Статический преобразователь средней мощности

Тольяттинский политехнический институт

Кафедра «Промышленная Электроника»

Курсовой проект по Преобразовательной Технике

«СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ»

Студент: Глушенков М.С.

Вариант: 19

Группа: Э-405

Преподаватель: Бар В.И.

Тольятти 1998

Содержание

 

Введение

1. Анализ состояния перспектив проектирования и разработки статических преобразователей средней мощности (СПСМ).

2. Расчёт токов и напряжений. Выбор тиристоров и охладителей

3. Расчёт семейства внешних характеристик.

4. Расчет высших гармонических кривой выпрямленного напряжения.

5. Расчет сглаживающего фильтра. Выбор конденсаторов. Расчет сглаживающего дросселя.

6. Электромагнитный расчет трансформатора.

7. Выбор устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений.

8. Разработка функциональной схемы системы управления.

Заключение.

Список литературы.

Перечень элементов.

Введение

При использовании в промышленной электронике разнообразного оборудования его нужно снабжать необходимыми источниками питания, которые должны обеспечивать надёжную безаварийную работу питаемых узлов. Наибольшим спектром потребительских качеств обладают вторичные источники напряжения - преобразователи на основе полупроводниковых приборов. Целью настоящей работы является расчёт источника питания, преобразующего и выпрямляющего входное напряжение до необходимой выходной величины с требуемым коэффициентом пульсаций и величиной выходного тока. Путём использования трансформатора напряжения, соответствующей вентильной выпрямительной схемы, фильтра гармонических составляющих выходного напряжения и надёжной системы защиты от перегрузок и коротких замыканий.

1. Анализ состояния перспектив проектирования и разработки СПСМ

 

Силовые полупроводниковые преобразовательные устройства выпускаются на малые, средние и большие мощности. Поэтому они могут использоваться во всех областях народного хозяйства: для электролиза на химических и алюминиевых предприятиях, для тяговых подстанций, для электрифицированного железнодорожного транспорта. А также для регулируемого электропривода, в том числе электропривода прокатных станов, для средств связи, для питания различного рода подъемников, лифтов, магнитных кранов, для подземного шахтного оборудования, возбудителей синхронных машин. Кроме того в бортовых системах электропитания различного назначения (преобразователи малой мощности), в устройствах автоматики, а также в системах автоматического управления. Среди разнообразных требований, предъявляемых к преобразователям, общими являются обеспечение максимальных к. п. д. и коэффициента мощности отдельных узлов и элементов, а также максимальной надежности и устойчивости. Полупроводниковые преобразователи наиболее качественно удовлетворяют перечисленным требованиям. Они отличаются малыми габаритами и весом. Так, на один киловатт преобразованной мощности приходится вес оборудования электромашинного агрегата в 15—30 кг, ионного — в 2—5 кг, а полупроводникового в 1—2 кг (цифры приведены без учета питающего трансформатора).

Полупроводниковые преобразователи потребляют очень малую мощность управления, их коэффициент усиления превышает 100 000. Они почти безинерционны. Отсутствие контактов, подвижных и вращающихся частей, возможная универсальность создания отдельных блоков преобразователей, постоянная готовность к работе и другие особенности открыли широкую возможность их применения.

Благодаря специфическим свойствам полупроводниковых вентилей разработаны и разрабатываются совершенно новые типы преобразователей. К ним относятся выпрямители, в которых в одном блоке объединены и трансформатор и преобразователь. Такие выпрямители экономически выгодны, так как не требуют специальных помещений, могут эксплуатироваться на открытых площадках, не нуждаются в соединительных шинах, имеют единую масляную систему охлаждения. Мощность одного такого преобразователя может быть огромной (десятки мегаватт). Перспективными являются импульсные преобразователи постоянного напряжения на тиристорах. Такие преобразователи на средние и большие мощности могут применяться в электрифицированном городском и железнодорожном транспорте постоянного тока вместо регулировочных и пусковых реостатов, так как их КПД очень высок. Дальнейшее совершенствование полупроводниковых вентилей, а также оптимальное сочетание динамических параметров вентилей с электрическими режимами преобразователя при его проектировании, использование эффективных методов исследования преобразователей будут способствовать разработке преобразовательных устройств с высокими технико-экономическими показателями.

В настоящее время в силовой электронике значительное распространение получили статические полупроводниковые преобразователи. В целом их можно разделить на однофазные и трёхфазные устройства. Трёхфазные системы делятся на трёхфазные мостовые полупроводниковые преобразователи, работающие в выпрямительном и инверторном режимах и шестифазные выпрямители с уравнительным реактором.

Однофазная двухполупериодная схема с выводом нулевой точки. Простейший двухполупериодный преобразователь состоит из однофазного двухобмоточного трансформатора с нулевой точкой и двух вентилей. Нагрузка включается между нулевой точкой, разделяющей вентильную обмотку трансформатора на две части, и катодами вентилей. В схеме имеет место двухфазное выпрямление (m=2). Схема применяется, как правило, при сравнительно небольших мощностях преобразователя (до 100 кВт) или в специальных случаях при мощности до 3000 кВт. Ее особенностью является то, что токи в частях вентильных обмоток имеют одинаковое направление, содержат постоянную и переменную составляющие.

Трехфазная нулевая схема. Преобразователь, выполненный по этой схеме, состоит из трехфазного двухобмоточного трансформатора и трех вентилей. Поскольку выпрямленные напряжения и токи имеют три пульсации за период, то фазность выпрямления равна трем (т=3). Особенностью схемы является наличие в магнитопроводе трансформатора потока вынужденного намагничивания из-за нескомпенсированных магнитодвижущих сил сетевой и вентильной обмотки фазы. Трехфазную нулевую схему с вентильными обмотками, соединенной в звезду с нулевой точкой, применяют крайне редко и как исключение.

Шестифазная нулевая схема. Преобразователь состоит из трехфазного трансформатора, вентильная обмотка которого разделена на две части, и двух трехфазных вентильных групп. Вентили V₁, V₃, V₅ первой группы присоединены к фазам прямой звезды, а вентили V₂, V₄, V₆ - к соответствующим фазам обратной звезды. Нулевые точки звезд 0₁ и 0₂ связаны между собой через однофазный уравнительный реактор с ферромагнитным магнитопроводом. Благодаря уравнительному реактору выравниваются мгновенные значения анодных напряжений следующих друг за другом фаз нечетной и четной групп вентилей. Этим обеспечивается параллельная работа трехфазных групп, в результате чего в любой момент времени ток проходит одновременно через две вентильные обмотки. Выпрямленное напряжение имеет за один период шестифазную пульсацию (m=6). Вследствие хорошего использования вентилей и отсутствия в трансформаторе потока вынужденного намагничивания схему две обратные звезды с уравнительным реактором применяют в преобразователях с относительно низким выпрямленным напряжением и большим током.

Однофазная мостовая схема. Однофазный преобразователь по мостовой схеме состоит из однофазного трансформатора и четырех вентилей. В этой схеме по обеим обмоткам трансформатора протекает переменный ток, что исключает возможность появления однонаправленного потока. Для уменьшения потоков рассеяния в преобразователях с трансформаторами стержневого типа обе обмотки располагаются симметрично по обоим стержням магнитной системы либо используется трансформатор броневого типа. Выпрямленное напряжение имеет двухфазную пульсацию (m=2).

Трехфазная мостовая схема. Преобразователь по трехфазной мостовой схеме (схема Ларионова) состоит из трехфазного трансформатора и шести плеч вентилей. В этой схеме сетевые обмотки и вентильные обмотки трансформатора соединяют в звезду или треугольник. Магнитная система трансформатора уравновешена, так как магнитодвижущие силы обмоток скомпенсированы. Выпрямленное напряжение имеет шестикратную пульсацию, и фазность преобразования равна шести (т = 6). Преобразователь имеет ряд преимуществ: мощности сетевых и вентильных обмоток равны, благодаря чему обеспечивается хорошее использование трансформатора; при пробое вентиля обратного тока нет; обратное напряжение мало, так как оно распределяется между двумя последовательно включенными вентилями; в магнитопроводе трансформатора нет потоков вынужденного намагничивания. Преобразователь по мостовой схеме применяется весьма широко.

В таблице 1.1 [1] приведены сравнительные характеристики выпрямителей различных типов для нагрузки активно-индуктивного типа.

Где: q₀ - коэффициент пульсаций, I_a - среднее значение тока вентиля, I_d - среднее значение выходного тока выпрямителя, U_обр - амплитуда обратного напряжения на вентилях, U_d - среднее значение выходного напряжения выпрямителя, S_T- расчётная мощность трансформатора, P_d - значение мощности на нагрузке.

Таблица 1.1.

Основные показатели выпрямителей.

Тип выпрямителя	Пульсность m	Минимальное число вентилей
Однофазный нулевой	2	2	0,67	0,50	3,14	1,34
Однофазный мостовой	2	4	0,67	0,50	1,57	1,11
Трёхфазный нулевой	3	3	0,25	0,33	2,09	1,34
Трёхфазный мостовой (схема Ларионова)	6	6	0,06	0,33	1,05	1,05
Двойной трёхфазный с уравнительным реактором	6	6	0,06	0,17	2,09	1,26

В настоящем курсовом проекте рассчитывается преобразователь, построенный на основе мостовой схемы Ларионова.

2. Расчёт токов и напряжений. Выбор тиристоров и охладителей

Основными элементами преобразователя являются трансформатор и группа тиристоров. При расчёте из всех параметров трансформатора будем учитывать только индуктивности его обмоток, обусловленные наличием потоков рассеяния; принимаем, что ток холостого хода трансформатора равен нулю.

2.1. Выбор минимального значения угла управления

a_min=10⁰.

2.2. Номинальное и максимальное значение угла управления

(2.1,2.2)

где К1,К2 - коэффициенты;

a_nomrad - номинальное значение угла управления;

a_maxrad - максимальное значение угла управления;

  (2.3,2.4)

где Upitlin=380 в - напряжение питания линейное;

DU_pitlin=10 % - пределы изменения линейного напряжения питания.

Получено К1=0.9; К2=1.1; a_nom=27.585; a_max=36.317.

2.3. Выбрано относительное напряжение U_d0=0,65.

2.4. Выпрямленный ток в относительных единицах

(2.5)

2.5. Электродвижущая сила (ЭДС) выпрямителя

, (2.6)

где U_dnom=U_d+DU_a

Принято DU_a=6 В.

Получено E_d=301,538 В.

2.6. Амплитудное значение фазной ЭДС на вторичной стороне трансформатора:

(2.7)

Получено E_2mf=182,31 В.

2.7 Индуктивное сопротивление

 Ом (2.8)

где I_d=100 А - ток в нагрузке;

Получено Xg=0,746 Ом

2.8. Угол коммутации

(2.9)

Получено g_ном=37,979°.

2.9. Наибольший выпрямленный ток короткого замыкания (КЗ)

(2.10)

Получено I_dkz=244,3 А.

2.10. Действующее значение первой гармоники тока вторичной обмотки трансформатора

, (2.11)

где , (2.12)

где (2.13)

(2.14)

Получено I_2f1=76,62 A.

2.11. Действующее значение токов вторичных обмоток трансформатора, соединённых по схеме «звезда»

(2.15)

Получено I_2f=77,223 А.

2.12. Коэффициент трансформации трансформатора

(2.16)

Получено K_tr=1,702.

2.13. Действующее значение токов первичных обмоток трансформатора, соединённых по схеме «звезда»

(2.17)

Получено I_1f=45,375 А.

2.14. Полная мощность трансформатора

(2.18)

Получено S=29,864 кВт.

2.15. Угол сдвига первой гармоники входного тока относительно фазной ЭДС:

  (2.19)

Получено f=48,588°.

2.16. Активная мощность на входе выпрямителя

(2.20)

Получено Р=19,6 кВт.

2.17. Коэффициент мощности выпрямителя

(2.21)

Получено К=0,656.

2.18. Среднее значение анодного тока

(2.22)

Получено I_asr=33,33 А.

2.19. Максимальное значение анодного тока I_am=I_d=100 A.

2.20. Действующее значение анодного тока

(2.23)

Получено I_a=94,578 А.

2.21. Скорость спада анодного тока в момент выключения вентиля

(2.24)

dI_adQ=94,578 А/мкс

2.22. Анодное напряжение в момент включения вентиля

(2.25)

Получено Uaon=146,221 В.

2.23. Анодное напряжение в момент выключения вентиля

(2.26)

Получено Uaoff=287,485 В.

2.24. Максимальное значение обратного анодного напряжения

(2.27)

Получено Uarm=-315,77 В.

2.25. Все расчеты проведены для значений Ud0 от 0,45 до 0,8 с шагом 0,05. Результаты занесены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Параметры преобразователя при различных значениях Ud0

Ud0	Параметры преобразователя
	Id0	Ed B	E2mf B	Xg мОм	gnom рад	gnom град	Idkz кA		I21 A	I2f1 A	I2f A	Ktr
0,45	0,756	435,6	263,3	1990	1,076	61,6		0,132	0,563	74,55	74,33	1,18
0,50	0,669	392	237,0	1576	0,975	55,9		0,149	0,503	75,13	75,05	1,31
0,55	0,583	356,3	215,5	1255	0,874	50,1		0,171	0,441	75,67	75,76	1,44
0,60	0,496	326,7	197,5	979	0,77	44,14		0,202	0,378	76,16	76,48	1,57
0,65	0,409	301,5	182,3	746	0,663	38,0		0,244	0,314	76,61	77,22	1,7
0,70	0,323	280	169,3	549	0,55	31,5		0,309	0,249	77,03	78,0	1,83
0,75	0,236	261,3	158,0	373	0,429	24,6		0,423	0,183	77,39	78,82	1,96
0,80	0,15	245	148,1	221	0,295	16,9		0,668	0,116	77,69	79,71	2,1

Продолжение таблицы 2.1

Ud0 B	Параметры преобразователя
	I1f A	S кBт	f рад	f град	Р кВт	К	Iа A	Uaon B		Uaof B	Uarm B
0,45	63,1	41,5	1,081	61,93	19,6	0,472	91,04		211,21	456,1	-456,1
0,50	57,32	37,73	1,025	58,74		0,519	91,9		190,09	407,8	-410,5
0,55	52,61	34,63	0,968	55,48		0,566	92,78		172,81	364,6	-373,18
0,60	48,68	32,04	0,909	55,11		0,612	93,67		158,41	324,8	-342,8
0,65	45,38	29,86	0,848	48,59		0,656	94,58		146,22	287,5	-315,8
0,70	42,56	28,01	0,783	44,88		0,7	95,52		135,78	251,6	-293,2
0,75	40,14	26,42	0,714	40,92		0,742	96,53		126,73	216,1	-273,7
0,80	38,1	25,05	0,639	36,6		0,783	97,63		118,8	179,7	-256,6

Выбрано относительное напряжение Ud0=0,65 как оптимальное.

2.26. В качестве силовых полупроводниковых приборов выбираем унифицированные низкочастотные тиристоры типа ТБ –113-200 [3]. Которые применяют в цепях постоянного и переменного токов преобразователей энергии. А также в различных силовых электроустановках. Тиристоры обладают параметрами, представленными в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Сравнение полученных параметров с параметрами тиристора ТБ-113-200

Параметр	Максимальное значение анодного тока, А	Действующее значение анодного тока, А	Скорость спада анодного тока в момент выключения тиристора, А/мкс	Максимальное значение обратного напряжения, В
Рассчитанные значения	100	94,578	-315,77	315,77
Справочные значения	500	300-400	-500	600-1200

Ввиду отсутствия стандартных охладителей при монтаже тиристоров будут учитываться конструктивные особенности устройства в целом. Надёжный электрический и тепловой контакты обеспечиваются за счёт приложения осевого усилия сжатия 10000±1000 Н. При этом охладитель и система прижима должны обеспечивать равномерное давление по всей площади контактных поверхностей тиристоров. Для улучшения контактного соединения тиристоров с охлаждающим элементом используется смазка типа КПТ-8 по ГОСТ 19783-74.