Проектирование ведомых сетью статических преобразователей средней и большой мощности: Методические указания к курсовому проектированию

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра "Промышленная электроника"

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЕДОМЫХ СЕТЬЮ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине “Основы преобразовательной техники”

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Тольятти 2002 Введение Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляются на переменном токе. В тоже время значительная часть потребителей работает на постоянном токе. Для преобразования переменного тока в постоянный ток в настоящее время применяются полупроводниковые преобразователи электрической энергии – выпрямители. При выпрямлении трехфазного переменного тока, по сравнению с однофазным, достигается лучшее качество выпрямленного напряжения за счет снижения амплитуды пульсаций. Напряжение трехфазных выпрямителей к тому же легче подвергается сглаживанию, так как частота пульсаций здесь существенно выше, чем в однофазных выпрямителях. Значительный прогресс в развитии преобразовательной технике связан с созданием силовых полупроводниковых вентилей. Высокие электрические параметры, малые габариты и масса, простота конструкции и обслуживания, высокая

эксплуатационная

надежность

полупроводниковых

вентилей

позволяют широко использовать их в схемах преобразования переменного тока в постоянный. Силовые кремниевые диоды и тиристоры отечественного производства обеспечивают параметры по току 10-1250 А и напряжению до нескольких киловольт.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Освоение промышленного выпуска кремниевых диодов и тиристоров позволило создать серии выпрямительных агрегатов с регулируемыми и стабилизированными выходными параметрами для различных отраслей народного хозяйства. Выпускаются мощные выпрямительные агрегаты для металлургической и химической промышленности. Возможности

преобразователей

существенно

расширяются

с

разработкой и использованием тиристоров. Тиристорные выпрямители обеспечивают глубокое изменение выходных параметров в любом требуемом диапазоне; обладают высоким быстродействием и точностью автоматического регулирования; позволяют переводить преобразователь в инверторный режим и тем самым обеспечивать рекуперацию электроэнергии в сеть. Указанные качества тиристорных преобразователей делают их весьма перспективными устройствами для питания систем постоянного тока. Целью настоящих методических указаний является рекомендаций

по

курсовому

проектированию

трехфазных

выпрямителей средней и большой мощности.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

выработка мостовых

При работе над курсовым проектом необходимо решить следующие задачи: 1) научиться анализировать техническое задание на проектирование; 2) освоить основные понятия и термины, относящиеся к проектированию полупроводникового преобразователя; 3) освоить методы расчета трехфазных мостовых выпрямителей; 4) научиться выбирать силовые полупроводниковые приборы, их охладители, конденсаторы, плавкие предохранители, автоматические выключатели и другие комплектующие полупроводникового преобразователя; 5) изучить и выбрать системы контроля и защиты полупроводниковых выпрямителей; 6) закрепить и

углубить знание

методов расчета

электромагнитных

элементов – трансформаторов и сглаживающих дросселей; 7) получить навыки поиска научно-технической литературы и работы с ней, правильного составления и оформления конструкторской документации; 8) научиться подведению итогов проектирования преобразователя (научиться составлять заключение).

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Требования к курсовому проекту. Курсовой проект следует выполнять в строгом соответствии с требованиями ЕСКД, которые в необходимом объеме приведены в [17,16].Состав курсового проекта: пояснительная записка и два листа формата А1. Графическая часть проекта содержит на одном листе принципиальную схему силового блока и временные диаграммы, а на другом – структурную схему преобразователя и системы управления, и внешние характеристики. Расчетно-пояснительная записка должна содержать следующие разделы: Введение. 1. Анализ состояния, перспектив проектирования и разработки статических преобразователей средней мощности. 2. Разработка структурной и принципиальной схем преобразователя. 3. Расчет токов и напряжений, выбор тиристоров и охладителей. 4. Расчет семейства внешних характеристик. 5. Расчет высших гармонических кривой выпрямленного напряжения. 6. Расчет сглаживающего фильтра, выбор конденсаторов, расчет сглаживающего дросселя. 7. Электромагнитный расчет трансформатора. 8. Выбор устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений. Заключение Литература Пояснительная записка должна содержать эскизы, схемы, графики и другие необходимые рисунки. Расчеты внешних характеристик и других различных вариантов должны быть сведены в таблицы. В записке приводится развернутый расчет только одного варианта.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

График выполнения курсового проекта: 1 неделя: Получение задания. Изучение методики расчета раздела № 3. 3 неделя: Предъявление для контроля введения и разделов № 1, № 2, № 3. Запись методики расчета раздела № 4. 5 неделя: Предъявление для контроля раздела № 4 и структурной схемы на формате А4. Запись методики расчета разделов № 5 и № 6. 7 неделя: Предъявление для контроля разделов № 5 и № 6. Запись методики расчета разделов № 7, № 8 и №9. 9 неделя: Предъявление для контроля разделов № 7, № 8 и №9. 11 неделя: Предъявление для проверки принципиальной схемы силового блока и временных диаграмм на форматах А4. 13 неделя: Предъявление для проверки графической части проекта: 2 листа А1 или 4 листа А2. 15 неделя: Предъявление для проверки пояснительной записки. 17 неделя: Защита курсового проекта.

Исходные данные к курсовому проекту: Uн – напряжение на нагрузке; Iн – ток в нагрузке; Кп(6) – коэффициент пульсаций по основной гармонике; Uс. лин. – напряжение питающей сети; Iпуск/Iном – кратность пускового тока. Схема соединения обмоток трансформатора.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

1. Обзор существующих схем выпрямления В настоящее время существует большое количество схем выпрямления. Все их можно разделить на неуправляемые выпрямители и управляемые выпрямители. Последние используются в тех случаях, когда необходимо регулировать напряжение на выходе преобразователя. В таких схемах в качестве вентилей используются тиристоры, чаще всего однооперационные. Запирание тиристоров в таких выпрямителях происходит за счет изменения полярности напряжения в сети переменного тока. В этом случае процесс переключения вентилей называется естественной коммутацией. Обзор схем выпрямления начнем с однофазной схемы, а затем перейдем к трехфазным выпрямителям, которые обладают большой мощностью и обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети. 1.1. Однофазный управляемый выпрямитель Схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема) представлена на рис.1.1. Каждый тиристор может пропускать ток при условии, что к нему приложено напряжение соответствующей полярности и на его управляющий электрод подан сигнал управления. Сигнал управления при этом может быть подан со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол α, называемый углом управления. С увеличением угла α уменьшается среднее значение выпрямленного тока, а, следовательно, и напряжение на нагрузке. 1.2. Трехфазный нулевой выпрямитель Как уже упоминалось выше, применение многофазных выпрямителей позволяет: 1)создать равномерную нагрузку на все три фазы сети;

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Рис.1.1. Схема однофазного выпрямителя с нулевым выводом.

Рис.1.2. Схема трёхфазного выпрямителя с нулевым выводом.

Рис.1.3. Схема трёхфазного мостового выпрямителя.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

2)уменьшить пульсацию выпрямленного напряжения; 3)уменьшить расчетную мощность трансформатора; 4)повысить коэффициент мощности. На рис.1.2. приведена трехфазная нулевая схема выпрямителя. При ее выполнении на тиристорах получается управляемый выпрямитель, при замене тиристоров на диоды - неуправляемый. Нагрузка включается между нулем звезды, образованной вторичными обмотками трансформатора и катодами вентилей. 1.3. Трехфазный мостовой выпрямитель Трехфазная мостовая схема выпрямителя (схема Ларионова) является наиболее распространенной в области средних и больших мощностей. На рис.1.3. представлена схема мостового управляемого выпрямителя на тиристорах. Аналогично предыдущим схемам, при замене тиристоров на диоды получим схему неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя. Применение в качестве вентилей выпрямителя тиристоров позволяет в широких пределах регулировать мощность, вводимую в нагрузку. Вентили схемы образуют две группы: VS1, VS3, VS5 – катодную (у них объединены катоды), и VS2, VS4, VS6 - анодную. Приняв потенциал общей точки звезды вторичной обмотки трансформатора за нуль, можно считать, что напряжение на нагрузке есть сумма выходных напряжений двух трехфазных нулевых схем выпрямления (см. пункт 1.2), собранных на вентилях катодной и анодной групп.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

2. Разработка структурной и принципиальной схем преобразователя. Эквивалентная схема выпрямителя. 2.1. Разработка структурной схемы преобразователя. Структурная схема преобразователя приведена на рис.2.1.Силовой трансформатор (Т) служит для согласования входного и выходного напряжения выпрямителя. Трансформатор одновременно гальванически разделяет питающую сеть и сеть нагрузки. Устройство синхронизации (УС) служит для синхронизации работы системы управления с напряжением питающей сети. Вентильный блок (ВБ) осуществляет функцию выпрямления переменного

тока.

уменьшающим преобразователя.

Сглаживающий

пульсации Для

фильтр

выпрямленного

управления

является

(СФ) тока

выпрямителем

в

цепи

звеном, нагрузки

используется

блок

управления (БУ), содержащий: ЗИ – задатчик интенсивности, ГПН – генератор пилообразного напряжения, У – усилительм , К – компаратор, ФИ – формирователь импульсов, УИ – усилитель импульсов и ОС – датчик обратной связи. 2.2. Разработка принципиальной схемы преобразователя. Для выполнения курсового проекта выберем данную схему трехфазного мостового выпрямителя. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником. Для защиты полупроводниковых преобразователей от токов короткого замыкания применяются быстродействующие плавкие предохранители. Плавкие

предохранители,

как

правило,

обеспечивают

защиту

полупроводниковых приборов от токов короткого замыкания и не защищает от перегрузок. Для устранения перенапряжений, возникающих в моменты

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

выключения тиристоров, применяются RC-цепочки, включенные параллельно вентилям. Учитывая данные утверждения, составили принципиальную схему преобразователя, изображенную на рисунке 2.2. 2.3. Эквивалентная схема выпрямителя. Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили. Исходя из этого и делая ряд допущений, составим эквивалентную (расчетную) схему трехфазного мостового выпрямителя. Из

всех

параметров

трансформатора

учитываются

только

индуктивности его обмоток Xγ, обусловленные наличием потоков рассеяния (индуктивность опыта короткого

замыкания). Не учитываются активные

сопротивления элементов питающей сети и обмоток трансформатора. Так же принимается, что ток холостого хода (намагничивающий ток) трансформатора равен нулю. С учетом указанных допущений можно заменить питающую сеть и трансформатор так, как показано на эквивалентной схеме (Рис. 2.3): источником трехфазной системы ЭДС

еА , еВ , еС

сопротивлением xγ , входящим в каждую фазу.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

и индуктивным

Рис. 2.3.

3. Расчет токов и напряжений, выбор тиристоров и охладителей 3.1. Расчет токов и напряжений выпрямителя 3.1.1. Выбор минимального угла управления: αmin ≥ 8°. Минимальный угол управления был принят равным: αmin = 10°. 3.1.2. Номинальное и максимальное значения угла управления:

α ном = arccos(K1 ⋅ Cosα min ) , Cosα min α max = arccos(K1 ⋅ ), K2 где

K1 =

U

c

− ∆U Uc

c

,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

U c + ∆U c , Uc Uc = Uпит.лин.– напряжение сети,

K2 =

∆Uc– допустимое отклонение напряжения сети. 3.1.3. Выбор относительных значений выпрямленного напряжения Существенное влияние на расчет выпрямителя оказывает режим его работы – чередование числа вентилей, одновременно пропускающих ток. Так как необходимо обеспечить режим 2-3 работы выпрямителя [1], то относительные значения выпрямленного напряжения выбраны в пределах Ud* =

0.5…0.8

[1,

стр.7,

рис.2].

Результаты

электромагнитного

расчета

выпрямителя сводятся в таблицу 3.1. 3.1.4. Постоянная составляющая выпрямленного тока в относительных единицах Id * = 3 ⋅ (Cosα HOM − Ud *) .

3.1.5. Выпрямленное напряжение при холостом ходе выпрямителя (ЭДС выпрямителя) UdHOM В, Ud * где Ud HOM = U H + ∆U В – напряжение на нагрузке с учетом падения напряжения на сглаживающем дросселе: 6I ∆U = H В. 1000 3.1.6. Амплитудное значение фазной ЭДС на вторичной обмотке Ed =

трансформатора (соединение звезда-звезда) E2 mф =

π Ed В. 3 3

3.1.7. Индуктивное сопротивление рассеяния xγ и угол коммутации γ:

xγ = Id *⋅

E2 mф

γ = arccos( Cos α HOM −

Id

Ом,

2 xγ ⋅ Id ) − α HOM 3 ⋅ E 2 mф

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

3.1.8. Наибольший выпрямленный ток короткого замыкания. Наибольший выпрямленный ток короткого замыкания получается при α = 30° . E Id KZ = 2mф А. xγ 3.1.9. Ортогональные составляющие первой гармоники вторичного тока в относительных единицах 3 2 Sin(2α HOM + γ ) Sinγ , 4π 3 2 (γ − Cos(2αHOM + γ )Sinγ ) = . 4π

I 2*'(1) = I 2*'('1)

Под I 2*'(1) и I 2*('1' ) понимаются две ортогональные составляющие первой гармоники, причем вектор I 2*'(1) совпадает по фазе с вектором фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора, а вектор I 2*(''1) отстает от вектора фазной ЭДС на 90°.

I 2*(1) = ( I 2*'(1) ) 2 + ( I 2*'('1) ) 2 .

Таблица 3.1

Результаты электромагнитного расчета трехфазного мостового выпрямителя Пара- Ед. метр изм. Id* Ed E2мф xγ γ γ Idкз I2(1)*′ I2(1)*'' I2(1)*

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения в относительных единицах Ud* 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8

В В Ом град рад А -

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

I2ф(1) А I2ф А Kтр I1ф А S кBт град ϕ(1) Р кВт К Iа.ср А Iam А Ia А dia/dΘ А/рад Ua' В Ua'' В Uam В Ud(6) В Ud(12) В Ud(18) В Ua(1) В Ua(3) В Ua(5) В Ua(6) В Ua(7) В

3.1.10. Действующее значение первой гармоники тока вторичной обмотки трансформатора I2ф(1) = I 2(1) *

E2mф xγ

А.

3.1.11. Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора, соединенных звездой 2 γ Id (1 − ) А. 3 2π Относительные погрешности при расчете данной формулой лежат в пределах 1%, если γ < 30° и в пределах 2% при 30° < γ < 60°. При соединении вторичной обмотки трансформатора треугольником действующее значение фазного тока в 3 раз меньше действующего значения линейного тока, определяемого по вышеприведенной в настоящем пункте формуле. I2ф =

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

3.1.12. Коэффициент трансформации трансформатора E1mф

2 Uc . E2mф 3 E2mф 3.1.13. Действующее значение тока в первичных обмотках трансформатора, Ктр =

=

соединенных звездой I 1ф =

I 2ф

А. K TP 3.1.14. Полная мощность трансформатора 3 E2 mф ⋅ I 2 ф В⋅А. 2 3.1.15. Угол сдвига первой гармоники входного тока относительно фазной ЭДС S = 3 ⋅ U 1ф ⋅ I 1ф =

ϕ (1) = arctg

I 2*'('1) I 2*'(1)

.

Правильность нахождения φ(1) можно проверить, пересчитав его по формуле дающей приблизительное значение ϕ (1) ≈ α ном +

γ 2

3.1.16. Активная мощность на входе выпрямителя 3 E2 mф ⋅ I 2 ф (1) ⋅ Cosϕ (1) Вт. 2 3.1.17. Коэффициент мощности выпрямителя P=

P . S 3.1.18. Среднее значение анодного тока K=

Id А. 3 3.1.19. Максимальное значение анодного тока Iаср =

I am = Id А. 3.1.20. Действующее значение анодного тока Id γ 1− А. 2π 3 3.1.21. Скорость спадания анодного тока в момент выключения вентиля Ia =

3E2mф dia =− Sin(α HOM + γ ) А/рад. dΘ 2 xγ

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

3.1.22. Анодное напряжение в момент включения вентиля U a' = 3E2 mф Sinα HOM В. 3.1.23. Анодное напряжение в момент выключения вентиля U a'' = 3E2 mф Sin(α HOMм + γ ) В. 3.1.24. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле U am = − 3E2mф В.

3.1.25. Действующее значение n-й гармоники выпрямленного напряжения Ud ( n) =

Ed 2

C12 + C 22 − 2C1C 2 Cos(2α ном + γ ) ,

γ γ Cos((n − 1) ) Cos((n + 1) ) 2 2 C2 = где C1 = , , n −1 n +1 n = 6k, где k=1,2,3… 3.1.26. Действующее значение первой гармоники анодного напряжения U a (1) =

E 2 mф 2

1−

3γ 3γ 3 3 [(1 − )γ − Sin 2 γ − (1 − ) Sinγ ⋅ Cos ( 2α ном + γ )] . π 4π 4π 2π

3.1.27. Действующее значение высших гармоник анодного напряжения с порядковыми номерами n = 6k ± 1, где k = 1,2,3… U a ( 6k ±1) =

3 E 2mф π 2

S12 + S 22 − 2S1 S 2 Cos(2α ном + γ ) ,

γ Sin((n + 1) ) 2 , где S1 = n +1 γ Sin((n − 1) ) 2 S2 = . n −1 3.1.28. Действующее значение высших гармоник анодного напряжения с

порядковыми номерами n = 3k, где k = 1,2,3… E 2 mф 3 3 C12 + C 22 − 2C1C 2 Cos(2α ном + γ ) . 2π 2 γ γ Cos((n − 1) ) Cos((n + 1) ) 2 2 C2 = где C1 = , , n −1 n +1 3.1.29. Повторить расчет по пунктам 3.1.4 - 3.1.28 для U d* = 0,5;0,55;0,6; 0,65;0,75;0,8. Все полученные результаты занести в таблицу 3.1. U a ( 3k ) =

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Далее выбрать одно из значений U d* в качестве номинального значения и дальнейшие расчеты производить для электромагнитных величин, соответствующих этому значению.

3.2 Выбор тиристоров и охладителей Выбор

тиристоров

осуществляем

из

условий

среднего

тока,

протекающего через тиристор и максимального значения обратного анодного напряжения.

4. Расчет семейства внешних характеристик В работе выпрямителя можно выделить 3 режима работы: режим 23(ток попеременно пропускают 2 или 3 вентиля), режим 3(ток пропускают всегда 3 вентиля) и режим 3-4( ток попеременно пропускают 3 или 4 вентиля). Данные

режимы

работы

также

отражаются

на

семействе

внешних

характеристик. При работе преобразователя в качестве инвертора могут быть только два режима: режим 2-3 и режим 3-4. Режим 3 относится только к выпрямителю, т.к. он существует при угле α=0…300. Расчет внешних характеристик будем вести совместно для выпрямительного и инверторного режимов, но раздельно для каждого режима чередования вентилей. 4.1. Режим работы 2-3 При угле управления α=0 режим работы 2-3 сохраняется в диапазоне токов 0 ≤ Id ≤

3 I 4 d .кз

где Idкз - ток короткого замыкания. Семейство внешних характеристик описывается уравнением: U d = E d cos α −

3 Xγ Id π

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Из уравнения (4.2) видно, что внешними характеристиками в режиме 23 является прямые линии. Следовательно, каждую из них можно построить по двум точкам. Для первой точки каждой характеристики принимаем Id = 0 А, тогда будем иметь:

U d = E d cos α .

Для расчета второй точки каждой характеристики принимаем Id ≈ 0,3· Id кз Значения выпрямленного напряжения, рассчитанные с использованием выражения (4.2) сведены в таблицу 4.1. Таблица 4.1 Значения выпрямленного напряжения Ud, В

Id,A 0

0

15

αном

Значения α° 30 45

60

70

4.2 . Режим работы 3 При α = 0° режим работы 3 соответствует диапазону токов: 3 3 I d кз ≤ I d ≤ I d кз 4 4

(4.1)

Для α = 0 граничной между режимами 2-3 и 3 является точка А: 3 · Id кз , 4 3 Ud гран А = · Ed . 4

Id гран А =

Граничной, между режимами 3 и 3-4 является точка В: 3 · Id кз А , 4 3 Ud гран В = · Ed В . 4

Id гран В =

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

80

Промежуточные

точки

участка

АВ

внешней

характеристики

соответствуют режиму 3. Внешняя характеристика в режиме 3 описывается уравнением U d = 1,65 0,75 ⋅ Ѓ 22m™ − X γ2 ⋅ I d2

(4.2)

Используя уравнение (4.2) заполнить таблицу 4.2. Таблица 4.2 Внешняя характеристика в режиме 3 Параметр Ud, В

Значение тока Id, А

В диапазоне токов, соответствующем неравенству (4.1) внешняя характеристика при α=0 совпадает с границей режима 2-3. При дальнейшем увеличении Id эта граница также описывается уравнением (4.2). Причем максимальное значение тока Id, при котором Ud = 0 В, рассчитывается по следующей формуле: Id max =

3 · Id кз 2

.

Таким образом будем задавать значение Id от Id гран В до Id max Результаты расчета сведены в таблицу 4.3. Таблица 4.3 Внешняя характеристика при Id > 1593 А Значение тока Id, А

параметр Ud, В 4.3.

Режим работы 3-4

Режим работы 3-4 наступает при α≥30°. Внешняя характеристики в этом режиме описываются уравнением:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

U d = 3 ⋅ Ed cos(α − 300 ) −

9 X I π γ d

Внешние характеристики при α≥300 входят в режим 3-4. Рассчитываем характеристики для угла управления 30° и 45°. Внешние характеристики в этом режиме представляют собой прямые. Таким образом, для их построения необходимо по две точки для каждого угла α. Для α = 30° внешняя характеристика может быть построена по точкам т.В ( Id гран В ; Ud гран В ) и ( Id кз ; 0 ). Для α = 45° координаты точек, по которым будет построена прямая, найдем из следующих соображений; режим 2-3 заканчивается когда γ = 60° . При этом условии можно найти значение граничного тока для режимов 3 и 3-4 по следующей формуле: Id =

3E 2 мф 2X γ

sin(α + 30°)

Напряжение Ud находим по формуле: U d = 1,65 0,75 ⋅ Ѓ 22m™ − X γ2 ⋅ I d2

Вторая точка находится на оси Id, поэтому Ud=0. Id = IdКЗ·сos(45°-30°) A Угол коммутации γ, соответствующий конечным точкам режима 2-3 находим по следующему выражению: cos(α + γ + 30°) = cos(α − 30°) −

2 Xγ ⋅ Id E 2 mф

При α=45° , cos(45 + γ + 30°) При α=30° , cos(30 + γ + 30°) С учетом этого и с использованием полученных результатов построили семейство внешних характеристик в выпрямительном и инверторном режимах (рис.4.1). Здесь точка А - граничная точка режимов 2-3 и 3, точка В граничная точка режимов 3 и 3-4. Граница режима 2-3 показана пунктирной линией.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

5. Расчет высших гармонических кривой выпрямленного напряжения Расчет высших гармонических кривой выпрямленного напряжения проведен в п. 3.1.25. Данные расчета приведены в табл.3.1. На рис.5.1 приведена временная диаграмма кривой и постоянной составляющей выпрямленного напряжения при работе выпрямителя в режиме 2-3.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

6. Расчет сглаживающего фильтра, выбор конденсаторов, расчет сглаживающего дросселя Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций тока и напряжения на выходе выпрямителя. Он состоит из двух дросселей, включенных последовательно нагрузке и емкости, подключенной параллельно нагрузке. 6.1. Расчет сглаживающего фильтра при активной нагрузке 6.1.1. Коэффициенты пульсаций на выходе выпрямителя (на входе сглаживающего фильтра) U m' ( n) ' K П ( n) = , Ud где U m' ( n) = 2 ⋅ U d ( n) - амплитуда n-й гармоники на входе фильтра, Ud(n) – действующее значение n-й гармоники выпрямленного напряжения (табл.3.1). Коэффициенты пульсаций рассчитать для n = 6, 12, 18. Для дальнейшего расчета принять n=6. 6.1.2. Коэффициенты пульсаций на выходе фильтра Берется из задания на курсовой проект т.е. коэффициент пульсаций на выходе фильтра. 6.1.3. Величина индуктивности фильтра: L>

U m' ( 6 ) 6 ⋅ω ⋅ I d

Гн,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

где ω = 314 рад/с – круговая частота. Для наилучшего сглаживания тока величина индуктивностей должна быть в несколько раз больше полученного результата. 6.1.4. Коэффициент фильтрации Kf =

U m' ( 6) U m ( 6)

,

где U m( 6) = K f ( 6 ) ⋅U d – амплитуда основной гармоники напряжения на активной нагрузке. 6.1.5. Емкость фильтра C=

|1 − K f | 62 ω 2 L

Ф.

6.1.6. Амплитуда основной гармоники тока I m' ( 6 ) =

U m' ( 6 ) 6 ⋅ω ⋅ L

А.

6.2. Выбор конденсаторов сглаживающего дросселя Для работы в цепях постоянного и пульсирующего токов предназначены фильтровые конденсаторы. Выбор конденсатора производится по номинальному напряжению (не менее Ud ), номинальной емкости (не менее С расчитанной в пункте 6.1.5 с учетом допускаемого отклонения) и амплитуде напряжения переменной составляющей пульсирующего тока. 7. Электромагнитный расчет сглаживающего дросселя Сглаживающий дроссель состоит из катушки индуктивности, намотанной на шихтованный разомкнутый магнитопровод. Эскиз магнитопровода дросселя приведен на рис.6.1. 7.1. Величина зазора сердечника lз =

(6 + 2 K 1 ) K 2 µ*

I dW м, jd K M K 1

где jd = 10 А/мм^2 – плотность тока в обмотке, Км = 0.25 – коэффициент заполнения окна катушки медью для водяного охлаждения (для воздушного 0.5) К1 = b/a = [1…4] – коэффициент соотношения сторон окна магнитопровода, W – число витков обмотки (15…40),

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

К2 = Rз/Rст > 10 – коэффициент отношения магнитных сопротивлений зазора и стали магнитопровода, µ* = 500…600. 7.2. Площадь поперечного сечения зазора Sз =

( 6 + 2 K1 ) K 2 L µ0 µ *

Id jd K M K1W 3 ,

где µ0 = 4π⋅10^-7 – постоянная. 7.3. Размеры сечения окна магнитопровода I dW м, j d K M K1

a=

b = K1 ⋅ a м.

7.4. Размеры сечения сердечника c=

Sз м, 2

d = c м. 7.5. Сечение провода обмотки q=

Id 2 м . jd

7.6. Средняя длина витка обмотки a  l cp = 2π ⋅  c +  м. 2 

7.7. Активное сопротивление обмотки дросселя R = ρ 40

l cpW q

Ом,

где ρ40 = 1.9⋅10^-8 Ом⋅м – удельное электрическое сопротивление меди при 40 °С. 7.8. Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя ∆U = I d R В. 7.9. Потери в меди дросселя ∆P = I d ⋅ ∆U Вт. Тепловой расчет сглаживающего дросселя Если ток дросселя более 200 А то необходимо водяное охлаждение. 7.10. Расход охлаждающей воды: Q=

0,24 ⋅ P 3 ⋅10 −3 м /с T2 − T1

Скорость потока воды v = 1,5…2,5 м/с 7.11. Площадь поперечного сечения охлаждающей трубки: S=

Q м2 v

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Выбираем трубку с прямоугольным отверстием, имеющим размеры: а= 0,55 см, b= 0,56 см 7.12. Внутренний периметр трубки, участвующий в теплообмене: -3 F = (a+b)⋅2⋅10 см 7.13. Гидравлический эквивалент диаметра: 4S м F

D0 =

7.14. Проверка на турбулентность: Re =

vD0 >2330 µ'

где Re — критерий Рейнольдса µ' = 0,66⋅10-6 — пневматическая вязкость воды. 7.15. Коэффициент сопротивления при шероховатости первого рода:  К   λ1 = 10  D 0  

0, 314

−2

где К — коэффициент шероховатости 1-го рода. 7.16. Перепад давления по длине трубки: ∆р = 4,9 ⋅ 10 2 ⋅

λ1 ⋅ v 2 ⋅ l D0

Н/м2

где l = lсрв ⋅ W м длина трубки Если ток дросселя не более 200 А то достаточно воздушного охлаждения. 7.17. Превышение температуры поверхности обмоток τ=

∆P °С, K то S охл

где Кто = 8…10 – коэффициент теплоотдачи при принудительном воздушном охлаждении, 2 Sохл = 2 ⋅ l cp ⋅ b м -поверхность охлаждения (боковая поверхность катушки). 7.18. Температура поверхности обмоток Θпов = 40 o + τ o С. Полученная температура не должна превышать допустимую температуру по классу нагревострйкости – для класса А – 105 °С. 8. Электромагнитный расчет трансформатора Трансформатор в схеме выпрямителя предназначен для согласования напряжения питающей сети и напряжения на входе выпрямителя. Расчитать числа витков, сечением проводов первичной и вторичной обмоток и основных размеров магнитопровода. 8.1. Напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора U 1(1) лин = U пит. лин. В,

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

3 E 2 mф В. 2 8.2. Полная мощность трансформатора из п.3.1.14. S тр = S ВА. 8.3. Линейные токи по сторонам трансформатора I1 лин = 3I1ф А, U 2 (1) лин =

I 2 лин = 3I 2 ф А. 8.4. Фазные напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора U U ф1 = 1лин В, 3 U U ф 2 = 2 лин В. 3 По справочникам необходимо выбрать магнитопровод.

8.5. ЭДС одного витка U в = 4.44 ⋅ f ⋅ Bc ⋅ П c В,

где f = 50 Гц – частота сети, Пс = П1⋅Кз = 0.0042 м^2 – сечение стержня. 8.6. Число витков вторичной обмотки W2 =

U ф2 Uв

.

8.7. Число витков первичной обмотки U ⋅W W1 = ф1 2 . U ф2 8.8. Уточненное значение ЭДС витка Uв =

U ф1

В. W1 8.9. Уточненное значение магнитной индукции Uв Bc = Тл. 4.44 f ⋅ П с 8.10. Плотность тока в обмотках для аллюминиевого провода можно принять равной ja = 1.8 А/мм^2. Тогда ориентировочное сечение витков: I F1 = 1 лин мм^2, ja

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

F2 =

I 2 лин мм^2. ja

8.13. Высота обмотки

π ⋅ d12 см, β где d12 = a⋅dм.пр. см – нормализованный диаметр, а = 8 – коэффициент обмотки для аллюминиевого провода, β = 2 – коэффициент, характеризующий соотношение между шириной и высотой трансформатора. 8.14. Изоляционные расстояния в обмотках трансформатора принять равными: H0 =

для обмоток низкого напряжения от ярма lя1 = 15 мм, от стержня ас1 = 4 мм; для обмоток высокого напряжения от ярма lя2 = 20 мм, от стержня ас2 = 6 мм; между обмотками а12 = 9мм. 9. Выбор устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений Для защиты преобразователя от аварийных токов и перенапряжений можно использовать два вида устройств: автоматический выключатель и плавкие предохранители. 9.1. Плавкие предохранители Выбор плавких предохранителей в цепи каждого тиристора осуществляем из условия действующего значения анодного тока. Выбор предохранителя в цепи нагрузки осуществляем из условия действующего тока нагрузки. 9.2. Автоматические выключатели Для включения и выключения преобразователя в нормальных режимах, а так же для защиты выпрямителя от повреждений выбирается автоматический выключатель из условия действия номинального тока. 9.3. Устройства защиты выпрямителя от перенапряжений 9.3.1. Защита от перенапряжений в моменты коммутации тока Для устранения перенапряжений, возникающих в моменты выключения тиристоров, применяются RC-цепочки, включенные параллельно приборам.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

Рекомендуемая литература 1. Расчет трехфазных мостовых выпрямителей: Метод.указания/Сост. В.И. Бар. – Тольятти: ТолПИ, 1992. 2. Тиристоры: Справочник/О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. – М.: Радио и связь. – 272 с.:ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып 1155). 3. Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. М.: Энергия, 1975. – 512с. 4. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник/Под ред. Г.С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат, 1987.- 656с. 5. Белопольский И.И., Пикалова Л.Г. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. – М. – Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. – 272с. 6. Полупроводниковые выпрямители/Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостовой. – М.: Энергия, 1978. – 448с.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com