Судовая и промышленная электроника

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Судовая и промышленная электроника

Рассчитать управляемый полупроводниковый преобразователь, построенный на базе трёхфазной нулевой схемы, работающий на R-нагрузку и R-L - нагрузку с нулевым диодом. Исходные параметры и_сл = 380 В, мощность нагрузки Р = 7,5 кВт, напряжение на нагрузке U_H =220 В, коэффициент пульсаций на нагрузке не должен превышать 2,5%. Рассчитать и построить внешние и регулировочные характеристики. Произвести расчет гармонического состава выпрямленного напряжения и тока, потребляемого из сети при всех видах нагрузки. Построить временные диаграммы в масштабе напряжений и токов на всех элементах схемы без учета и с учетом коммутационных процессов для 3-х углов включения тиристоров .

Работа на R нагрузку

В эквивалентной схеме выпрямителя не учитываются индуктивности рассеяния обмоток трансформатора: предполагается также, что вентили и трансформатор идеальны.

полупроводниковый преобразователь напряжение ток

Рис.1 Принципиальная схема трехфазного управляемого выпрямителя

В идеализированной схеме коммутация осуществляется мгновенно, т. е. в любой момент времени ток пропускает только один вентиль, анод которого имеет наиболее высокий потенциал. Продолжительность работы каждого вентиля при = 0. Выпрямленное напряжение и ток имеют одинаковую форму и содержат трехкратные пульсации за период.

Электрические параметры определяют в общем виде для многофазного выпрямителя с числом пульсаций выпрямленного напряжения за период (нагрузка активная, т. е. Ld = 0).

Среднее значение выпрямленного напряжения согласно

;

При использовании схемы Миткевича средне значение выпрямленного напряжения составит:

; .

При активной нагрузке формы кривых выпрямленного напряжения и тока одинаковы, поэтому среднее значение выпрямленного тока определится аналогично:

;

где - амплитудное значение тока вентиля. В данном случае , то отсюда :

;

При , .



Рисунок 1 - Регулировочная характеристика преобразователя

Каждый вентиль пропускает ток в течение части периода равной . Среднее значение тока в раз меньше тока нагрузки:

; ;

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

;

Действующее значение напряжения вторичной обмотки:

.

Ток во вторичной обмотке (так же, как и ток в вентиле) протекает в течение времени, определяемого углом за каждый период, поэтому действующее значение этого тока:

; При ,

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора трехфазного выпрямителя с нулевым выводом

Вт

Для определения токов в первичных обмотках трансформатора, соединенных звездой, пренебрегая током намагничивания, необходимо составить уравнения, характеризующие магнитное состояние сердечника трансформатора. Если в схеме ток пропускает один вентиль, например В1, то уравнения равновесия намагничивающих сил по замкнутым контурам магнитопровода и уравнение, составленное по первому закону Кирхгофа, запишутся в виде системы:



Рис.1

Магнитное состояние сердечника трансформатора трехфазного выпрямителя с нулевым выводом: а -- распределение намагничивающих сил; б -- временные диаграммы изменения магнитной индукции и тока намагничивания с учетом вынужденного намагничивания.

Из системы уравнений определяют закономерности изменения токов в первичных обмотках в течение интервалов времени, когда ток пропускает вентиль B1:

Аналогично определяют токи в последующие интервалы, когда ток пропускает вентиль B2, а затем ВЗ.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора в общем виде:

Ток изменяется за период по трем закономерностям, поэтому интеграл за период следует рассматривать как сумму трех интегралов. Функцию для каждого интервала удобнее выражать относительно начала координат, соответствующего максимальному значению данной функции на интервале.

При таком отсчете переменного угла нижние и верхние пределы каждого интервала одинаковы, причем интегралы для второго и третьего интервалов равны друг другу. Поэтому действующее значение тока в первичной обмотке:

при , .

Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора

;

Типовая мощность трансформатора

.

В трехфазном выпрямителе с нулевым выводом имеет место явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора. Чтобы объяснить это явление, следует рассмотреть распределение намагничивающих сил (н. с.) в стержнях сердечника трансформатора в период прохождения тока через каждый вентиль.

В период, когда ток пропускает вентиль В1, суммарные значения н. с. в каждом стержне сердечника трансформатора будут отличны от нуля:

Эти некомпенсированные н. с. создают в сердечнике трансформатора дополнительные пульсирующие магнитные потоки одинакового

направления во всех стержнях. Аналогичные потоки возникают и в последующие периоды, когда ток пропускает вентиль В2 и ВЗ.

Магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные некомпенсированными н.с. в стержнях, называют потоками вынужденного намагничивания. Так как нескомпенсированные н. с. содержат постоянную и переменную составляющие, то и поток вынужденного намагничивания содержит постоянную и переменную составляющие при соединении первичной и вторичной обмоток трансформатора звездой.

Потоки вынужденного намагничивания составляют от основного магнитного потока трансформатора. Они замыкаются частично по сердечнику, частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердечник трансформатора. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет вихревых токов, индуктируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания.

На рис.1-б приведена кривая тока холостого хода трансформатора, выраженная суммарной намагничивающей силой , с учетом вынужденного намагничивания, обусловленного постоянной составляющей нескомпенсированной в стержнях сердечника намагничивающей силы, равной

Вследствие насыщения сердечника трансформатора ток холостого хода значительно возрастает по амплитуде, причем форма его становится несинусоидальной. Увеличивается также и площадь петли перемагничивания.

В результате возрастает действующее значение тока холостого хода

,

где -- составляющая, обусловленная потерями в стали, а -- составляющая, обусловленная величиной магнитного потока в сердечнике.

Следует также отметить, что ток холостого хода содержит гармонические составляющие, которые попадают в питающую сеть. Таким образом, явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора в трехфазном выпрямителе с нулевым выводом приводит к нежелаемым последствиям, избежать которых можно или увеличивая сечение сердечника трансформатора, а следовательно, и типовую мощность трансформатора, или уменьшая амплитуду магнитной индукции в сердечнике по сравнению с расчетной величиной.

Для устранения дополнительных потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора необходимо соединять в треугольник. При этом в потоке вынужденного намагничивания остается только постоянная составляющая; переменная же составляющая с явно выраженной третьей гармоникой компенсируется потоками, которые образуют токи высших гармонических с частотой, кратной трем, содержащиеся в токах первичных обмоток трансформатора и замыкающиеся по контуру, образованному этими обмотками.

Расчетная мощность трансформатора при соединении обмоток в треугольник не изменяется.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания расщепляют каждую вторичную обмотку на две части с последующим соединением шести обмоток способом «зигзаг».

При активной нагрузке с изменением угла регулирования а можно выделить два характерных режима работы выпрямителя: а) режим непрерывных токов, когда (угол регулирования а в трехфазных выпрямителях принято отсчитывать от точки естественного отпирания вентилей); б) режим прерывистых токов.

Среднее значение выпрямленного напряжения для этих двух режимов определяют выражениями:

.

.



;

, ;

, .

При выпрямленное напряжение равно нулю.

Выпрямленное напряжение и ток имеют одинаковую форму и содержат трехкратные пульсации за период. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле в раз больше амплитудного значения напряжения на вторичной обмотки трансформатора.

Работа на активно-индуктивную нагрузку

При активно-индуктивной нагрузке () схема также может работать в двух режимах. Прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от диапазона изменения угла регулирования , но и от соотношения параметров нагрузки и . Так же, как и в однофазных схемах, кривая выпрямленного напряжения может иметь отрицательные значения, что объясняется возможностью вентиля пропускать ток при отрицательном напряжении на обмотке данной фазы за счет накопленной энергии в магнитном поле дросселя . При непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях и ничем не отличается от случая активной нагрузки . При дальнейшем увеличении угла регулирования непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности . Для без больших погрешностей можно считать ток нагрузки идеально сглаженным . Среднее значение напряжения для режима непрерывного тока:

.

Значение напряжения при угле:

- ;

- ;

- .

Значение тока при угле:

- ;

- ;

- .

Рисунок 2 - Регулировочная характеристика преобразователя

Для исключения отрицательных участков в кривой выпрямленного напряжения и улучшения коэффициента мощности выпрямителя в схему вводится нулевой вентиль , шунтирующий нагрузку. Ток через нулевой вентиль при активно-индуктивной нагрузке поддерживается за счет Э.Д.С. самоиндукции нагрузки и протекает в интервале времени . При этом напряжение на нагрузке в интервале времени -- равно нулю, а тиристоры Bl, B2 и ВЗ заперты.

При учете индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора так же, как и в однофазном выпрямителе, имеются интервалы, соответствующие работе одного и двух вентилей.

Рассмотрим режимы, соответствующие двум интервалам периода -- интервалу одиночной работы вентиля, когда ток в вентиле равен току нагрузки , и интервалу одновременной работы двух Смежных по фазе вентилей, называемому интервалом коммутации. В течение интервала коммутации ток в одном вентиле уменьшается от значения до нуля, в другом увеличивается от нуля до значения .

В период коммутации анализ схемы удобно производить методом наложения действий источников синусоидальных Э.Д.С. вторичных обмоток трансформатора и источника постоянного тока , действующего за счет энергии, накопленной в магнитном поле сглаживающего дросселя к началу коммутации.

В период коммутации тока в вентилях В1 и В2 при действии только Э.Д.С. и ветвь нагрузки для переменного тока представляет бесконечно большое сопротивление, поэтому ток коммутации определится из уравнения, составленного для короткозамкнутого контура:

.

.

Индуктивное сопротивление определяется по следующей формуле:

, где коэффициент трансформации,,

, ,

Решение уравнения:

.

Если действует только источник в период коммутации токи в вентилях В1 и В2 равны

Токи в вентилях В1 и В2 определяются закономерностями:

;

.

где постоянная интегрирования А определена из начальных условий: , , ;

- , ;

- ,;

- , .

Тогда:

, при учете что , а тогда формула для нахождения примет вид:

или , где :

Находим интервал коммутации при трёх углах

-

-

-

Мгновенное значение падения напряжения на индуктивности рассеяния в период коммутации имеет вид:

.

- ;

- ;

- .

Среднее значение потери выпрямленного напряжения, обусловленного коммутацией

.

- ;

- ;

- .

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя с числом пульсаций, равным :

Данное уравнение представляет собой внешнюю характеристику трехфазного выпрямителя.

- ;

- ;

- .

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле определяется амплитудой линейного вторичного напряжения трансформатора.

Значение первоначального скачка обратного напряжения на вентиле в момент окончания коммутации:

-

-

-

Максимальное значение прямого напряжения на вентилях:

-

-

-

Расчет значения индуктивности

Нахождение величины индуктивности дросселя:

, Гн

где, s₁ - отношение коэффициентов пульсаций на выходе с выпрямителя и на нагрузке

где, q₁ - коэффициент пульсаций на выходе из фильтра, для данной схемы по первой гармонике q₁ = 0.25

q₂ = 0.025 - коэффициент пульсаций на нагрузке, задан по варианту

Соотношение одинаково для всех видов нагрузок и углов включения. Тогда рассчитаем индуктивность дросселя для случая активной нагрузки и нулевого угла управления.

Гн

Расчет гармонического состава выпрямленного напряжения в режиме холостого хода и нагрузки, расчет гармонического состава тока.

1 Расчет гармонического состава выпрямленного напряжения в режиме холостого хода

Амплитуда q-и гармоники пульсаций при учете, что период переменной составляющей выпрямленного напряжения равен .

.

Амплитуда 1-й гармоники пульсаций: 38.73

Амплитуда 2-й гармоники пульсаций: 8.86

Амплитуда 3-й гармоники пульсаций: 3.88

Коэффициент пульсаций для q-й гармоники с учетом выражений равен:

.

Коэффициент пульсаций для 1-й гармоники: 0,25

Коэффициент пульсаций для 2-й гармоники: 0,057143

Коэффициент пульсаций для 3-й гармоники: 0,025

Частота пульсаций для q-й гармоники , где - частота питающей сети.

Частота пульсаций для 1-й гармоники: 150,00

Частота пульсаций для 2-й гармоники: 300,00

Частота пульсаций для 3-й гармоники: 450,00

Расчет гармонического состава выпрямленного напряжения

При , ; .

Таблица зависимости значения напряжения гармоники от угла

Угол	0	20	30	45	60	80
, В	55	76.5	102.25	122.96	145.516	163.044
, В	12.57	28.36	42.12	54.05	65.61	74.42
, В	5.5	17.5	27.044	35.211	42.95	48.83

Графики зависимости значении напряжении гармоник от угла



2 Расчет гармонического состава выпрямленного напряжения в режиме нагрузки

В режиме нагрузки гармонический состав выпрямленного напряжения определяется выражением:

где н - порядок гармоники (н =3,6,9,12…), г- угол коммутации.

Подставив расчетные данные в формулу получим:

При б = 0

Угол г	0	10	20	30	40
, В	55	70.48	143.762	33.829	77.412
, В	12.57	40.746	43.85	45.452	29.97
, В	5.5	7.602	8.637	9.972	16.54

При б = 30

Угол г	0	10	20	30	40
, В	95.234	60.875	118.298	61.257	86.687
, В	39.238	34.051	37.009	39.106	23.891
, В	25.193	21.018	6.76	23.328	35.672

При б = 60

Угол г	0	10	20	30	40
, В	145.478	42.09	76.176	76.768	93.579
, В	65.605	19.794	26.272	31.499	17.414
, В	42.943	32.1	3.197	31.453	45.69

Построим зависимости амплитудных значений гармоник напряжения на нагрузке н =3, 6, 9 от угла коммутации для трех значений угла отпирания тиристоров .

При б = 0



При б = 30

При б =60

3 Расчет гармонического состава выпрямленного тока

В режиме нагрузки гармонический состав фазного тока определяется выражением:

где н - порядок гармоники (н =2,4,5,6,8,10…), г- угол коммутации.

Подставив расчетные данные в формулу получим:

При б = 0

Угол г	0	10	20	30	40
, В	0	0.053	0.093	0.118	0.129
, В	0	0.052	0.088	0.104	0.106
, В	0	0.052	0.084	0.094	0.09

При б = 30

Угол г	0	10	20	30	40
, В	0	0.014	0.015	0.011	0.036
, В	0	0.014	0.015	0.02	0.048
, В	0	0.014	0.015	0.024	0.051

При б = 60

Угол г	0	10	20	30	40
, В	0	0.028	0.069	0.118	0.179
, В	0	0.028	0.065	0.104	0.138
, В	0	0.028	0.062	0.094	0.114

Построим зависимости амплитудных значений гармоник тока н =2, 4, 5 от угла коммутации для трех значений угла отпирания тиристоров .

При б = 0

При б = 30

При б = 60

Размещено на Allbest.ru

...