Расчет однофазного управляемого выпрямителя

Рисунок 3 - Диаграмма внешней характеристики выпрямителя

3.2 Расчёт регулировочной характеристики выпрямителя

Расчёт производится по формуле (3.1) для заданных значений угла регулирования р при Id = 0 и Id = Idн

.

Результаты расчётов заносим в таблицу 3. По данным таблицы 3 строим регулировочную характеристику (рисунок 4)

Таблица 3 - Значения регулировочных характеристик выпрямителя

Рисунок 4 - Диаграмма регулировочной характеристики

4. Выбор вентилей выпрямительной установки

4.1 Определяем число параллельно включенных ветвей вентилей

Таблица 4.1 - Параметры диода ВЛ320 для диодного плеча выпрямителя

Таблица 4.2 - Параметры тиристора Т800 для тиристорного плеча выпрямителя

, (4.1)

где -ударный ток;

-ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии.

, (4.2)

где z - общее сопротивление контура короткого замыкания;

t - текущее время, t=0,01 сек;

ф - постоянная составляющая контура короткого замыкания;

ц - угол сдвига между током короткого замыкания и напряжением вторичной обмотки трансформатора.

, (4.3)

где XT -индуктивное сопротивление трансформатора.

, (4.4)

где SТР -типовая мощность трансформатора.

,

, (4.5)

где РКЗ -мощность потерь короткого замыкания, определяемая по формуле

 (4.6)

Получаем

Откуда активное сопротивление будет равно:

Ом,

Подставив полученные значения в формулу 4.3 определим общее сопротивление контура короткого замыкания

Ом,

, (4.7)

где f- частота питающего напряжения; f=50 Гц.

сек,

, (4.8)

Число параллельно включенных вентилей равно

,

Число параллельно включенных тиристоров равно

.

4.2 Проверка условия работы диодного и тиристорного плеча в длительном режиме

Для принятия окончательного решения по количеству параллельно включенных вентилей в плече выпрямителя необходимо убедится в том, что такое плечо будет работать без перегрузки в длительном рабочем режиме.

Необходимое для этого число параллельных вентилей определим по формуле

, (4.9)

где Кпер=1,6 -коэффициент, учитывающий возможную перегрузку вентиля на этапах трогания и разгона поезда;

КН=0,9 - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока между параллельными ветвями, связанное с разбросом характеристик вентиля;

- предельный ток вентиля,

, (4.10)

где - пороговое напряжение вентиля в открытом состоянии;

- коэффициент формы тока, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы );

- дифференциальное сопротивление в открытом состоянии;

- максимально допустимая температура p-n перехода (для кремниевого нелавинного вентиля , а лавинного - );

- температура охлаждающего воздуха ;

- сопротивление стоку тепла от p-n перехода в охлаждающую среду.

Определим предельный ток для вентиля

,

Определим предельный ток тиристора

,

Число параллельно включенных вентилей равно

,

Число параллельно включенных тиристоров равно

.

Так как число параллельно включенных ветвей вентилей и тиристоров при проверке по рабочему режиму оказалось больше, то во избежание перегрузок принимаем

- вентили

- тиристоры

4.3  Определение количества последовательно включенных вентилей

Число последовательно включенных приборов определяется из условия обеспечения максимально допустимого повторяющегося напряжения на вентиле при пробое одного из вентилей.

, (4.11)

где - максимальное обратное напряжение, воздействующее на вентильное плечо с учетом бросков и колебаний напряжения в сети;

- паспортное значение допустимого обратного напряжения на вентиле;

- коэффициент неравномерности распределения напряжения по вентилям.

, (4.12)

где - коэффициент, учитывающий коммутационные перенапряжения;

- коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в контактной сети.

,

Число последовательно включенных вентилей равно

,

Число последовательно включенных тиристоров равно

.

4.4 Расчет параметров защитных элементов выпрямительной установки

Сопротивление шунтирующих резисторов последовательно соединённых вентилей определяем по формуле

, (4.13)

где m - число последовательно включенных вентилей;

- максимальный обратный импульсный ток прибора.

Для исключения возможности попадания бросков перенапряжения на закрытые вентили дополнительно, параллельно шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующие цепочки СШ RД.

Значение емкости СШ определим по формуле

, (4.14)

где - угловая частота;

- коэффициент неравномерного распределения напряжения.

Определим защитные элементы для тиристоров

,

.

Демпфирующий резистор примем равным

Определим защитные элементы для вентиля

,

.

Демпфирующий резистор примем равным

Тиристорные плечи выпрямителя с защитными элементами будут иметь вид, представленный на рисунке 5

Диодные плечи выпрямителя с защитными элементами будут иметь вид, представленный на рисунке 6

5. Расчет индуктивности цепи выпрямленного тока

5.1 Определим амплитудное значение первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения

Расчет ведется для значения 1, равного заданному значению угла регулирования р

(5.1)

где а и b - коэффициенты ряда Фурье определяемые по формуле

,

, (5.2)

Определяем коэффициенты

С учетом полученных коэффициентов определяем амплитудное значение первой гармонической составляющей

.

5.2 Рассчитаем индуктивность цепи выпрямительного тока

Расчет ведем для заданного значения Кп и Id = Idн

, (5.3)

где f = 50 Гц - частота питающего напряжения;

Кп1 = 0,23 - коэффициент пульсации тока.

Получаем

6. Силовая схема и временные диаграммы

Рисунок 7 - Схема преобразователя

7. Система управления выпрямителем

7.1 Построение структурной схемы управления и временных диаграмм

Управляющие импульсы, подаваемые на тиристоры, вырабатываются системой управления выпрямителем. Функциональная схема одного из вариантов выполнения системы и временные диаграммы, иллюстрирующие её работу, приведены на рисунке 8.

Генератор пилообразного напряжения ГПН, формирует линейно изменяющееся напряжение, которое подается на один из входов компаратора К. На второй вход поступает управляющее напряжение Uупр, косвенно задающее величину угла управления. В момент, когда линейно возрастающее напряжение UГПН сравнивается с Uупр, на выходе компаратора появляется импульс напряжения uк, поступающий на вход формирователя Ф. На выходе формирователя в каждый полупериод образуются импульсы UФ по переднему фронту компаратора. Величина угла , при этом, определяется величиной напряжения Uупр. Этот импульс должен проходить в один полупериод на тиристор VS1, а в другой - на тиристор VS2. Для разделения импульсов формирователя UФ по полупериодам в системе используются два однополупериодных выпрямителя ОПВ1 и ОПВ2, и логические элементы И. Высокий уровень напряжения на выходе элемента И будет 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 логический элемент И1 одновременно подаются напряжения UОПВ и UФ. Аналогично формируется управляющий импульс Uу2 во втором полупериоде. Далее импульсы усиливаются выходными усилителями ВУ1 и ВУ2 и через импульсные трансформаторы ИТ1 и ИТ2 подаются на управляющие электроды тиристоров. Трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку цепей управления и высоковольтных цепей. Число вторичных полуобмоток трансформатора ИТ должно соответствовать количеству последовательно включённых тиристоров в одном плече моста.

Рисунок 8 - Функциональная схема системы управления и временные диаграммы, поясняющие её работу

7.2 Расчёт параметров выходного усилителя

Для усиления импульсов управления и передачи его на управляющие электроды тиристоров в схеме системы управления предусмотрен выходной усилитель. Схема выходного усилителя представлена на рисунке 9

Рисунок 9 - Схема выходного усилителя

Исходя из схемы выходного усилителя, приведенной на рисунке, произведем расчет элементов входящих в нее элементов.

Ток одной i-ой вторичной обмотки импульсного трансформатора щ2-i определяется по формуле

, (7.1)

где n - число параллельно включенных ветвей вентилей в тиристорном плече, nпар=3;

Iупр.ст - отпирающий постоянный ток управления, Iупр.ст=0,6 А.

А

Суммарный ток вторичных обмоток импульсного трансформатора

определяется по формуле

, (7.2)

где m - количество последовательно включенных в ветвь тиристоров, m=4.

А

Тип транзистора выходного усилителя выбирается по двум основным

параметрам: максимальному напряжению между эмиттером и коллектором Uкэ маx и импульсному значению коллекторного тока Iк и мax.

Максимальное напряжение между эмиттером и коллектором определяется по формуле

, (7.3)

Где Ек - напряжение питания выходного усилителя, Ек=60 В.

Таким образом Uкэ м ax=60 В.

Импульсное значение коллекторного тока определяется по формуле

, (7.4)

Где Кт - коэффициент трансформации импульсного трансформатора, который принимается в пределах Кт=2 - 5. Принимаем Кт=3.

Получаем

Выбираем транзистор КТ815 с параметрами представленными в таблице 7

Таблица 7 - Параметры транзистора выходного усилителя

Согласно параметрам выбранного транзистора определяем параметры элементов выходного усилителя.

Выбор конденсатора С основан на том, чтобы его емкость позволяла осуществлять перезарядку конденсатора до напряжения, близкого к Ек за полупериод собственных колебаний контура LC.

Максимальная величина тока разряда определяется по формуле

(7.5)

Получаем

Так как ток разряда имеет две составляющие выраженные в соотношении

(7.6)

где IK - постоянная величина тока, во время разрядки определяемая по формуле

 (7.7)

Через резистор R1 осуществляется зарядка конденсатора. Максимальное значение зарядного тока определяется по формуле

(7.8)

Так как правые части формул (7.7) и (7.8) равны, то равны и левые части. Получаем .

Сопротивление резистора R1 будет определяться по формуле

(7.9)

Получаем

Ом

Согласно преобразованиям, проведенным выше, амплитудное значение полуволны разрядного тока IC MAX будет определяться по формуле

(7.10)

Получим

Емкость конденсатора определяется по формуле

, (7.11)

где Т0 - период собственных колебаний контура LC, определяемый по формуле

, (7.12)

где tвкл - время включения тиристора, tвкл=25 мкс.

Тогда

мкс.

В соответствии с этим емкость конденсатора будет равна

Ф.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора определяется по формуле

, (7.13)

где щ0 - собственная частота колебаний контура LC, определяемая по формуле

(7.14)

Получаем

1/c.

Индуктивность первичной обмотки трансформатора будет равна

Гн.

Ток базы определяется по формуле

(7.15)

Получаем

А.

Сопротивление Rб для открытия транзистора определяется по формуле

, (7.16)

где Uвх - входное отпирающее напряжение, Uвх=5 В;

Uкэ нас - напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора, Uкэ нас=0,2 В.

Ом.

Входное запирающее напряжение определяется по формуле

, (7.17)

Где Iк0 - обратный ток коллектора, Iк0=0,06 мкА;

UЭБ З =0,2 В принимается согласно [1].

Получаем

В.

Заключение

Данный курсовой проект содержит общие сведения для расчета преобразовательных устройств и анализа происходящих в них электромагнитных процессов. Все это послужит базой для проектирования более сложных преобразователей электроподвижного состава.

Общеизвестными недостатками полупроводниковых приборов являются малая перегрузочная способность и высокая чувствительность к перенапряжениям. По этому для правильной и слаженной работы выпрямителя играет роль подбор числа последовательных и параллельных вентилей, что было определено в ходе курсового проектирования.

Список используемой литературы

1. Кулинич Ю.М. Электронная и преобразовательная техника: Методическое указание к выполнению курсового проекта по дисциплине “Электронная и преобразовательная техника” для студентов специальности “Локомотивы”. - Хабаровск 1992г.

Размещено на Allbest.ru