Расчет силовой части тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Исходные данные

Исходные данные для расчета:

1. Схема реверсивного преобразователя: мостовая встречно-параллельная.

2. Угол управления выпрямительной группы для построения диаграмм уравнительного напряжения и тока при совместном управлении:

IВ=45 эл. град.

3. Угол рассогласования между выпрямительным и инверторным комплектом: Д=(В+И)-180°=35 эл. град.

4. Координаты гранично-непрерывного режима при раздельном управлении: IМИН./IНОМ=35 % и Я(IМИН.)/Я.НОМ=30 %

5. Линейное напряжение питающей сети: U1=380 В.

6. Тип и мощность двигателя постоянного тока: П-101 55 кВт.

Технические данные двигателя П-101 55 кВт:

· номинальная мощность: P=55 кВт;

· номинальная чатота вращения: n=1000 об/мин;

· номинальный ток: Iн=286 А;

· номинальное напряжение: Uн=220 В;

· сопротивление якоря + сопротиления добавочных полюсов: rя+rдп=0,0292 Ом;

· сопротивление параллельной обмотки возбуждения: rпар=37,8 Ом;

· число активных проводников якоря: N=222;

· число параллельных ветвей якоря: 2a=2;

· число витков параллельной обмотки возбуждения: щпар=950;

· полезный магнитный поток полюса: Ц=27,9 мВб;

· номинальный ток возбуждения параллельной обмотки: iн=4,16 А;

· максимальная допускаемая частота вращения: nmax=1500 об/мин;

· момент инерции якоря: J=10,3 кг•м2;

· КПД: з=86 %;

2. Расчет силовой схемы тиристорного преобразователя

Определение параметров и выбор трансформатора

Трансформатор выбирают по типовой (габаритной) мощности при условии, что напряжения и токи его обмоток соответствуют расчетным значениям. При работе в зоне непрерывных токов расчетное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора определяют по формуле:

где KU - коэффициент, зависящий от схемы преобразования; КС - коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения в сети; К - коэффициент, учитывающий неполное открывание вентилей; KR - коэффициент, учитывающий внутреннее падение напряжения в преобразователе; UdН - номинальное напряжение якоря двигателя.

Расчетное значение тока фазы вторичной обмотки трансформатора вычисляют по формуле:

где Ki2 - коэффициент, зависящий от схемы преобразования;

КА - коэффициент, учитывающий отклонение формы фазного тока от прямоугольной;

IdН - номинальный ток якоря двигателя.

Типовая мощность трансформатора:

где КS - коэффициент, зависящий от схемы преобразования и группы соединения обмоток.

Трансформатор выбирают, определяя его типовую мощность SТ, номинальные значения фазного напряжения U2ФН и фазного тока I2ФН вторичной обмотки из соотношений:

Номинальное значение межфазного напряжение первичной обмотки трансформатора должно быть равно линейному напряжению сети U1.

Основные технические данные трансформатора ТСП-100/0,7- УХЛ4:

1. группа соединения обмоток: Д/Y-11;

2. номинальную мощность: SН=93 кВА;

3. номинальные фазные (U1ФН=380 В и U2ФН=118,360 В) или межфазные (U1ЛН=380 В и U2ЛН=205 В) напряжения первичной и вторичной обмоток;

4. номинальный фазный ток вторичной обмотки: I2ФН =262 А;

5. относительные величины напряжения короткого замыкания (uK =5,8 %) и тока холостого хода (i0=4 %);

6. величину потерь короткого замыкания: PKкз=2300 Вт.

По техническим данным вычисляем:

коэффициент трансформации:

номинальное значение фазного тока первичной обмотки:

активное сопротивление фазы трансформатора:

индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

Выбор тиристоров

Тиристоры выбираем по максимальному значению тока, протекающему через открытый вентиль в переходных режимах пуска и торможения двигателя, и по максимальному значению напряжения, которое прикладывается к вентилю в закрытом состоянии.

Среднее значение тока через открытый вентиль:



где K3i - коэффициент запаса, учитывающий увеличение тока через вентиль в переходном процессе пуска или торможения двигателя;

KOXЛ - коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения тиристора.

Максимальное напряжение на вентиле в запертом состоянии:

где KЗU - коэффициент запаса по напряжению.

Выбираем тиристоры с предельными эксплуатационными параметрами, определяемыми из условий:

Предельные эксплуатационные параметры тиристора Т143-630:

· повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии UЗС, П =600 В;

· максимально допустимый средний ток в открытом состоянии IОС, СР. МАКС.=630 А;

· ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии IОС, УДР. =12000 А при tИ=10 мс;

Электрические параметры тиристора Т133-400-6:

· постоянное или импульсное напряжение в открытом состоянии UОС=1,75 В;

· время выключения tВЫКЛ=500 мкс;

· время обратного восстановления tВОС, ОБР.=30 мкс;

Расчет индуктивности уравнительных реакторов.

В реверсивных тиристорных преобразователях при совместном управлении группами мгновенные значения напряжений выпрямителя и инвертора могут быть неодинаковы, поэтому появляется неуравновешенное напряжение UУР, под действием которого протекает ток. Для ограничения этого тока применяют уравнительные реакторы.

Расчетная индуктивность реактора равна:

Здесь IУР - действующее значение уравнительного тока, f - частота питающей сети, K? - коэффициент действующего значения уравнительного тока.

Для ограничения уравнительных токов нашей схемы выбираем уравнительный реактор типа РОС-32/0,5-Т с основными параметрами:

· номинальное постоянное напряжение питания преобразователя: Uур,н=220 В;

· номинальная сила постоянного тока реактора: Iур,н=320 А;

· сила уравнительного тока реактора: Iур=31 А;

· индуктивность: Lур=9,35 мГн.

При этом выполнены условия: и .

Расчет индуктивности сглаживающего реактора.

Сглаживающий реактор включаем последовательно с якорем двигателя. Его индуктивность выбираем из условия снижения пульсаций выпрямленного тока до допустимого значения, указанного в задании.

Расчет индуктивности цепи выпрямленного тока из условия сглаживания пульсаций до требуемого уровня производим по формуле:

где kp - количество пульсаций за период сетевого напряжения;

КП(1)% - допустимый коэффициент пульсаций, вычисляемый как отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного тока к номинальному току якоря:

Udnm - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения, определяемая при номинальных частоте вращения и токе якоря двигателя.

Тиристорные преобразователи с симметричными схемами выпрямления при номинальных напряжении и токе имеют угол управления около 30О, что позволяет, в случае необходимости, компенсировать понижение напряжения в сети и увеличение внутреннего падения напряжения в преобразователе. Поэтому величину Udnm определяем при Н = 30О, используя график.

Ud0 = U2ФН /KU=118,360/0,427=277,182 В;

Udnm= Ud0•0,185=51,279 В.

Учитывая наличие в цепи нагрузки индуктивности якоря двигателя LДВ и уравнительных реакторов LУР, величину индуктивности сглаживающего реактора определяем как:

здесь коэффициент перед индуктивностью уравнительного реактора a=0, т.к. используем насыщающийся реактор;

Индуктивность якоря двигателя определяем по формуле:

где = 0,5- для некомпенсированных машин;

p - число пар полюсов двигателя;

я.н.- номинальная угловая частота вращения якоря.

При раздельном управлении группами тиристорного преобразователя индуктивность сглаживающего реактора должна обеспечивать непрерывность тока в рабочем диапазоне изменения нагрузок.

Индуктивность цепи выпрямленного тока при этом определяем по формуле:

для трехфазной мостовой схемы

здесь Idгр - гранично-непрерывный ток, определяемый из задания:



Угол регулирования ГР вычисляем по формуле:

Минимальное значение частоты вращения якоря Я.ГР. при гранично-непрерывном токе определяем из задания:

Конструктивную постоянную двигателя при неизменном потоке главных полюсов вычисляем по формуле:

где EЯ.Н. и Я.Н. - номинальные э.д.с. и частота вращения якоря двигателя, соответственно; RЯ.Ц. = RЯ + RДП - сопротивление якорной цепи , включающее сопротивления обмотки якоря и дополнительных полюсов.

Сглаживающий реактор выбирается из условия LСГЛ LСГЛ. РАСЧ. Номинальный ток выбранного реактора должен быть не меньше номинального тока якоря двигателя.

Выбираем сглаживающий реактор: ФРОС-250/0,5:

· Номинальный постоянный ток: 320 А

· Номинальная индуктивность: 4,2 мГн

· Сопротивление обмотки постоянному току: 0,0115 Ом

· Масса: 220 кг

Выбор элементов защиты преобразователя.

Защита вентилей от перегрузок по току.

Для защиты вентилей от аварийных перегрузок по току используют плавкие предохранители, которые включают последовательно с тиристорами (рис. 1). Они характеризуются значениями номинального напряжения UПР. НОМ., номинального тока плавкой вставки IВСТ. НОМ. и интеграла Джоуля (защитного показателя) IПР 2 t.

Рисунок 1. Защита вентилей плавкими предохранителями

Для обеспечения нормального гашения дуги, возникающей при расплавлении вставки, номинальное напряжение применяемого предохранителя должно быть не меньше номинального напряжения преобразователя:

.

Номинальный ток плавкой вставки:

где K3i - коэффициент запаса, учитывающий увеличение тока через вентиль в переходном процессе пуска или торможения двигателя;

n - количество параллельно соединенных вентилей.

Номинальный ток держателя (или основания) предохранителя Iпр. ном. должен быть не меньше номинального тока плавкой вставки:

Выбираем предохранитель серии: ПП57-3437.

Защитный показатель тиристора вычисляем по формуле:

Для оценки защищенности вентиля сравним его защитный показатель I2t с интегралом Джоуля предохранителя I2ПРt. При этом должно выполняться условие:

.

Предохранитель ПП57-3437 выбран верно.

Защита вентилей от перенапряжений.

Для защиты тиристоров от перенапряжений, возникающих при включении и отключении трансформатора, между фазными выводами вторичной обмотки включают демпфирующие цепи RФCФ (рис. 2).



Рисунок 2. Защита вентилей от перенапряжений в фазах трансформатора

Емкость конденсатора:

где SН - номинальная мощность трансформатора, кВА;

I0 - ток холостого хода трансформатора, А;

UЗС. П. - максимально допустимое повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии вентиля, В;

- максимальное напряжение на закрытом вентиле в схеме, В;

Выбираем конденсатор : К75-46-630В-40мкФ5%.

Сопротивление резистора :

Выбираем резистор : ПЭВ3-5 Ом 5%.

Для подавления периодических коммутационных перенапряжений на вентиле, возникающих при его запирании, параллельно каждому тиристору подключают цепь RVCV (рис. 3).

Рисунок 3. Защита вентиля от коммутационных перенапряжений

Емкость конденсатора :

где uК - напряжение короткого замыкания трансформатора, в процентах.

где =2f - угловая частота сети; tВОС, ОБР - время обратного восстановления вентиля; Н - угол управления при номинальных напряжении и токе преобразователя; - максимальный угол коммутации вентиля.

Выбираем конденсатор : К75-24-630В-1мкФ5%.

Находим сопротивление RV:

Выбираем резистор RV: ПЭВ3-15 Ом 5%.

Защита двигателя.

В преобразователе предусматривают защиты: от включения двигателя при наличии напряжения на выходе преобразователя, от превышения напряжения на якоре, максимальную токовую и от чрезмерного ослабления магнитного потока главных полюсов. Их обеспечивает релейно-контакторная схема, показанная на рис. 4.



Рисунок 4. Релейно-контакторная схема защиты двигателя

В ней якорь двигателя подключен к выходу преобразователя через главные контакты КМ1 и КМ2 контактора КМ, в цепи катушки которого находятся контакты защитных реле.

Защита от включения двигателя при наличии напряжения реализована с помощью реле FV1. Его катушка через добавочный резистор R16 подключена к выходу преобразователя ТП до главных контактов контактора, а размыкающий контакт реле включен последовательно с пусковой кнопкой SB2.

Защита якоря двигателя от недопустимого увеличения напряжения выполнена на реле FV2. Его катушка через добавочный резистор R17 подключена к выходу преобразователя после главных контактов контактора, а размыкающий контакт включен последовательно с катушкой контактора КM1.

Защиту от чрезмерного уменьшения тока возбуждения осуществляет реле FA2, катушка которого включена в цепь обмотки возбуждения двигателя, а замыкающий контакт находится в цепи катушки контактора KM. Вентиль VD1 с резистором R18 образуют цепь разряда индуктивности обмотки возбуждения двигателя после размыкания контактов автоматического выключателя QF3.

Выбор автоматических выключателей.

Для преобразователей, питающихся от сети с напряжением не более 380 В, на первичной стороне устанавливаем автоматический выключатель переменного тока серии АЕ20. Выбираем выключатель на номинальный ток более I1фн=81,58 А и напряжение не менее 380 В. Принимаем автоматический выключатель(QF1) АЕ2056МП:

*род тока: переменный;

*частота тока: 50 Гц;

*номинальный ток выключателя: 100 А;

*номинальное напряжение главной цепи: 380 В;

*номинальный ток максимального расцепителя тока: 100 В.

Для включения якоря двигателя к преобразователю используют быстродействующий автоматический выключатель постоянного тока серии А3700, который одновременно выполняет функции защиты от аварийных режимов. Выключатель выбираем на ток не менее Idn=286 А и напряжение не менее 220 В. Принимаем автоматический выключатель(QF2) А3793Б:

*номинальный ток выключателя: 400 А;

*номинальный ток полупроводникового максимального расцепителя: 400 А;

*базовый номинальный ток полупроводникового расцепителя: 320 А;

*род тока: постоянный;

*Номинальное напряжение главной цепи: 440 В.

Для включения питания обмотки возбуждения двигателя и цепи собственных нужд преобразователя используют автоматический выключатель постоянного тока серии АП50Б. Ток выключателя не менее •iвн=4,16 А, напряжение не менее 220 В. Принимаем(QF3) АП50Б 2М:

*выключатель двухполюсный;

*напряжение постоянное: 220 В;

*номинальный ток расцепителей: 6,3 А.

Для защиты релейно-контакторной схемы принимаем автоматический выключатель(SF) АП50Б 2М:

*выключатель двухполюсный;

*напряжение постоянное: 220 В;

*номинальный ток расцепителя: 1,6 А.

3. Расчет и построение регулировочных характеристик

Регулировочные характеристики для э.д.с. преобразователя в зоне непрерывных токов рассчитаем по соотношению . Построим характеристику для первого комплекта и второго комплекта преобразователя как в выпрямительном, так и в инверторном режиме работы (рис. 5). С использованием этих характеристик построим характеристики и для напряжения преобразователя при номинальном токе, используя формулу:

Эквивалентное сопротивление тиристорного преобразователя для мостовой схемы:

где m - число фаз преобразователя.

На основании формулы имеем:

Угол рассогласования Д=(В+И)180°=(1+2)180°=35 эл. град.

Составим таблицу, в которой показаны зависимости: ;;;. Результаты вычислений сведем в таблицу 1.

Запас по напряжению равен: .

Найдем угол при условии, что Для этого решим уравнение:

Таблица 1. Регулировочные характеристики ЭДС и напряжения преобразователя в зоне непрерывных токов

0	277	264	215	277	290
15	268	255	200	277	290
30	240	227	185	276	290
45	196	183	170	273	289
60	139	126	155	251.3	286
75	72	59	140	212	264
90	0	-13	125	159.1	172
105	-71.8	-85	110	94.9	108
120	-138.7	-152	95	24	37
135	-196	-209	80	-48	-35
150	-240	-253	65	-117	-104
165	-267.8	-281	50	-178	-165
180	-277	-290	35	-227	-214
195	-277	-290	20	-260	-248
215	-277	-290	0	-277	-264

4. Расчет и построение электромеханических характеристик

Зона непрерывных токов.

Для вычисления электромеханических характеристик системы «преобразователь - двигатель» воспользуемся несколькими вспомогательными формулами, результаты которых подставим в основное уравнение:

,

где угол управления от 00 до 1800 с шагом 150; UВ падение напряжения на вентилях, для мостовой схемы UВ = =2UОС=3,5 В.

Сопротивление щеточного контакта:

Активные сопротивления реакторов:

Суммарное сопротивление цепи выпрямленного тока:

Результаты вычислений сведем в таблицу 2.

Таблица 2. Семейство электромеханических характеристик в зоне непрерывных токов

1 комплект	2 комплект
0	132	98	215	150	182
15	125	86	200	145	179
30	118	77	185	140	177
45	96	55	170	138	176
60	67	26	155	127	165
75	34	-7	140	108	145
90	-2	-43	125	81	119
105	-38	-79	110	49	87
120	-71	-112	95	14	51
135	-100	-141	80	-22	15
150	-122	-163	65	-57	-19
165	-135	-177	50	-87	-50
180	-140	-181	35	-112	-74

Зона прерывистых токов при раздельном управлении.

Для вычисления электромеханических характеристик привода в зоне прерывистых токов зададимся значениями угловой длительности прохождения тока от нуля до с шагом 150 .

Амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U2m = U2Лm=289,9 В.

Индуктивность трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке:

Суммарная индуктивность цепи выпрямленного тока:

Диапазон изменения : 0 < < 60 эдс:

Ток в якорной обмотке двигателя:

Определение границы устойчивого инвертирования.

Для обеспечения надежности инвертирования необходимо выполнить условие или , - угол коммутации.

Угол восстановления запирающих свойств тиристора:

Этому условию соответствует наибольшее значение скорости двигателя, которое определяем по формуле:

На семействе электромеханических характеристик строим линию предельного режима инвертирования.

Литература

релейный трансформатор тиристор индуктивность

1. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977.

2. Зимин Е.Н., Кацевич В.Л., Козырев С.К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоиздат, 1981.

3. Силовые полупроводниковые преобразователи в металлургии. Под ред. С.Р. Рязинского. М.: Металлургия, 1976.

4. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. М.: Радио и связь, 1988.

Размещено на Allbest.ru

...