Расчёт трёхфазного мостового выпрямительно-инверторного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Расчёт трёхфазного мостового выпрямительно-инверторного преобразователя



Содержание

1. Задания на курсовую работу

2. Исходные данные

3. Схема ВИП

4. Диаграммы мостовых схем инвертора и выпрямителя

5. Расчёт проектных параметров трансформатора

6. Расчёт числа параллельно включенных вентильных плеча

6.1 Расчёт числа параллельно включенных вентилей выпрямителя по среднему току плеча и по ударному току аварийного режима

6.2 Расчёт числа параллельно включенных вентилей инвертора по среднему току плеча и по ударному току аварийного режима

7. Расчёт числа последовательно включенных вентилей

7.1 Расчёт числа последовательно включенных вентилей выпрямителя

7.2 Расчёт числа последовательно включенных вентилей инвертора

8. Расчёт характеристик преобразователя

8.1 Расчёт внешней характеристики выпрямителя

8.2 Расчёт внешней характеристики инвертора

8.3 Ограничительная характеристики инвертора

8.4 Углы коммутации мостового ВИП

8.4.1 Углы коммутации выпрямителя

8.4.2 Углы коммутации инвертора

8.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП

8.5.1 Коэффициенты мощности выпрямителя

8.5.2 Коэффициенты мощности инвертора

8.6 Максимальные токи инвертирования

9. Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения

9.1 Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения для выпрямителя на нелавинных вентилях

9.2 Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения для инвертора на нелавинных вентилях

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

11. Список использованной литературы



1. Задания на курсовую работу

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

Заданы следующие параметры и соотношения для ВИП:

напряжение короткого замыкания и соотношения для ВИП;

среднее значение выпрямленного напряжения и тока в номинальном режиме (, );

соотношение числа витков вентильных обмоток инвертора и выпрямителя

=;

коэффициенты повторяющихся и неповторяющихся перенапряжений ,.

Номинальные мощности выпрямителя и инвертора одинаковы

=.

Требуется:

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

Выбрать типы вентилей с воздушным охлаждением для выпрямителя и инвертора и, варьируя класс вентилей , рассчитать параметры вентильных плеч, обеспечивающих номинальный режим и устойчивость к перенапряжениям заданной величины и токам аварийных режимов выпрямителя и инвертора.

Определить наиболее дешёвый комплект вентилей.

Рассчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединённых вентилей и выбрать схему выравнивания токов в параллельных 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 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 выпрямленного и инверторного режимов.

При построении диаграмм следует иметь ввиду, что токи выпрямителя и инвертора протекают по цепи, содержащей последовательно соединённые , и (э.д.с. двигателей электровоза), причём >>, поэтому можно считать бесконечно большим, а токи выпрямителя и инвертора идеально сглаженными.

Процесс коммутации вентильных токов протекает не мгновенно, так как в контурах коммутации имеются индуктивные сопротивления трансформатора .



2. Исходные данные

Таблица 1. Исходные данные:

Номинальное выпрямленное напряжение, В ()	825
Номинальный выпрямленный ток, А ()	4000
Отношение величины повторяющихся перенапряжений к максимальному обратному ()	1,8
Колебания напряжения сети, кВ ()	1,55
Напряжение короткого замыкания трансформатора ( )	11
Отношение амплитуды неповторяющихся перенапряжений к ()	2,4
Мощность короткого замыкания, Мва ()	425
Номинальное напряжение сети, кВ ()	7
Соотношение числа витков вентильных обмоток инвертора и выпрямителя,	1,2



4. Диаграммы мостовых схем инвертора и выпрямителя

Рис. 1.



Рис.2.



5. Расчёт проектных параметров трансформатора

Среднее выпрямленное напряжение холостого хода, В:

== 873,0

Мощность выпрямленной нагрузки, кВт:

==855,83000=2567,4

Действующее значение напряжения вентильной обмотки выпрямителя, В:

==855,8/2,34=365,7

Действующее значение тока вентильной обмотки выпрямителя, А:

I2в =0,816=0,8163000=2449,5

Действующее значение напряжения вентильной обмотки инвертора, В:

==365,71,2=438,9

Угол опережения инвертора, эл. град:



==arccos(365,7/438,9)=33,6

Действующее значение тока вентильной обмотки инвертора, А:

I2и=I2в/Kи =2449,5/1.2=2041,3

Коэффициент трансформации выпрямительного режима работы ВИП:

==55,25

Коэффициент трансформации инверторного режима работы ВИП:

==55,25/1.2=46

Действующее значение номинального тока сетевой обмотки трансформатора А;

I1н=I2в/Kтв =2449,5/55,25=44,3

I1н=I2и /Kти =2041,3/46=33,3

Мощности сетевой и вентильной обмоток, кВА:

=1,05=1,052567,4=2695,8

==1,05=1,052567,4=2695,8



Номинальная мощность трансформатора, кВА:

=+=2695,8

Номинальный ток инвертора, А:

Iин=I2н/Kи=2449,5/1,2=2500

Используя значение , подбираем трансформатор по стандартной шкале мощностей: 100, 160, 250, 400, 800*10n, где n=0,1,2,3,… и т.д.

=2500, кВА - подбираем трансформатор мощностью =2500, кВА.

При расчёте напряжения холостого хода выпрямителя , являющегося исходным при определении проектных параметров трансформатора, можно не учитывать падение напряжения в вентилях, так как оно несущественно отражается на числовых результатах. Расчёты проектных параметров трансформатора ведут для номинального напряжения сети.



6. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча

Необходимо выбрать типы неуправляемого вентиля для выпрямителя и управляемого для инвертора. Номенклатура выпускаемых промышленностью вентилей и их цены приведены в диаграммах (рис.3 и рис.4). Параметры вентилей регламентированы ГОСТ 10662-73 и приведены в таблице2.

Для каждого выбранного типа вентиля необходимо выписать их параметры, используемые в последующих расчётах:

- ударный ток вентиля - максимальная амплитуда аварийного тока синусоидальной формы 10 мс при заданной начальной температуре перехода без последующего приложения напряжения;

- пороговое напряжение;

- дифференциальное сопротивление;

- тепловое сопротивление с учётом условий охлаждения;

[И]- допустимое превышение температуры полупроводниковой структуры вентиля над температурой корпуса охлаждения;

- максимальный обратный ток вентиля.

Используя формулу:

=

и параметры вентилей, рассчитывают предельные токи вентилей с учётом выбранных условий охлаждения.

Предельный ток () - это максимально допустимое среднее за период значение тока частотой 50 Гц синусоидальной формы, длительно протекающего через вентиль при его работе в однофазной однополупериодной схеме выпрямления на активную нагрузку. Коэффициент формы тока для трёхфазной мостовой системы равен

трехфазный выпрямительный инверторный преобразователь

=.

Таблица 2. Основные параметры вентилей с типовыми охладителями

Вентиль	Класс	U0, В	Rд, 10-3 Ом	RT v=0 м/с	RT v=6 м/с	RT v=12 м/с	Iуд, кА	I0max, мА
B-800	6-24	1	0,29	0,27	0,11	0,09	16,5	20
Т-500	10-18	1,3	0,50	0,10	0,10	0,09	7,7	50,0



При выбранной скорости обдува воздухом вентилей (v=6 м/с) из приведённых выше диаграмм определяем наиболее оптимальный (дешёвый) комплект вентилей.

Для плеча инвертора выбираем комплект управляемых вентилей типа Т-500

Ударный ток ( ), кА: = 7,7;

Максимальный обратный ток вентиля (I0max ), мА: I0max =50;

Пороговое напряжение вентиля U0, В: U0=1,3;

Дифференциальное сопротивление вентиля (Rд), Ом: Rд=0,0005;

Скорость потока охлаждающего воздуха (v), м/с: v=6;

Тепловое сопротивление вентиля (RT), Ом: RT=0,10;

Допустимое превышение температуры полупроводниковой структуры вентиля над температурой корпуса охладителя ([И]), оС: [И]=85

Предельный средний ток вентиля (), А:

==[(1,3?+4*3*0,0005*85/0,1)?-1,3]/2*3*0,0005=432

Для плеча выпрямителя выбираем комплект неуправляемых вентилей типа B-800

Ударный ток ( ), кА: =20;

Максимальный обратный ток вентиля (I0max ), мА: I0max =16,5;

Пороговое напряжение вентиля U0, В: U0=0,9;

Дифференциальное сопротивление вентиля (Rд), Ом: Rд=0,00029;

Скорость потока охлаждающего воздуха (v), м/с: v=6

Тепловое сопротивление вентиля (RT), Ом: RT=0,11;

Допустимое превышение температуры полупроводниковой структуры

вентиля над температурой корпуса охладителя ([И]), оС: [И]=100;

Предельный средний ток вентиля (), А:

==[(0,9?+4*3*0,00029*100/0,11)?-0,9]/2*3*0,00029=619

6.1 Расчёт числа параллельно включенных вентилей выпрямителя N пар 1 по среднему току плеча и N пар 2 по ударному току аварийного режима iудВ

Индуктивное сопротивление трансформатора и сети , приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя , Ом:

=+==3*365,7?/100000*(1/10*175+7,2/2695,8=0,0130

Активное сопротивление трансформатора и сети , приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя , Ом:

=+==3*365,7?/1000*(15/100000*175+0,006/2695,8=0,0012

где =0,006 - потери короткого замыкания преобразовательного трансформатора. Амплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекавшего через вентильное плечо выпрямителя, А:



==34273,8

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя, А:

==1,2*34273,8=41128,6

где =1,2 - ударный коэффициент.

Расчёт числа вентилей следует всегда производить с округлением до целого в большую сторону.

Расчёт числа параллельно включенных вентилей в вентильном плече выпрямителя по среднему току плеча (/3):

==(3000/3)*(1,15/619)=2

где =1,15 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения токов в параллельно соединённых ветвях.

В качестве аварии для выпрямителя рассматривается случай короткого замыкания на его выходных шинах, т.е. между анодом и катодом до сглаживающего реактора .

Расчёт числа параллельно включенных вентилей в вентильном плече выпрямителя по ударному току аварийного режима :

==41128,6*1,15/7700=3

где - амплитуда ударного тока замыкания с учётом периодической и апериодической составляющих тока короткого замыкания.

Выбираем наибольшее число параллельно включенных вентилей в вентильном плече выпрямителя:

=3

6.2 Расчёт числа параллельно включенных вентилей инвертора Nпар 1 по среднему току плеча и Nпар 2 по ударному току аварийного режима IудВ

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

==0,0130*1,2?=0,0187

Активное сопротивление трансформатора и сети , приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора, Ом:

==0,0012*1,2?=0,018

Расчёт числа параллельно включенных вентилей в вентильном плече инвертора по среднему току плеча (/3):

==3

где =1,15 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения токов в параллельно соединённых ветвях.

В качестве расчётного аварийного режима рассматривается наиболее тяжёлый случай - прорыв (опрокидывание) инвертора в двух фазах вентильной обмотки. Например, ток прорыва может протекать в цепи, содержащей источник постоянного тока =, индуктивное и активное сопротивления сглаживающего реактора, вентильное плечо анодной группы фазы В инвертора, вентильную обмотку фазы В, вентильную обмотку фазы А и вентильное плечо катодной группы фазы А инвертора. Каждая из вентильных обмоток содержит фазную э.д.с. , активное и индуктивное сопротивления и .

При опрокидывании инвертора ударный ток складывается из тока к.з. между фазами опрокинувшегося инвертора и параллельно работающего на рекуперацию локомотива. Для уменьшения скорости нарастания ударного тока в цепь инвертора включается дополнительно сглаживающий реактор РБФА - 6500/3250.

Индуктивное сопротивление сглаживающего реактора, Ом: =6,28;

Активное сопротивление сглаживающего реактора, Ом: =0,016.

Приняты следующие обозначения: - время в радианах;

=0,07 - 0,1 - время отключения аварийного тока быстродействующим выключателем, сек.

Амплитуда ударного тока аварийного режима инвертора, А:

=+=4257,6

где =1,2 - ударный коэффициент.

Расчёт числа параллельно включенных вентилей в вентильном плече инвертора по ударному току аварийного режима :



==4257,6*1,15/7700=1

где - амплитуда ударного тока замыкания с учётом периодической и апериодической составляющих тока короткого замыкания.

Выбираем наибольшее число параллельно включенных вентилей в вентильном плече инвертора:

=3



7. Расчёт числа последовательно включенных вентилей

Количество вентилей в последовательной цепочке зависит от максимального обратного напряжения вентильного плеча в нормальном режиме, перенапряжений повторяющегося или неповторяющегося характера, в том числе вызванных отклонением питающего напряжения, а также от класса К выбранного вентиля.

7.1 Расчёт числа последовательно включенных вентилей выпрямителя

Максимальное обратное напряжение плеча выпрямителя, В:

=1,045=1,045*855,8=894

Расчётный класс вентиля находится с учётом заданного коэффициента повторяющихся перенапряжений :

;

894*1,8/100?14

Варьируя класс и стоимость вентиля, выбираем наиболее дешёвый комплект вентильного плеча выпрямителя.

Выбранный класс вентильного плеча выпрямителя К=8, а стоимость вентиля - 24,7руб. за штуку

Повторяющееся напряжение - наибольшее мгновенное значение напряжения, прикладываемого к вентилю в обратном направлении, с учётом всех повторяющихся переходных напряжений, но исключая все неповторяющиеся. Повторяющееся напряжение является функцией преобразовательной схемы, например, коммутационные перенапряжения.

Неповторяющееся перенапряжение - наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося переходного напряжения - является функцией внешних воздействий ( например, атмосферные перенапряжения, ограниченные разрядниками вне преобразователя).

Повторяющееся напряжение для неуправляемых вентилей, В:

==100*8=800

неповторяющееся напряжение для неуправляемых вентилей, В:

==116*8=928

Число последовательно включенных вентилей:

а) по повторяющимся перенапряжениям:

==1,15*(1+4 /100)*894*1,8/800+1=3

б) по неповторяющимся перенапряжениям:

==1,15*(1+4/100)*894*1,8/928+1=3

где =1,15 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения обратных напряжений в последовательной цепочке вентилей.

Выбираем наибольшее число последовательно включенных вентилей в вентильном плече выпрямителя (рис. 5):

=3;

Расчёт стоимости вентильного плеча выпрямителя:

выбранный тип вентиля - B-800

общее число вентилей -

N ==3*3=9

стоимость плеча (для нелавинных вентилей +10%) - 824,71,1=244,5 руб.;

стоимость плеча c охладителями -365,1руб.

7.2 Расчёт числа последовательно включенных вентилей инвертора

Максимально обратное напряжение плеча инвертора, В:

=1,045=1,045*1,2*855,8=1073

Расчётный класс вентиля находится с учётом заданного коэффициента повторяющихся перенапряжений :

;

1,8*1073/100=20

Варьируя класс и стоимость вентиля, выбираем наиболее дешёвый комплект вентильного плеча выпрямителя.

Выбранный класс вентильного плеча инвертора К=16 а стоимость вентиля - 100 руб. за штуку.

Повторяющееся напряжение для управляемых вентилей, В:

=100К=10016=1600

Неповторяющееся напряжение для управляемых вентилей, В:

=111К=11116=1776

Число последовательно включенных вентилей:

а) по повторяющимся перенапряжениям:

==3;

б) по неповторяющимся перенапряжениям:

==3

Выбираем наибольшее число последовательно включенных вентилей в вентильном плече инвертора (рис. 6):

=3;

Расчёт стоимости вентильного плеча инвертора:

выбранный тип вентиля - Т-500:

общее число вентилей -

N==3*3=9

стоимость плеча с охладителями -510,8руб.



8. Расчёт характеристик преобразователя

8.1 Расчёт внешней характеристики выпрямителя

Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока. Внешняя характеристика выпрямителя

=

определяется по двум точкам и и строится в первом квадрате (рис.7 прямая ОА).

Среднее выпрямленное напряжение при холостом ходе (при =0), В:

=2,34=2,34365,7=855,8

Среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке ( при =2400), В:

=365,7*(1-0,5*7,2/100)=825

При расчёте внешней характеристики можно пренебречь активными потерями в трансформаторе и падением напряжения на вентилях.



8.2 Расчёт внешней характеристики инвертора

Внешняя характеристика инвертора

может быть построена по двум точкам:

при и при .

Естественная внешняя характеристика инвертора при постоянстве угла опережения

=

имеет прямолинейный возрастающий характер и строится во втором квадрате (рис.7 прямая ОВ) совместно с внешней характеристикой выпрямителя.

Среднее значение напряжения инвертора при холостом ходе (при =0), В:

=2,34=2,34*438,9/1,2=855,8

Среднее значение напряжения инвертора при номинальной нагрузке (при =3000), В:



892,8

Искусственная стабилизированная характеристика

формируется путём автоматического увеличения угла опережения с ростом тока инвертора и проводится горизонтально на уровне

(рис.7 отрезок ОЕ).

8.3 Ограничительная характеристика инвертора

Ограничительная характеристика определяется в точках пересечения с внешними характеристиками границы устойчивой работы инвертора по условию опрокидывания и является прямолинейной падающей. Для её построения используется две точки (рис.7 прямая CD), B:

(при )=855,8*1,2*cos0=1011,4

где - угол запаса и составляет порядка 10 эл.град.

(при )==959,6



8.4 Углы коммутации мостового ВИП.

8.4.1 Углы коммутации y выпрямителя.

Углы коммутации выпрямителя, эл.град:

При , 17

При , 24,1

Строим временные диаграммы токов и напряжений трёхфазной мостовой схемы выпрямителя с учётом процессов коммутации (при ) (рис.8).

8.4.1 Углы коммутации инвертора

Углы коммутации инвертора, эл.град:

При, 4,8

При=3000, 10,6

Строим временные диаграммы токов и напряжений трёхфазной мостовой схемы инвертора, ведомого сетью, с учётом процессов коммутации (при ) (рис.9).



8.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП

8.5.1 Коэффициенты мощности выпрямителя

Коэффициенты мощности выпрямителя:

где - угол коммутации, - коэффициент искажения тока сетевой обмотки.

Вычисляются для двух значений тока

и .

Коэффициенты мощности выпрямителя:

При , 0.955*cos(27,4/2)=0.945

При , 0.955*cos(12,7/2)=0.934

8.5.2 Коэффициенты мощности инвертора

Коэффициенты мощности инвертора:

,

вычисляются для двух значений тока



и .

Коэффициенты мощности инвертора:

При , 0.955*cos(33.6-5.7/2)=0.817

При , 0.955*cos(33.6-12,7. 7/2)=0,841.

8.6 Максимальные токи инвертирования

Максимальный ток инвертирования - это такой ток, при котором угол коммутации достигает значения, превышение которого приводит к опрокидыванию инвертора:

,

где - угол в эл.град. при 50 Гц, определяемый как сумма времени включения тиристора (1-4 эл.град.) и некоторого дополнительного резерва времени 5-10 эл.град.

Максимальный по условию опрокидывания ток инвертора при естественной внешней характеристики, при

(рис.7), А:

(100/7,2)*2500*(cos0-cos33.6)=5259,5



Максимальный по условию опрокидывания ток инвертора при искусственной стабилизированной внешней характеристики, при (рис.7), А:

(100/7,2)*2500*(cos0-cos33.6)*2=10519,1



9. Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения

Неидентичность обратных ветвей вольт - амперных характеристик вентилей прямых ветвей вольт - амперных характеристик закрытых тиристоров вызывает их равномерное распределение напряжений на вентилях, что может привести к их сбою, начиная с вентиля, имеющего наибольшее обратно сопротивление. Для выравнивания обратных напряжений в статике параллельно каждому вентилю включают шунтирующее сопротивление Rш, а для исключения неравномерности распределения в динамике параллельно каждому вентилю дополнительно включают цепочку из последовательно соединённых конденсатора СВ и небольшого резистора RB. В работе рассчитывают параметры схемы выравнивания, являющейся общей для всех параллельно соединённых ветвей вентильного плеча. Связь схемы выравнивания с вентилями других ветвей осуществляется через резистор связи Rc, величина которого (0,2 - 0,3) Ом.

9.1 Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения для выпрямителя на нелавинных вентилях

Сопротивление резистора , Ом:

12547

Мощность резистора , Вт:

17,9



Ёмкость шунтирующего конденсатора, мкФ:

1*3=3

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора, В:

1.5*800=1200

Величина резистора мощностью 10 - 15 Вт, Ом:

10/3=3,33

Величина резистора связи Rc, Ом:

.

9.2 Расчёт параметров устройства выравнивания напряжений для инвертора на нелавинных вентилях

Сопротивление резистора , Ом:

12423

Мощность резистора , Вт:



53,7

Ёмкость шунтирующего конденсатора, мкФ:

1*3=3

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора, В:

1.5*1600=2400

Величина резистора мощностью 10 - 15 Вт, Ом:

10/3=3,33

Величина резистора связи Rc, Ом:

.



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

Неидентичность прямых ветвей вольт - амперных характеристик вентилей вызывает неравномерность распределения токов в параллельно включенных ветвях вентильного плеча. Это может привести к перегрузке отдельных вентилей и выходу из строя. Для выравнивания токов применяют одновитковые индуктивные делители тока (ИДТ). Если число параллельных ветвей <6, то применяют «замкнутую кольцевую» схему включения ИДТ. При >6, то применяют схему включения с «задающим вентилем».

Так как в расчёте курсовой работы <6, то выбираем «замкнутую кольцевую» схему включения ИДТ.



11. Список использованной литературы

Бей Ю.М. и другие. Тяговые подстанции. - М.: Транспорт, 1986. - 319с.

Засорин С.Н., Мацкевич В.А., Кучма К.Г. Электронная и преобразовательная техника. - М.: Транспорт, 1981. - 320с.

Полупроводниковые выпрямители / Под редакцией Ф.И. Ковалёва, Г.П. Мостковой. - М.: Энергия, 1982. - 245с.

Расчёт выпрямительного - инверторного агрегата тяговой подстанции: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электронная техника и преобразователи». - Самара: СамГАПС, 2002. - 26с.

Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. - М.: Энергия, 1985. - 400с.

Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. Справочник. - М.: Высшая школа, 1984. - 424с.

Размещено на Allbest.ru