Проектирование и расчет тиристорного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Исходные данные для проектирования

Номинальное напряжение питания трансформатора

Частота питающего напряжения

Номинальное выпрямленное напряжение .

Номинальный ток нагрузки

Расчетное значение угла управления .

Относительное значение напряжения короткого замыкания

Коэффициент пульсаций выпрямленного тока

Тип вентиля выпрямительной установки ДЛ-161-200.

Тип тиристора вентильной установки ТЛ-171-250.

Напряжение питания выходного усилителя

2. Силовая схема выпрямителя и описание процессов его работы

В преобразовательной технике электропривода имеется несколько схем однофазных выпрямителей, выполненных на силовых полупроводниковых приборах: однополупериодная, двухполупериодная с нулевой точкой, двухполупериодная мостовая схема. Все эти схемы могут быть выполнены на неуправляемых (диодах), на управляемых (тиристорах и транзисторах) и в комбинации управляемых и неуправляемых приборов (диоды, тиристоры, транзисторы). Наиболее предпочтительной схемой однофазного выпрямителя является несимметричная мостовая схема управляемого выпрямителя, в которой два поперечных плеча моста выполнены на неуправляемых вентилях(диодах), а два других - на управляемых вентилях(тиристорах). Такая схема обладает также повышенным коэффициентом мощности, лучшей регулировочной характеристикой и более простой схемой управления тиристорами выпрямителя. На рис. 1 представлена силовая схема выпрямителя.

Рис. 1. Силовая схема выпрямителя

Напряжение сети переменного тока подводится к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю.От выпрямителя питается двигатель постоянного тока Д, подключённый к его выходу через сглаживающий дроссель СД. Обмотки якоря «Я» и возбуждения «ОВ» двигателя включены между собой последовательно. Для устойчивой работы двигателя в режиме его коммутации параллельно обмотке возбуждения включено постоянное сопротивление шунтирующего резистора Rш. В данной схеме выпрямителя реализуется фазовый способ регулирования выпрямленного напряжения на двигателе за счёт изменения угла отпирания б тиристоров. Увеличивая или уменьшая угол б , можно уменьшать или увеличивать среднее значение Ud выпрямленного напряжения выпрямителя. Наибольшее значение Ud будет при б = 0 и равное нулю - при б = 1800.



Рис. 2. Диаграмма процессов работы выпрямителя

Рассмотрим работу выпрямителя на интервале времени двухполупериодов напряжения сети (рис. 2). В первый полупериод напряжения сети, при котором эдс вторичной обмотки трансформатора e2 = E2m sinщt имеет полярность, обозначенную на рис. 1 по направлению стрелкой «справа-налево», выпрямленный ток нагрузки id протекает через тиристор VS1 и диод VD2. Изменение полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора в момент р на обратное (направление стрелки «слева-направо») приводит в начале второго полупериода к коммутации тока из диода VD2 в диод VD1. В результате ток через диод VD2 уменьшается от величины Id до нуля, а через диод VD1 увеличивается от нуля до величины Id. В период сетевой коммутации (коммутация называется сетевой потому, что происходит в начале полупериодов при смене полярности напряжения сети) диодов VD1 и VD2 на протяжении длительности угла коммутации г1 выпрямленное напряжение Ud равно нулю, так как вторичная обмотка трансформатора находится в закороченном состоянии с помощью открытых диодов VD1 и VD2 , которые создают равные потенциалы её обоих концов, т.е. u2 = 0.

Одновременно в период коммутации г1 возникает буферный контур разряда накопленной электромагнитной энергии в индуктивности цепи выпрямленного тока (сглаживающий дроссель СД и обмотки Я и ОВ двигателя постоянного тока Д). Ток разряда накопленной энергии протекает через ранее открытый тиристор VS1 и отпирающийся диод VD1 под действием эдс самоиндукции, возникающей в индуктивностях СД и Д. Этот разрядный ток используется в двигателе, так как увеличивает среднюю величину тока Id на интервале коммутации и уменьшает его пульсацию. Если бы этого буферного контура не было (в случае, когда вместо диодов VD1 и VD2 были бы тиристоры), то накопленная энергия в цепи выпрямленного тока разряжалась бы во вторичную обмотку трансформатора (т. е. в сеть) через работающие с предыдущего полупериода тиристоры. Такой режим работы увеличивает реактивную и уменьшает активную составляющие полной мощности, забираемой выпрямителем из сети для работы двигателя. В результате чего коэффициент мощности выпрямителя понижается. После окончания коммутации г1 напряжение Ud продолжает быть равным нулю до момента полного открытия тиристора VS2 во втором полупериоде напряжения сети. Передача энергии от сети через трансформатор к двигателю возобновляется при открытии тиристора VS2 в момент, определяемый углом отпирания б. В этот момент начинается вторая коммутация г2, когда в тиристоре VS2 ток увеличивается от нуля до величины Id, а в тиристоре VS1 ток уменьшается от величины Id до нуля. После завершения процесса второй коммутации ток в двигателе протекает через тиристор VS2 и диод VD1 под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора. В следующем (первом) полупериоде напряжения сети в выпрямителе начнут протекать процессы, аналогичные рассмотренным во втором полупериоде. Буферный контур разряда энергии цепи выпрямленного тока в первом полупериоде будет создаваться уже теперь через вентили VS2 и VD2.

3. Расчет процессов коммутации выпрямителя.

В несимметричном выпрямителе происходит два процесса коммутации:

1) сетевая коммутация неуправляемых вентилей-диодов в начале каждого полупериода напряжения сети;

2) регулируемая (фазовая) коммутация управляемых вентилей-тиристоров в пределах каждого полупериода напряжения сети.

Вычислим амплитудное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

Индуктивное сопротивление трансформатора:

Углы коммутации для номинального режима нагрузки:



Расчёт токов iVD1 и iVD2, протекающих через диоды VD1 и VD2 во время сетевой коммутации:

Определим значения токов iVD1 и iVD2 при б=0. Величины этих токов при остальных значениях б расчитываем аналогично и результаты расчетов помещаем в табл. 1 и на рис. 3.

Таблица 1. Токи диодов VD1 и VD2 во время сетевой коммутации г1

щt	0	Дг1	2Дг1	3Дг1	4Дг1	5Дг1	6Дг1	7Дг1	8Дг1	9Дг1	г1
	0	3,31	6,62	9,98	13,24	16,55	19,86	23,17	26,48	29,79	33,1
iVD1	0	9,19	32,18	68,96	124	193	276	372	505,5	643,7	750
iVD2	750	740,8	717,8	681	626	557	474	378	244,5	106,3	0



Рис. 3. Графики токов диодов при сетевой коммутации

амплитудный трансформатор выпрямитель диод

Расчёт и построение кривых токов iVS1 и iVS2, протекающих через управляемые вентили-тиристоры VS1 и VS2 во время регулируемой коммутации, выполним аналогично кривым токов iVD1 и iVD2:

.

Определим значения токов iVS1 и iVS2 при г=0. Величины этих токов при остальных значениях г расчитываем аналогично и результаты расчетов помещаем в табл. 2 и рис. 4.

Таблица 2. Токи тиристоров VS1 и VS2 во время регулируемой коммутации г2

щt	0	Дг2	2Дг2	3Дг2	4Дг2	5Дг2	6Дг2	7Дг2	8Дг2	9Дг2	г2
	0	1,35	2,7	4,05	5,4	6,75	8,1	9,45	10,8	12,15	13,5
iVS1	750	681,72	611,5	539,3	465,2	389,4	311,7	232	151,2	69	0
iVS2	0	68,2	138,5	210,6	284,7	360,6	438,2	517,7	598,8	681,7	750

Рис. 4. Графики токов тиристоров при регулируемой коммутации

4. Расчет основных параметров трансформатора

ЭДС первичной обмотки трансформатора равна напряжению питающей сети:

.

ЭДС вторичной обмотки рассчитаем по формуле:

.

.

Коэффициент трансформации:

Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток:

Типовая мощность трансформатора в номинальном режиме:

5. Расчет характеристик выпрямителя

Внешние характеристики.

Внешняя характеристика выпрямителя - это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Ud от среднего значения тока нагрузки Id при постоянном угле регулирования б:

Для случая, когда б =0.

.

.

.

По этим же формулам характеристики для других значений угла б. Результаты вычислений заносим в табл. 3. График характеристик выпрямителя при разных значениях б показан на рис. 5.

Таблица 3. Внешние характеристики преобразователя

Угол регулирования бp	Выпрямленное напряжение Ud, В
	при Id=0(холостой ход)	при Id= Idн (режим номинальной нагрузки)
б=00	1068	977,2
б=г1	981	894,3
б= бр	952	865
б= 1,4бр	849	762

Рис. 5. Внешние характеристики преобразователя

Регулировочные характеристики

Регулировочной характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выходного (выпрямленного) напряжения Ud от угла регулирования б.

Регулировочная характеристика рассчитывается по формуле:

Расчёт регулировочной характеристики производится для двух значений тока нагрузки: Id = 0 (холостой ход) и Id = Idн (режим номинальной нагрузки). Значение для расчёта Ud задается в диапазоне от 0 до p через 0,523 рад (30?) для семи значений: 0; 0,523; 1,046; 1,569; 2,093; 2,616; 3,14. Результаты вычислений занесем в табл. 4. По результатам расчета построим график (рис. 6).

При

Таблица 4. Регулировочные характеристики преобразователя

Угол регулирования бр	0	30	60	90	120	150	180
Ud, В	Id = 0	1068	996	801	534	267	71,5	0
	Id = Idн	981	909	714	447	180	-15,5	-87



Рис. 6. Регулировочные характеристики преобразователя

Энергетические характеристики.

Коэффициент мощности - это показатель выпрямителя, определяющий экономические показатели системы преобразования тока из переменного в постоянный. Коэффициент мощности определяется по выражению:

,

Где н - коэффициент искажения тока, ц - угол сдвига фаз между I1 и U1.

Выражение коэффициента искажения тока:

Угол сдвига фаз определяется по выражению:



Таким образом, коэффициент мощности равен:

Расчет коэффициента мощности производится для б от 00 до 1800.

Произведем расчет для б=0, результаты остальных расчетов сведем в табл. 5 и на рис. 7.

Таблица 5. Коэффициент мощности преобразователя

б	0	30	60	90	120	150	180
Км	0,882	0,845	0,709	0,495	0,248	0,033	0

Рис. 6. Коэффициент мощности преобразователя

Коэффициент полезного действия з выпрямителя определяется как отношение активной полезной мощности выпрямителя с учётом потерь мощности в вентилях к активной полезной мощности выпрямителя без учёта потерь мощности на вентилях выпрямителя:

Сумма падений напряжения на диодах и тиристорах выпрямителя определяется как:

Принимаем падения напряжения на диоде и тиристоре равными:

По результатам расчетов раздела 5 кол-во последовательно включенных вентилей в плече:

Соответственно:

Отсюда:

6. Расчет количества вентилей в плече выпрямителя

Расчет количества последовательно включенных вентилей в плече мостового выпрямителя.

Количество nпосл последовательно включённых вентилей в плече моста определяется из условия обеспечения максимально допустимого обратного напряжения на вентиле при пробое одного из них:

Коэффициент надежности принимаем равным:

.

Напряжение класса вентиля для заданных типов диодов и тиристоров составляет:

.

Определяем максимальное обратное напряжение, прикладываемое на плечо моста с учётом колебаний напряжения в сети и коммутационных перенапряжений в выпрямителе во время сетевой коммутации тока вентилей.

Коэффициент, учитывающий колебания напряжения в сети, в том числе и в сторону его повышения на 20%:

.

Коэффициент, учитывающий коммутационные перенапряжения во время сетевой коммутации тока вентилей выпрямителя

Таким образом:



Отсюда количество последовательно включённых вентилей в плече моста:

Расчет количества параллельно включенных вентилей в плече мостового выпрямителя.

Количество параллельно соединённых вентилей в плече моста определяется из условий обеспечения допустимых среднего и действующего значений тока через каждый вентиль плеча:

Коэффициент, учитывающий перегрузку вентиля в период пуска двигателя постоянного тока, при котором ток двигателя может превышать номинальный в 1,6 раза.

.

Максимально допустимый средний ток вентиля по паспорту:

для диода.

.

для тиристора.

.

Коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока между параллельно включенными вентилями плеча выпрямителя, связанное некоторыми отклонениями вольт-амперных характеристик вентилей

.

Количество параллельно соединенных вентилей в плече:

для диодов.

для тиристоров.

.

Для тиристоров нормируется критическая скорость нарастания прямого тока. В данном случае она равна:

Для заданного типа тиристоров:

Таким образом, дополнительных средств для снижения скорости нарастания тока в тиристоре не требуется.

Заключение

В результате проделанной работы для заданного типа схемы тиристорного преобразователя, типа и основных параметров диодов и тиристоров были рассчитаны параметры и определены характеристики тиристорного преобразователя, построена силовая электрическая схема преобразователя, рассчитаны и построены регулировочные характеристики, рассчитаны и построены зависимости полной мощности и ее составляющих и коэффициент полезного действия.

Список литературы

1. Руденко, В.С. Основы преобразовательной техники / В.С. Руденко и др.. - М. : Высшая школа, 1980. - 423с.

2. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И. Абрамович и др. - М. : Энергоатомиздат, 1992. - 438с.

3. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры оптоэлектронные приборы: справ. / А.В. Баюков и др.; под ред. Н.Н. Горюнова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 427с.

4. Массовая радиобиблиотека: Тиристоры: справ. / О.П. Григорьев и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 387с.

Размещено на Allbest.ru

...