Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации. Южно-Уральский государственный университет. Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок

Курсовой проект

Проектирование двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя

Выполнил: Акопджанов Е.А

Группа: Э-376

Проверил: Гельман М.В

Челябинск 2010

Содержание

1. Задание на курсовое проектирование

2. Выбор силового трансформатора

2.1 Расчет параметров и выбор силового трансформатора

2.2 Проверка выбранного трансформатора

3. Выбор элементов вентельной части силового преобразователя

3.1 Предварительный выбор тиристоров

4. Выбор сглаживающего реактора

5. Расчет характеристик преобразователя

6. Анализ полученных характеристик

Заключение

Литература

1. Задание на курсовое проектирование

Спроектировать двухкомплектный реверсивный тиристорный преобразователь, работающий на якорь электродвигателя постоянного тока, предназначенного для привода тележки.

Тележка осуществляет движения вперёд - назад между двумя станциями.

При движении вперед тележка загружена, при движении назад она идет порожняком.

При движении вперёд комплект вентилей "Вперёд" преобразователя работает в выпрямительном режиме, обеспечивая разгон тележки, а затем и равномерное движение.

Торможение осуществляется при работе комплекта "Назад" в инверторном режиме.

При обратном движении тележки процессы происходят аналогично для соответствующих комплектов.

Режим нагрузки повторно-кратковременный; график нагрузки, тип двигателя, его номинальная мощность P_н, номинальное напряжение U_н, номинальный ток I_н, сопротивление якорной цепи R_я, индуктивность якорной цепи L_я и номинальная частота вращения n определяются рисунком 1 и таблицей 1.

Таблица 1

Тип двигателя	Рн, кВт	Uн, В	Iн, А	Rя, Ом	Lя, мГн	n, об/мин	График нагрузки
							tц, с	tп, с	tу, с	tо, с	Iп/Iн	Iу/Iн
Д 814	110	220	550	0.0147	2.39	490	40	2.5	10	6	2.0	0.9

Рисунок 1. График нагрузки

где I_пв,I_пи - токи перегрузки соответственно в выпрямительном и инверторном режимах;

I_ув,I_уи - установившиеся токи в выпрямительном и инверторном режимах;

t_пв,t_пи - длительности перегрузок в выпрямительном и инверторном режимах;

t_ув,t_уи - длительности установившихся нагрузок в выпрямительном и инверторном режимах;

t_ц - время цикла;

t₀ - время паузы в нагрузке;

индексы "1" относятся к комплекту "Вперёд", а "2" - к комплекту "Назад" двухкомплектного преобразователя.

Для упрощения расчётов, принять:

- I_пв1 = I_пи2 = I_пв = I_пи = I_п ;

- I_ув1 = I_ув = I_уи = I_у ;

- I_пв2 = I_пи1 = 0.6I_п ;

- I_ув2 = 0.6I_у ;

- t_пв1 = t_пв2 = t_пи1 = t_пи2 = t_пв = t_пи = t_п ;

- t_ув1 = t_ув2 = t_ув = t_уи = t_у ;

- Номинальное напряжение сети U_сн = 380 В;

- Колебания сети ±10%;

- Номинальное напряжение на двигателе должно быть обеспечено при установившемся токе нагрузки I_у и допустимых колебаниях напряжения в сети;

- Схема выпрямления - трёхфазная мостовая;

- Коэффициент пульсаций тока q при токе установившейся нагрузки I_у не более ±2%;

- Температура окружающей среды Т_а = +40⁰ С; охлаждение воздушное (естественное и принудительное);

- Амплитуда опорного напряжения в системе импульсно-фазового управления 10 В.

2. Выбор силового трансформатора

2.1 Расчет параметров и выбор силового трансформатора

Трансформатор вместе с преобразователем должен обеспечивать номинальной значение напряжения на якоре двигателя при допустимых колебаниях напряжения сети и заданном установившемся токе нагрузки I_у. Поэтому вторичное напряжение силового трансформатора рассчитывается для минимального напряжения сети U_cmin. Расчетное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

где:

К_r - коэффициент, учитывающий падение напряжения за счет коммутации и активных сопротивлений трансформатора, вентилей, сглаживающего устройства реактора, предварительно К_r = 1.05;

К_u - коэффициент схемы, для трехфазной мостовой схемы K_u = 2.34;

К_cmin - коэффициент, учитывающий допустимое понижение напряжения сети до U_cmin;

Расчет линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Расчет коэффициента трансформации.

(4)

Расчет вторичного тока трансформатора.

,(5)

где:

K_i- коэффициент схемы, для трех фазной мостовой ;

I_d номинальный ток выпрямителя, равный установившемуся току I_y .

Расчет первичного тока трансформатора.

(6)

Расчетное значение типовой мощности трансформатора.

(7)

По расчетным данным с помощью Приложения Ш выбирается силовой трансформатор, имеющий параметры, удовлетворяющие условиям:

U_1лн = U_сн ; S_тн > S_т ; U_2н > U₂ ; I_2н > I₂

Выбираем трансформатор типа ТСП - 100/0.7 с параметрами, приведенными в таблице 2

Таблица 2

Наименование параметра	Обозначение и единица измерения	Значение
Номинальная мощность	Sтн , кВт	143
Номинальное напряжение силовой обмотки	U1лн , В	380
Номинальное напряжение вентильной обмотки	U2лн , В	202
Номинальный переменный ток вентильной обмотки	I2н , А	408
Напряжение короткого замыкания	uк , %	4.7
Ток холостого хода	Iхх , %	5.2
Потери холостого хода	Рхх , Вт	625
Потери короткого замыкания	Ркз , Вт	2550

Из сопоставления таблицы 2 и предыдущего расчета видно, что трансформатор удовлетворяет условиям. Однако необходимо ещё выполнить дополнительную проверку.

2.2 Проверка выбранного трансформатора

При проверке трансформатора необходимо выяснить, обеспечивает ли он нужное напряжение на выходе выпрямителя, выдерживает ли заданные перегрузки и удовлетворяет ли условиям допустимости нагрева.

Зная потери и напряжение короткого замыкания трансформатора, можно найти активное, полное и индуктивное сопротивления рассеивания фазы трансформатора, приведённые ко вторичной стороне. Активное, полное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы трансформатора, приведённые ко вторичной стороне:

R_а = P_кз/(3·I_2н²),

R_а = 0.0051,

Z_a = U_кз%·U_2н / (100·I_2н),

Z_а = 0.0134,

,

X_а = 0.0124.

Поскольку при первичном расчёте трансформатора ещё не выбраны тиристоры и сглаживающий реактор, воспользуемся упрощённой формулой для расчёта выпрямленного напряжения на зажимах двигателя при угле управления б = 0°:

U = 2.34·K_cmin·U_2н - 2·U_TM - (3·X_a / р + 2·r_a)I_у,

где U_TM - импульсное напряжение в открытом состоянии тиристора (можно предварительно принять U_TM = 2 В),

U = 230.6 В, что превышает номинальное входное напряжение трансформатора на 10.6 В, даже с учётом падения напряжения на активном сопротивлении сглаживающего реактора, равное 3...15 В, значит, трансформатор подходит по напряжению.

Ток, потребляемый двигателем при максимальной перегрузке,

I_П = I_н·2 = 1100 А.

Вторичный ток тр - ра при заданной перегрузке в течение 2.5 с.:

I_2П = I_П· = 898 А.

Трансформатор в течении 10 с. выдерживает перегрузку 150%, т. е.:

I_2П = 898 < 2.5·I_2н = 1200,

значит, трансформатор выдержит перегрузку.

Проверим трансформатор на нагрев, для чего найдём среднеквадратичное значение тока при циклических нагрузках (с временем цикла, меньшим времени усреднения, заданного для данного типа трансформатора):

I_2скв = 380 А.

Т. к. среднеквадратичный ток не превышает номинальный ток I_2H = 408 А.Таким образом трансформатор удовлетворяет всем требованиям.

3. Выбор элементов вентельной части силового преобразователя

3.1 Предварительный выбор тиристоров

Расчет максимального обратного напряжения, прикладываемого к тиристору.

Для трехфазной мостовой схемы:

,(16)

где: К_сmax - коэффициент, учитывающий допустимое повышение напряжения сети до U_cmax;

(17)

В

Расчет импульсного рабочего напряжения тиристора.

Импульсного рабочего напряжения тиристора в закрытом состоянии и U_DWM и импульсное рабочее обратное напряжение U_RWM должны быть больше U_amax (условие 1);

(18)

U_DWM = U_RWM > U_amax , >

Расчет неповторяющихся импульсных напряжений тиристора.

Неповторяющееся импульсное напряжение тиристора в закрытом состоянии U_DSM и неповторяющееся импульсное обратное напряжение U_RSM должны с коэффициентом запаса K_s = (1.2.. .1.4) превышать напряжение U_апер (условие2);

U_DSM = U_RSM = (1.5…2)K_s U_amax(19)

U_DSM = U_RSM = 21.3314.2 = 817 В

Значения неповторяющихся импульсных напряжений U_DSM и U_RSM связаны со значениями повторяющихся импульсных напряжений U_DRM и U_RRM коэффициентами, определяемыми заводами-изготовителями:

U_DSM = К_неп U_DRM ; U_RSM = К_неп U_RRM , (20)

где: К_неп = 1.12 для нелавинных приборов;

В(21)

Расчет среднего тока вентиля при перегрузке.

(22)

А

Расчет максимального придельного среднего тока тиристора.

Максимально придельный средний ток характеризует нагрузочную способность тиристоров при заданных условиях работы.

,(23)

где: К - коэффициент, учитывающий угла проводимости от 180 эл. град и отличие формы тока от синусоидальной, принимаем К = 0.8;

К_f - коэффициент, учитывающий влияние частоты, при частоте равной 50 Гц К_f = 1;

К_T - коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды Т_a ,при T_a > 40° С можно принять К_T = 1;

К - коэффициент, учитывающий скорость охлаждающего воздуха, при номинальной скорости К =1;

А

По расчетным данным и согласно условиям с помощью Приложения Ш выбираем тиристор типа Т143-500, имеющий параметры приведенные в таблице 3:

Таблица 3

Наименование параметра	Обозначение и единица измерения	Значение
Предельный ток (температура корпуса Тс = 85° С, угол проводимости = 180 град., f = 50 Гц)	ITAVm , A	500
Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии	ITSM , кA	10
Пороговое напряжение	UT(TO) , В	1.1
Дифференциальное сопротивление в открытом состоянии	rT , мОм	0.57

4. Выбор сглаживающего реактора

Расчет выпрямленного напряжения при максимальном напряжении в сети.

(32)

В

Определим угол при номинальном напряжении на двигателе U_н, токе I_у и максимальном напряжении сети.

(33)

= 38.8 град. эл.

Расчет амплитуды первой гармоники пульсации напряжения.

(34)

В

Расчет необходимой индуктивности в цепи выпрямленного тока.

(35)

мГн

Расчет индуктивности сглаживающего реактора.

L = L_d - L_я(36)

L = (12 - 3.9) 10^-3 = 1.11 мГн

По приложению П4 выбираем сглаживающий реактор типа ФРОС 1000/0.5 на номинальный ток 800 А с индуктивностью L_L = 2.3 мГн и активным сопротивлением обмотки r_L = 4.7 м0м

Расчет допустимого тока реактора в течение 10с при перегрузке 150%.

(37)

А

Расчет общей индуктивности и индуктивного сопротивления в цепи выпрямленного тока.

L_d = L_L + L_я(38); L_d = (9 + 3.9) 10^-3 = 4.69 мГн

x_d = L_d(39); x_d = 314 4.69 10^-3 = 1.47 Ом

Расчет напряжения на двигателе при минимальном напряжении сети и установившемся токе.

(40)

Напряжение U > U_н (224.4> 220), следовательно, выпрямитель обеспечивает заданный режим работы двигателя.

5. Расчет характеристик преобразователя

При выполнении курсовой работы характеристики построены точным методом с помощью ЭВМ.

Построены следующие характеристики:

внешние и ограничительные характеристики (рис. 2);

регулировочные характеристики (рис. 3, рис. 4);

энергетические характеристики (рис. 5, рис. 6, рис. 7).

При расчете использовались следующие параметры:

силовой трансформатор: Р_хх = 625 Вт, U₁ = 220 В, X_a = 0.0124 Ом,

K_T = 2.02, R_a = 0.0051 Ом;

тиристор: U_Т(ТО) = 1.1 В, = 15, r_T = 0.0057 Ом;

сглаживающий реактор: L_L = 0.0023, r_L = 0.0047;

двигатель: I_у = 495 А, r_я = 14.7 мОм, L_я = 2.39 мГн, K_п = 2.5

система управления U_см = 0 В, U_оп max = 10 В, пилообразное опорное напряжение

Расчет участка внешней и ограничительной характеристик приближенным методом при пренебрежении активным сопротивлениями.

Пренебрежем активным сопротивлением. Для напряжения U_З = 220 В с помощью ЭВМ определен угол = 22.175 эл.гр. Для этого угла произведем расчет.

Напряжение на холостом ходу в прерывистом режиме

где E_m=U₂6; n_г - число групп вентилей для трехфазной мостовой схемы n_г = 2;

В

Напряжение на холостом ходу в идеальном выпрямителе в непрерывном режиме

Тогда граничный ток определяется формулой:

,

где - суммарное индуктивное сопротивление в цепи преобразователя.

Уравнение внешней характеристики в непрерывном режиме:

По двум точкам строим внешние характеристики.

Уравнение ограничительной характеристики

где _min= 15 - минимальный допустимый угол выключения

Тогда при I_d = 0

При I_d=I_у=495A

Характеристики, построенные приближенным методом, практически совпадают с характеристиками, построенными с помощью ЭВМ. Можно сделать вывод, что активное сопротивление мало влияет на вид внешних характеристик.

6. Анализ полученных характеристик

Из графиков видно, что чем больше угол управления, тем ниже идут внешние характеристики. Ограничительная характеристика представляет собой прямую, которая определяет область устойчивой работы преобразователя.

Рисунок 2. Внешние и ограничительные характеристики, построенные с помощью ЭВМ и полученные приближенным расчетом

Энергетические характеристики для КПД - , коэффициента мощности - , коэффициент несинусоидальности тока - , cosц функции тока строится для угла , соответствующему номинальному напряжению на двигателе при I_у. Из графика зависимости =f(I) при разных углах управления видно: при = 86.4 гр и токе I=I_у = 495 А КПД спадает до нуля, так как напряжение на двигателе равно нулю, при токе больше I_у КПД по прежнему остается равной нулю, так как мощность положительная, а напряжение отрицательное. Из регулировочных характеристик преобразователя вместе с системой управления при U_см = 0 угол согласования ₀ = 90, поэтому в режиме непрерывного тока характеристики совпадают, что обеспечивает высокое качество регулирования, однако в режиме прерывистого тока характеристики не однозначны. В массовом электроприводе ₀ = 105…115 °. Поэтому выбираем ₀ = 110 °.

Рисунок 3. Регулировочные характеристики преобразователя U=f(Uупр) при Uсм = 0 В

Рисунок 4. Регулировочные характеристики преобразователя U=f(А)



Рисунок 5. Энергетические характеристики = f(Id) для разных заданных напряжений

Рисунок 6. Энергетические характеристики при изменении тока нагрузки



Рисунок 7. Энергетические характеристики при регулировании напряжения на якоре двигателя

инверторный привод преобразователь якорь электродвигатель

Рисунок 8. Схема принципиальная электрическая

Заключение

В результате курсовой работы был спроектирован двухкомплектный реверсивный преобразователь, удовлетворяющий всем условиям задания, а также было произведено исследования, внешних, регулировочных и энергетических характеристик преобразователя .

Реверсивными называют преобразователи, позволяющие изменить полярность постоянного напряжения и тока в нагрузке. Они применяются в электроприводе для изменения направления вращения двигателей постоянного тока.

В таблице 4 результаты расчетов для выпрямительного инверторного режима при токе I_у для номинального напряжения на якоре.

Таблица 4. Энергетические показатели

Режимы	U,B		cosц
Выпрямительный	220	0.95	0.907	0.864	0.958
Инверторный	-220	0.949	0.846	0.797	0.957

В преобразователе обеспечивается номинальное напряжение на нагрузке при установившемся токе в выпрямительном и инверторном режиме. Следовательно, он удовлетворяет требованиям задания.

Литература

1. Гельман М.В. Проектирование тиристорных преобразователей для электропривода постоянного тока: Учебное пособие - Челябинск: ЧГТУ. 1996. -91 с

2. Гельман М.В. Преобразовательная техника. Альбом схем и диаграмм: Учебное пособие - Челябинск: ЮУрГУ. 1998. -63 с

3. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: Учебник для ВУЗов/ Под редакцией Лабунцова В.А. -М.: Энергоатомиздат, 1988. -320 с.

4. Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник 2-е издании, переработанное и дополненное. -М: Энергоатомиздат, 1985. -400 с.

Размещено на Allbest.ru