Введение
В настоящее время в сетях передачи тока используетсяпеременный ток частотой 50 Гц. Многие потребители электрической энергии, нуждающиеся в другомвиде тока, на собственных электроустановках производят преобразованиеполучаемого от энергетических систем тока в необходимый им вид.
Сейчас около 30% всей вырабатываемой в Российской Федерацииэлектроэнергии преобразуется из энергии трёхфазного переменного токапреимущественно в энергию постоянного тока. Для этой цели применяютсяэлектрические преобразователи, основными элементами которых являютсяуправляемые и неуправляемые электронные приборы.
Полупроводниковые приборы имеют ряд преимуществ как перед электровакуумными,так и перед и газоразрядными вентилями. Они компактны, имеет во много разменьшие габариты и массу при равных токах. Падение напряжения в этих приборахмало зависит от тока, что обусловливает высокий к.п.д. преобразователей ивозможность применения воздушного охлаждения в широком диапазоне токоввентилей.
В настоящее время на электроподвижном составе существуют дваосновных способа регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям: засчет изменения момента открытия вентилей выпрямителя (электровозы ВЛ80 р,ВЛ85), а так же посредствам изменения подаваемого со вторичной обмоткитрансформатора переменного напряжения (ВЛ80с, ВЛ80т).
Целью курсовой работы является расчет управляемогопреобразователя, предназначенного для плавного регулирования напряжения натяговом двигателе.
Данныйкурсовой проект содержит общие сведения для расчета преобразовательныхустройств и анализа происходящих в них электромагнитных процессов. Все этопослужит базой для проектирования выпрямительно-инверторных преобразователейэлектроподвижного состава.
1. Расчетисходных данных для проектирования трансформатора
1.1Определяем углы коммутации g1и g2:
Для расчета принимаем
/>
/>рад
Угол сетевойкоммутации g2 определим по формулам:
/>,
где Id – ток нагрузки, Id= 1150 А;
Idн – номинальный токнагрузки, Idн = 1150А;
uк – относительное значениенапряжения короткого замыкания, uк = 0,13
g2 = arccos (cos g2) рад
Отсюда:
/>
Подставляя,числовые значения в формулу получаем:
g2 = arccos (0,909) = 0,429 рад
Угол фазнойкоммутации g1 определим из выражения:
/>
Получим:
/> рад
Определяемамплитудное значение Е2т и действующее значение Е2 ЭДСвторичной обмотки трансформатора
Условиеполучения заданного выпрямленного напряжения при номинальном режиме Udн:
/>
Принимаем: a=aр, при Id = Idн
Величина Е2топределяется из условия по формуле:
/>,
где Udн – номинальноевыпрямленное напряжение, Udн = 1050В:
/>
Находимдействующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора по формуле:
/>
/>
Определяемкоэффициент трансформации трансформатора КТ
/>,
где Е1– ЭДС первичной обмотки трансформатора, В
Принимаем,что ЭДС первичной обмотки Е1 равна напряжению питания U:
Е1= U1 = 25000 В
Подставим вформулу получим:
/>
Определяем токипервичной и вторичной обмоток трансформатора в номинальном режиме
Токи обмотокрассчитываются для значения угла регулирования
/>
Найдем ток:
/>
Действующеезначение тока первичной обмотки рассчитывается по формуле:
/>
Найдем ток:
/>
Определяемтиповую мощность трансформатора в номинальном режиме.
/>
Подставляячисловые значения в формулу получаем:
/>В×А
2. Расчет и построение кривых тока протекающихчерез вентили во время коммутации
2.1Определяем токи во время сетевой коммутацииТоки протекающие, через вентили VD1 и VD2 во время сетевойкоммутации g2 определяются по формулам:
Подставляячисловые значения в формулы, приведенные ниже формулы, получаем значения синтервалом времени Dt1, представленные в таблице 1
/>
/>
/>
Результаты расчётов заносим в таблицу 1
Таблица 1 Токиво время коммутацииt 0,0429 0,0858 0,1287 0,1716 0,2145 0,2574 0,3003 0,3432 0,3861 0,429
ivd1 11,50 45,91 103,4 183,65 286,61 412,09 589,83 729,47 920,88 1150
ivd2 1150 1138,5 1104,09 1046,6 966,35 863,39 737,91 590,17 420,53 229,12
/>
Рисунок 1.Диаграмма сетевой коммутации
2.2Определяем токи фазной коммутации
Рассчитаемнесколько значений ivs1 и ivs2 с интервалом времени Dt2:
/>
/>
/>
Результатырасчётов по формулам заносим в таблицу 2
Таблица 2 Токиво время фазной коммутацииT 0,0137 0,0274 0,0411 0,0548 0,0685 0,0822 0,0959 0,1096 0,1233 0,137
Ivs1 1150 1048,42 939,33 828,5 715,9 601,6 485,5 367,61 248,1 126,78
Ivs2 101,58 210,67 321,5 434,1 548,4 664,5 782,9 901,9 1023,22 1150
/>
Рисунок 2 Диаграммафазной коммутации
3. Расчет и построение характеристик выпрямителя
3.1 Расчетвнешней характеристики выпрямителя
Внешнейхарактеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения Ud от тока нагрузки Id при постоянном углерегулирования a
Расчетпроизводим для трех значений угла a.
Расчётыпроизводим по формуле:
/>
Это выражениепредставляет собой уравнение прямой линии, поэтому для построения каждойвнешней характеристики достаточно две точки
a= g2 при Id = 0
/>
1 a = g2 при Id = Idн
/>
a= aр при Id = 0
/>
a= aр при Id = Idн
/>
3.1.3 a = 1,4×aр при Id = 0
/>
a= 1,4×aр при Id = Idн
/>
/>
Рисунок 3. Диаграммавнешней характеристики выпрямителя
3.2 Расчётрегулировочной характеристики выпрямителя
Расчётпроизводится по формуле /> длязаданных значений угла регулирования aр при Id = 0 и Id = Idн
Результатырасчётов заносим в таблицу 3
Таблица 3 – Значениярегулировочных характеристик выпрямителяa, рад 0,429 0,524 1,047 1,57 2,093 2,617
Ud при Id = 0 1207 1180 949 633,10 313,7 85,06
Ud при Id = Idн 1133 1122 890,8 574,96 255,6 26,93
/>
Рисунок 4. Регулировочнаяхарактеристика
4. Выбор вентилей выпрямительной установки
Определяемчисло параллельно включенных ветвей вентилей
При включениив плече выпрямителя nпар параллельных ветвей максимальный удельный ток короткогозамыкания, проходящий через один вентиль рассчитывается по формуле:
/>
Выразив получим:
/>,
где Iудпасп – ударныйнеповторяющийся ток в открытом состоянии, А
КН– коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по ветвям, КН= 0,9;
IКУД – ударный ток в моментвозникновения короткого замыкания, А.
Ударным токомназывается амплитудное значение тока в диодах, которое достигается в момент wt = p (t = 0,01 сек.) ирассчитывается по формуле:
/>
где z – общее сопротивлениеконтура короткого замыкания, Ом;
j– угол сдвига между током короткого замыкания и напряжением вторичной обмоткитрансформатора;
t– постоянная составляющая контура короткого замыкания, t = 0,01 с
Общеесопротивление z находимпо формуле:
/>,
где RT – активное сопротивление,Ом;
XT – индуктивноесопротивление, Ом
Активноесопротивление RT находим по заданной величине мощности потерь короткогозамыкания PКЗ, которое определяется как 6–7% от типовой мощноститрансформатора.
PКЗ = 0,06×S1, В×А
PКЗ = 0,06×1350000=81000В×А
/>,
/>
Индуктивноесопротивление XT находим относительно напряжения короткого замыкания
/>,
где U2 – напряжение вторичнойобмотки трансформатора, U2 = E2 =1283,06 В;
SТР – типовая мощностьтрансформатора, SТР = S1 = 1350000 В×А
/>
Получаем:
/>Ом
Постояннуюсоставляющую контура короткого замыкания t найдем по формуле:
/>,
где LТ – индуктивностьвторичной обмотки трансформатора, Гн;
/>,
где w — угловая частотапитающего напряжения,
w = 2×p×F = 2×3,14×50 = 314 1/c
/>
/>
Угол сдвигафаз jопределяем по формуле:
/>
/> рад
Подставивчисленные значения в формулу (4.1.3), получаем:
/>
Для вентиля ударныйнеповторяющийся ток в открытом состоянии [1, прил. 1, прил. 2] равен: Iуд пасп =9000 А.
Подставляячисленные значения в формулу/>,получаем:
/>
Аналогичныйрасчет проводим для тиристора.
Принимаемчисло параллельных ветвей:
Для вентилей />
Длятиристоров />
4.1 Проверкаусловий работы диодного и тиристорного плеча моста в длительном режиме
/>,
где Kпер = 1,6;
KH – коэффициент,учитывающий неравномерное распределение тока между параллельными ветвями, связанноес разбросом характеристик вентилей, KH = 0,9;
IП – предельный токвентиля, А
Паспортныйпредельный ток вентиля определяется при температуре охлаждающего воздуха Т = 20° С. Поэтому заданныйтип вентиля необходимо проверить на соответствие фактическому среднемудопустимому прямому току.
Предельныйсредний прямой ток вентилей при заданных температурных условиях работывыпрямителя рассчитывается по формуле:
/>
где Uто – пороговое напряжениевентиля в открытом состоянии, В;
КФ– коэффициент формы тока, зависящий от схемы выпрямителя, для мостовой схемы КФ= 1,57;
rt — дифференциальное сопротивление в открытомсостоянии, Ом;
Tjm – максимально допустимаятемпература р-nперехода, °С;
Та– температура охлаждающего воздуха, принимаем Та = 60° С;
Rt – сопротивление стокутепла от р-nперехода в охлаждающую среду, С / Вт
Принимаем:
для не лавинныхвентилей Тjm = 125° С;
для вентиля В500для тиристора Т320
Uто = 1,1 В Uто = 1,05 В
rt= 0,62 × 10-3 Ом rt= 0,55 × 10-3 Ом
Rt = 0,1 С / Вт Rt = 0,22 С / Вт
Подставляячисленные значения в приведенную выше, определим предельный ток и числопараллельных ветвей:
для вентилей
/>
/>
окончательнопринимаем для вентилей />;
длятиристоров
/>
/>
окончательнопринимаем для тиристоров />
Определимколичество вентилей последовательно включенных в тиристорном и диодном плечемоста
Количество вентилей последовательно включенных в тиристорноми диодном плече моста определим по формуле:
/>,
где Uв макс – максимальное обратноенапряжение, воздействующее на вентильное плечо с учетом бросков и колебанийнапряжения в сети, В;
К — коэффициентнеравномерности распределения напряжения по вентилям, К = 0,8;
Uп – паспортное значениедопустимого обратного напряжения, В
Принимаем 10-ыйкласс для вентиля и для тиристора:
Uп = 1000 В-для вентиля,
Uп = 1000 В-для тиристора
Величина Uв макс определяется с учётомкоммутационных перенапряжений по формуле:
/>,
где Кк– коэффициент, учитывающий коммутационные перенапряжения,
Кк=1,2;
Кс– коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в контактной сети, Кс= 1,16
Получим:
/>
/>
И длявентилей и для тиристоров принимаем />
Расчетпараметров защитных элементов выпрямительной установки.
Сопротивлениешунтирующих резисторов последовательно соединённых вентилей определяем поформуле:
/>,
где m – количествопоследовательно включенных вентилей, m = 5;
Iо – максимальный обратныйимпульсный ток вентиля, А
Io = 0,03 А – для вентиля;
Io = 0,03 А – для тиристора
Дляисключения возможности попадания бросков перенапряжения на закрытые вентилидополнительно, параллельно шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующиецепочки СШ RД.
Значениеемкости СШ определим по формуле:
/>,
где к = 0,9 –коэффициент неравномерного распределения напряжения
Найдем значениязащитных элементов для вентиля и тиртистора:
/>Ом
/>
Диодное плечовыпрямительной установки с защитными элементами показано на рисунке 5
Тиристорноеплечо выпрямительной установки с защитными элементами показано на рисунке 6.
/>
Рисунок 5. Диодное плечо моста выпрямителя с защитнымиэлементами
/>
Рисунок 6. Тиристорное плечо моста выпрямителя с защитнымиэлементами
5. Расчёт индуктивности цепи выпрямленного тока
Определимамплитудное значение первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения
Расчетведется для значения a+g1, равного заданномузначению угла регулирования aр
/>
где а и b – коэффициенты ряда Фурье
/>
a1 = -670,7
/>
b1 = -76,01
Получаем:
/>
Рассчитаеминдуктивность цепи выпрямительного тока
Расчет ведемдля заданного значения Кп и Id = Idн
/>,
где f = 50 Гц – частотапитающего напряжения;
Кп= 0,25 – коэффициент пульсации тока
Получаем:
6. Силоваясхема и временные диаграммы
/>
7. Система управления выпрямителем
7.1 Построение структурной схемы управления ивременных диаграмм
Управляющие импульсы, подаваемые на тиристоры, вырабатываютсясистемой управления выпрямителем. Функциональная схема одного из вариантоввыполнения системы и временные диаграммы, иллюстрирующие её работу, приведенына рисунке 8.
Генератор пилообразного напряжения ГПН, формирует линейноизменяющееся напряжение, которое подается на один из входов компаратора К. Навторой вход поступает управляющее напряжение Uупр, косвенно задающеевеличину угла управления. В момент, когда линейно возрастающее напряжение UГПН сравнивается с Uупр, на выходе компараторапоявляется импульс напряжения uк, поступающий на вход формирователя Ф. Навыходе формирователя в каждый полупериод образуются импульсы UФ по переднему фронтукомпаратора. Величина угла a, при этом, определяется величиной напряжения Uупр. Этот импульс долженпроходить в один полупериод на тиристор VS1, а в другой – натиристор VS2. Для разделения импульсов формирователя UФ по полупериодам всистеме используются два однополупериодных выпрямителя ОПВ1 и ОПВ2, илогические элементы И. Высокий уровень напряжения на выходе элемента Ибудет тогда, когда на обоих его входах также будет напряжение высокого уровня.Из диаграмм на рисунке 8 следует, что импульс управляющего напряжения,например, Uу1 формируется только в первом полупериоде, когда на логическийэлемент И1 одновременно подаются напряжения UОПВ и UФ. Аналогично формируетсяуправляющий импульс Uу2 во втором полупериоде. Далее импульсы усиливаются выходнымиусилителями ВУ1 и ВУ2 и через импульсные трансформаторы ИТ1 и ИТ2 подаются науправляющие электроды тиристоров. Трансформаторы обеспечивают гальваническуюразвязку цепей управления и высоковольтных цепей. Число вторичных полуобмотоктрансформатора ИТ должно соответствовать количеству последовательно включённыхтиристоров в одном плече моста.
7.2 Расчёт параметров выходного усилителя
Ток одной вторичной обмотки трансформатора найдем по формуле:
/>,
где n – число параллельно включенных ветвей вентилей;
IУПРСТ – отпирающий постоянный ток управления, IУПРСТ = 0,4 А
/> А
Суммарный ток вторичных обмоток трансформатора определим поформуле:
/>,
где m – число последовательно включённых тиристоров
/> А
Ток транзистора усилителя выбираем по максимальномунапряжению между эмиттером и коллектором UКЭ макс и импульсному токуколлектора IКИ макс.
/>,
где КТ – коэффициент трансформации импульсноготрансформатора
Принимаем КТ = 4
/>А
По рекомендации [2] выбираем транзистор КТ815Г со следующимипараметрами:
Максимальное напряжение коллектор – эмиттер: UКЭ макс = 80 В;
Импульсный ток коллектора: IКИ макс = 3 А;
Коэффициент усиления: h21э =70;
Обратный ток коллектора: Iко = 0,06 мкА.
Во время разряда конденсатора ток IК определяет сопротивлениеR1 усилителя и определяетсяпо формуле:
/>,
Через этот же резистор осуществляется разрядка конденсатора.Максимальное значение зарядного тока определим как:
/>
Определим сопротивление резистора R1:
/>
где Еk – напряжение питания выходного усилителя, Ek = 60 В
/>
Определим полуволну разрядного тока:
/>,
/>
Определим емкость конденсатора:
/>,
где То – период собственных колебаний контура LC
/>
где tВКЛ – наибольшее время включения, tВКЛ = 25 мкс
/>
/>
Определим индуктивность первичной обмотки трансформатора:
/>,
где w0– собственная частотаколебательного контура, 1 / c
/>
Получаем:
/>
/>мкГн
Определим ток базы:
/>
Принимаем:
h21э =70;
Получаем:
/>
Согласно [1] отпирающее постоянное напряжение имеет величину5,5 В, поэтому для открытия транзистора сопротивление />определим:
/>,
где UКЭ нас – Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, UКЭ нас = 0,2 В
Получаем:
/>Ом
Входное запирающее напряжение определим по формуле:
/>,
где UЭБ З – отрицательный потенциал, В;
Согласно [1] UЭБ З = 0,2 В
Получаем:
/>
Заключение
Данный курсовой проект содержит общие сведения для расчетапреобразовательных устройств и анализа происходящих в них электромагнитныхпроцессов. Все это послужит базой для проектирования выпрямительно-инверторныхпреобразователей электроподвижного состава.
Общеизвестными недостатками полупроводниковых приборовявляются малая перегрузочная способность и высокая чувствительность кперенапряжениям. Однако из данного курсового проекта следует, что правильныйвыбор числа необходимых вентилей с учётом возможных перегрузок и перенапряженийпозволяет получить преобразователи, существенно превосходящие преобразователина электровакуумных и газоразрядных вентилях.