Разработка структурной и принципиальной схем преобразователя

2. Разработка структурной и принципиальной схем преобразователя

Основными элементами преобразователя являются трансформатор и вентили. Основное требование, предъявляемое к полупроводниковым преобразователям, в том числе и к выпрямителям - это надёжность, поэтому ввиду чувствительности приборов к перегрузкам, коротким замыканиям, перенапряжениям в схеме необходимо предусмотреть быстродействующие системы защиты. Необходимо выдерживать заданные параметры на выходе преобразователя. Для этого в схему включаются фильтры, датчики и системы сравнения выходных параметров преобразователей с заданными, и управления полупроводниковыми приборами. Согласно вышесказанному, составили структурную (рис. 2.1.) и принципиальную (рис. 2.2.) схемы полупроводникового выпрямителя.

3. Расчет токов и напряжений

3.1. Расчет токов и напряжений выпрямителя.

 

3.1.1 Выбрали минимальное значение угла управления a_мин=10º.

 

3.1.2 Определили номинальное и максимальное значения угла управления:

a_ном=arccos(K₁·cos a_мин)=arccos(0,9·cos 10º)=27,585º (3.1)

a_макс=arccos(K₁·)=arccos(0,9·)=36,317º (3.2)

где 0,9; (3.3)

1,1; (3.4)

где U_c=220 В – напряжение сети, из задания;

DU_с=22 В – колебание напряжения сети 10%, из задания.

3.1.4 Рассчитали среднее значение выпрямленного тока в относительных единицах:

0,409. (3.5)

3.1.5 Вычислили значение выпрямленного напряжения холостого хода (ЭДС выпрямителя):

58,462 В, (3.6)

где U_н=32 В – напряжение на нагрузке из задания;

DU_d – суммарное падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя и активном сопротивлении тиристора; предварительно приняли DU_d=6 В.

3.1.6 Определили амплитудное значение фазной ЭДС на вторичной обмотке трансформатора (соединение обмоток «звезда-звезда»):

35,346 В. (3.7)

3.1.7 Рассчитали индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора и угол коммутации:

0,018 Ом, (3.8)

где I_d=I_н=800 А – номинальное значение выпрямленного тока;

(3.9)

Повторили вычисления по пунктам 3.1.3 - 3.1.7 для значений =0,8; 0,75; 0,7; 0,60; 0,55; 0,50. Все полученные результаты занесли в табл.3.1.

Таблица 3.1 Промежуточные результаты расчета выпрямителя

aном, °			, В	, В	xg, Ом	gном, °	Idкз,А	S, В×А
33,166	0,8	0,150	47,5	28,718	0,005	16,881	5350	38850
	0,75	0,236	50,667	30,633	0,009	24,560	3388	40970
	0,70	0,323	54,286	32,821	0,013	31,506	2479	43440
	0,65	0,409	58,462	35,346	0,018	37,979	1954	46420
	0,60	0,496	63,333	38,281	0,024	44,135	1613	49700
	0,55	0,583	69,091	41,772	0,030	50,078	1373	53710
	0,50	0,696	76	45,95	0,038	55,888	1196	58520

По результатам расчетов таблицы 3.1, сделали следующие выводы: для уменьшения тока короткого замыкания I_d.кз и уменьшения полной мощности трансформатора S, приняли значение выпрямленного напряжения в относительных единицах равным =0,65. Дальнейший расчет ведется для выбранных параметров.

3.1.8 Нашли наибольший выпрямленный ток короткого замыкания:

1963 А (3.10)

3.1.9 Определили ортогональные составляющие первой гармоники вторичного тока в относительных единицах:

0,207 (3.11)

(3.12)

0,314. (3.13)

3.1.10 Рассчитали действующее значение тока первой гармоники вторичной обмотки трансформатора (базисное значение тока):

612,947 А. (3.14)

3.1.11 Нашли действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора, соединенных «звездой»:

617,781 А. (3.15)

3.1.12 Определили коэффициент трансформации трансформатора:

5,082. (3.16)

3.1.13 Рассчитали действующее значение тока в первичных обмотках трансформатора, соединенных «звездой»:

121,562 А. (3.17)

3.1.14 Вычислили полную мощность трансформатора:

46,32 кВ·А. (3.18)

3.1.15 Определили угол сдвига первой гармоники входного тока относительно фазной ЭДС:

0,848 рад. (3.19)

3.1.16 Рассчитали активную мощность на входе выпрямителя:

30,4 кВ·А. (3.20)

3.1.17 Нашли коэффициент мощности выпрямителя:

K=P/S=30,4/46,32=0,656. (3.21)

3.1.18 Рассчитали среднее значение анодного тока:

I_а.ср=I_d/3=800/3=266,666 А. (3.22)

3.1.19 Определили максимальное значение анодного тока:

I_аm=I_d=700 А. (3.23)

3.1.20 Вычислили действующее значение анодного тока:

436,837 А. (3.24)

3.1.21 Определили скорость спадания анодного тока в момент выключения вентиля:

-1541А/с. (3.25)

3.1.22 Рассчитали анодное напряжение в момент включения вентиля:

23,349 В. (3.26)

3.1.23 Нашли анодное напряжение в момент выключения вентиля:

55,737 В. (3.27)

3.1.24 Определили максимальное значение обратного анодного напряжения:

– 61,22 В. (3.28)

3.1.25 Нашли действующее значение n-й гармоники выпрямленного напряжения (a>0; I_d>0; g≤60º):

(3.29)

где -0,097; (3.30)

-0,017; (3.31)

n – номер гармоники выпрямленного напряжения, приняли n=6.

Аналогичные вычисления провели и для n=12,18. При этом получили:

U_{d (12)}=3,583 В; U_{d (18)}=2,992 В.

3.1.26 Определили действующее значение первой гармоники анодного напряжения:

. (3.32)

3.1.27 Рассчитали действующее значение n-й (n=6k±1) гармоники анодного напряжения:

, (3.33)

где 0,152; (3.34)

0,243 (3.35)

Аналогичные вычисления провели и для n=7. При этом получили следующий результат: U_a (7)=3,969 В.

 

3.1.28 Нашли действующее значение n-й (n=3k) гармоник анодного напряжения:

, (3.36)

где 0,061; (3.37)

0,394 (3.38)

Аналогичные вычисления провели и для n=6. При этом получили следующий результат: U_a (6)=2,062 В.

3.2 Выбор тиристоров и охладителей

Выбор тиристоров осуществляется на основе следующих найденных расчетным путем величин:

- средний ток, протекающего через прибор I_а.ср=266,667 А,

- максимальное значение обратного анодного напряжения U_am=61,22 В,

- анодное напряжение в момент выключения вентиля 55,737 В,

- скорость спадания анодного тока в момент выключения вентиля

-1541А/с.

Исходя из этих условий из справочника [2] с учетом 5%-го допуска требуемых разбросов параметров выбрали тиристоры Т-133-400 со следующими эксплуатационными параметрами:

- максимально допустимое напряжение в открытом состоянии 300 – 1600 В

- максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 400 А

4. Расчет семейства внешних характеристик

4.1 Режимы работы выпрямителя

В работе трехфазного мостового выпрямителя можно выделить три режима работы: режим 2-3 (ток попеременно пропускают два или три вентиля); режим 3 (ток пропускают всегда три вентиля); режим 3-4 (ток попеременно пропускают три или четыре вентиля). С увеличением выпрямленного тока I_d или индуктивного сопротивления x_g при заданном напряжении питания U_пит, один режим работы выпрямителя переходит в другой. Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость выпрямленного напряжения U_d от выпрямленного тока I_d.