Тольяттинский политехническийинститут
Кафедра«Промышленная Электроника»
Курсовой проектпо Преобразовательной Технике
«СТАТИЧЕСКИЙПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ»
Студент: Глушенков М.С.
Вариант: 19
Группа: Э-405
Преподаватель: Бар В.И.
Тольятти 1998
Содержание
Введение
1. Анализ состояния перспективпроектирования и разработки статических преобразователей средней мощности(СПСМ).
2. Расчёт токов и напряжений. Выбортиристоров и охладителей
3. Расчёт семейства внешниххарактеристик.
4. Расчет высших гармонических кривойвыпрямленного напряжения.
5. Расчет сглаживающего фильтра. Выборконденсаторов. Расчет сглаживающего дросселя.
6. Электромагнитный расчеттрансформатора.
7. Выбор устройств защиты от аварийныхтоков и перенапряжений.
8. Разработка функциональной схемысистемы управления.
Заключение.
Список литературы.
Перечень элементов.
Введение
Прииспользовании в промышленной электронике разнообразного оборудования его нужноснабжать необходимыми источниками питания, которые должны обеспечивать надёжнуюбезаварийную работу питаемых узлов. Наибольшим спектром потребительских качествобладают вторичные источники напряжения — преобразователи на основеполупроводниковых приборов. Целью настоящей работы является расчёт источникапитания, преобразующего и выпрямляющего входное напряжение до необходимойвыходной величины с требуемым коэффициентом пульсаций и величиной выходного тока.Путём использования трансформатора напряжения, соответствующей вентильнойвыпрямительной схемы, фильтра гармонических составляющих выходного напряжения инадёжной системы защиты от перегрузок и коротких замыканий.
1. Анализсостояния перспектив проектирования и разработки СПСМ
Силовыеполупроводниковые преобразовательные устройства выпускаются на малые, средние ибольшие мощности. Поэтому они могут использоваться во всех областях народногохозяйства: для электролиза на химических и алюминиевых предприятиях, длятяговых подстанций, для электрифицированного железнодорожного транспорта. Атакже для регулируемого электропривода, в том числе электропривода прокатныхстанов, для средств связи, для питания различного рода подъемников, лифтов,магнитных кранов, для подземного шахтного оборудования, возбудителей синхронныхмашин. Кроме того в бортовых системах электропитания различного назначения(преобразователи малой мощности), в устройствах автоматики, а также в системахавтоматического управления. Среди разнообразных требований, предъявляемых кпреобразователям, общими являются обеспечение максимальных к. п. д. икоэффициента мощности отдельных узлов и элементов, а также максимальнойнадежности и устойчивости. Полупроводниковые преобразователи наиболеекачественно удовлетворяют перечисленным требованиям. Они отличаются малымигабаритами и весом. Так, на один киловатт преобразованной мощности приходитсявес оборудования электромашинного агрегата в 15—30 кг, ионного — в 2—5 кг, аполупроводникового в 1—2 кг (цифры приведены без учета питающеготрансформатора).
Полупроводниковые преобразователипотребляют очень малую мощность управления, их коэффициент усиления превышает100 000. Они почти безинерционны. Отсутствие контактов, подвижных и вращающихсячастей, возможная универсальность создания отдельных блоков преобразователей,постоянная готовность к работе и другие особенности открыли широкую возможностьих применения.
Благодаря специфическим свойствамполупроводниковых вентилей разработаны и разрабатываются совершенно новые типыпреобразователей. К ним относятся выпрямители, в которых в одном блокеобъединены и трансформатор и преобразователь. Такие выпрямители экономическивыгодны, так как не требуют специальных помещений, могутэксплуатироваться на открытых площадках, не нуждаются в соединительных шинах,имеют единую масляную систему охлаждения. Мощность одного такого преобразователяможет быть огромной (десятки мегаватт). Перспективными являются импульсныепреобразователи постоянного напряжения на тиристорах. Такие преобразователи насредние и большие мощности могут применяться в электрифицированном городском ижелезнодорожном транспорте постоянного тока вместо регулировочных и пусковыхреостатов, так как их КПД очень высок. Дальнейшеесовершенствование полупроводниковых вентилей, а также оптимальное сочетаниединамических параметров вентилей с электрическими режимами преобразователя приего проектировании, использование эффективных методов исследованияпреобразователей будут способствовать разработке преобразовательных устройств свысокими технико-экономическими показателями.
В настоящее время в силовой электроникезначительное распространение получили статические полупроводниковыепреобразователи. В целом их можно разделить на однофазные и трёхфазныеустройства. Трёхфазные системы делятся на трёхфазные мостовые полупроводниковыепреобразователи, работающие в выпрямительном и инверторном режимах ишестифазные выпрямители с уравнительным реактором.
Однофазнаядвухполупериодная схема с выводом нулевой точки. Простейший двухполупериодныйпреобразователь состоит из однофазного двухобмоточного трансформатора с нулевойточкой и двух вентилей. Нагрузка включается между нулевой точкой, разделяющейвентильную обмотку трансформатора на две части, и катодами вентилей. В схемеимеет место двухфазное выпрямление (m=2). Схема применяется, как правило, при сравнительно небольших мощностяхпреобразователя (до 100 кВт) или в специальных случаях при мощности до 3000кВт. Ее особенностью является то, что токи в частях вентильных обмоток имеютодинаковое направление, содержат постоянную и переменную составляющие.
Трехфазнаянулевая схема. Преобразователь, выполненный по этой схеме, состоит изтрехфазного двухобмоточного трансформатора и трех вентилей. Посколькувыпрямленные напряжения и токи имеют три пульсации за период, то фазностьвыпрямления равна трем (т=3). Особенностью схемы является наличие в магнитопроводетрансформатора потока вынужденного намагничивания из-за нескомпенсированныхмагнитодвижущих сил сетевой и вентильной обмотки фазы. Трехфазную нулевую схемус вентильными обмотками, соединенной в звезду с нулевой точкой, применяюткрайне редко и как исключение.
Шестифазнаянулевая схема. Преобразователь состоит из трехфазного трансформатора,вентильная обмотка которого разделена на две части, и двух трехфазныхвентильных групп. Вентили V1, V3, V5 первой группы присоединены к фазам прямой звезды, авентили V2, V4, V6 — к соответствующим фазам обратной звезды. Нулевые точки звезд 01и 02 связаны между собой через однофазный уравнительный реактор сферромагнитным магнитопроводом. Благодаря уравнительному реактору выравниваютсямгновенные значения анодных напряжений следующих друг за другом фаз нечетной ичетной групп вентилей. Этим обеспечивается параллельная работа трехфазныхгрупп, в результате чего в любой момент времени ток проходит одновременно черездве вентильные обмотки. Выпрямленное напряжение имеет за один периодшестифазную пульсацию (m=6). Вследствие хорошего использования вентилей и отсутствия втрансформаторе потока вынужденного намагничивания схему две обратные звезды суравнительным реактором применяют в преобразователях с относительно низкимвыпрямленным напряжением и большим током.
Однофазнаямостовая схема. Однофазный преобразователь по мостовой схеме состоит изоднофазного трансформатора и четырех вентилей. В этой схеме по обеим обмоткамтрансформатора протекает переменный ток, что исключает возможность появленияоднонаправленного потока. Для уменьшения потоков рассеяния в преобразователях странсформаторами стержневого типа обе обмотки располагаются симметрично пообоим стержням магнитной системы либо используется трансформатор броневоготипа. Выпрямленное напряжение имеет двухфазную пульсацию (m=2).
Трехфазнаямостовая схема. Преобразователь по трехфазной мостовой схеме (схема Ларионова)состоит из трехфазного трансформатора и шести плеч вентилей. В этой схемесетевые обмотки и вентильные обмотки трансформатора соединяют в звезду илитреугольник. Магнитная система трансформатора уравновешена, так какмагнитодвижущие силы обмоток скомпенсированы. Выпрямленное напряжение имеетшестикратную пульсацию, и фазность преобразования равна шести (т = 6).Преобразователь имеет ряд преимуществ: мощности сетевых и вентильных обмотокравны, благодаря чему обеспечивается хорошее использование трансформатора; припробое вентиля обратного тока нет; обратное напряжение мало, так как оно распределяетсямежду двумя последовательно включенными вентилями; в магнитопроводетрансформатора нет потоков вынужденного намагничивания. Преобразователь помостовой схеме применяется весьма широко.
В таблице 1.1 [1] приведенысравнительные характеристики выпрямителей различных типов для нагрузкиактивно-индуктивного типа.
Где: q0 — коэффициентпульсаций, Ia — среднеезначение тока вентиля, Id — среднеезначение выходного тока выпрямителя, Uобр — амплитудаобратного напряжения на вентилях, Ud — среднеезначение выходного напряжения выпрямителя, ST- расчётнаямощность трансформатора, Pd — значение мощностина нагрузке.
Таблица 1.1.
Основные показатели выпрямителей.Тип выпрямителя
Пульсность m Минимальное число вентилей
/>
/>
/>
/> Однофазный нулевой 2 2 0,67 0,50 3,14 1,34 Однофазный мостовой 2 4 0,67 0,50 1,57 1,11 Трёхфазный нулевой 3 3 0,25 0,33 2,09 1,34 Трёхфазный мостовой (схема Ларионова) 6 6 0,06 0,33 1,05 1,05 Двойной трёхфазный с уравнительным реактором 6 6 0,06 0,17 2,09 1,26
В настоящемкурсовом проекте рассчитывается преобразователь, построенный на основе мостовойсхемы Ларионова.
2. Расчёт токови напряжений. Выбор тиристоров и охладителей
Основными элементами преобразователяявляются трансформатор и группа тиристоров. При расчёте из всех параметровтрансформатора будем учитывать только индуктивности его обмоток, обусловленныеналичием потоков рассеяния; принимаем, что ток холостого хода трансформатораравен нулю.
2.1. Выборминимального значения угла управления
amin=100.
2.2. Номинальное и максимальное значениеугла управления
/> (2.1,2.2)
где К1, К2 — коэффициенты;
anomrad — номинальноезначение угла управления;
amaxrad — максимальноезначение угла управления;
/> /> (2.3,2.4)
где Upitlin=380 в — напряжение питания линейное;
DUpitlin=10 % — пределыизменения линейного напряжения питания.
Получено К1=0.9; К2=1.1; anom=27.585; amax=36.317.
2.3. Выбрано относительное напряжение Ud0=0,65.
2.4. Выпрямленный ток в относительныхединицах
/> (2.5)
2.5. Электродвижущаясила (ЭДС) выпрямителя
/>, (2.6)
где Udnom=Ud+DUa
Принято DUa=6 В.
Получено Ed=301,538 В.
2.6. Амплитудное значение фазной ЭДС навторичной стороне трансформатора:
/> (2.7)
Получено E2mf=182,31 В.
2.7 Индуктивное сопротивление
/> Ом (2.8)
где Id=100 А — ток внагрузке;
Получено Xg=0,746 Ом
2.8. Угол коммутации
/> (2.9)
Получено gном=37,979°.
2.9. Наибольший выпрямленный токкороткого замыкания (КЗ)
/> (2.10)
Получено Idkz=244,3 А.
2.10. Действующее значение первойгармоники тока вторичной обмотки трансформатора
/> , (2.11)
где />, (2.12)
где /> (2.13)
/> (2.14)
Получено I2f1=76,62 A.
2.11. Действующее значение токоввторичных обмоток трансформатора, соединённых по схеме «звезда»
/> (2.15)
Получено I2f=77,223 А.
2.12. Коэффициент трансформациитрансформатора
/> (2.16)
Получено Ktr=1,702.
2.13. Действующее значение токовпервичных обмоток трансформатора, соединённых по схеме «звезда»
/> (2.17)
Получено I1f=45,375 А.
2.14. Полная мощность трансформатора
/> (2.18)
Получено S=29,864 кВт.
2.15. Угол сдвига первой гармоникивходного тока относительно фазной ЭДС:
/> (2.19)
Получено f=48,588°.
2.16. Активнаямощность на входе выпрямителя
/> (2.20)
Получено Р=19,6 кВт.
2.17. Коэффициент мощности выпрямителя
/> (2.21)
Получено К=0,656.
2.18. Среднее значениеанодного тока
/> (2.22)
Получено Iasr=33,33 А.
2.19. Максимальное значение анодноготока Iam=Id=100 A.
2.20. Действующее значение анодного тока
/> (2.23)
Получено Ia=94,578 А.
2.21. Скорость спада анодного тока вмомент выключения вентиля
/> (2.24)
dIadQ=94,578 А/мкс
2.22. Анодное напряжение в моментвключения вентиля
/> (2.25)
Получено Uaon=146,221 В.
2.23. Анодное напряжение в моментвыключения вентиля
/> (2.26)
Получено Uaoff=287,485 В.
2.24. Максимальное значение обратногоанодного напряжения
/> (2.27)
Получено Uarm=-315,77 В.
2.25. Все расчеты проведены для значенийUd0 от 0,45 до 0,8с шагом 0,05. Результаты занесены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Параметры преобразователя при различныхзначениях Ud0Ud0 Параметры преобразователя Id0 Ed B E2mf B Xg мОм gnom рад gnom град Idkz кA I21 A I2f1 A I2f A Ktr 0,45 0,756 435,6 263,3 1990 1,076 61,6 0,132 0,563 74,55 74,33 1,18 0,50 0,669 392 237,0 1576 0,975 55,9 0,149 0,503 75,13 75,05 1,31 0,55 0,583 356,3 215,5 1255 0,874 50,1 0,171 0,441 75,67 75,76 1,44 0,60 0,496 326,7 197,5 979 0,77 44,14 0,202 0,378 76,16 76,48 1,57 0,65 0,409 301,5 182,3 746 0,663 38,0 0,244 0,314 76,61 77,22 1,7 0,70 0,323 280 169,3 549 0,55 31,5 0,309 0,249 77,03 78,0 1,83 0,75 0,236 261,3 158,0 373 0,429 24,6 0,423 0,183 77,39 78,82 1,96 0,80 0,15 245 148,1 221 0,295 16,9 0,668 0,116 77,69 79,71 2,1 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Продолжение таблицы 2.1Ud0 B Параметры преобразователя I1f A S кBт f рад f град Р кВт К Iа A Uaon B Uaof B Uarm B 0,45 63,1 41,5 1,081 61,93 19,6 0,472 91,04 211,21 456,1 -456,1 0,50 57,32 37,73 1,025 58,74 0,519 91,9 190,09 407,8 -410,5 0,55 52,61 34,63 0,968 55,48 0,566 92,78 172,81 364,6 -373,18 0,60 48,68 32,04 0,909 55,11 0,612 93,67 158,41 324,8 -342,8 0,65 45,38 29,86 0,848 48,59 0,656 94,58 146,22 287,5 -315,8 0,70 42,56 28,01 0,783 44,88 0,7 95,52 135,78 251,6 -293,2 0,75 40,14 26,42 0,714 40,92 0,742 96,53 126,73 216,1 -273,7 0,80 38,1 25,05 0,639 36,6 0,783 97,63 118,8 179,7 -256,6 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Выбрано относительное напряжение Ud0=0,65 какоптимальное.
2.26. В качестве силовыхполупроводниковых приборов выбираем унифицированные низкочастотные тиристорытипа ТБ –113-200 [3]. Которые применяют в цепях постоянного и переменного токовпреобразователей энергии. А также в различных силовых электроустановках.Тиристоры обладают параметрами, представленными в таблице 2.2.
Таблица 2.2.
Сравнение полученных параметров спараметрами тиристора ТБ-113-200Параметр Максимальное значение анодного тока, А Действующее значение анодного тока, А Скорость спада анодного тока в момент выключения тиристора, А/мкс Максимальное значение обратного напряжения, В Рассчитанные значения 100 94,578 -315,77 315,77 Справочные значения 500 300-400 -500 600-1200
Ввиду отсутствия стандартных охладителей при монтажетиристоров будут учитываться конструктивные особенности устройства в целом.Надёжный электрический и тепловой контакты обеспечиваются за счёт приложенияосевого усилия сжатия 10000±1000Н. При этом охладитель и система прижима должны обеспечивать равномерноедавление по всей площади контактных поверхностей тиристоров. Для улучшения контактногосоединения тиристоров с охлаждающим элементом используется смазка типа КПТ-8 поГОСТ 19783-74.
3.Расчёт семейства внешних характеристик.
3.1 Внешниехарактеристики режима 2-3
Зависимость Ud=f(Id) для режима 2-3прямые линии, которые строятся по двум точкам. Для первой точки каждойхарактеристики принято Id=0. Напряжение
Ud01 =Ed*cos(a) (3.1)
Расчет проведен для ряда значений a. Результаты занесены в табл. 3.1.
Таблица 3.1.
Внешниехарактеристики режима 2-3 Напряжение Значения a, град 15 27,6 45 60 70 80
Ud01 301,54 291,26 267,2 213,22 150,77 103,13 52,36
Ud02 266,73 256,46 232,42 178,41 115,96 68,33 17,55
Для второй точки каждой характеристикипринято
Id=Ikz*0,2=48,86 (3.2)
/> (3.3)
3.2 Внешниехарактеристики режима 3.
Для a=0 граничной между режимами 2-3 и 3 является точкаА, для которой
Для a=30°границей для режимов 3 и 3-4 является точка В, для которой
Промежуточныеточки участка А-В внешней характеристики соответствующей режиму
/>
Угол a для режима 3 является вынужденным и изменяется от 0до 30°, уголкоммутации g остаетсяпостоянным и равным 60°. Граница междурежимами 2-3 и 3-4 для токов Id>IdgrB описывается темже уравнением, что и участок А-В. Максимальное значение тока при Ud=0
/>
Результаты расчета сведены в табл.3.2
Таблица 3.2.
Внешняяхарактеристика режима 3 и граница между режимами 2-3 и 3-4.
Значения Id, А 50 75 100 125 150 160 175 180 200 211,6
Ud,B 268,5 246,8 227,6 216,1 182,9 175,5 148,7 132,3 91,2
3.3 Внешняяхарактеристика режима 3-4
Внешняя характеристика для a=30° строится по двум точкам: точке В и точке на оси Id=244,1 A.
Внешняя характеристика для a=45° также строится по двум точкам:
Для первой точки ток/>
(3.10) />
Напряжение находится по уравнению длярежима 3. Ud=56,5.
Вторая точка находится на оси Id
Внешние характеристики показаны нарис. 3.1./> />
Семейство внешних характеристик трехфазного мостовоговыпрямителя в диапазоне от холостого хода до короткого замыкания.
А(106,226), В(183,130), С(100,190)
Рис 3.1
4. Расчет высшихгармонических кривой выпрямленного напряжения
4.1 Действующее значение n-ой гармоникивыпрямленного напряжения.
/> (4.1)
где: /> /> (4.2,4.3)
n=6k, k=1,2,3,4,5,6
Результаты расчета занесены в таблицу4.1.
Таблица 4.1.
Действующие значения n-ых гармониквыпрямленного напряжения Гармоники 6 12 18 24 30 36 42 Udn 4,402 21,62 13,04 2,804 9,618 4,63 3,642
4.2 Действующее значение первойгармоники анодного напряжения при f(1)=fc=50Гц:
/> (4.4)
Получено: Ua1=93,978.
4.3 Действующее значение высшихгармоник анодного напряжения с порядковыми номерами n=6k±1, k=0...9:
/> (4.5)
где: /> /> (4.6,4.7)
Результаты расчета занесены в таблицу4.2.
Таблица 4.2.
Действующие значения высших гармониканодного напряжения с номерами 6k±1 Гармоники 5 7 9 11 13 17 19
Udn 42,86 10,634 16,19 9,241 3,721 7,715 5,767
4.4 Действующее значение высшихгармоник анодного напряжения с порядковыми номерами n=3k, k=0...4:
/>
где:
/> /> (4.8,4.9)
Результаты расчета занесены в таблицу4.3
Таблица 4.3
Действующие значения высших гармониканодного напряжения с номерами 3k Гармоники 3 6 9 12 15 18 Udn 42,86 10,63 16,219 9,24 3,72 7,715
5. Расчетсглаживающего фильтра. Выбор конденсаторов. Расчет сглаживающего дросселя
В качестве сглаживающего фильтра выбранасхема Г — образного звена с дросселем и конденсатором. Расчет проведен дляшестой гармоники.
5.1Индуктивность фильтра
/> (5.1)
где f=50 Гц — частотапитающего напряжения;
Получено: L =33,04 мкГн.
5.2. Коэффициентфильтрации:
/> (5.2)
Получено Kf=8,191.
5.3 Ёмкость фильтрующего конденсатора:
/> (5.3)
Получено C=0,061 Ф.
Выбор индуктивности и емкости фильтра.
Примем емкость 1 мФ, тогда индуктивностьфильтра
/>Гн (5.4)
5.4 Амплитуда основной гармоники тока
/> (5.5)
5.5Выбор типа конденсатора
Выбираем [5] конденсатор типа К50 – 17–400 В –1000 мкФ с диапазоном рабочих температур –400С до +700С:оксидный алюминиевый с фольгированными обкладками. Эти конденсаторыпредназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока. Наибольшаядопустимая амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения Uд m = 20 В для Cном = 1000 мкФ, Uном = 400 В, fC = 50 Гц. Приувеличении частоты уменьшается Uд m.
5.6 Расчётсглаживающего дросселя
Принято допущение, что магнитноесопротивление зазора во много раз больше магнитного сопротивлениямагнитопровода. Следовательно, индуктивность дросселя будет зависеть только отмагнитной проводимости зазора.
5.6.1 Выбираем для дросселя водяноеохлаждение, так как Id=100А.
5.6.2 В качестве материала сердечникадросселя выбрана насыщенная горячекатаная сталь (m`=600). Заданы начальные условия: k1=4, k2=10, плотностьтока jd=10*106A/м2, km=0.25, числовитков w=60, удельноесопротивление провода обмотки r40=1.9*10-8Îì*ì. При расчёте использован метод последовательныхприближений.
5.6.3 Длина немагнитного зазора:
/> (5.6)
Получено: lz=4,37 мм.
5.6.4 Площадь поперечного сечениязазора:
/> (5.7)
Получено: Sz=2872 мм2.
5.6.5 Геометрические размерымагнитопровода дросселя:
/> /> /> /> /> /> (5.8,5.9)
Получено a=19 мм; b=75 мм; c=38 мм; q=10 мм2.
5.6.6 Средняя длина витка обмотки:
/> (5.10)
Получено: lcp= 134 мм.
5.6.7 Активное сопротивление обмотки:
/> (5.11)
Получено: R=8,92 мОм.
5.6.8 Падение постоянной составляющейнапряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя:
Uad=2*Id*R (5.12)
Получено: Uad=1,783 В.
5.6.9 Потери в меди дросселя
Pdr=Id2*R (5.13)
Получено: Pdr=0,4 кВт.
5.7 Тепловойрасчёт сглаживающего дросселя
5.7.1 Расход охлаждающей воды
/> (5.14)
где Т1=20 оС — температураводы на входе в обмотку;
Т2=50 оС — температура водына выходе из обмотки;
Получено: Q=3,2*10-6м3/0с.
5.7.2 Необходимая площадь сеченияохлаждающей трубки:
/> (5.15)
где V=2 м/с — скорость подаваемой в трубку воды.
Получили S=0,016 см2.
Выбрана прямоугольная трубка сечением0.25х0.25 см2.
5.7.3 Проверка на турбулентностьсогласно критерию Рейнднольца:
/> (5.16)
где m`=0.661*10-6 м2/с — кинематическая вязкость воды;
D0 — гидравлическийэквивалент диаметра
/> (5.17)
Получено: D0=5,33 мм, Rl=1,616*104 >2300;
5.7.4. Перепаддавления по длине трубки
/> /> (5.17,5.18)
где К=3 – коэффициент шероховатости;
Получено: l1=0.073.
/> (5.19)
С учетом уменьшения сечения трубы вместах стыков, пайки и.т.д. Dp увеличено в 1,5 раза.
Получено: Dp=1695 кН/м2
6. Электромагнитныйрасчет трансформатора
Трансформаторы для преобразовательных установок, какправило, работают в длительных режимах. В связи с этим для них необходимотщательно выбирать конструктивные и технологические решения для созданиямагнитопроводов с минимальными потерями. В большинстве случаев трехфазныемагнитопроводы трансформаторов выполняют стержневой конструкции, несимметричными,плоско шихтованными. Для питания аппаратуры от сети 50 Гц широко применяютсятрансформаторы броневого и стержневого типа. По технико-экономическимпоказателям предпочтительны трансформаторы стержневого типа, выполненные настандартных магнитопроводах оптимальной формы. Броневая конструкция практическиравноценна стержневой по массе, но уступает по объему и стоимости. При расчётетрансформатора используется методика из [6].
6.1 Действующее значение линейноготока вентильной обмотки:
/> (6.1)
где Id= 100 А – ток нагрузки.
6.2 Действующие значения фазныхнапряжений холостого хода вентильной и сетевой обмоток U2ф и U1ф соответственно:
/> (6.2)
/> (6.3)
где Ed = 301,538 B — выпрямленноенапряжение холостого хода выпрямителя; Uпит.лин. = 380 В — напряжение питания.
6.3Коэффициент трансформации:
/> (6.4).
6.4 Действующеезначение линейного тока сетевой обмотки:
/> (6.5).
6.5 В большинстве случаев трехфазныемагнитопроводы трансформаторов выполняют стержневой конструкции,несимметричными, плоскошихтованными. Выбираем диаметр стержня магнитопроводатрансформатора с воздушным охлаждением для SТ = 30 кВ×А [6, таб.3.2], Dс = 125 мм. Для Dс = 120 мм,согласно [6, таб.2.1], сечение стержня П1=112,3 cм2,сечение ярма П2 = 115,3 см2, коэффициент использованияплощади круга kи = 0,914.
6.6 Активноесечение стержня магнитопровода:
/> м2 (6.7)
где КЗ = 0,96 – коэффициентзаполнения сечения сталью при жаростойком электроизоляционном покрытии столщиной листов, равной 0,3 мм.
6.7 Число витковвторичной (вентильной) обмотки трансформатора:
/>витков (6.8)
где В = 1,2 Тл – электромагнитнаяиндукция в трансформаторе с естественным воздушным охлаждением с классомнагревостойкости изоляции В; fC = 50 Гц –частота питающей сети; qС = 0,01 м2 — активное сечение стержня магнитопровода.
6.8 Число витковпервичной обмотки:
w1 = n × w2 = 1,7 × 48 = 81,72 » 82 витка (6.9)
6.10 Сечениепровода первичной обмотки:
/>мм2 (6.10)
где j =2 А/мм2– плотность тока в обмотках с классом нагревостойкости изоляции В для медногопровода.
6.11 Сечениепровода вторичной обмотки:
/>мм2 (6.11)
7.Выбор устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений
Для обеспечения надежной работы преобразователя необходимоиспользовать быстродействующие системы защиты. Защита может быть построена набазе коммутационных аппаратов и плавких предохранителей, а также выравнивающих RCD – цепочек.
7.1Выбор автоматического выключателя
При возникновении аварийного тока на входе преобразователяможно использовать токоограничивающие выключатели переменного тока. Врассчитываемом преобразователе на стороне сетевой обмотки применяемавтоматический выключатель переменного тока серии А3712Б, характеристикикоторого, согласно [7] приведены в таблице 6.1.
Таблица 7.1
Справочные данные автоматического выключателя переменноготока серии А3722Б. Значение Частота сети, Гц 50 Номинальное напряжение выключателя, В 380 Номинальный ток выключателей, А 250 Номинальный ток электромагнитных расцепителей, А 250 Уставка по току срабатывания, А 1600 Механическая износостойкость выключателей, кол-во срабатываний 16000
Автоматический выключатель серии А3712Б применяется длязащиты электрических установок при коротких замыканиях, перегрузках и недопустимыхснижениях напряжения; род тока – переменный; тип выключателя – токоограничивающийтрехполюсный.
7.2 Выборплавких предохранителей
Защита на базе плавких предохранителейприменяется для предотвращения протекания токов КЗ через тиристоры. Выбираемпредохранитель ПП57-3417 для защиты тиристоров: номинальный ток плавкой вставкиIном=150 А при Uном=380 В; при этом номинальные потеримощности плавкой вставки Wном = 60 Вт.
Для защиты нагрузки выбираемпредохранитель ПП57-3737: номинальный ток плавкой вставки Iном=250 Апри Uном=380 В; при этом номинальные потери мощности плавкой вставкиWном = 120 Вт.
7.3 Расчетпараметров выравнивающих RCD— цепочек
Конденсаторы эффективно выравниваютнапряжения на тиристорах в переходных режимах, но вместе с тем увеличивают токв открытом состоянии на интервале отпирания. Эти токи можно ограничить демпфирующимирезисторами, включенными последовательно с конденсаторами, сопротивлениекоторых выбирается порядка нескольких десятков Ом. Для ограничения скоростинарастания напряжения в закрытом состоянии, при которой может самопроизвольновключиться тиристор, параллельно демпфирующим резисторам включаются диоды,которые должны иметь как можно меньшее время восстановления запирающих свойствв обратном направлении.
Сопротивление демпфирующего резисторапринимаем равным 20 Ом. Выбираем резистор: С1 — 8 — 1 — 20 — ±5%.
Емкость конденсаторов:
/>, (7.3)
где DQrr — наибольшаявозможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов,принимаем равной половине заряда восстановления применяемых тиристоров :
DQrr= />700 мкКл = 350 мкКл.
Параметры URSM, URM, DQrr, IRM взяты изсправочника [ 3 ] для тиристора типа ТБ113 — 200.
Принимаем: С=0,47 мкФ
Выбираем: К40У-9 – 400 В — 0,47 мкФ — ±20%.
Выбираем диод по напряжению и току:КД105 Б.
8. Описаниеработы схемы управления
Для коммутации тиристоров впреобразователе используется система управления, которая может бытьодноканальной (в которой все тиристоры управляются одноканальным сигналом сосдвигом на 60 градусов), так и многоканальной — с раздельно управляемымитиристорами. Рассматривается работа вертикальной синхронной системы управлениясо стабилизацией напряжения (рис.8.1, рис. 8.2).
Напряжение с нагрузки Udчерез датчик Дпоступает на элемент сравнения. Также на вход элемента сравнения подаётсянапряжение Uз с задатчикаинтенсивности ЗИ. Разница напряжений (Uз-Uос) поступает наусилитель У и усиленное напряжение управления Uу идёт накомпаратор К. На другой вход компаратора подаётся опорное напряжение Uоп с генераторапилообразного напряжения ГПН, управляемого устройством синхронизации УС,подключенного к линиям сетевого напряжения Uс. Пока опорноенапряжение больше напряжения управления на выходе компаратора присутствуетотрицательное выходное напряжение Uвых-. По достижениюравенства входных напряжений компаратора он опрокидывается и на формирователеимпульсов Ф оказывается положительное напряжение Uвых+.
Этот перепад вызывает появлениекороткого управляющего импульса напряжения на выходе формирователя импульсов Ф,в дальнейшем усиливаемого усилителем импульсов УИ и подаваемого на системураспределения управляющих импульсов для тиристоров. В случае повышениявыходного напряжения Ud управляющеенапряжение Uу становитсяменьше, что вызывает увеличение угла управления aном на величину Da. Следовательно, произойдёт более позднее открываниетиристоров и снижение напряжения на нагрузке до номинального. Если возникаетнеобходимость изменения выходного напряжения, это можно сделать путём изменениянапряжения задатчика интенсивности Uз.
Временные диаграммы схемы управления.
/>/>
Рис.8.1