Выбор вентилей для управляемого выпрямителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

[Введите текст]

ГОУ ВПО

ДВГУПС

Кафедра: «ЭлСт»

Курсовой проект на тему:

«Выбор вентилей для управляемого выпрямителя»

Хабаровск

2009



ВВЕДЕНИЕ

Основное назначение выпрямителя заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток. Дополнительной функцией выпрямителя может быть регулирование напряжения на выходе в результате изменения напряжения на входе выпрямительной установки или угла открытого состояния полупроводниковых приборов. Такие выпрямители называют управляемыми. Выпрямительные установки выполняются на основе диодов и тиристоров.

Целью инженерного расчета выпрямителя является определение основных параметров преобразовательного трансформатора, выбор типа и числа электронных приборов в одном плече выпрямительной схемы, обоснование схемы и параметров сглаживающего фильтра и определение энергетических показателей.

Расчеты выполняются с использование схемы замещения. Цепи выпрямителя являются нелинейными, и их расчеты выполняются на основе методов общей теории электрических цепей.



ОБЪЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1. Вычертить однолинейную и расчётную схемы.

2. Произвести расчет токов к.з. при замыкании шин выпрямленного напряжения на землю и пробое вентильного плеча.

3. Выбрать тип тиристора.

4. Определить число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече.

5. Определить число параллельно включенных тиристоров в вентильном плече.

6. Рассчитать общее количество тиристоров в выпрямителях.

7. Определить параметры резисторов и конденсаторов в тиристорном плече, необходимые для равномерного распределения прямого тока и обратного напряжения.

8. Построить диаграммы очередности подачи управляющих импульсов на тиристорные плечи при = 0 и =15 0

9. Построить диаграммы открытых состояний тиристорных плеч при = 0 и = 15 0.

10. Построить временную диаграмму формирования обратного напряжения на тиристорном плече при = 0 и = 15 0.

11. Построить временную диаграмму тока к.з. при пробое вентильного плеча выпрямителя при = 0.

12. Изобразить принципиальную схему тиристориого плеча с обозначением всех элементов.



ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Напряжение и мощность короткого замыкания на первичных шинах подстанции:

UС =35 кВ, SКЗ = 330000 кВА.

Колебания напряжения питающей сети КС% = 6.2 %

Параметры выпрямителей:

Количество выпрямителей NВ =2; мощность выпрямителя РВ =4930 кВт; номинальный ток Id = 930 А; выпрямленное напряжение Ud0 = 3690 В.

Параметры преобразовательного трансформатора:

Мощность SТ2 = 6300 кВА; первичное напряжение U1 = 35 кВ; напряжение к.з. UК2% = 7.8 %; мощность к.з. РК2 = 46.4 кВт; мощность х.х. РХ2 = 8.2 кВт;

Количество: N2 = 2.

Отношение величины коммутационного (повторяющегося) перенапряжения к максимальному обратному: К = 1,05.

Отношение амплитуды неповторяющегося перенапряжения к Udном КUH = 2.95.

Коэффициент перегрузки Кпер =1,33.

Температура охлаждающего воздуха Та = 26.3?



1. РАСЧЁТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1.1 Подготовка исходных данных

Исходными данными для расчётов являются паспортные параметры установленного на подстанции основного оборудования и характеристики пинающей сети (прилагаются в задании на курсовую работу). Наиболее тяжёлыми аварийными режимами полупроводникового выпрямителя являются короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения и пробой вентилей, что в итоге тоже приводит к короткому замыканию.

При анализе аварийных процессов обычно принимают допущения, которые существенно упрощают расчет и практически не оказывают заметного влияния на точность полученных результатов. В курсовой работе используются следующие допущения:

При расчётах токов к.з. вентили принимаются идеальными и падением напряжения в них пренебрегаем;

Все активные и индуктивные сопротивления линейны;

Трёхфазная питающая сеть имеет синусоидальное и симметричное напряжение;

Намагничивающий ток трансформатора не учитывается.

Авария в преобразователе возникает при установившемся режиме работы питающей сети.

Активным сопротивлением питающей сети пренебрегаем.

Индуктивность в цепи выпрямленного тока равна бесконечности.

Однолинейная и расчетная схемы представлены на рисунках 1 и 2.

Развитие аварии в выпрямителе при указанных допущениях определяется параметрами цепи переменного тока (индуктивным сопротивлением - Ха и активным сопротивлением - Ra) приведёнными к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата.

При заданной мощности короткого замыкания в питающей сети индуктивное сопротивление от источника до места подключения подстанции (с учётом приведения к напряжению U2ф ) определяется по формуле:

, Ом (1)

Где КТ2 - коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя;

Uс - линейное напряжение питающей сети, кВ;

Sкз - мощность короткого замыкания, кВА.

Коэффициент трансформации находятся по следующим формулам:

Тогда

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора выпрямителя, приведенное к напряжению вторичной обмотки,

, Ом (2)

где UК2% - напряжение короткого замыкания трансформатора выпрямителя, %;

U2Ф - напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ;

SТ2 - номинальная мощность трансформатора выпрямителя, кВА.



По данным выражений (1), (2) находится индуктивное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя:

, Ом (3)

где N2 - количество трансформаторов выпрямительных агрегатов.

Активное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя определяется по выражению:

, Ом (4)

где Ra2 - активное сопротивление фазы выпрямительного трансформатора, приведенное к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, Ом;

Значение Ra2 определяется по аналогичной формуле:

, Ом (5)

где PK2- мощность потерь из опыта короткого замыкания трансформатора выпрямителя, кВт.

Тогда по выражению (4):

1.2 Короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения

Для расчёта принимается наиболее тяжёлый режим развития аварии. Под нагрузкой находятся все трансформаторы и выпрямители. Короткое замыкание происходит при работе выпрямителя с углом регулирования =0, когда ток к.з. достигает максимальных значений. В курсовой работе предполагается, что с возникновением к.з. система управления блокируется и управляющие импульсы на тиристоры не поступают, начиная с очередной по времени коммутации. Такой ток к.з. можно рассматривать как ударный и если его значение, приходящееся на один тиристор, окажется меньше паспортного ударного тока тиристора, то он при заданном к.з. проходит по ударной токовой и термической нагрузке. Поскольку в курсовой работе заданы мощные высоковольтные выпрямители, то в них для защиты от токов к.з. плавкие предохранители не предусматриваются и по защитному показателю тиристоры в расчетах не проверяются.

Среднее значение тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения соответственно определится:

, А (6)

В этом выражении все величины и их размерности определены ранее.

Максимальное значение тока к.з. учитывается ударным коэффициентом К:

, А (7)

где К - переходный коэффициент от среднего к максимальному значению, определяется по графику в виде зависимости К =(Ra/Xa ), рис. 1, приложения 1

Определяя по графику значение К, получаем: К =2,3

Максимальное значение тока тиристорного плеча в мостовой схеме:

, А (8)

где NB - количество находящихся в работе выпрямителей (см. задание).

При включении в вентильном плече "а" параллельных тиристоров максимальный ударный ток короткого замыкания, проходящий через один тиристор, будет равен:

, А (9)

где КН =0,9 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по тиристорам,

Паспортный ударный неповторяющийся ток тиристора должен быть больше тока, определённого по выражению (9). Предварительно выбрав тиристор из условия, что расчетный параметр "а" в плече должен быть близким очередному большему целому числу, подбором найдём (с последующим округлением)

, (10)

где IT уд. пасп. - паспортный ударный неповторяющийся ток через открытый тиристор, А.

Выбираем тип тиристора Т-500. (IT уд. пасп=10,4 кА)

Принимаем а=5, тогда

При взятом типе тиристоров и количестве их в плече с соблюдением условия (10) обеспечивается динамическая и термическая устойчивость приборов в случае к.з. на шинах выпрямленного напряжения. Заведомо брать большое число "а" не рекомендуется, т.к. это неоправданно усложняет схему и удорожает всю установку.

1.3 Короткое замыкание при пробое тиристорного плеча

При пробое одного из тиристорных плеч выпрямителя (рис. 6) возникает внутреннее короткое замыкание, вызывающее динамическую перегрузку оставшихся в работе тиристорных плеч. К повреждению тиристоров наиболее часто приводит резкий скачок обратного напряжения в конце периода коммутации. Авария (пробой) в момент окончания коммутации является наиболее тяжёлой по амплитуде тока к.з., длительности и тепловому воздействию.

Для построения зависимости тока к.з. в функции времени и определения его максимального значения при пробое тиристорного плеча используется методика, где в относительных величинах заданы значения .

Используя рис. 2 приложение 1 получаем:

В расчёте предполагается пробой в конце периода коммутации при = 0, что соответствует наиболее тяжёлому режиму развития внутреннего к.з. в выпрямителе. Система управления оснащена схемой блокирования управляющих импульсов до первой очередной коммутации.

Фактическое значение амплитуды тока к.з. определяется по выражению:

, А (11)

где Im - значение тока к.з. на выводах вторичной обмотки трансформатора выпрямителя:



, А (12)

Здесь U2ф - действующее номинальное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ;

КС - коэффициент, учитывающий повышение напряжения в питающей сети:

Значения Ха и Ra определяются по выражениям (3), (4) где следует принять N2=1.

,

Значение ударного тока одного тиристора IT УД. при этом виде к.з. определяется по выражению (9), где параметр "а" выбран из условия устойчивости тиристоров при к.з. на шинах выпрямленного напряжения (10).



Расчетное значение IT УД не превышает паспортного ударного тока тиристора, предварительно выбранного на основе расчета тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения.

1.4 Проверка тиристоров по току рабочего режима

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

, (13)

где IП - средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной нагрузке (Id ном) А,

КПЕР - коэффициент допустимой длительной перегрузки, из задания, КПЕР =1,9;

ITт - предельный средний прямой ток тиристора для заданных условий работы;

КН -коэффициент неравномерности распределения тока по тиристорам КН=0,9.

Предельный средний прямой ток тиристора при заданных условиях работы выпрямителя рассчитывается по выражению:



, (14)

где UТ0 - пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии, UТ0=1,3 В;

Кф - коэффициент формы тока вентильного плеча в заданной схеме выпрямления, Кф=1,73;

rТ - динамическое сопротивление тиристора, rT = 0,64 10-3Ом;

Tjm - максимально допустимая температура р-n перехода, Tjm=1250;

Та - температура охлаждающего воздуха, Та=26,30С

R - сопротивление стоку тепла от р-n перехода в охлаждающую среду для выбранного тиристора :

,

где составляющие R являются паспортными параметрами отдельных участков стока тепла, от полупроводниковой структуры в охлаждающую среду:

Тогда:

а=2

Из значений, полученных исходя из условий (10), (13) выбираем наибольшее, при котором исключаются недопустимые перегрузки тиристоров по току во всех режимах работы выпрямителя и структура вентилей не достигнет предельной температуры при заданных условиях охлаждения. Принимаем a = 5.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ТИРИСТОРОВ

Количество тиристоров в последовательной цепочке должно быть таково, чтобы при заданном рабочем напряжении сети с учетом возможных отклонений, коммутационных и неповторяющихся перенапряжений, максимальное обратное напряжение на любом тиристоре выпрямителя не превышало бы соответствующего паспортного параметра тиристора. Число последовательно соединенных тиристоров в вентильном плече определяется по выражению:

, (15)

где Uпл.мах - максимальное значение обратного напряжения, воздействующего на вентильное плечо в заданной схеме выпрямителя с учетом бросков и колебаний напряжения в сети, В

UТ повт - паспортное значение допустимого обратного напряжения на тиристоре,

UТ повт = 2400 В.

КHU - коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристором, КHU = 0,8.

Величина Uпл. мах определяется с учетом коммутационных перенапряжений:

, (16)



где Uв мах - максимум обратного напряжения в заданной схеме выпрямителя при номинальном напряжении сети, Ubmax = 1,05*Ud = 3875 B;

kг - коэффициент, показывающий отношение величины коммутационного перенапряжения к максимальному обратному напряжению, kг = 1,05;

Кс - колебание напряжения в сети, Кс = 6,2%

Тогда:

Принимаем .

Количество последовательно включенных тиристоров, определенное на основе повторяющихся бросков перенапряжения должно быть проверено по условию воздействия неповторяющихся бросков перенапряжения.

где Udном - номинальное выпрямленное напряжение, В

kUН - коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения, kUН = 2,95;

КН - коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, КН =0,9

UТнеп - паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора, UТнеп=2880В.

Тогда:

Принимаем



3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВО ТИРИСТОРОВ

Количество тиристоров выбранного типа, необходимое для комплектования выпрямителей подстанции, соответственно определяется:



4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ

4.1 Равномерное распределение прямого тока в тиристорах

При параллельном соединении тиристоров для равномерного распределения тока необходимо выбрать их с одинаковыми вольт - амперными характеристиками. Однако, даже с учетом этого требования, подбор не удается осуществить, т.к. с течением времени характеристики изменяются, что приводит к разбалансу токов в тиристорах плеча. Основываясь на обобщении эксплуатационных данных, можно более просто решить распределение токов по тиристорам с помощью резисторов Rс, через которые включаются в узловую точку аноды тиристоров, находящихся в одном ряду вентильного плеча. В выпрямительных агрегатах электрифицированных железных дорог сопротивлен ие резисторов связи принимается равным 1…10 Ом. Изготавливают резисторы из нихромовой проволоки диаметром 0,6…1,0мм.

4.2 Равномерное распределение обратного напряжения

Как при параллельном, так и последовательном соединении тиристоров требуется применение дополнительных средств выравнивания прямых и обратных напряжений на закрытых тиристорах. Подбор тиристоров по вольт - амперным характеристикам не может обеспечить равномерного распределения напряжения по цепочке последовательно соединенных тиристоров. Одним из наиболее распространенных способов выравнивания напряжения на закрытых последовательно соединенных тиристорах является шунтирование их активными сопротивлениями. Сопротивление шунтирующего резистора определяется по формуле:



где в - число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече;

UТ повт - паспортное значение допустимого повторяющегося обратного напряжения на тиристоре, В;

Uпл. мах - наибольшее обратное напряжение, воздействующее на тиристорное плечо в заданном преобразователе, В;

Iоб - повторяющийся обратный ток в закрытом тиристоре (паспортный параметр), мА;

Мощность шунтирующего резистора определяется по выражению:

где Ка - коэффициент амплитуды, Ка =0,4…0,5.

Для исключения возможности попадания бросков перенапряжения на закрытые тиристоры дополнительно, в параллель шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующие цепочки Rд,Cд. Значение емкости определяется по формуле:

где щ - угловая частота, щ=314 1/с;

k - коэффициент неравномерности распределения напряжения, k=0,9;

UТ повт, Iоб - паспортные параметры тиристоров, соответственно В, мА.

Исходя из опыта проектирования и эксплуатации полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций, параметры демпфирующей цепочки рекомендуется выбирать в пределах Rд = 20…40 Ом, Сд = 0,25…2 мкФ.

Мощность резистора демпфирующего устройства выбирается в пределах Рд=10…15Вт

Принимаем: Rд=30 Ом, Рд= 12Вт.

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение



5. НАХОЖДЕНИЕ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ДИАГРАММ

Вычисляем угол коммутации.

При

При



6. ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ

В соответствии с заданием в курсовой работе надлежит построить временные диаграммы: очерёдности подачи управляющих импульсов; отображения открытого состояния тиристорных плеч; формирования обратного напряжения на закрытом тиристорном плече; развития (изменения) тока к.з. до его ликвидации. При построении анализируемые диаграммы будем располагать одну под другой по вертикали в системе одновременного отсчета времени по горизонтали от = 0 до =360 эл. град. Все указанные временные диаграммы связаны с системой напряжений на вторичной обмотке трансформатора выпрямителя. Поэтому диаграммы будем строить под волновой диаграммой фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора выпрямителя с обозначением (по вертикали) временной связи изменения анализируемых кривых с кривыми фазных напряжений.



ПРИЛОЖЕНИЯ

замыкание резистор конденсатор схема



Размещено на Allbest.ru