживании. Значение индуктивности фильтра можно найти из выражения

, (12)

где - максимальное сопротивление нагрузки. Его значение может быть приблизительно определено как , - круговая частота первой гармоники пульсации выпрямленного напряжения; для схемы рис. 2,а - =942; для схем рис. 2,б и 2,в - =1883; - коэффициент сглаживания, равный , где - коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя, т.е. до фильтра; - коэффициент пульсации напряжения после фильтра. Для схемы выпрямления рис. 2,а = =25 %, рис. 2,б и рис. 2,в - = 5,7 %.

Г-образный фильтр применяется для более глубокого сглаживания, а также при изменении нагрузки в небольших пределах. Параметры фильтра определяются по выражениям:

; , (13)

где и - соответственно значения индуктивности и емкости фильтра.

Фильтр с настроенными контурами применяется, когда выпрямитель работает во всем диапазоне нагрузок (например: питание железнодорожного транспорта, устройств связи и т.п.) и требуется высокий уровень сглаживания выходного напряжения.

Рис. 6. Схемы выходных фильтров

Расчет фильтра ведется в следующей последовательности:

- определяется значение последовательной индуктивности

, где ; (14)

- определяется допустимое значение сопротивления индуктивности первого настроенного контура

; (15)

- задаются добротностью индуктивности контура Q, причем, чем выше мощность выпрямителя, тем выше мощность контура и соответственно выше значение добротности:

Q=10ч100;

- определяют значение индуктивности и емкости контура

; (16)

Аналогично ведется расчет емкости и индуктивности контуров на более высокие гармонические составляющие (2n, 3n, 4n).

Расчет параметров входного фильтра

При расчете параметров входного фильтра, представленного на рис. 7, исходят из того, что коэффициент несинусоидальности напряжения

Рис.7. Схема входных фильтров

определяется первыми четырьмя каноническими гармониками тока

, (17)

где n - номер гармоники входного тока, зависящий от числа фаз выпрямителя, n=km+1, где m - число фаз выпрямителя (3 или 6); k - целое число (1, 2, 3 и так далее).

Коэффициент несинусоидальности при отсутствии фильтра будет примерно равен.

Расчет каждого контура начинают с определения активного сопротивления индуктивности контура (рис.7), настроенного на данную гармонику

, (18)

где - сопротивление системы внешней сети, приведенное к входному напряжению, т.е. ко входу силового трансформатора, где устанавливаются фильтры

. (19)

Задаваясь добротностью контура Q, определяем значение

и затем значение емкости контура

.

Так как входной фильтр не только снижает высшие гармоники, но и компенсирует реактивную мощность выпрямителя, то для того чтобы не возникла нежелательная перекомпенсация, необходимо на суммарную емкость контуров наложить дополнительное условие

. (20)

определяется по мощности выпрямителя

,

где при f=50 Гц.

При cos выпрямителя 0,93 - 0,95 sin= 0,37 - 0,31.

В результате следует привести полную схему рассчитанного выпрямителя. Пример такой схемы приведен на рис. 8.

Оформляется контрольная работа в виде пояснительной записки с рисунками и чертежами на листах писчей (желательно в клеточку) бумаги формата А4 с полями и только на одной стороне листа.

Записка должна содержать титульный лист, задание, расчеты и рисунки согласно заданию, заключение и список использованной литературы.

Пример расчета выпрямителя

Исходные данные:

Назначение выпрямителя: электропривод.

Выпрямленное напряжение: =220 В.

Мощность выпрямителя: номинальная =120 кВт, максимальная =180 кВт.

Схема выпрямления: с уравнительным реактором (рис. 2,в).

Охлаждение вентилей воздухом: V=6 м/с.

Питающее напряжение: =0,66 кВ.

Мощность короткого замыкания системы: =10 МВА.

Коэффициент пульсации: =3,0.

Коэффициент несинусоидальности: =3,0 %.

Рис. 8. Схема 3-фазного выпрямителя

Расчет:

1. Находим мощность силового трансформатора:

S_т=0,5(S₁+S₂)=0,5(1,045+1,48)=1,26=1,26120=151,2 кВт,

где S₁, S₂ - мощности первичной и вентильной обмоток трансформатора соответственно.

Трансформатор выбираем из условия S_т > S_н .

Выбрали трансформатор марки ТСЗ-160.

Каталожные данные:

S_т=160 кВА , =4,5%. Потери: =710 Вт, =2060 Вт, =2,3%.

2. а) находим средний ток вентильного плеча:

==136,36 А;

б) находим эффективный ток вентильного плеча:

=К_з=136,363=409,08 А;

в) находим максимальный ток вентильного плеча:

=3=3136,36=409,08 А.

3. а) Находим эффективное значение установившегося тока короткого замыкания:

,

где - сопротивления внешней сети и трансформатора соответственно, Ом; U_ф2 - эффективное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, В.

Расчет производим по схеме замещения (рис. 3).

U_ф2 ===188,03 В.

Коэффициент схемы К_сх находим из следующего выражения:

U_dn= =1,17 U_ф2 ,

Z_с===0,011 Ом; Z_т===0,029 Ом.

Для схемы с уравнительным реактором полученное значение Z_т удваивается, так как в режиме КЗ работает только одна половина обмотки трансформатора:Z_т=0,0292=0,058 Ом.

И окончательно:I_кз==2725,07 А;

б) находим амплитудное значение тока КЗ:

i_кз=2I_кз=22725,07=7707,07 А;

в) определение времени срабатывания защиты и её типа:

==18,84>12,

следовательно, защита осуществляется быстродействующими плавкими предохранителями или быстродействующими автоматическими выключателями. Время срабатывания защиты t_сз10 мс.

Если приведенное отношение меньше 12, то защита осуществляется обычными предохранителями и автоматическими выключателями, время срабатывания защиты составляет от 40 до 60 мс.

4. Находим максимальное обратное напряжение на вентильном плече преобразователя:

U_{r max}=1,051,05U_ф2=2,69 U_ф2=505,8 В.

Коэффициенты 1,05 вводятся, поскольку по стандартам возможно повышение питающего напряжения на 5 % и в режиме холостого хода преобразователя на его выходе также будет иметь место 5 % превышение напряжения.

5. Выбор типа вентиля: Выбираем вентиль типа Д133-500

Каталожные данные:

Конструктивное исполнение: таблеточный. Выпрямляемый ток: I_dв=500 А. Эффективный ток: I_эв=1620 А. Номинальное напряжение: U_r=(1,0-4,0) кВ. Ток КЗ: i_кз.а.в=9000 А, при номинальной температуре p-n-перехода Т=140С. Падение напряжения на вентиле: U_пр=1,2 В. Сопротив-ление:r=5710 Ом. Обратный ток: I_обр=50 мА.

6. Расчет количества вентилей в плече и схемы их включения:

а) число последовательно включенных вентилей:

n_c===0,7, принимаем n_с=1 шт;

б) число параллельно включенных вентилей: из трех условий выбираем большее.

n_п>==0,82; n_п> = =0,76; n_п>==0,85, принимаем n_п=1 шт.

7. Выбор выходного фильтра и расчет его параметров: выбираем Г-образный фильтр.

Индуктивность фильтра:

L_d ===0,15 мГн,

где R_{n max}=3=3=4,84 Ом.

Коэффициент пульсации для данной схемы: K_п=5,7.

Круговая частота первой гармоники пульсации выпрямленного напряжения: 2fn=1884.

Емкость фильтра:

C===5,45 мФ,

где коэффициент сглаживания s_c===1,9,

к_п.вх, к_п.вых - коэффициенты пульсации напряжения на входе и выходе фильтра соответственно.

8. Расчет параметров входного фильтра:

а) канонические гармоники тока:

I_1n=,

где S_t - мощность трансформатора, U₁ - первичное напряжение трансформатора, n=km+1 - номер гармоники входного тока, зависящий от числа фаз выпрямителя, m - число фаз выпрямителя (3 или 6), k - целое число(1, 2, 3, 4…),

I_{1, 5}==28,03 A,

I_{1, 7}==20,02 A,

I_{1, 11}==12,74 A,

I_1,13==10,78 A.

Определим: Z_c' - сопротивление системы внешней сети, приведенное к входному напряжению, т.е. ко входу трансформатора, где установлены фильтры; К'_нс - коэффициент несинусоидальности при отсутствии фильтра:

Z'_c= ==0,044 Ом,

К'_нс=(1,5-2)=2=0,032=3,2;

б) находим активные сопротивления индуктивностей контуров, настроенных на соответствующую гармонику:

r_n=,

r₅==0,23,

r₇==0,32,

r₁₁==0,51,

r₁₃==0,61;

в) находим индуктивности контуров, настроенных на соответствующие гармоники:

L_n=,

где Q=(10ч100) - добротность индуктивности контура, принимаем Q=30.

L₅==4,39 мГн L₇==4,36 мГн,

L₁₁==4,43 мГн, L₁₃==4,48мГн;

г) находим емкости контуров:

С_n=,

С₅==91,57 мкФ,

C₇==47,47 мкФ,

C₁₁==18,92 мкФ,

С₁₃==13,39 мкФ;

д) проверка по допустимой емкости:

требуется, чтобы не было перекомпенсации реактивной мощности, так как входной фильтр компенсирует ее:

C_доп ==298,29 мкФ,

=171,95 мкФ,

171,95< 298,29, где sin=0,34 при cos=0,94.

Библиографический список

1. Коротков В.Ф. Автоматическое регулирование в электроэнергетических системах. Учебник для вузов. 2013 год - 192 с.

2. Матюнина Ю.В., Кудрин Б.И., Жилин Б.В. Электроснабжение потребителей и режимы. Учебное пособие. 2013 год - 411с.

3 Розанов Ю.К., Старшинов В.А., Серебрянников С.В. и др. Основы современной энергетики. Том 2. Современная электроэнергетика. Учебник для вузов. 2014 год - 632с.

4. Темников А.Г., Бортник И.М., Белогловский А.А. и др. Электрофизические основы техники высоких напряжений. Учебник для вузов. 2010 год - 704с.

5. Основы преобразовательной техники [Электронный ресурс]: учебное для студентов вузов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» /О.З. Попков.-3-е изд., стер.-М.: Издательский дом МЭИ, 2010.-200с.-Загл.с домашней страницы Интернета.-Электрон. версия печ. публикации. - http://nelboru/.

6. Задачник по электротехнике.Новиков.П.Н., Кауфман В.Я. - М.: Издат. центр «Аккдемия», 2013.-336с.

7. Сидоренко Э.Т., Денисова Н.В. Полупроводниковые преобразовательные устройства в системах электроснабжения промпредприятий. Учебное пособие. Казань: Изд.отдел КФ МЭИ, 1997.

Размещено на Allbest.ru

...