Конструкция силового тиристорного преобразователя напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

1.1 Выбор электродвигателя

1.2 Выбор силового трансформатора

1.3 Выбор индуктивности сглаживающего реактора

1.4 Выбор полупроводниковых модулей

1.5 Выбор охладителей

1.6 Выбор автоматического выключателя

1.7 Выбор проводов, блоков зажимов и разъема преобразователя

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ НКУ

2.1 Разработка требований к конструкции преобразователя

2.2 Компоновка НКУ и его блоков

2.3 Конструирование оболочки НКУ

2.4 Тепловой расчёт НКУ

2.5 Разработка и описание конструкции преобразователя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВЫБОР ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

1.1 Выбор электродвигателя

По заданным значениям выбираем двигатель серии 2ПФ180LУХЛ4 [1].

Параметры двигателя:

В - номинальное напряжение;

- номинальная частота вращения;

% - коэффициент полезного действия ;

кВт - номинальная мощность;

- число пар полюсов.

Определим номинальный ток двигателя по формуле:

А

1.2 Выбор силового трансформатора

Выбор силового трансформатора преобразователя производится по заданным параметрам сети переменного тока, напряжению на стороне постоянного тока(или необходимому диапазону его изменения), выходным значениям напряжения и тока ().

Условия выбора трансформатора [2]:

Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора [2]:



Значения расчетных коэффициентов приведены в [2]:

где - коэффициент характеризующий соотношение напряжений в идеальном выпрямителе;

- снижение напряжения сети на 5%;

- неполное открывание тиристора;

- падение напряжения в обмотках трансформатора и в тиристорах.

Расчетное действующее фазное значение тока вторичной обмотки трансформатора [2]:

А

где = 0,817- коэффициент схемы, характеризующий отношение токов в идеальном выпрямителе;

=1,05 - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока тиристоров от прямоугольной.

Расчетное действующее фазное значение тока первичной обмотки трансформатора [2]:

А

Типовая мощность трансформатора [2]:

кВт

где = 1,05 - коэффициент схемы, характеризующий соотношение мощностей для идеального выпрямителя с нагрузкой на противоЭДС.

С учётом проведенных расчётов выбираем трансформатор типа

ТСП-10/0,7-УХЛ4 [3].

Т - трехфазный;

С - естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении;

П - для полупроводниковых преобразователей;

Х - типовая мощность, кВА ;

0,7-класс напряжения сетевой обмотки, кВ;

Х4-климатическое исполнение (УХЛ - умеренный и холодный климат) и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.

Параметры трансформатора:

кВА - типовая мощность;

В - номинальное напряжение сетевой обмотки;

В - номинальное напряжение вентильной обмотки;

А - номинальный ток вентильной обмотки;

- напряжение короткого замыкания;

- ток холостого хода.

Габаритные, установочные размеры трансформатора представлены на рис.1.1 и в табл.1.1.



Рис. 1.1

Таблица1.1 Габаритные размеры трансформатора

b, мм

А1, мм

А2, мм

d, мм

b1, мм

b2, мм

H, мм

H1, мм

b3, мм

l, мм

S, мм

B1, мм

L, мм

Масса кг

20

400± 0,5

120± 0,5

М8

76

126

325 max

290

24

110

6

305 max

625 max

85

1.3 Выбор индуктивности сглаживающего реактора

Выбор сглаживающего реактора, включенного последовательно с якорем двигателя, производится из условий обеспечения непрерывности тока двигателя во всем диапазоне нагрузок от до и изменении угла регулирования от до , а также ограничения пульсаций выпрямленного тока до .

Необходимая индуктивность цепи якоря [2]:



где - действующее значение первой гармоники выпрямленного напряжения [2]:

где А - минимальный ток нагрузки преобразователя;

m=6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период частоты напряжения сети.

Индуктивность якоря и дополнительных полюсов электродвигателя по [2]:

,

где k = 0,6 - коэффициент для некомпенсированных машин;

и - число пар полюсов и номинальная угловая скорость двигателя.

1/с

Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к якорной цепи двигателя [2]:

где - напряжение короткого замыкания трансформатора;

Необходимая индуктивность сглаживающего реактора по [2]:

.

C учетом проведенных расчетов выбираем сглаживающий дроссель

РСОС-10/0,5 УХЛ4 [4]:

Р - реактор;

С - сглаживающий;

О - однофазный;

С - естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении;

10 - мощность ,кВА;

0,5 - класс напряжения ,кВ;

УХЛ4 - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Параметры реактора:

ГН - индуктивность;

- номинальный ток;

кг - масса реактора.

Габаритные, установочные размер реактора представлены на рис.1.2.

Рис.1.2

1.4 Выбор полупроводниковых модулей

Выбор полупроводникового модуля производится по предельному значению тока, протекающего через прибор, и максимальному значению обратного напряжения с учетом условий охлаждения модуля и отличия формы тока от полусинусоиды.

Среднее значение прямого тока через тиристор [2]:

где - коэффициент запаса по току, учитывающий кратность пускового тока.

- число фаз силового трансформатора;

- коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения при естественном охлаждении.

Максимальная величина обратного напряжения на тиристоре [2]:

где - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы , обусловленные процессом коммутации вентилей;

- коэффициент обратного напряжения;

- напряжение на выходе преобразователя при = 0.

По проведённым расчётам выбираем модуль типа МТД-80-4 [5]:

М - модуль;

Т - первый полупроводниковый элемент (тиристор);

Д - второй полупроводниковый элемент (диод);

80 - средний (прямой) ток в открытом состоянии;

4 - класс напряжения.

Параметры полупроводникового модуля:

- средний максимальный ток в открытом состоянии ;

В - 4 класс по напряжению;

- тепловое сопротивление переход-корпус;

- тепловое сопротивление корпус-охладитель;

мкс - время включения;

мкс - время выключения;

Ом - динамическое сопротивление прибора в открытом состоянии;

В - пороговое напряжение;

- максимальная температура перехода;

- минимальная температура перехода;

кг-масса модуля.

Габаритные и присоединительные размеры модуля представлены на рис.1.3

Рис.1.3

1.5 Выбор охладителей

Для модуля МТД80-4 выбираем типовой охладитель [6].

Сделаем проверку его совместимости по тепловому сопротивлению с данным модулем.

Потери мощности в тиристоре [2]:

где и - пороговое напряжение, и динамическое сопротивление прибора в открытом состоянии;

- коэффициент формы тока.

Рассчитаем среднее значение тока через прибор [2]:

А

Тепловое сопротивление охладитель - окружающая среда:

где - допустимая температура внутри шкафа;

- допустимая рабочая температура структуры;

- тепловое сопротивление структура-корпус;

- тепловое сопротивление корпус-охладитель.

Для выбранного охладителя , следовательно, охладитель подходит. трансформатор преобразователь двигатель низковольтный

Габаритные размеры типового охладителя с модулем представлены на рис.1.4

Рис.1.4

Габаритные и присоединительные размеры:

L=130 мм, b=25 мм.

1.6 Выбор автоматического выключателя

Выбор автоматического выключателя производится по рабочему току первичной обмотки трансформатора и первичному напряжению.

В;

.

А.

По расчетным данным осуществляем выбор автоматического выключателя тип АЕ2023-10О20УХЛ3, имеющий следующие параметры [7]:

АЕ - выключатель автоматический;

20 - номер разработки;

2 - 16 А номинальный ток;

3 - трехполюсные с электромагнитными максимальными расцепителями тока;

- номинальный ток:

В - номинальное напряжение переменного тока частотой 50 и

Габаритные и присоединительные размеры представлены на рис.1.5

1.7 Выбор проводов, блоков зажимов и разъема преобразователя

Выбор сечений, типа и способа прокладки проводов производится с учетом дополнительного нагрева в зависимости от проходящего по ним тока.

Температура внутри оболочки НКУ +55 єС, поправочный коэффициент согласно рекомендациям [8] kп=0,71.

Рис.1.5

Рассчитаем значение расчетного тока в проводах, идущих от входного блока зажимов к автоматическому выключателю и далее к трансформатору:

.

Выбираем провода марки ПВ1с медной жилой и поливинилхлоридной изоляцией сечением по ГОСТ6323-79, прокладываемые по панели.

Зажимы выбираются исходя из сечений присоединяемых проводов и протекающих токов. Для проводов сечением выбираем блок зажимов: БЗ24-4П16-В/ВУ3-5 [8]:

Номинальный ток зажима:

Номинальное сечение зажима: .

Конструкция и габаритные размеры блока зажимов представлена на рис.1.6 и в табл.1.2.

Рис. 1.6

1- защелка; 2- колодка изоляционная; 3- контактный узел.

Таблица1.2 Габаритные размеры блок зажимов

Размеры, мм
L1	L2	L3
номинальное значение	предельное отклонение	номинальное значение	предельное отклонение	номинальное значение	предельное отклонение
63	-0,74	55	-0,74	55	0,37

Для проводов управления тиристорами выбираем провода марки ПВ2 с медной жилой и поливинилхлоридной изоляцией сечением по ГОСТ6323-79, прокладываемые в жгуте.

Для проводов сечениемвыбираем зажимы БЗ24-4П16-В/ВУ3-5.

Для подвода проводов управления тиристорами выбираем соединитель типа ОНЦ-СГ-1-10/18 Р1-В.

ОНЦ-СГ - тип соединителя;

1 - порядковый номер разработки;

10 - число контактов;

18 - условный размер корпуса;

Р - розетка;

1 - приборная часть без кожуха;

В - климатическое исполнение.

Конструкция соединителя представлена на рис.1.7.

Рис.1.7

Габаритные и установочные размеры соединителя:

.

Для проводов, идущих от трансформатора к модулям:

Для проводов, идущих от модулей к дросселю и нагрузке:

выбираем провода сечением . Для проводов выбираем блок зажимов: ЗН23-10М40-Д/ДУ3

Номинальный ток зажима: ;

Номинальное сечение зажима: .

Габаритные и присоединительные размеры представлены на рис.1.8 и в табл.1.3.

Рис.1.8

1-корпус; 2-пружина; 3,4-скобы; 5-винт; 6-зажим; 7-маркировочная бирка.

Таблица1.3 Габаритные размеры блока зажимов

Размеры, мм	Масса, кг, не более
L	B	H
номинальное значение	предельное отклонение	номинальное значение	предельное отклонение	номинальное значение	предельное отклонение
44	-0,39	8,5	-0,15	48,5	-0,39	0,027

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ НКУ

2.1 Разработка требований к конструкции преобразователя

Требования, установленные ГОСТ 10985--80 , определяют типоисполнения и основные размеры оболочек шкафов, щитов, ящиков и каркасов щитов.

Размещение электрического оборудования в шкафу должно подчиняться его функциональному назначению и создавать максимальные удобства при эксплуатации.

Преобразователь должен быть представлен в виде одного конструктива, который выполняется в виде шкафа. При монтаже и эксплуатации конструкция должна обеспечивать:

- доступность осмотра и подтяжки контактных соединений и элементов;

- возможность снятия составных частей и элементов, вышедших из строя и подлежащих замене без демонтажа других составных частей или с частичным демонтажем;

- возможность применения грузоподъемных механизмов;

- необходимо предусмотреть меры, обеспечивающие качественную укладку, крепление монтажных проводов, их четкую маркировку;

- при установке электроаппаратов между открытыми токоведущими элементами разных фаз необходимо обеспечить изоляционные расстояния не менее 20 мм по поверхности изоляции и 12 мм по воздуху;

- выключатель должен быть легко доступен и устанавливается на высоте не ниже 600 мм от пола и не выше 1800 мм. Аппараты должны устанавливаться, как правило, на высоте не менее 400 мм от пола. Ниже уровня 400 мм допускается устанавливать устройства, не требующего оперативного обслуживания (трансформатор тока и напряжения, стабилизаторы, шунты и т.п.);

- удобство подключения внешних соединений к НКУ;

- исключение возможности взаимного влияния (переброс электрической дуги, передача механических воздействий, вызывающих ложные срабатывания и разрегулировку, взаимную индуктивность и паразитные электрические связи);

- удобство, безопасность обслуживания;

- обеспечение нормального теплового режима НКУ.

Температура воздуха, внутри шкафа преобразователя не должна превышать +55 °С.

Необходимо обеспечить степень защиты оборудования IP 54 .

5- защита от пыли (проникновение внутрь оболочки пыли не предотвращено полностью, однако пыль не может проникнуть в количестве достаточном для нарушения работы изделия);

4- защита от брызг (вода, разбрызгиваемая на оболочку в любом направлении, не должна оказывать вредного воздействия на изделие).

2.2 Компоновка НКУ и его блоков

Компоновка НКУ и его блоков произведена графическим способом.

В шкафу располагаются силовой трансформатор ТМ, сглаживающий дроссель L, модули с охладителями и автоматический выключатель QF. Компоновочный чертеж НКУ представлен на рис.2.1.

Трансформатор располагается в нижней части шкафа, для обеспечения необходимой устойчивости конструкции.

Автоматический выключатель с целью уменьшения длины силовой цепи, размещен на правой стенке шкафа, в верхнем левом углу.

Сглаживающий дроссель располагается над трансформатором в верхней части шкафа. Дроссель устанавливаются на плиту.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.1

Рядом с дросселем над трансформатором располагаются полупроводниковые модули с охладителями.

Полупроводниковые модули с охладителями устанавливаются на плиту. Плиту берем стандартную (стеклотекстолит марки КАСТ-В по ГОСТ 10292-74). Выбор проведен согласно рекомендациям [9].

Плита полупроводниковых элементов с охладителями показана на рис.2.2.

2.3 Конструирование оболочки НКУ

Основным несущим узлом конструкции преобразователя является корпус. Корпус для шкафа выполняется каркасным. Шкаф устанавливается на подставку, высота которой 500 мм, сваренную из уголков прокатной



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.2.

равнополочной стали

.

Каркас оболочки проектируется с учетом крепления элементов для отдельных узлов НКУ, и выполняется из уголков прокатной равнополочной стали

.

Стенки оболочки выполняются из листов легированной конструкционной стали общего назначения толщиной .

1 . Боковые и задняя стенки крепятся к каркасу сварным соединением.

Дверь висит на петлях из материала Ст3, которые приварены к каркасу и к двери. Для обеспечения степени защиты IP54 выполняем дверь с уплотнением на нож, используя уплотнительную прокладку из технической резины средней твердости ТМКЩ-С (ГОСТ 7338-77) . В закрытом положении дверь фиксируется замком с ручкой.

Дно и крышка также выполняются из листов легированной стали, толщиной 1. Дно и крышка крепятся к каркасу сварным соединением.

Автоматический выключатель крепится на правую боковую часть шкафа винтами М514.58 ГОСТ 1491-72. Для закрепления плиты с модулями и охладителями используются рейки, которые имеют П - образный тип профиля. Для крепления зажимов используют швеллеры

.

К каркасу в нижем правом углу приваривается болт заземления М6 ГОСТ 7805-70 .

Для обеспечения транспортировки НКУ, в конструкции предусмотрены 2 рым-болта М8 ГОСТ 4751- 73, выбираемые исходя из массы НКУ [10].

Общий вид каркаса шкафа представлен на рис.2.3.

2.4 Тепловой расчёт НКУ

Рассмотрим шкаф, где располагаются трансформатор, дроссель, полупроводниковый модуль с охладителем и автоматический выключатель.

Площадь теплоотдачи НКУ [1]:

,

где - ширина шкафа;

- высота шкафа;

- глубина шкафа.

Объём НКУ:

.

Потери мощности в трансформаторе принимаем 2% от мощности двигателя:

Потери мощности в проводах:

,

где m- количество проводов, по которым проходит одинаковый ток;

- сопротивление i-го провода;

- удельное сопротивление меди;

- сечение i-го провода;

- длина i-го провода.

Для проводов, идущих от входного блока зажимов к автоматическому выключателю и далее к трансформатору:

Для проводов, идущих от трансформатора к модулям:

Для проводов идущих от модулей к сглаживающему дросселю и нагрузке:

Суммарные потери в проводах:

.

Потери в модулях:

Потери в сглаживающем дросселе:

Суммарные потери мощности в элементах шкафа:

Найдем плотность теплового потока:

Определим допустимый перепад температур НКУ и окружающей среды:

,

где - температура окружающей среды.

По [1] определяем, что рабочая точка лежит в зоне 1, что соответствует естественному охлаждению закрытых НКУ.

Определим тепловой КПД НКУ:

= %

где - максимальная плотность теплового потока при данном способе охлаждения и данном перепаде температур, определяемая по [1].

Спроектированный шкаф по своим геометрическим размерам обеспечивает нормальный тепловой режим при выбранном способе охлаждении НКУ.

2.5 Разработка и описание конструкции преобразователя

Конструкция преобразователя показана на сборочном чертеже НКУ, приведенном в приложении.

Трансформатор устанавливается непосредственно на швеллеры, изготовленные из горячекатаной стали по ГОСТ8240-72. Швеллеры крепятся к нижней части каркаса сварным соединением. Крепление трансформатора производится болтами М12, по ГОСТ7798-70.

Крепление дросселя к плите производится болтами М10. Плиту крепят при помощи уголков (ГОСТ19771-74). Уголки, образующие полку, крепятся к каркасу при помощи сварных соединений и усиливаются при помощи ребра жесткости.

Полупроводниковые модули с соответствующими охладителями крепятся к плите с помощью болтов М8 по ГОСТ7798-70. Плиту крепят на рейки винтами М8 ГОСТ1491-72. Рейки привареваются к горячекатаной стальной ленте 4х20 БСт2пс ГОСТ 6009-74, которая в свою очередь приваривается к верхнему и нижнему уголкам. Модуль крепится к охладителю при помощи болтов М6 ГОСТ7798-70.

Автоматический выключатель крепится к правой боковой стенке шкафа винтами М5. Отверстие под выключатель уплотняется резиновым уплотнителем для обеспечения степени защиты IP54.

Входной блок зажимов расположен в нижней правой части шкафа и крепится к швеллеру болтами М8. Для ввода питающих проводов и вывода проводов питания двигателя предусмотрено отверстие диаметром 15 мм, расположенного в днище шкафа. Отверстие имеет резиновый уплотнитель для обеспечения степени защиты IP54. Разъём проводов управления тиристорами расположен на боковой левой стенке и прикручен к ней винтами М3. Провода, идущие от входного блока зажимов до выключателя, прокладываются по правой стойке каркаса.

Второй блок зажимов расположен на плите с модулями. Провода идущие от блока зажимов к реактору прокладываются по полке, на которой стоит дроссель. Провода идущие к нагрузке, прокладываются по полке, а потом по стойке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была разработана конструкция силового тиристорного преобразователя напряжения, представленная на сборочном чертеже и чертеже общего вида. Произведен расчет и выбор силового трансформатора и сглаживающего дросселя, а также полупроводниковых модулей с соответствующими им рекомендуемыми стандартными охладителями. Для включения и отключения НКУ и защиты его от токов короткого замыкания и токов перегрузок применен автоматический выключатель. Произведен расчет и выбор проводов. Произведен выбор блок- зажимов и разъемов. Разъемы обеспечивают удобство подключения внешних устройств, а блок- зажимы - возможность съема функционального блока преобразователя для ремонта и контроля его параметров.

Произведена компоновка НКУ и его блоков в соответствии с разработанными требованиями и рекомендациями к конструкции преобразователя. Сконструирована оболочка НКУ. Оболочка НКУ соответствует разработанным требованиям. Произведен тепловой расчет НКУ. Тепловой расчет показал, что для выбранного способа охлаждения преобразователя принятые размеры шкафа обеспечивают нормальный температурный режим внутри него при длительной работе преобразователя. Разработана конструкция преобразователя в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Соответствие конструкции силового тиристорного преобразователя напряжения разработанным требованиям, обеспечивает возможность его применения на открытом воздухе и обеспечивает требуемую степень защиты оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по электрическим машинам т.1/ под общей ред. И.П.Копылова, Б.К. Клокова. М. Энергоатомиздат 1988г.

2. Проектирование электротехнических устройств/ В.А. Анисимов. А.О. Горнов, В.В. Москаленко и др. - М.: МЭИ, 2001.- 128 с.

3. Трансформаторы серии ТСП для питания комплектных тиристорных преобразователей ЭП постоянного тока/Промышленный каталог 03.34.07-00

4. Реакторы типа РСОС-10/0.5/Отраслевой каталог 03.81.07-94.

5. Массовая радио-библиотека / Под ред. О.П.Григорьева, В.Я. Замятин, С.Л. Пожидаев и др. Москва радио и связь 1990г.

6. Охладители для полупроводниковых приборов/ Отраслевой каталог 05.20.06-92.

7. Выключатель автоматический серии АЕ20/Отраслевой каталог 07.00.04-93.

8. Зажимы наборные гнездовые серии ЗН23 и блоки зажимов серии БЗН24/Отраслевой каталог 07.03.09-85.

9. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под общ. ред. В.А. Елисеева, А.В. Шинянского и др. М.: Энергоатомиздат, 1983.- 616 с.

10. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: т.1. - 7-е изд. - М.: Машиностроение, Т.1,1992.- 816с.

Размещено на Allbest.ru

...