Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электропривода

КУРСОВАЯ РАБОТА

по преобразовательной технике

«Расчет силовой части тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока»

Липецк 2012



ЗАДАНИЕ КАФЕДРЫ

Выполнить расчет силовой части реверсивного двухкомплектного тиристорного преобразователя, предназначенного для питания якорной цепи двигателей постоянного тока, в следующей последовательности:

- составить расчетную электрическую схему силовой части преобразователя и выбрать для нее трансформатор, тиристоры и реакторы;

- рассчитать и выбрать элементы защиты;

- рассчитать и построить регулировочные характеристики преобразователя;

- рассчитать и построить семейство электромеханических характеристик привода при совместном и раздельном управлении тиристорными комплектами;

- построить временные диаграммы уравнительного напряжения и тока при совместном управлении тиристорными комплектами;

- рассчитать зависимость потребляемой преобразователем активной, реактивной и полной мощности, коэффициента мощности и коэффициента полезного действия от частоты вращения якоря двигателя (при номинальном токе якоря).

- начертить принципиальную электрическую схему силовой части преобразователя, указать назначение всех ее элементов и подробно описать работу преобразователя в установившемся и переходном режимах.

АННОТАЦИЯ

С. 31. Ил. 9. Табл. 3. Литература 7 назв.

В курсовой работе выполнен расчет силовой части реверсивного двухкомплектного тиристорного преобразователя.



Исходные данные: ВАРИАНТ 23

Тип схемы: нулевая встречно-параллельная

Способ управления: раздельное

_в+_и: 190⁰

I_min/I_ном100: 35%

(I_min)/_ном100: 40%

Линейное напряжение питающей сети: ~220 В.

Двигатель: ПН-1750-33

Параметры двигателя

				rЯ+rДП	2р
кВт	об/мин	А	В	Ом	-
33,5	800	172	220	0,062	4



1. Расчет силовой схемы тиристорного преобразователя

1.1 Определение параметров и выбор трансформатора

Трансформатор выбираем на основе расчетных вторичных напряжений и токов, а также расчетной мощности.

Принимаем, что выпрямленное напряжение преобразователя U_d равно номинальному напряжению двигателя U _дн, а выпрямленный ток I _d = I _дн.

При работе в зоне непрерывных токов расчетное значение вторичного фазного напряжения трансформатора определим по формуле (для минимальных и максимальных значений коэффициентов):

где К_u= 0,855 - коэффициент схемы;

К_c=1,051,1 - коэффициент учета колебания напряжения сети на 10%;

К=1,051,1 - коэффициент, учитывающий неполное открывание вентилей для минимального угла управления при _И+ _В > 180?;

=1,05 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в преобразователе;

U_dН =220 B - номинальное напряжение якоря двигателя.

Расчетное значение тока фазы вторичной обмотки трансформатора (для минимальных и максимальных значений коэффициентов) составит:

где k_i2= 0,577 -коэффициент схемы;

kА=1,051,1- коэффициент, учитывающий отклонение формы фазного тока от прямоугольной;

I_dН =172 А - номинальный ток якоря двигателя.

Расчетная типовая мощность (для минимальных и максимальных значений коэффициентов) рассчитывается по формуле:

где k_s =1,35 - коэффициент схемы и группы соединений обмоток.

Выбираем трансформатор из условий:

По полученным результатам выбран трансформатор ТСП-125/0,7 со следующими параметрами:

Схема соединения обмоток: Y/Yн-0;

Номинальная мощность, Sн : 93 кВА;

Номинальное линейное напряжение первичной обмотки: 380 В;

Номинальное линейное напряжение вторичной обмотки: 410 В;

Номинальный фазный ток вторичной обмотки: 131 А;

Напряжение короткого замыкания U_k%: 5,8%;

Потери короткого замыкания P_k: 2700Вт.

По техническим параметрам трансформатора вычисляем следующие данные:

- коэффициент трансформации:

- номинальное значение фазного тока первичной обмотки:

- активное сопротивление фазы трансформатора:

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора:

1.1. 

1.2 Выбор тиристоров

Тиристоры выбираем по среднему значению тока через вентиль с учетом увеличения тока двигателя в переходных режимах и по максимальному значению обратного напряжения.

Среднее значение тока через тиристор с учетом того, что тиристор в трехфазных схемах открыт треть периода:

где k_зi=2…2,5 - коэффициент запаса по току,

k_ох=0,3…1 - коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения,

Максимальная величина обратного напряжения на вентиле в запертом состоянии равна междуфазному напряжению вторичной обмотки трансформатора с учетом возможных перенапряжений рассчитывается по формуле:

где k_зн=1,5…1,8 - коэффициент запаса по напряжению;

Выбираем тиристоры с предельными эксплуатационными параметрами, определяемыми из условий:

Из этих условий выбираем тиристоры марки Т143-500-10, имеющие следующие предельные параметры:

- повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии Uзс.п: 1000 В,

- максимально-допустимый средний ток в открытом состоянии Ioc.ср.макс.: 500 А,

- ударный неповторяющийся ток в откр. состоянии при длит. имп.tи=10мс: 10,0кА,

- постоянное или импульсное напряжение в открытом состоянии Uос: 1,80 В,

- время выключения tи: 500 мкс,

- время обратного восстановления tвос.обр.: 27 мкс.

1.3 Расчет индуктивности уравнительных реакторов

В реверсивных тиристорных преобразователях при совместном управлении группами мгновенные значения напряжений выпрямителя и инвертора могут быть неодинаковы, поэтому появляется неуравновешенное напряжение U_УР, под действием которого протекает ток. Для ограничения этого тока применяют уравнительные реакторы.

Расчетная индуктивность реактора равна:

Здесь I_УР - действующее значение уравнительного тока, f - частота питающей сети, K_? - коэффициент действующего значения уравнительного тока.

Для ограничения уравнительных токов нашей схемы выбираем уравнительный 4 реактора типа РОС-32/0,5-Т с основными параметрами:

· номинальное постоянное напряжение питания преобразователя: U_ур,н=220 В;

· номинальная сила постоянного тока реактора: I_ур,н=320 А;

· сила уравнительного тока реактора: I_ур=31 А;

· индуктивность: L_ур=9,35 мГн.

При этом выполнены условия:

1.4 Расчет индуктивности сглаживающих реактов

Сглаживающие реакторы включаются последовательно с якорем двигателя и выбираются из условия сглаживания пульсаций выпрямленного тока до допустимого значения.

Расчет индуктивности цепи выпрямленного тока из условия сглаживания пульсаций до требуемого уровня производим по формуле:

,

где: kp - число пульсаций за период (для трехфазной нулевой схемы kp=3);

К_П(1)%=10% - допустимое действующее значение основной гармоники тока, принимается в зависимости от мощности привода, диапазона регулирования скорости и допустимого ухудшения коммутации;

U_dnm - амплитудное значение гармонических составляющих выпрямленного напряжения первой гармоники и минимального рабочего угла =30⁰ при нулевой схеме

Тогда расчетная индуктивность цепи выпрямленного тока из условия сглаживания составит:

Расчет индуктивности сглаживающего реактора из условия обеспечения непрерывного тока в рабочем диапазоне изменения нагрузок при раздельном управлении группами тиристорного преобразователя при трехфазной нулевой схеме производим по формуле:

где I_dгр= 0,35·172=60,2 А - гранично-непрерывный ток, определяемый заданием,

f = 50 Гц -частота питающей сети,

-угол регулирования, соответствующий скорости двигателя щя.гр при токе двигателя I_dmin,

- минимальное значение частоты якоря при гранично-непрерывном токе, определяем из задания,

С - конструктивная постоянная двигателя.

Произведем расчет индуктивности якоря двигателя по формуле:

где Я=0,6-коэффициент для некомпенсированных машин,

p=2 - число пар полюсов,

щя.н.-номинальная угловая частота вращения.

Требуемую величину индуктивности сглаживающего реактора для схемы с раздельным управлением рассчитываем по формуле ( для большего из значений или ):

Исходя из полученного результата и учитывая габариты, по каталогу выбираем сглаживающий реактор ФРОС-65/0,5, имеющий следующие технические данные:

- индуктивность при последовательном соединении обмоток: 1 мГн;

- номинальный выпрямленный ток сглаживания: 320 А;

- сопротивление обмотки постоянному току Ом;

- масса: 84 кг.



2. РАСЧЕТ И Выбор элементов защиты

1) Для защиты вентилей и фазных обмоток трансформатора плавкими предохранителями необходимо соблюсти следующие условия:

где К3i =2…2,5 - коэффициент запаса, учитывающий увеличение тока через вентиль при переходном процессе;

п =1 - количество параллельно соединенных вентилей.

А

Выбранный предохранитель должен ограничивать время протекания аварийного тока через вентиль таким образом, чтобы не превысить максимально допустимую температуру полупроводника и предела термодинамической стойкости элементов конструкции вентиля. Для оценки защищенности вентиля сравнивают его защитный показатель I²t с интегралом Джоуля предохранителя I²_ПРt.

При этом должно выполняться условие:

Защитный показатель тиристора определяют из каталога или вычисляют по формуле:

где - ударный неповторяющийся ток в откр. состоянии;

- длительности импульса.

Так как условие выполняется, то предохранитель выбран верно.

Исходя из полученных результатов выбираем предохранитель ПП57-3437-34-3-У3 для него, имеющие следующие технические данные:

- номинальное напряжение: 0,44 кВ;

- номинальный ток : предохранителя - 250 А;

плавкой вставки - 250 А;

- значение преддугового интеграла Джоуля: минимальное: A²·c;

максимальное: A²·c;

2) Для защиты вентилей от перенапряжений, возникающих при включении и отключении трансформатора, необходимо между фазными выводами вторичной обмотки включить демпфирующие цепи RфCф.

Рассчитываем емкость и сопротивление по формулам:

где: Sн = 93 кВ·А, номинальная мощность трансформатора,

I0 = 3%, ток холостого хода трансформатора,

Uзс,п = 1000В, повторяющееся импульсное напряжение на вентиле в закрытом состоянии,

Uобр.=,максимальное обратное напряжение на вентиле в закрытом состоянии,

Принимаем конденсаторы

Принимаем резисторы

3) Для подавления периодических коммутационных перенапряжений на вентиле, возникающих при его запирании, необходимо параллельно каждому тиристору включить демпфирующие цепи RvCv.

Рассчитываем емкость и сопротивление по формулам:

Где

Uk = 5,8% - напряжение короткого замыкания трансформатора,

щ=2·р·f=314 рад./сек - угловая частота сети,

бн=30° - угол управления при номинальных напряжении и токе преобразователя,

г = 20° - максимальный угол коммутации вентиля

Принимаем конденсаторы



Принимаем резисторы

4) Для защиты трансформатора преобразователя со стороны питающего напряжения выбран автоматический выключатель серии А3716Б (SF1) на переменный ток с параметрами:

- номинальный ток выключателя;

- номинальное напряжение;

- номинальный ток теплового расцепителя

5) Для защиты преобразователя и якоря двигателя от аварийных режимов на стороне постоянного тока, применим автоматический выключатель серии А3725Б (SF2)на постоянный ток:

по условию Iном.расц.? 1,2Idн.

- номинальный ток выключателя;

- номинальное напряжение;

- номинальный ток теплового расцепителя

6) Для защиты цепи возбуждения параллельной обмотки (I ном.= 1,25А) двигателя применим быстродействующий автоматический выключатель серии АП50Б2М (SF3) по условию Iном.расц.?1,2 Iном.обм.

- номинальное напряжение;

- номинальный ток расцепителя

уставка по току мгновенного срабатывания I/Iном - 3,5

7) Для защиты релейно-контактной схемы применим быстродействующий автоматический выключатель серии АП50Б2М (SF4)

- номинальное напряжение;

- номинальный ток расцепителя

уставка по току мгновенного срабатывания I/Iном - 3,5



3. Расчет и построение регулировочных характеристик

Регулировочные характеристики E_d=f(₁) и E_d=f(₂) в зоне непрерывных токов строим по соотношению:

Где - эквивалентное сопротивление тиристорного преобразователя

где m=3 - число фаз преобразователя;

R_T и x_T - соответственно активное и реактивное сопротивление фазы силового трансформатора.

Регулировочные характеристики представлены на рисунке 1 в приложении.

Таблица 1. Регулировочные характеристики ЭДС и напряжения преобразователя в зоне непрерывных токов.

0	260,52	276,86	190	256,09	272,43
10	256,09	272,43	180	260,52	276,86
20	243,79	260,13	170	256,09	272,43
30	223,42	239,76	160	243,79	260,13
40	196,08	212,07	150	223,42	239,76
50	161,62	177,96	140	195,73	212,07
60	122,09	138,43	130	161,62	177,96
70	78,35	94,69	120	122,09	138,43
80	31,73	48,07	110	78,35	94,69
90	-16,34	0	100	31,73	48,07
100	-64,41	-48,07	90	-16,34	0
110	-111,03	-94,69	80	-64,41	-48,07
120	-154,77	-138,43	70	-111,03	-94,69
130	-193,6	-177,26	60	-154,77	-138,43
140	-228,41	-212,07	50	-193,6	-177,26
150	-256,1	-239,76	40	-228,41	-212,07
160	-276,47	-260,13	30	-256,1	-239,76
170	-288,77	-272,43	20	-276,47	-260,13
180	-293,22	-276,88	10	-288,77	-272,43
190	-288,77	-272,43	0	-293,2	-276,86

Рисунок 1. Графики регулировочных характеристик для эдс и напряжений преобразователя

4. 

4. Расчет электромеханических характеристик

4.1 Расчет параметров цепи якоря

Расчетное сопротивление цепи выпрямленного тока определяем по формуле:

,

где ()=0,062 Ом - сопротивление обмоток якоря и дополнительных полюсов при 15⁰С

4.2 Расчет электромеханических характеристик в зоне непрерывных токов

Уравнение электромеханической характеристики имеет вид:

где U_В=1,8 В - падение напряжение на тиристоре;

Расчетная индуктивность цепи якоря составит:



где L_Т=X_Т/(2f)=0,0003 мГн- индуктивность трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке.

Электромагнитная постоянная времени Т_Э=L_Я/R_Я =0,0302 (Гн/Ом).

Так как данное уравнение - уравнение прямой, то для построение электромеханической характеристики используем два тока - 3Iном. и 3Iном. ( - 516А и 516А -результаты расчетов сведены в таблицу 1, а график представлен на рисунке 2 в приложении ).

Таблица 2. Семейство электромеханических характеристик в зоне непрерывных токов.

1 комплект	2 комплект
0	111,36	49,11	190	109,6	170,24
15	107,23	45,18	175	100,85	161,4
30	96,34	34,08	160	85,13	145,71
45	78,53	16,27	145	63,56	124,14
60	55,31	-6,93	130	39,38	98,19
75	28,28	-33,97	115	9,04	69,62
90	-0,72	-62,98	100	-12,01	40,39
105	-29,73	-91,99	85	-48,09	12,48
120	-56,77	-119,01	70	-65,13	-12,19
135	-79,98	-142,24	55	-92,54	-31,96
150	-97,8	-158,05	40	-106,5	-45,47
165	-108,9	-167,14	25	-112,39	-51,8
180	-112,8	-175,07	10	-114,5	-57,53

4.3 Расчет электромеханических характеристик в зоне прерывистых токов

Для расчета электромеханических характеристик в зоне прерывистых токов задаёмся угловой длительностью прохождения тока 120⁰ с шагом 15⁰ и вычисляем ЭДС и ток якоря по формулам:

где U_2макс. = U_{2л макс.} = U_2лн = 236,7=334,76 В - амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора для нулевой схемы. Результаты вычисления сведем в таблицу 2.

По значениям я и Id строим электромеханические характеристики в зоне прерывистых токов для фиксированных углов от нуля до непрерывных значений и выделим на графике зону прерывистых токов (рисунок 3, приложение ).

При , стремящемся к нулю, ток также стремится к нулю, а ЭДС стремится к определенному пределу. При изменении от 0⁰ до 60,⁰ при =0, величина ЭДС преобразователя не зависит от и равна амплитуде вторичного напряжения трансформатора U_2макс. = 334,76 В .

При ? 60⁰ этот предел равен значению мгновенного напряжения трансформатора в момент открывания тиристора:

Таблица 3. Расчет электромеханических характеристик в зоне прерывистых токов.

		15	30	45	60	75	90	105	120	135	150	165	180
=15	Eя, B	265	309	331	331	307	263	200	124	39	-48	-133	-208
	я, с-1	107	125	134	134	124	106	81	50	16	-20	-54	-84
	Id, A	-0,052	-0,032	-0,011	0,012	0,033	0,053	0,069	0,08	0,085	0,085	0,079	0,067
=30	Eя, B	287	320	331	319	285	232	162	82	-5	-91	-170	-238
	я, с-1	116	130	134	129	115	94	66	33	-2	-37	-69	-96
	Id, A	-0,339	-0,173	0,004	0,181	0,346	0,487	0,594	0,661	0,682	0,656	0,585	0,473
=45	Eя, B	302	324	323	300	257	196	121	38	-47	-130	-203	-262
	я, с-1	122	131	131	122	104	79	49	15	-19	-52	-82	-106
	Id, A	-0,086	-0,286	0,313	0,890	1,406	1,825	2,119	2,266	2,258	2,094	1,786	1,355
=60	Eя, B	309	320	308	275	224	157	79	-5	-87	-164	-230	-280
	я, с-1	125	129	125	111	91	63	32	-2	-35	-67	-93	-113
	Id, A	-1,359	00,32	1,421	2,712	3,816	4,658	5,178	5,343	5,139	4,582	3,709	2,581
=75	Eя, B	309	308	286	245	187	116	36	-45	-124	-194	-250	-290
	я, с-1	125	125	109	93	71	44	14	-17	-47	-74	-95	-110
	Id, A	-1,131	1,238	3,522	5,564	7,223	8,384	8,968	8,935	8,286	7,067	5,361	3,286
=90	Eя, B	301	290	259	211	148	74	-4	-82	-155	-217	-264	-292
	я, с-1	114	110	105	85	60	30	-2	-33	-63	-88	-107	-118
	Id, A	0,104	4,63	8,837	12,43	15,17	16,87	17,41	16,74	14,93	12,08	8,41	4,15
=105	Eя, B	287	266	228	174	108	34	-42	-115	-180	-233	-270	-288
	я, с-1	116	108	92	70	44	14	-17	-47	-73	-94	-109	-116
	Id, A	3,705	10,54	16,64	21,61	25,08	26,83	26,73	24,79	21,14	16,04	9,833	2,948
=120	Eя, B	266	238	193	135	68	-4	-76	-142	-199	-242	-268	-276
	я, с-1	108	96	78	55	28	-2	-31	-58	-81	-98	-109	-112
	Id, A	10,44	19,93	28,04	34,23	38,05	39,26	37,77	33,67	27,25	18,96	9,36	-0,87

Считая U_d = Е_я , строим график регулировочной характеристики преобразователя в зоне прерывистых токов (рисунок 4, приложение).

4.4 Определение границы устойчивого инвертирования

Для обеспечения надежности инвертирования необходимо выполнить условие:

где - угол коммутации; - угол опережения открывания тиристора; - угол восстановления запирающих свойств тиристора.

где

Наибольшее значение скорости привода, соответствующее надежному процессу инвертирования, определяется по формуле:

По данному уравнению строим линию предельного режима инвертирования на семействе электромеханических характеристик в зоне прерывистых токов.

5 

5. Построение диаграммы уравнительного напряжения и тока

Диаграмму уравнительного напряжения u_УР при совместном управлении определяют как разницу мгновенных значений напряжения комплекта u_dВ, работающего в выпрямительном режиме, и напряжения комплекта u_dИ, находящегося в режиме готовности к инвертированию:

Построение диаграммы уравнительного напряжения выполняем в следующей последовательности:

для заданного угла ^I_В=65 эл. град. строим диаграмму напряжения u_dВ;

по согласованию (_В+_И), вычисляем угол опережения _И для комплекта, находящегося в режиме готовности к инвертированию:

для вычисленного по угла _И построим диаграмму напряжения u_dИ

и график u_УР, выполнив для этого графическое вычитание u_dИ из u_dВ.

Пренебрегая активным сопротивлением контура уравнительного тока i_УР, можно записать соотношение:

Отсюда можно вычислить:

Если полагать, что уравнительное напряжение изменяется практически по линейному закону, то кривая уравнительного тока, в соответствии с формулой, будет иметь параболический характер.

Построение диаграммы уравнительного напряжения и тока приведены на рисунках

6 

6. Определение полной мощности, ее составляющих, коэффициента мощности и кпд тиристорного преобразователя

Изменение частоты вращения при неизменном токе якоря приводит к перераспределению активной и реактивной составляющих полной мощности, потребляемой преобразователем из сети. При этом изменяются коэффициент мощности преобразователя и коэффициент полезного действия привода.

Относительная величина полной мощности, потребляемой тиристорным преобразователем из сети:

где K₁ для нулевой схемы равен 1,28;

- угол коммутации (в радианах).

Относительная величина активной составляющей мощности:

Относительная величина реактивной составляющей мощности:

Относительная величина мощности основной гармоники:

трансформатор тиристорный преобразователь сеть



Относительная величина мощности искажений:

Коэффициент мощности преобразователя:

Коэффициент полезного действия привода при номинальном токе двигателя и относительной частоте вращения якоря:

Где .

Угол управления и угол коммутации вычисляют из соотношений:

По формулам производим расчёт и строим графики зависимостей полной мощности и её составляющих, коэффициента мощности и коэффициента полезного действия от изменения относительного значения частоты вращения якоря в пределах от 0 до 1). Результаты расчёта свёл в таблицу 4.

Таблица 4. Результаты вычислений полной мощности, её составляющих, коэффициента мощности и КПД тиристорного преобразователя.

	0	10	20	30	40	50	60	70	83,7
	0	0,119	0,238	0,358	0,477	0,597	0,716	0,836	1
	1,384	1,292	1,197	1,098	0,994	0,882	0,759	0,617	0,352
	0,054	0,055	0,057	0,059	0,063	0,068	0,075	0,087	0,132
	1,333	1,333	1,333	1,332	1,332	1,331	1,330	1,329	1,324
	0,159	0,248	0,338	0,428	0,518	0,608	0,698	0,788	0,911
	0,986	0,968	0,949	0,922	0,917	0,811	0,741	0,698	0,551
	0,999	0,999	0,999	0,999	0,999	0,999	0,999	0,999	0,998
	0,882	0,882	0,882	0,882	0,882	0,882	0,878	0,876	0,870
	0,119	0,186	0,253	0,321	0,388	0,456	0,524	0,592	0,688
	0,295	0,524	0,641	0,712	0,759	0,793	0,819	0,839	0,861



Список источников

1. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977.

2. Зимин Е.Н., Кацевич В.Л., Козырев С.К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоиздат, 1981.

3. Силовые полупроводниковые преобразователи в металлургии. Под ред. С.Р.Рязинского. М.: Металлургия, 1976.

4. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. М.: Радио и связь, 1988.

6. Резисторы: Справочник/В.В.Дубровский, Д.М.Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И.Четверткова и В.М.Терехова. - М.: Радио и связь, 1991.

7. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник/В.П.Берзан, Б.Ю.Геликман, М.Н.Гураевский и др.; Под ред. Г.С.Кучинского. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

Размещено на Allbest.ru