Министерство образования РоссийскойФедерации
Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования
Сибирский ГосударственныйИндустриальный Университет
Кафедра автоматизированногоэлектропривода и промышленной электроники
Курсовая работа
по преобразовательной технике
Проектирование силовых блоков полупроводниковогопреобразователя
Выполнил: студент гр. АЭП-022
Д.С. Мысков
Проверил:преподаватель
В.Т. Хромогин
Новокузнецк 2004
Введение
Преобразовательнаятехника является одним из наиболее эффективных направлений электротехники.Преобразовательные устройства служат для преобразования переменного напряжения(тока) в постоянное, постоянного напряжения (тока) в переменное, переменногонапряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты и т.д.
Впреобразовательных устройствах используются средства, осуществляющие фильтрациюи стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками преобразовательныхустройств являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности идругие энергетические характеристики.
Преимуществаполупроводниковых преобразователей оп сравнению с другими преобразователяминеоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками иэнергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надёжны вэксплуатации. Кроме преобразования и регулирования тока и напряжения такиеустановки обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.
Благодаряуказанным преимуществам полупроводниковые преобразовательные устройстваполучают широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.
Задание
Таблица 1. Исходные данные для проектирования преобразователяU, КВ Uс,% Uн, В Iн,A Kп
t/> ,c Kп t ,mc q,% Хар.нагр. Реж. раб. я. двиг. выпр., инв. 6 15 260 320 1,1 4 1,3 30 7 + +
Система защиты вентилей Способ воздушн. qc, C° токовая перенапряжен. охлаждения вну.кз кз=I ком.vs,vd ком.нгр. естественный 15 /> /> /> /> /> />
1) U-напряжение питающей сети.
2) Uc- колебания напряжения питающей сети.
3) Uн — номинальное значение выпрямленного напряжения нанагрузке.
4) Iн — номинальное значение выпрямленного тока в нагрузке.
5) Kп — кратность кратковременной технологической перегрузки.
6) t — длительность кратковременной технологической перегрузки.
7) Kп — кратность длительной технологической перегрузки.
8) t — продолжительность действия длительной технологическойперегрузки.
9) q — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения нанагрузке.
10) Характер нагрузки: Я — якорь двигателя.
11) Режим работы:
В- выпрямительный, И- инверторный.
12) Способ управления преобразователем: Управляемый.
13) Система защиты:
вну. кз — внутренние короткие замыкания.
кз = I — короткие замыкания на стороне постоянного тока.
кз ~ I — короткие замыкания на стороне переменного тока.
ком.vs,vd — коммутационные перенапряжения ввентилях.
ком.нгр.- коммутационные перенапряжения со стороны нагрузки.
14) qс — температура окружающей среды.
15) h — коэффициент полезного действияустановки.
16) c — коэффициент мощности установки.
1. Разработка принципиальной схемы
1.1 Выбор и обоснование схемы соединения вентилей
Разрабатываемый мной преобразователь, являетсяпреобразователем средней мощности: Pн = Iн ×Uн =83,2 кВт, следовательно целесообразно взять трёхфазнуюсхему.
Источником питания выбираем сеть трёхфазного переменноготока.
Из трёхфазных схем выпрямления отдаю предпочтение трёхфазномумостовому выпрямителю, т.к. он обеспечивает коэффициент пульсации q=5,7% от Uн, при требуемом q=7%, т.е. отпадает необходимость применения сглаживающего фильтра. В видурасхождения напряжения питающей сети Uc=6 кВ и Uн=260В возникает необходимостьвключения в схему понижающего трансформатора. Обмотки трансформатора соединенызвездой. При соединении вентилей в трёхфазную мостовую схему постоянныесоставляющие токов вторичной обмотки не создают ПВН.
Для защиты вентилей от внутренних КЗ применяются специальныебыстродействующие плавкие предохранители; предохранители устанавливаются последовательнов цепи каждого тиристора; от КЗ на постоянном токе – автоматическийвыключатель.
Коммутационные перенапряжения в вентилях устраняютсявыключением R-C цепей параллельно каждому тиристору; перенапряжения внагрузке – включением нулевого диода.
2. Расчёт параметров и выбор элементов схем
2.1 Основные соотношения, характеризующие трёхфазную мостовуюсхему трансформатора
Iа = 1/3 × Iн=1/3 × 320 = 106,7 А (2.1.1), [1, c.217]
U2= Uо*0,427=260*0,427=111,02В(2.1.2), [1, c.217]
I2= 0,817× Iн = 0,817 × 320 = 261,44А (2.1.3), [1, c.217]
Мощность, передаваемая в нагрузку:
Рн = Uн × Iн = 260 ×320 = 83,2 кВт (2.1.4), [1, с.217]
Типовая мощность трансформатора:
Sт = 1,05Рн = 1,05× 83200 = 87,36 кВ × А (2.1.5), [1, c.217]
Iа- средний ток протекающий через вентиль;
U2- действующее значение напряжения вторичной обмоткитрансформатора;
I2 — действующее значение тока вторичной обмоткитрансформатора;
2.2 Расчёт электрических параметров трансформатора
С учётом типовой мощности трансформатора и напряжения питающейсети выбираю трансформатор ТМ-100/10 [ 2, табл .29-1, c.246]
Таблица 2. Технические данные трансформатораПараметр Значение Мощность 100 кВА Напряжение силовой обмотки 6 кВ Напряжение вторичной обмотки 230 В Потери холостого хода 0,365 кВт Потери короткого замыкания 2,27 кВт Напряжение короткого замыкания 4,7 % Ток холостого хода 2,6 %
Дляотключения преобразователя от сети необходим выключатель на ток
/>.
Cучетом возможных перегрузок в качестве QS1 из [ 5, c.589]выбираем выключатель ВНП-16 на напряжение 6 кВ и ток 30 А.
2.2.1 Расчёт сопротивлений трансформатора
X2k, R2k-приведённые к вторичной стороне реактивное и активное сопротивлениеодной фазы трансформатора и питающей сети переменного тока, т.е. X2k=Х2к, т + Х2к, с и R2k=R2k, т + R2k, с.Так как мощность моего преобразователя Sт = 87,36 кВт
Активное сопротивление трансформатора приведённые к вторичнойобмотке:
R2k, т = />Ом (2.2.1.1), [3,c.105]
Pk = 2,27 кВт — потери короткого замыкания (см. табл.2).
I2ф = 261,44 А — фазный ток вторичной обмотки трансформатора(см. 2.1.3).
Полное сопротивление трансформатора, приведённое ковторичной обмотке:
Zk, 2т = />= />/>=0,0248 Ом (2.2.1.2), [3,c.105]
Uk, % = 4,7 % — напряжение короткого замыкания.
U2л =230 В — фазный напряжение вторичной обмоткитрансформатора.
Sн = 100 кВ×А — номинальная мощность трансформатора.
Индуктивное сопротивление трансформатора, приведённое квторичной обмотке:
Х2к, т = /> = /> = 0,022 Ом (2.2.1.3), [3,c. 105]
Индуктивность трансформатора, приведённая ко вторичнойобмотке:
L2k, т= /> = 0,07 мГн (2.2.1.4), [3,c.105].
2.3 Расчёт электрических параметров вентилей
2.3.1 Расчёт ударного тока и интеграла предельной нагрузкивнешнего, короткого замыкания
Амплитуда базового тока короткого замыкания:
Ik, m = />=/> =7572,35 А (2.3.1.1), [3,c.105].
U2ф = 132,8 В — фазный напряжение вторичной обмоткитрансформатора .
R2k, т = 0,012 Ом — активное сопротивление трансформатора приведённые к вторичной обмотке (см.2.2.1.1).
Х2к, т = 0,022 Ом — индуктивное сопротивление трансформатора,приведённое ко вторичной обмотке (см. 2.2.1.3).
Ударный ток предельной нагрузки внешнего, короткогозамыкания:
Iуд = Ik, m × i уд =7572,35× 0,86 = 6512,2А (2.3.1.2), [3,c.105] .
i уд =0,86- ударный ток в относительных единицах, берётся скривой [3, с.105, рис.1- 127 а], при ctg jk = />/>= 0,545
Интеграл предельной нагрузки при глухом внешнем, короткомзамыкании:
I?× t = I? k, m (I?× t) (2.3.1.3), [3,c.105],
где I?× t определяется взависимости от ctg jk по кривой [3, с.105, рис.1- 127 б] I?× t = 0,004
I?× t = />/>× 0,004 = 229,4 kА?× с
I k, m — амплитудабазового тока короткого замыкания .
I?× t — интеграл предельной нагрузки в относительных единицах .
2.3.2 Расчёт ударного тока и интеграла предельной нагрузкивнутреннего, короткого замыкания
Ударный ток предельной нагрузки внутреннего, короткогозамыкания:
Iуд = Ik, m × i уд = 7572,35× 1,08 = 8178,12 А (2.3.2.1), [3,c.105]
i уд = 1,08 — ударный ток в относительных единицах, берётся скривой [3, с.105, рис.1- 129 а], при ctg jk =0,545.
Интеграл предельной нагрузки при глухом внутреннем, короткомзамыкании
I?× t = I? k, m × (I?× t) = 7572,35²× 0,005 =286,7 к А?×с (2.3.2.2), [3,c.105] ,
где I?× t определяется взависимости от ctg jk по кривой[3, с.105, рис. 1- 129 б] I?× t = 0,005 — интеграл предельной нагрузки в относительныхединицах.
I k, m — амплитудабазового тока короткого замыкания.
2.3.3 Выбор вентиля
Вентиль выбирается исходя из среднего тока протекающего черезнего.
Iа = 106,7 А (см. 2.1.1)
Так же учту максимальный ударный тока и интеграла придельнойнагрузки при коротком замыкании.
Iуд =8178,12 A (2.3.2.1)
I?× t =286,7 кА?×с (2.3.2.2)
Исходя из этого, выбираем тиристор T2-320. [4, c.116]
Основные параметры тиристора приведены в таблице 3.
Таблица 3 .Пороговое напряжение 1,36 В Время обратного восстановления 8 мкс Динамическое сопротивление в открытом состоянии 0,9 мОм Тепловое сопротивление переход — корпус 0,05°С/Вт Максимально допустимое постоян. обратное напряжение ( 100 — 1400 )В Максимально допустимый средний ток в откр. cостоянии 320 А Максимально допустимый действующий ток в откр. сост. 785 А Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии 8500 А Защитный показатель 361,25 кА?×с Заряд обратного восстановления 300 мк Кл
2.3.4 Расчёт допустимого тока нагрузки на вентиль вустановившемся режиме
[ I в] = />; (2.3.4.1),
Uo = 1,36 В — пороговое напряжение (см. таб.3).
Rд = 0,9 мОм — динамическое сопротивление в открытом состоянии(см. табл .3).
Кф = 1,77 — коэффициент формы тока.
Мощность электрических потерь:
[ D P ] = /> ; (2.3.4.2), [6, c.29 ].
[ qн ] = 125°С — номинальная температура кристалла.
qс = 15°С — температура окружающей среды (см. табл.1).
Тепловое сопротивление вентиль — охладитель:
R = R пк +R ос + R ко (2.3.4.3), [6, c.28]
R пк = 0,05 °С/Вт — тепловое сопротивление переход — корпус.
R ос — установившееся тепловое сопротивление охладитель — среда.
R ко — установившееся тепловое сопротивление корпус — охладитель.
Выберу охладитель ОA-034 [3, с.114, табл.1-26], с учётом мощности отводимого тепла Pн = 240 Вт. Где Rос = 0,3°С/Вт,
R = 0,05 + 0,3 = 0,35°С/Вт.
Тогда
[D P] = /> =314,29 Вт;
[ I в] = /> = 151,93 A;
Максимально допустимый средний ток тиристора I а = 320А (см. таблицы 3).
Следовательно, тиристор в установившемся режиме выдерживаетпроходящий через него ток.
2.3.5 Температурный расчёт тиристоров в различных режимахработы
а) Номинальный режим:
Мощность электрических потерь:
DPн = UO × Iа + К? ф × Rд × I? а = 1,2 × 16,5 + 1,73?× 0,008 × 16,5?= 22 Вт (2.3.5.1)
Uo = 1,36 В — пороговое напряжение (см. табл .3).
Iа = 106,7 А — средний ток протекающий через вентиль (см.2.1.1).
Кф = 1,77 — коэффициент формы [2, c.79, табл.1-20]
Rд = 0,9 мОм — динамическое сопротивление в открытом состоянии(см. табл.3).
Перегрев вентиля :
Dqн = DPн × R = 175,8×0,35 =61,53 °С (2.3.5.2).
R — тепловое сопротивление вентиль — охладитель (см.2.3.4.3).
Температура монокристаллической структуры вентиля:
qн = qс + Dqн = 15+ 61,53 =76,5 °С (2.3.5.3).
qс = 15°С — температура окружающей среды (см. табл.1).
Данный перегрев не превышает допустимый, в номинальномрежиме.
б) Проверка вентилей при кратковременной технологическойперегрузке:
Мощность электрических потерь:
DPн max = UO × (Kп × Iа) + К? ф × Rд × (Kп × I? а) = 1,36 × (1,3× 106,7) +3×0,0009 × (1,3 × 106,7?)= 228,6 Вт (2.3.5.4).
Kп = 1,3- кратность кратковременной технологическойперегрузки(см. табл.1).
Перегрев вентиля:
Dqн max = Dqн +(DPн max — DPн ) × Rtкп = 61,53 +(228,6-175,8) × 0,0125=62,19°С (2.3.5.4)
Dqн — перегрев вентиля при номинальномрежиме.
DPн — мощность электрических потерь приноминальных перегрузках.
Rtкп = 0,0125 °С/Вт, при t =30 мс, пографику. [3, c.120]
Температура монокристаллической структуры вентиля:
qн max = qс + Dqн max = 15+ 62,19 = 77,19 °С (2.3.5.5).
qс = 15 °С — температура окружающей среды (см. табл.1).
Данный перегрев не превышает допустимый, в данном режиме.
в) Проверка вентилей при длительной технологическойперегрузке:
Мощность электрических потерь:
DPн max = UO × (Kп × Iа) + К? ф × Rд × (Kп × I? а) = 1,36 × (1,1× 106,7) +3 ×0,0009 × (1,1 × 106,7?)= 193,4 Вт .
Kп = 1,1- кратность длительной технологической перегрузки (см.табл.1).
Перегрев вентиля:
Dqн max = Dqн +(DPн max — DPн ) × Rtкп = 61,53 + (193,4 –175,8 ) × 0,04 = 62,23°С
Dqн — перегрев вентиля при номинальнойперегрузке.
DPн — мощность электрических потерь придлительной перегрузке.
Rtкп = 0,04 °С/Вт, при t = 4 с, пографику. [3, c. 120]
Температура монокристаллической структуры вентиля:
qн max = qс + Dqн max = 15+ 62,23 = 77,23 °С.
qс = 15 °С — температура окружающей среды (см. табл.1).
Данный перегрев не превышает допустимый, в данном режиме.
2.3.6 Проверка вентилей по обратному напряжению
Выбор допустимого обратного напряжения выполняетсяориентировочно так:
Uобр. max = Uн ×1,05 = 260 × 1,05 = 273 В. [1, c. 217]
Уточнённое значение:
Uобр. max =Кхх × U2m (2.3.6.1), [1, c. 12].
U2m = Ö 2 × U2 = Ö 2 × 230 =325,3 В — амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора .
/>= 2,44 (2.3.6.2), [1, c. 13].
А = 0,5 – коэффициент, характеризующий кратность падениянапряжения на стороне выпрямленного тока по отношению к Uk, %. [3, c.76].
Uk, % = 4,7 % — напряжение короткого замыкания (см.табл.2).
/> — падение напряжения на вентиле.
/>В (2.3.6.3) .
[ I а] = 106,7А — допустимый ток нагрузки на вентиль (2.3.4.1).
Uo = 1,36 В — пороговое напряжение (см. табл.3).
Rд = 0,9 мОм — динамическое сопротивление в открытом состоянии(см. табл.3).
b = 1- коэффициент зависящий от схемы соединения вентилей [3,табл.3]
Uн =260 В — номинальное значение выпрямленного напряжения нанагрузке (см. табл.1).
å UК=1 В — суммарноепадение напряжения во всех элементах выпрямителя.
DUС % = 15 % — колебание напряженияпитающей сети (см.табл.1).
Нахождение номинального угла регулирования:
UН = UНО × Cos/> (2.3.6.4), [ 3, c.83]
UНО = U2 × 2,34= 230 × 2,34= 538,2 В- напряжение холостогохода [1, c.217]
U2 = 230 В — фазное напряжение вторичной обмоткитрансформатора.
/> - номинальный угол регулирования.
Тогда:
Cos/>= />; /> = arcCos(0,483) = 61,1 ° (2.3.6.5).
Тогда:
Uобр. max =2,44× 325,3 = 794,36 В.
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение вентиля1400 В, значит вентиль выдерживает прикладываемое к нему обратное напряжение.
/>2.4 Расчётэлектрических параметров уставок автоматов защиты от токов КЗ перегрузок иэлементов схем защиты от перенапряжений
2.4.1 Выбор защиты от внутренних, коротких замыканий
/>
Рис.2 Схема замещения аварийного контура при внутреннем К.З.
Кривую мгновенного тока внутреннего К.З. строю по графику /> />
/> при заданном угле />[3, с.106, рис.1-130] для />
Рис.3 Кривая мгновенного значения тока внутреннего К.З.
Для защиты тиристоров от внутренних К.З. применяютбыстродействующие плавкие предохранители, включаемые в плечо каждого тиристора.
Плавкие предохранители выбираются исходя из действующегозначения первой полуволны тока внутреннего К.З.
/> (2.4.1.1), [3, с.108]
где Iуд=8178.12 (A) -ударный ток, рассчитанный по формуле (2.3.2.1)
/>A
Для защиты плавкими предохранителями тиристоров должновыполняться защитное соотношение:
/> ( 2.4.1.2) [7, с.321]
Здесь />-верхнее значение полного Джоулева интеграла отключения.
/>допустимый перегрузочный параметр тиристора Т2-320
n – число параллельно включенных в плечо тиристоров; n=1.
/> (2.4.1.3)
Для защиты вентилей от внутренних К.З. применимбыстродействующие плавкие предохранители серии ПНБ 5.
При данном действующем токе /> A и />
По характеристике полных интегралов предохранителей серииПНБ5, выбираю плавкую вставку на номинальный ток Iном=160 A,что удовлетворяет условию:
/> [7, с.14,рис. 1-10]
Проверка условия селективности защиты.
Селективность- отключение только поврежденных вентилей безнарушения работы исправных вентилей и преобразователя в целом.
Т.е. за время срабатывания предохранителя поврежденной ветвине должны плавиться предохранители не поврежденных ветвей:
/> (2.4.1.4) [8.с.108]
где />
К – коэффициент неравномерности загрузки тиристоров />, [4, с.108] берем К=1,2
/>
/>/>
Плавкие предохранители условию селективности удовлетворяют.
2.4.2 Расчет К.З. со стороны постоянного тока
/>
Рис 4.Схема замещения аварийного контура при К.З. со стороны постоянного тока.
Кривую мгновенного тока К.З. со стороны постоянного токастрою по графику/> при заданномугле />[3, с.106, рис.1-130] для />
/>
Рис.5.Мгновенное значение тока в тиристорах при внешнем К.З. состороны постоянного тока.
Для защиты от внешних К.З. на постоянном токе выбираюавтоматический выключатель А3730 на ток 400 А, с собственным временемотключения 13 мс.
Параметры автоматического выключателя А3730.
Таблица 4.Параметр Значение Номинальное напряжение
/> Номинальный ток
/> Ток уставки
/> Время срабатывания
/>
Интеграл полного отключения автоматического выключателя:
/> ,
где /> — времянарастания тока до тока уставки. (2.4.2.1)
/> — время срабатывания выключателя, /> [табл.4];
Из рис.5. />A
Тогда по формуле (2.4.2.1):
/>
Условие защиты вентилей: />
Условие селективности: />
Следовательно, автоматический выключатель предъявляемымтребованиям удовлетворяет.
2.5 Расчет элементов схемы защиты от перенапряжений
2.5.1 Расчет элементов защиты коммутации в VS
Для защиты тиристоров преобразователя от коммутационныхперенапряжений, необходимо параллельно каждому тиристору включить R-C цепочку, параметры которой определим по формулам: [8, с.375]
/>
Рис.6.Включение R-С цепей для защиты VS отперенапряжений.
/> (2.5.1.1) [8, с.375]
/>=300Кл [3, с.174], где />-зарядпереключения тиристора Т2-320
/>-амплитуда рабочего напряжение на вентиле
/>
Поформуле (2.5.1.1)
/>
По каталожным данным выбираю конденсатор типа К42-4, сноминальным напряжением Uн=300 (В) и С=0.5мкФ [7, с.221]
Величину сопротивления определим из соотношения:
/> (2.5.1.2) [8, с.375]
где L-индуктивность обмотки трансформатора
/>,
где />-угловая частотапитающей сети
L=0.07 (мГн)
По формуле (2.5.1.2):
/>
Мощностьрассеиваемая резистором определим по формуле:
/> (2.5.1.3)
/>
выбираем резистор типа ОМЛТ, номинальная мощность Pн=0.125(Вт), сопротивление которого Rн=12(Ом) [7, с.17]
2.5.2 Расчет элементов защиты от коммутации в нагрузке
Защиту от перенапряжений в нагрузке осуществимвключением в цепь выпрямленного тока параллельного тиристора.
Выбор и расчет тиристора производим по методике, приведеннойв [2, с.40]
Среднее значение тока тиристора определим по формуле:
/>, (2.5.2.1)
где /> — уголрегулирования;
Максимум тока /> будетпри равенстве нулю производной />
т.е./>
Данное уравнение решим графически:
1- зависимость />;
2- зависимость />;
/>
Из рисунка видно, что /> максималенпри />=1.3 рад.[74.4 эл.град]
В этом случае величина максимального тока тиристораопределима по формуле (2.5.2.1):
/>
Максимальное обратное напряжение на тиристоре с учетомперегрузки:
/>, (2.5.2.2)
где /> — кратностькратковременной перегрузки, [табл.1]
В качестве нулевого диода можно использовать 2Д203А [3, с.84],/>, и />.
Т. к. нагрузка якорь двигателя, нужно поставить параллельноему сглаживающий дроссель.
/>
Выбираем дроссель марки СРОСЗ-6300УХЛ 4 с номинальным током6300А и индуктивностью L=0.252мГн.
2.5.3 Согласование перегрузочных характеристик выпрямителяи элементов защиты
Построим время-токовые характеристики для тиристора Т2 – 320и предохранителя ПНБ5.
Зависимость I(t) для плавкой вставки предохранителяПНБ5 на /> приведена в справочной литературе [9, с.13, рис.1-8],для тиристора Т2–320 по графику Iосуд (t) [3, c. 121]
Здесь Iосуд – ударныйнеповторяющийся ток тиристора в открытом состоянии.
Характеристика предохранителя ПНБ5 имеет вид: />, автоматического выключателя А3740: />
Максимальное значение допустимого тока в установившемсярежиме:
Определим амплитуду тока тиристора:
/> (2.5.3.1) [1,с. 19]
/>
Амплитуда тока кратковременной перегрузки:
/> (2.5.3.2)
/>
Амплитуда тока длительной перегрузки:
/>, (2.5.3.3)
/>
/>
Рис.7 Согласование перегрузочных характеристик.
На рис.7 показаны:
1) Перегрузочная кривая тиристора.
2) Характеристика плавких предохранителей
3) Характеристика автомата со стороны постоянного тока.
4) Рабочая характеристика преобразователя.
3. Расчет характеристик выпрямителя
3.1 Расчет внешних характеристик
Внешняя характеристика описывается выражением :
/> (3.1.1) [3, с. 83]
где /> — напряжениехолостого хода;
/> — уменьшение выпрямленного напряжения за счетперекрытия при индуктивной нагрузке;
R-активное сопротивление цепи
/> падение в вентилях; в полупроводниковыхпреобразователях /> мало и им можнопренебречь, кроме того, в установках средней мощности />, поэтому:
/> (3.1.2)
В относительных единицах формула (3.1.2) будет иметь вид:
/>/> (3.1.3)
где /> - отношение тока нагрузки к току К.З.
Тогда формула (3.1.3) будет иметь вид:
/>,(3.1.4)
где />
По формуле (3.1.4):
/> (3.1.5)
Определим по формуле (3.1.5) и заносим в табл. 5. значение /> дляразных углов />.Внешняя характеристика в выпрямительном режиме
Таблица 5
/>
/> 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0°
Ud’ 1 0.995 0.9906 0.986 0.981 0.977 30° 0.866 0.861 0.857 0.852 0.847 0.842 40° 0.766 0.761 0.757 0.752 0.747 0.742 50° 0.642 0.638 0.633 0.628 0.624 0.619 60 0.5 0.495 0.491 0.486 0.481 0.476 61,1 0.483 0.479 0.474 0.469 0.464 0.459 70° 0.342 0.337 0.332 0.328 0.323 0.318 80° 0.173 0.169 0.164 0.159 0.155 0.15
В инверторном режиме внешняя характеристика описываетсявыражением:
/> (3.1.6)
где /> — уголопережения, />
В относительных единицах (3.1.6) будет иметь вид:
/> (3.1.7)
В инверторе существует граница предельного тока, зависящая отуглов />и />:
/> (3.1.8)
где />,
/> — угол восстановления запирающих свойств вентиля
/>, (3.1.9)
где /> — частотапитающей сети, />;
/> — время выключения тиристора, /> [3, с.176]
По формуле (3.1.9):
/>
Для обеспечения устойчивой работы инвертора необходимоограничить угол /> минимальнымзначением />.
Примем /> иопределим /> из соотношения
/>;(3.1.10)
По формуле (3.1.9):
/>
Уравнение границы предельного тока подсчитаем по формуле(3.1.8)
/> (3.1.11)
Тогда формула (3.1.7) примет вид:
/> (3.1.12)
Внешняяхарактеристика в инверторном режиме строится по формуле (3.1.12) и заполняетсятабл.6: граница предельного тока строится по формуле (3.1.11) и заполняетсятабл. 7. соответственно.Внешняя характеристика в инверторном режиме
Таблица 6.
/>
/> 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 90°
/> 0.0047 0.0094 0.0141 0.019 0.0235 80° 0.173 0.178 0.183 0.188 0.192 0.197 70 0.342 0.346 0.351 0.356 0.361 0.366 60 0.5 0.505 0.509 0.514 0.519 0.524 50 0.642 0.647 0.652 0.657 0.662 0.666 40 0.766 0.771 0.775 0.78 0.785 0.789 30 0.866 0.871 0.875 0.88 0.885 0.889 20 0.939 0.944 0.949 0.954 0.958 0.963 Граница предельного тока
Таблица 7.
/> 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
/> -0.968 -0.963 -0.959 -0.954 -0.949 -0.944
Поданным из таблиц 5, 6, 7. строим внешнюю характеристику преобразователя ввыпрямленном и инверторном режиме.
/>
Рис.8. Внешняя характеристика преобразователя.
3.2 Расчет регулировочной характеристики
Регулировочная характеристика, т.е. зависимость выпрямленногонапряжения от угла регулирования />,определяется следующим выражением:
/>(3.2.1) [3, с.82]
В относительных единицах (3.2.1) примет вид:
/>(3.2.2),
т.е. регулировочная характеристика тиристорного комплектаимеет вид косинусоиды.
Таблица 8
/> 30 60 90 120 150 180
/> 1 0,866 0,5 -0,5 -0,866 -1
/>
Рис.9. Регулировочная характеристика.
4. Расчет энергетических показателей установки
4.1 Расчет коэффициента полезного действия
КПД выпрямителя характеризуется отношением активной мощности,отдаваемой в нагрузку к полной активной мощности, потребляемой выпрямительнойустановкой от питающей сети.
КПД выпрямителя определяется выражением
/>/>,(4..1.1)
где /> — суммарнаямощность потерь выпрямителя
/>, (4.1.2), где
/>-потери мощности в сглаживающем дросселе и реакторах
/>1500 Вт
/> — потери в вентилях
Потери в вентилях /> складываютсяиз потерь при их отключении и потерь при протекании прямого тока. При работе начастоте 50 Гц потери при переключении можно не учитывать, поэтому можнозаписать:
/>,(4.1.3)
где /> — количествовентилей в схеме выпрямителя, />;
/> — падение напряжения на вентилях, />, примем />;
/> — средний ток вентиля />=106,7А
По формуле (4.1.3):
/>
/> — потери в силовом трансформаторе
/>,(4.1.4)
где /> — потери в стали:/> [табл.1]
/> — потери в меди: />[табл.1]
По формуле (4.1.4):
/>
/> — потери во вспомогательныхустройствах
Величина /> от />, тогда примем />
По формуле (4.1.2):
/>
По формуле (4.1.1):
/>
4.2 Расчет коэффициента мощности
Коэффициент мощности выпрямителя находится по формуле:
/>,(4.2.1)
где /> — коэффициентискажения формы кривой потребляемого тока, />;
/> — угол сдвига первой гармоники тока относительнонапряжения питания,
/> (4.2.2)
/>
Уголкоммутации может быть определен:
/>,
где m=6
/>
/>
Тогда:
/>
Заключение
В результате технического задания был разработанполупроводниковый преобразователь, работающий в выпрямительном и инверторномрежиме.
К.П.Д. преобразователя составляет/>,коэффициент мощности />.
Установкавыполнена по трехфазной мостовой схеме выпрямления. Обмотки трансформаторасоединены звездой. Также в схеме предусмотрена защита от коммутационныхперенапряжений в вентиле, от токов внутреннего К.З. и от КЗ на постоянном токе,от перенапряжений в нагрузке.
Преобразовательудовлетворяет заданным техническим требованиям.
Список используемой литературы
1. Промышленная электроника.Котлярский С.П., Миклашевский Л. Г. М. –1984.
2. Справочник поэлектроснабжению и электрооборудованию /Под редакцией Федорова А.А. М.:Энергоатомиздат, 1987.
3. Справочник попроектированию автоматизированного электропривода и систем управлениятехнологическими процессами /Под редакцией Круповича В.И., Барыбина Ю.Г.,Самовера М.Л. М.: Энергоиздат, 1982.
4. Замятин В.Я.Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. М.: Радио и связь,1987г.
5. Электротехническийсправочник под редакцией П.Г. Грудинского и др. М.-1971г.
6. Неуправляемыекремниевые вентили ВК-2, ВК-2 ВИ ВКДЛ. Отделение ВНИИЭМ по научно – техническойинформации, стандартизации и нормализации в электротехнике. М.:Информстандартэнерго. 1967г
7. Резисторы.Конденсаторы. Трансформаторы. Дроссели. Коммутацинные устройства. РЭА.Справочник/под редакцией Н.Н.Акимов/ 1994г.
8. Чебовский О.Г.,Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Справочник: Силовые полупроводниковые приборы. М.:Энергия, 1975.
9. Полупроводниковыевыпрямители/Под редакцией Ковалева Ф.И., Мостковой Г.П., М.: Энергия, 1978.