~ 3 ~

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Иркутский государственный университет путей

сообщения

Кафедра: «ЭЖТ»

Дисциплина:

“Электронная техника и преобразователи”

Курсовая работа

Расчет параметров выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме

Выполнил:

ст. гр. ЭНС-06-1-2

Черепанов А.В.

Проверил:

преподаватель кафедры

Ушаков В.А.

Иркутск 2008 г.

Оглавление

• 1.Задание. 3
• 2.Требуется. 5
• 3. Выбор типа вентилей. 6
• 4. Расчёт проектных параметров трансформатора. 10
• 4.1 Выпрямитель: 10
• 4.2. Инвертор. 11
• 5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча. 12
• 5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320. 12
• 5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-250. 12
• 5.3. Выпрямитель. 12
• 5.4. Инвертор: 13
• 6.Расчёт числа последовательно включенных вентилей. 14
• 6.1 Выпрямитель. 14
• 6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя 14
• 6.3. Инвертор. 15
• 6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече 15
• 7.Расчёт характеристик преобразователя. 16
• 7.1. Расчёт внешней характеристики выпрямителя. 16
• 7.2. Расчёт внешней характеристики инвертора. 16
• 7.3. Ограничительная характеристика инвертора. 16
• 7.4 Углы коммутации мостового ВИП (эл.град.) 16
• 7.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП 17
• 7.6 Максимальные токи инвертора: 17
• 8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения 18
• 8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320 18
• 8.2. Инвертор на нелавинных вентилях.: Т9-250 18
• 9. Выбор схемы выравнивания тока в параллельно включенных ветвях вентильного плеча. 19
• 10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB 20
• 10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания. 20

1.Задание

Трёхфазный мостовой выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) питается от сети с номинальным напряжением Uс=U1л и заданными пределами колебания этого напряжения %Uс. Известна мощность короткого замыкания Sкз, характеризующая реактанс связи точки подключения ВИП и шин бесконечной мощности энергосистемы.

Заданы следующие параметры и соотношения для ВИП:

Напряжение короткого замыкания трансформатора Uк%;

Среднее значение выпрямленного напряжения и тока в номинальном режиме (Udн, Idн);

Соотношение числа витков вентильных обмоток инвертора и выпрямителя Ки=U2и/U2в;

коэффициенты повторяющихся и неповторяющихся перенапряжений Кп, Кнп.

Номинальные мощности выпрямителя и инвертора одинаковы S1в=S1и.

Схема ВИП

2.Требуется

Расчитать проектные параметры трансформатора и выбрать его по стандартной шкале мощностей.

Выбрать типы вентилей с воздушным охлаждение для выпрямителя и инвертора и, варьируя класс вентилей К, расчитать параметры вентильных плеч, обеспечивающих номинальный режим и устойчивость к перенапряжениям заданой величины и токам аварийных режимов выпрямителя и инвертора.

Определить наиболее дешёвый комплект вентилей.

Расчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединённых вентилей и выбрать схему выравнивания токов в паралельных ветвях вентильных плеч соответственно для выпрямителя и инвертора. Нарисовать схему вентильного плеча.

Выполнить расчёты и построение внешней характеристики выпрямителя, внешних и ограничительной характеристики инвертора, коэффициентов мощности выпрямителя и инвертора.

Построить временные диаграммы фазных напряжений вентильных обмоток выпрямителя и инвертора с отображением коммутационных процессов, диаграммы токов в этих обмотках, мгновенных значений выпрямленного напряжения и напряжения инвертора, напряжения на одном из вентилей. Построить векторные диаграммы напряжения и первой гармоники сетевого тока для выпрямительного и инверторного напряжений.

3. Выбор типа вентилей

Используя данные таблицы подстановок и построенные на данных таблицы диаграммы, выберем тип и класс неуправляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели при разных значениях скорости охлаждающего воздуха (12; 6 и 0 м/сек).

Наилучшие технико-экономические показатели выпрямителя для неуправляемого вентиля типа В2-320 обеспечиваются при скорости охлаждающего воздуха 12 и 6 м/сек. По диаграммам определяем тип неуправляемого вентиля: В2-320, при скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек. Стоимость плеча: 418 руб., число вентилей плеча:1. По таблицам для В2-320 выберем класс и индекс:

Для В2-320 класс: 32, стоимость плеча 332 руб., число вентилей 9.

Используя данные таблицы подстановок и построенные на данных таблицы диаграммы, выберем тип и класс управляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели инвертора при выбранном значении скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек.

По диаграмме определяем тип управляемого вентиля: Т153-800, стоимостью 2470 руб., количество вентилей Т153-800 равно 22. Стоимость плеча Т9-250 меньше стоимости Т153-800, но количество вентилей Т9-250 равно 50

По таблицам для Т153-800 выберем класс и индекс:

Для вентиля Т153-800 класс: 13, стоимость плеча 2470,215 руб., число вентилей плеча 22.

Для выпрямителя:

Тип неуправляемого вентиля: В2-320

I_уд = 7200,0 А

I_{о max} = 20,0 мА

U_o = 1,1 B

R_д = 0,00078 Ом

Скорость потока охлаждения воздухом V = 6 м/с:

R_т, град.С/Вт 2 0,21

(допуст. прев.темп.) 1 100

= 274 А

Для инвертора:

Тип управляемого вентиля: Т453-800

I_уд = 17500,0 А

I_{о max} = 50,0 мA

U_o = 1,2 B

R_д = 0,000340 Ом

R_т, град.С/Вт 0,1

(допуст. прев.темп.) 85

=501,5 А

Параметры ВИП и сети:

U_dн = 3300 В

I_dн = 3000 А

К_п = U_ком/U_вmax

К_п = 1,65

Колебания напряжения сети % от U_c = 5

Номинальное напряжения сети U_c, кВ = 10

U_к% (напр.к.з. трансформ.) = 11

К_нп = U_нп/U_вmax = 2,4

S_кз = 425 мВА

К_и = U_2и/U_2в = 1,25

= arccos(U_2в/U_2и) = 36,9 эл. гр

4. Расчёт проектных параметров трансформатора

4.1 Выпрямитель:

U_do = U_dн/(1-0,5·U_к%/100) (1)

где U_dн - среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке

U_к% - напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора

U_do = = 3492,1 В

Расчетная мощность выпрямителя.

P_do = U_do·I_dн (2)

где I_dн - номинальный ток выпрямителя;

P_do = 3492,1·3000 = 10476,2 кВт

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

U_2в = U_do/2,34 (3)

U_2в = 3492,1/2,34 = 1492,3 B

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

I_2в = 0,816·I_dн (4)

I_2в = 0,816·3000 = 2449,5 А

Расчётная мощность вентильной обмотки

S₂ = 1,05·P_dо (5)

S₂ = 1,05·10476,2 = 11000 кВА

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в выпрямительном режиме.

К_тв = U_c/(1,73·U_2в) (6)

где U_c - номинальное напряжение сети - 110 кВ

К_тв = 10000/(1,73·1492,3) = 3,87

I_1н = I_2н/K_тв (7)

I_1н = 2449,5/3,87= 633,1 A

Номинальная мощность сетевой обмотки.

S_1н = 1,05·P_do (8)

S_1н = 1,05·10479,2 = 11000 кВА

Типовая мощность трансформатора.

S_т = S₁ = S₂ = 1,05·P_do (9)

S_т = 1,05·10479,2 = 11000 кВА

4.2. Инвертор

Номинальный ток инвертора.

I_ин = I_dн/K_и (10)

где I_dн - номинальный ток выпрямителя

К_и-1,25

I_ин = 3000/1,25 = 2400 А

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

U_2и = U_2в·K_и (11)

U_2и = 1492,3·1,25 = 1865,4 В

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

I_2и = I_2в/K_и (12)

I_2и = 2449,5 /1,25 = 1959,6 А

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в инверторном режиме.

К_ти = K_тв/K_и (13)

К_ти = 3,1

I_1н = I_2и /K_ти (14)

I_1н = 1959,6/3,1 = 633,1 А

5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча

5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320

5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-250

5.3. Выпрямитель

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя. Расчет числа параллельно включенных вентилей мостовой схемы ВИП

(15)

где S_кз - мощность короткого замыкания на шинах питающей сети

= 0,0825 Ом

Активное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя

(16)

где =0,006·S_1н.

= 0, 0060 Ом

Амплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекающего через вентильное плечо выпрямителя

(17)

= 25504 А

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

i_удв = К_уд·I_m (18)

где К_уд - ударный коэффициент - 1,2

i_удв = 1,2·25504 = 30605 A

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

По току плеча.

N_пар1 = (I_dн/3) ·К_н/I_п (19)

где К_н - 1,15

N_пар1 = (3000/3) ·1,15/274 = 4,89; округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По i_удв.

N_пар2 = К_н·i_удв/I_уд (20)

где I_уд - ударный ток вентиля

N_пар2 = 1,15·30605/7200 = 4,89; округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По расчётам принимаем максимальное значение параллельных вентилей, а именно - 5.

Выберем максимальное значение:

N_пар.max = 5

5.4. Инвертор:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора

X_аи = X_aв· (К_и)² (21)

X_аи = 0,0825· (1,25) = 0,129 Ом

Активное сопротивление фазы и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора

R_аи = R_ав· (К_и)² (22)

R_аи = 0,0060· (1,25)² = 0,0094 Ом

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

Расчёт по току плеча

N_пар1 = (I_ин/3) ·К_н/I_п (23)

N_пар1 = (2400/3) ·1,15/501,5 = 1,84 округляем до 2

Принимаем - 2.

X_d = 6,28 Ом

R_d = 0,016 Ом

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

(24)

= 16285,0 А

Расчёт по току i_удп.

N_пар2 = К_н·i_удп /I_уд (25)

N_пар2 = 1,15·16285,0/17500 = 1,51 округляем до 2

Из двух вычислений выбираем число вентилей - 2

Выберем максимальное значение:

N_пар.max = 2

6.Расчёт числа последовательно включенных вентилей

6.1 Выпрямитель

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу. Расчет числа последовательно включенных вентилей мостового ВИП

U_вmax = 1,045·U_do (26)

U_вmax = 1,045·3492,1 = 3649 B

Расчётный класс вентильного плеча

(27)

K_р = 1,65·3649/100 =61

Введём выбранный нами класс неуправляемых вентилей К для выпрямителя: класс 42, стоимость вентиля: 30,0

Повторяющееся напряжение

U_п = 100·К

где К - класс неуправляемого вентиля

U_п = 100·42 = 4200 В

Неповторяющееся напряжение

U_нп = 116·К (28)

U_нп = 116·42 = 4872 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

N_посл1 = К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_п/U_п+1 (29)

где U_с% - колебания напряжения сети

N_посл1 = 1,15· (1+5/100) ·3649·1,65/4200+1 = 1,7 округляем до 2

N_посл2=К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_нп/U_нп (30)

N_посл2=1,15· (1+5/100) ·3649·2,4/4872+1 = 1,71 округляем до 2

N_посл.max = 2

По результатам расчёта получаем 6 последовательно включенных вентилей в плече.

6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя

Выбранный тип вентиля: В2-320

Общее число вентилей плеча: 10

Стоимость плеча(+10% для нелавинных вентилей): 330,0

Стоимость плеча с охладителями: 418,0

6.3. Инвертор

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу:

U_вmax = 4562 B

Расчётный класс вентильного плеча

K_р: 76

Введём выбранный нами класс управляемых вентилей К для инвертора: 16

Повторяющееся напряжение

Uп =1300 В

Неповторяющееся напряжение

U_нп (для нелавинных) = 1443 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

N_посл1=К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_п/U_п+1 (31)

N_посл1=1,15· (1+5/100) ·4562·1,3/1600+1 = 7,8 округляем до 8

N_посл2=К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_нп/U_нп+1 (32)

N_посл2=1,15· (1+5/100) ·4562·2,4/1443 +1= 10,953округляем до 11

N_посл.max =11

Выбираем 11 последовательно включенных вентилей.

6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече

Общее число вентилей плеча: 22

Стоимость плеча с охладителями: 2470,27.Расчёт характеристик преобразователя

7.1. Расчёт внешней характеристики выпрямителя

U_do = U_dн/(1- 0,5·U_dн%/100) =3492,1 В, при I_d=0;

U_dн = 3300 В, при I_dн = 3000 А.

7.2. Расчёт внешней характеристики инвертора

Среднее значение напряжения инвертора при холостом ходе с заданным углом опережения бета

U_ио =2,34·U_2и/К_и (33)

U_ио =2,34·1865,4/1,25 = 3492,3 В

Угол опережения инвертора

(U_2в/U_2и) (34)

(1/1,25) ·/180= 36,9 эл. гр.

Среднее значение напряжения инвертора с заданным углом опережения бета

(35)

U_ин = 3492,3·1,25· (cos(36,9)+0,5·0,11) = 3732,1 В

7.3. Ограничительная характеристика инвертора

U_ог (при I_и = 0) = U_ио·К_и·cos (36)

U_ог = 3492,3·1,25·cos = 4298,8 В

где - угол запаса

U_ог (при I_и = I_ин) = U_ио·К_и(cos-0,5·U_к%/100) (37)

U_ог (при I_и = I_ин) = 3997,0 В

7.4 Углы коммутации мостового ВИП (эл.град.)

Выпрямителя:

= arccos (1-2I·X_ав/2,45·U_2в) (38)

При I_d = 0,5·I_dн

= arccos (1-3000·0,0825/2,45·1492,3) = 21,2

При I_d = I_dн

= arccos (1-2*3000·0,0825/2,45·1492,3) = 30,2

Инвертора:

cos() - cos = I_и·X_аи/2,45·U_2и (39)

При I_и = 0,5·I_ин

cos() - cos=7,1

При I_и = I_ин

cos() - cos=16,2

7.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП

Выпрямителя:

cos(/2) (40)

= 0,955

При I_d = 0,5·I_dн

= 0,955·сos(0,5·21,02·/180) = 0,939

При I_d = I_dн

= 0,955·сos(0,5·30,2·/180) = 0,922

Инвертора: ·cos(/2) (41)

=0,955

При I_и = 0,5·I_ин

= 0,955·cos((36,9-0,5·7,1) · /180) = 0,798

При I_и = I_ин

= 0,955·cos((36,9-0,5·16,2) · /180) = 0,837

7.6 Максимальные токи инвертора:

I_{и max}=(100/0,5·U_к%)·I_ин·(cos-cos) (42)

При работе инвертора по естественной характеристике:

При = const

I_и1max=(100/0,5*11) ·2400· (cos-cos) = 4032,2 А

При работе инвертора по искусственной характеристике:

При U_и = U_ио = U_dо

I_и2max =(100/0,5·11) ·2400· (cos-cos) = 8064,3 А

8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения

8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320

Шунтирующее сопротивление

R_ш = (N_посл·U_п -U_{в max})/((N_посл - 1) ·N_пар·I_{о max}·0,001) (43)

где I_{о max} - максимальный обратный ток вентиля

R_ш = (2·4200-3649)/(1·5·20·0,001) = 47508 Ом

Мощность резистора Rш

P = (I_{о max}·0,001·N_пар·U_{в max})/N_посл (44)

P = 20·0,001·3·3688/3 = 182,5 Вт

Емкость шунтирующего конденсатора

С_в = N_пар = 5 мкФ

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора

U_c=1,5·U_п (45)

U_c=1,5·3200 =6300 B

R_в = 2,0 Ом

R_c = 0,2 Ом

8.2. Инвертор на нелавинных вентилях.: Т9-250

Шунтирующий сопротивление

R_ш = (N_посл·U_п -U_{в max})/((N_посл - 1) ·N_пар·I_{о max}·0,001) (46)

R_ш = (11·1300-4562)/(10·2·50·0,001) =9738 Ом

Мощность шунтирующего резистора

P = (I_{о max}·0,001·N_пар·U_{в max})/N_посл (47)

P = 50·0,001·2·4562/9 = 41,5 Вт

Емкость шунтирующего конденсатора

С_в = N_пар = 2 мкФ

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора

U_c=1,5·U_п (48)

U_c = 1,5·1600 =1950 B

R_в = 5,0 Ом

R_c = 0,2 Ом

9. Выбор схемы выравнивания тока в параллельно включенных ветвях вентильного плеча

Так как число параллельных ветвей не превышает 6, следовательно, будет применена схема включения «замкнутая кольцевая»

10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB

10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания