Тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение

• PreobrtechKrasovskyVar11
  • титульник
  • Задание вар11
  • Mathcad - Krasovsky preobraztech var 11
  • Mathcad - Krasovsky preobraztech var 11-35
  • Схема РИ трехфазного мостового преобразователя
  • сифу
• силовая схема

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций

Кафедра электропривода и электрооборудования

береговых установок

Курсовая работа

По курсу ”Преобразовательная техника”

Тиристорный преобразователь переменного напряжения в постоянное напряжение

Специальность: 180400 “Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов”

Вариант N11 Выполнил: Красовский А.В. Преподаватель: Белоусова Н.В.

Санкт-Петербург 2009г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Техническое задание на проектирование тиристорного преобразователя.
2. Расчет силовой части тиристорного преобразователя.

1.  
   1. Выбор силовых вентилей преобразователя.
      1. Выбор защитных цепей силовых вентилей.
      2. Выбор силового согласующего трансформатора.
2. Выбор сглаживающих дросселей, расчет параметров цепи постоянного тока.
3. Расчет и выбор элементов системы управления. Схема системы управления. Временные диаграммы токов и напряжений системы импульсно-фазового управления.
4. Статические характеристики силовой части тиристорного преобразователя.

1. Временные диаграммы выпрямленных токов и напряжений.
2. Передаточные функции системы управления, силовой части и преобразователя в целом.
3. Общая схема тиристорного преобразователя, включающая в себя систему управления, защиту и сигнализацию.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Число пульсаций выпрямленного напряжения

m=6

Параметры нагрузки цепи постоянного тока

Требования к управлению реверсивным преобразователем

Наибольшее значение уравнительного тока и гранично-непрерывного тока

Коэффициент пульсации выпрямленного тока в процентах от номинального тока

№

6

qi [%]

3

Требования к форме опорных напряжений СИФУ

№

1

опорные напряжения

синусоидальные

Значения напряжений управления преобразователя в долях от базового значения напряжения управления, при которых строятся нагрузочные характеристики и временные диаграммы

ВАРИАНТ ЗАДАНИЯ

Коэффициенты тиристорных преобразователей

1. Число пульсаций выпрямленного напряжения за период напряжения сети m=6
2. Коэффициент схемы по фазному напряжению k_схф=2.34
3. Коэффициент схемы по линейному напряжению k_схл=1,35
4. Коэффициент искажений тока трансформатора вторичной обмотки ki2=0,955
5. Коэффициент искажений тока трансформатора первичной обмотки ki1=0,955
6. Коэффициент схемы по току kсхi=0,816
7. Коэффициент искажений мощности k=0,955

Справочные данные по тиристорам

1. Предельный ток (стандартный радиатор, обдув со скоростью 6 m/c) [A] – 200
2. Прямое падение напряжения [B] - 1,2
3. Время включения [μc] – 20
4. Ток удержания [mA] – 100
5. Отпирающий ток управления [mA] – 300
6. Критическая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)кр [B/μc] – 100

1.1. Справочные данные по силовым трансформаторам

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 Источник питания

Цепь переменного тока преобразователя -трехфазная сеть переменного синусоидального напряжения

1. Действующее значение фазного напряжения U_1ф := 220 В
2. Частота сетевого напряжения f := 50 Гц
3. Мощность сети неограниченна.

2.2 Требования к цепи постоянного тока.

1. Число пульсаций выпрямленного напряжения m := 6
2. Тип нагрузки: источник э.д.с. с заданными внутренними параметрами:

активным сопротивлением Rн := 0.02 ^Ом и индуктивностью L_н := 0.09 Гн

2.2.3 Диапазон регулирования выпрямленного тока [-Idном, Idном] := 200 А

^Idном

2.2.4 Диапазон регулирования выпрямленного напряжения: (-Udном, Udном.)

:= 220 В

^Udном

2.2.5 Наибольшее значение уравнительного % от Idном

I_у := I_dном⋅0.2 I_у = 40 А или гранично-непрерывного % от Idном

I₀ := I_dном⋅0.12 I₀ = 24 А

2.2.5 Коэффициент пульсаций выпрямленного тока при номинальной нагрузке

q := 3

U_б := 10 В -напряжение базовоое

:= 15 В -напряжение питания

^Uпит

2.3 Требования к системе управления

1. Управление реверсивным преобразователем совместное согласованное
2. Тип опорного напряжения СИФУ синусоидальное, блок линеаризации в систему управления не включается.
3. Четыре значения э.д.с. преобразователя, при которых строятся нагрузочные характеристики (п.7.7) и временные диаграммы.

⋅ U₀₁

:= 0.75 U_б = 7.5 B

^U01

⋅ U₀₂

:= 0.4 U_б = 4B

^U02

:= −0.2⋅U_б −= 2B

^U03 ^U03

:= −0.85⋅U_{б −= 8.5B} ^{U04 U}04

2.4 Базовые значения и относительные единицы

В задании на курсовое проектирование параметры нагрузки (Rн,Lн) и средние значения э.д.с. преобразователя (0.75;0.4;-0.2;-0.85) приведены в относительных единицах (в долях от базовых значений этих величин).

2.4.1 В качестве основных базовых величин принимаются:

E_б := -максимальное значение э.д.с. преобразователя;

^Iб ^{:= I}dном -номинальное значение тока нагрузки;

ω := 2 π⋅ ⋅f-угловая частота напряжения источника питания.

2.4.1 Производные базовые величины находятся через основные базовые величины. Например, базовые значения активного сопротивления и индуктивности нагрузки:

R_б := ,L_б := I_б ω⋅I_б

Значения величин в абсолютных единицах определяются по формуле

A = A*Aб,

где Aб базовое значение основной величины; A* значение этой величины в относительных единицах. Например, средние значения выпрямленной э.д.с. Edn определяются по формуле

Edn = Edn* Eб, n =1,2,3,4,

а сопротивление и индуктивность нагрузки (по данным таблицы 7.2) по формулам

∗∗

R_н = R_н ⋅ R_б = R_н ^∗⋅ ^{Ed 0} R_н = R_н ⋅ R_б = R_н ^∗⋅ ^{Ed 0} dном ^Idном

2.4.3 При расчете системы управления в качестве базового значения сигналов принимается базовое значение напряжения системы управления Uб. Значения сигналов в абсолютных единицах определяются по формуле A = A*Uб,

где A значение сигнала в абсолютных единицах; A* -значение сигнала в относительных единицах. В качестве базового значения напряжения системы управления рекомендуется принять :U_б = 10 В

при этом напряжение питания системы управления рекомендуется принять:

= 15 В

^Uпит

3 . РАСЧЕТ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В данном пункте проекта, исходя из требований технического задания, приводится словесное обоснование выбора типа преобразователя: нулевой, мостовой; реверсивный, нереверсивный. Обосновывается необходимость использования трансформатора для согласования напряжения питающей сети и напряжения на нагрузке. В зависимости от типа преобразователя для его питания необходимо использовать либо один, либо два согласующих трансформатора.

Описываются необходимые виды защит: максимальной токовой, тепловой, от перенапряжения на тиристорах. Приводится схема силовой части тиристорного преобразователя. Производится выбор основных силовых элементов. Строятся регулировочная и нагрузочная характеристики преобразователя, временные диаграммы выпрямленного тока и напряжения.

Тиристорные преобразователи с числом пульсаций выпрямленного напряжения m=6 проектируются реверсивными и содержат два комплекта нереверсивных преобразователей. Схемa силовой части преобразователей приведены на .

3.1 Выбор согласующего трансформатора

Согласующий трансформатор выбирается по мощности и напряжению первичной и вторичной обмоток.

3.1.1 Выбор мощности трансформатора рекомендуется производить в следующем порядке:

3.1.1.1 Определяется номинальная мощность нагрузки преобразователя

⋅

^Pном ^{:= U}dном ^Idном _Pном

= 44000 Вт

3.1.1.2 Рассчитывается номинальная мощность потерь энергии на вентилях преобразователя

ΔU -прямое падение напряжения на вентиле n₀ -число вентилей обтекаемых током в каждый момент времени в режиме непрерывного тока (при нулевой схеме включения вентилей n₀=1, при мостовой схеме n₀=2)

ΔU := 1.2 n₀ := 2

⋅⋅ = 480 Вт

^ΔPном ^{:= ΔUI}dном ⁿ0 ^ΔPном

3.1.1.3 Рассчитывается коэффициент полезного действия преобразователя при номинальной мощности нагрузки

^Pном

:= η _пр = 0.989

^η пр

+ΔP_ном

^Pном

3.1.1.4 Минимальная допустимая мощность согласующего трансформатора определяется по формуле

k:= 0.955 -коэффициент искажений мощности из тб. 6.1

p

^Pном

:= S_min = 46575.92 кВА

^Smin

⋅

^kp ^ηпр

3.1.2 Выбор трансформатора по напряжению

Фазные напряжение первичных обмоток трансформатора должно быть равно фазному напряжению сети U1. При этом первичные обмотки трансформатора могут соединяться как звездой, так и треугольником.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора должно быть выбрано так, чтобы гарантированно было обеспечено номинальное напряжение на нагрузке цепи постоянного тока при номинальном токе с учетом потерь напряжения на обмотках трансформатора и вентилях. Выбор номинального фазного значения напряжению вторичной обмотки рекомендуется производить в следующем порядке:

3.1.2.1 Производится оценка активного сопротивления короткого замыкания

трансформатора

p'_k := 0.03 -мощность короткого замыкания в относительных единицах ( выбирается в пределах 0.01-0.03)

:= 2.34 -коэффициент схемы по фазному напряжению тб. 6.1

^kсхф

^Udном ^kp ^ηпр

R'_k := p'_k⋅ R'_k = 0.006 Ом 2^kсхф ^⋅Idном

3.1.2.2 Производится оценка коммутационного сопротивления, вносимого источником питания в цепь выпрямленного тока

u'_k := 0.08 -где uk напряжение короткого замыкания в относительных единицах выбирается в пределах 0,04-0,11

2⋅()

π

λ := -угол повторяемости

m

⋅⋅k_p ⋅η _пр

^3Udном

X'_d := u'_k⋅ X'_d = 0.043 Ом 2

⋅

^kсхф ^{λ ⋅ I}dном

3.1.2.3 Производится оценка необходимого значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора по формуле

d := 2 -количество обмоток трансформатора, обтекаемых током в каждый момент времени в режиме непрерывного тока. При нулевой схеме включения вентилей d=1

U_dном +ΔUn₀ +₍X'_d + dR'_k)⋅I_dном U'₂ := U'₂ = 99.733 В ^kсхф

3.1.3 По данным Smin,U1, U2 производится выбор трансформатора.

При выборе вторичного напряжения трансформатора следует учесть, что трансформаторы имеют на вторичной обмотке отпайки, позволяющие регулировать напряжение вниз на 20% с шагом 5%, выбрать значение фазного напряжения U2, как ближайшее большее к оценочному значениюU2. После выбора трансформатора выписываются его паспортные данные: Sном,U1, U2, uk, pk.

:= 48000

^Sном

U₁ := 230 u_k := 0.052 B

U₂ := 106.4 p_k := 0.029 B

3.1.4 По данным U1, U2 рассчитывается коэффициент трансформации

U2 := = 0.463

^kтр _U1 ^kтр

3.1.5 По данным Sном,U1, U2, uk, pk трансформатора рассчитываются активное, полное и индуктивное сопротивления короткого замыкания трансформатора, приведенные к вторичной обмотке и коммутационное сопротивление преобразователя:

2 U2

^{Rk := pk⋅}_⋅ R_k = 0.002 Ом

^3Sном

2 U2 Z_k := u_k⋅ Z_k = 0.012 Ом

^Sном

22

X_k := Z_k − R_k X_k = 0.012 Ом

Xk X_d := X_d = 0.012 Ом λ

3.1.6 Определяется максимальное значение ЭДС преобразователя при выбранном значении фазного напряжения U2

⋅ = 248.976 В

^Ed0 ^{:= k}схф ^U2 ^Ed0

3.1.7 Определяется коэффициент запаса по напряжению при выбранном значении фазного напряжения U2

^Ed0

^{k3 :=} U_dном +ΔUn₀ +₍X_d + dR_k)⋅I_dном ^{k3 = 1.104}

Если полученное значение коэффициента запаса удовлетворяет условию kз=1,02..1,05, то трансформатор выбран правильно.

Если полученное значение коэффициента запаса не удовлетворяет

приведенному соотношению, изменить значение U2 выбором регулирующих отпаек.

Данное условие невозможно выполнить при выборе любой отпайки, необходиое значение напряжения вторичной обмотки трансформатора 100В

3.1.8 При расчете преобразователя с совместным согласованным управлением выбираются два одинаковых трансформатора по методике, изложенной в п.п. 3.1.1-3.1.7. Полученное значение коэффициента запаса по напряжению должно удовлетворять условию kз=1,05-1,1

3.2 Выбор силовых вентилей преобразователя и расчет их защитных цепей.

Тиристоры выбираются по среднему значению протекающего по ним тока и максимальному значению напряжения, прикладываемому к ним в обратном направлении.

3.2.1 Рассчитывается среднее значение тока, протекающего по тиристору при

номинальном токе нагрузки. 1

:= коэффициент загрузки вентиля по току, равный

^kv ³ отношению среднего значения тока вентиля к среднему значению выпрямленного тока. Для трехфазных преобразователей kV =1/3 как при нулевой, так и при мостовой схеме включения вентилей.

⋅ = 66.667 А

^Iv ^{:= I}dном ^kv ^Iv

3.2.2 Определяется максимальное значение напряжения, прикладываемое к тиристору в обратном направлении

:= 2⋅ 3⋅U_{2 = 260.6 В}^Umax

^Umax

1. Выбирается тип охлаждения тиристоров. Тиристор, работающий с естественным охлаждением, выбирается на ток, превосходящий ток
2. Тиристор выбирается на напряжение, превосходящее напряжение Umax в
3. По справочнику выбирается тип тиристора Т-200-6 и выписываются его основные параметры:

:= 200 А -предельный ток тиристора при заданных условиях

^Imax := 600 -номинальное напряжение

^Uном := 1.2 В -прямое падение напряжения

^Uvs t_вкл := 20 μc-время включения := 0.1 А -ток удержания

^Iуд

:= 100 В/μс -критическая скорость нарастания прямого напряжения

:= 0.3 А -отпирающий ток управления

^Iотп

3.2.6 Для защиты силовых вентилей от самопроизвольного включения при высокой скорости нарастания прямого напряжения и от перенапряжений применяют специальные защитные (снаберные) цепи. При индивидуальной защите тиристоров снаберные цепи представляют собой последовательные R-C цепи, подключаемые параллельно каждому тиристору преобразователя.

Значения активного сопротивления Rз и емкости Сз конденсатора защитной цепи выбираются из нормализированного ряда таким образом,

где: (du/dt)кр критическая скорость нарастания прямого прямого напряжения;

3.3 Расчет параметров цепи выпрямленного тока и выбор дросселей

В схему замещения цепи выпрямленного тока входят последовательно соединенные активное сопротивление Rd, индуктивность Ld и ЭДС нагрузки Eн.

3.3.1 Активное сопротивление цепи выпрямленного тока без учета активных сопротивлений дросселей:

+

= 0.036

^Xd ^Rd0

Ом

R_н dR_k

^Rd0

⋅

:=

+

где Rн -сопротивления нагрузки; d*Rk -сопротивление, вносимое трансформатором; Xd -коммутационное сопротивление

3.3.2 Индуктивность цепи выпрямленного тока без учета индуктивностей дросселей:

^Ed0 ^Lн

L'_н := L'_н = 0.0004

⋅

ωω

:= 2π ⋅ ⋅f

= 314.159

Idномω ⋅

Xk

-индуктивность К.З. трансформатора

ω

L_k :=

− 5

Lk

=

3.836

10

Гн

×

L'_н

^Ld0

Lk

:=

+

= 0.0004 Гн

^Ld0

3.3.3 Выбор дросселя для ограничения уравнительного тока

Данный пункт выполняется лишь для преобразователей с совместным согласованным управлением. При других способах управления преобразователем следует принять индуктивность дросселя для ограничения уравнительного тока Ldу =0.

Среднее значение уравнительного тока определяется по формуле

:= 0.0010 Гн I'y := % I'y = 40 A - Iy в тех.задании

^Ldy ^Idном^⋅20

^Ed0

⋅