Параметры выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Иркутский государственный университет путей

сообщения

Кафедра: «ЭЖТ»

Дисциплина:

“Электронная техника и преобразователи”

Курсовая работа

Расчет параметров выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме

 Выполнил:

 ст. гр. ЭНС-06-1-2

Черепанов А.В.

 Проверил:

 преподаватель кафедры

 Ушаков В.А.

Иркутск 2008 г.

Оглавление

1.Задание. 3

2.Требуется. 5

3. Выбор типа вентилей. 6

4. Расчёт проектных параметров трансформатора. 10

4.1 Выпрямитель: 10

4.2. Инвертор. 11

5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча. 12

5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320. 12

5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-250. 12

5.3. Выпрямитель. 12

5.4. Инвертор: 13

6.Расчёт числа последовательно включенных вентилей. 14

6.1 Выпрямитель. 14

6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя. 14

6.3. Инвертор. 15

6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече. 15

7.Расчёт характеристик преобразователя. 16

7.1. Расчёт внешней характеристики выпрямителя. 16

7.2. Расчёт внешней характеристики инвертора. 16

7.3. Ограничительная характеристика инвертора. 16

7.4 Углы коммутации мостового ВИП (эл.град.) 16

7.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП.. 17

7.6 Максимальные токи инвертора: 17

8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения. 18

8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320. 18

8.2. Инвертор на нелавинных вентилях.: Т9-250. 18

9. Выбор схемы выравнивания тока в параллельно включенных ветвях вентильного плеча. 19

10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB.. 20

10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания. 20

1.Задание

Трёхфазный мостовой выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) питается от сети с номинальным напряжением Uс=U1л и заданными пределами колебания этого напряжения %Uс. Известна мощность короткого замыкания Sкз, характеризующая реактанс связи точки подключения ВИП и шин бесконечной мощности энергосистемы.

Заданы следующие параметры и соотношения для ВИП:

-  Напряжение короткого замыкания трансформатора Uк%;

-  Среднее значение выпрямленного напряжения и тока в номинальном режиме (Udн, Idн);

-  Соотношение числа витков вентильных обмоток инвертора и выпрямителя Ки=U2и/U2в;

-  коэффициенты повторяющихся и неповторяющихся перенапряжений Кп, Кнп.

Номинальные мощности выпрямителя и инвертора одинаковы S1в=S1и.

Схема ВИП

 

2.Требуется

 

Расчитать проектные параметры трансформатора и выбрать его по стандартной шкале мощностей.

Выбрать типы вентилей с воздушным охлаждение для выпрямителя и инвертора и, варьируя класс вентилей К, расчитать параметры вентильных плеч, обеспечивающих номинальный режим и устойчивость к перенапряжениям заданой величины и токам аварийных режимов выпрямителя и инвертора.

Определить наиболее дешёвый комплект вентилей.

Расчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединённых вентилей и выбрать схему выравнивания токов в паралельных ветвях вентильных плеч соответственно для выпрямителя и инвертора. Нарисовать схему вентильного плеча.

Выполнить расчёты и построение внешней характеристики выпрямителя, внешних и ограничительной характеристики инвертора, коэффициентов мощности выпрямителя и инвертора.

Построить временные диаграммы фазных напряжений вентильных обмоток выпрямителя и инвертора с отображением коммутационных процессов, диаграммы токов в этих обмотках, мгновенных значений выпрямленного напряжения и напряжения инвертора, напряжения на одном из вентилей. Построить векторные диаграммы напряжения и первой гармоники сетевого тока для выпрямительного и инверторного напряжений.

3. Выбор типа вентилей

Используя данные таблицы подстановок и построенные на данных таблицы диаграммы, выберем тип и класс неуправляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели при разных значениях скорости охлаждающего воздуха (12; 6 и 0 м/сек).

Наилучшие технико-экономические показатели выпрямителя для неуправляемого вентиля типа В2-320 обеспечиваются при скорости охлаждающего воздуха 12 и 6 м/сек. По диаграммам определяем тип неуправляемого вентиля: В2-320, при скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек. Стоимость плеча: 418 руб., число вентилей плеча:1. По таблицам для В2-320 выберем класс и индекс:

СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯ		ЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Класс	В2-320	Класс	В2-320
6	1671	6	70
7	1465	7	60
8	1367	8	55
9	1271	9	50
10	1158	10	45
11	1056	11	40
12	939	12	35
13	959	13	35
14	835	14	30
16	865	16	30
18	745	18	25
20	770	20	25
22	636	22	20
24	656	24	20
26	675	26	20
28	521	28	15
30	536	30	15
32	553	32	15
34	568	34	15
36	582	36	15
38	597	38	15
40	612	40	15
42	418	42	10
Минимальная стоимость плеча	418	Минимальное количество вентилей плеча	10

Для В2-320 класс: 32, стоимость плеча 332 руб., число вентилей 9.

Используя данные таблицы подстановок и построенные на данных таблицы диаграммы, выберем тип и класс управляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели инвертора при выбранном значении скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек.

По диаграмме определяем тип управляемого вентиля: Т153-800, стоимостью 2470 руб., количество вентилей Т153-800 равно 22. Стоимость плеча Т9-250 меньше стоимости Т153-800, но количество вентилей Т9-250 равно 50

По таблицам для Т153-800 выберем класс и индекс:

СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА		ЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА
Класс	Т9-250	Класс	Т9-250
6	100000	6	100000
7	100000	7	100000
8	100000	8	100000
9	100000	9	100000
10	2661,12	10	28
11	2620,475	11	26
12	2556,84	12	24
13	2470,215	13	22
Минимальная стоимость плеча	2470,215	Минимальное число вентилей плеча	22

Для вентиля Т153-800 класс: 13, стоимость плеча 2470,215 руб., число вентилей плеча 22.

Для выпрямителя:

Тип неуправляемого вентиля: В2-320

I_уд = 7200,0 А

I_{о max} = 20,0 мА

U_o = 1,1 B

R_д = 0,00078 Ом

Скорость потока охлаждения воздухом V = 6 м/с:

R_т, град.С/Вт 2 0,21

(допуст. прев.темп.) 1 100

 = 274 А

Для инвертора:

Тип управляемого вентиля: Т453-800

I_уд = 17500,0 А

I_{о max} = 50,0 мA

U_o = 1,2 B

R_д = 0,000340 Ом

R_т, град.С/Вт 0,1

 (допуст. прев.темп.) 85

 =501,5 А

Параметры ВИП и сети:

U_dн = 3300 В

I_dн = 3000 А

К_п = U_ком/U_вmax

К_п = 1,65

Колебания напряжения сети % от U_c = 5

Номинальное напряжения сети U_c, кВ = 10

U_к% (напр.к.з. трансформ.) = 11

К_нп = U_нп/U_вmax = 2,4

S_кз = 425 мВА

К_и = U_2и/U_2в = 1,25

 = arccos(U_2в/U_2и) = 36,9 эл. гр

4. Расчёт проектных параметров трансформатора 4.1 Выпрямитель:

U_do = U_dн/(1-0,5·U_к%/100) (1)

где U_dн – среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке

 U_к% - напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора

U_do = = 3492,1 В

Расчетная мощность выпрямителя.

P_do= U_do·I_dн (2)

где I_dн – номинальный ток выпрямителя;

P_do = 3492,1·3000 = 10476,2 кВт

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

U_2в = U_do/2,34 (3)

U_2в = 3492,1/2,34 = 1492,3 B

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

I_2в = 0,816·I_dн (4)

I_2в = 0,816·3000 = 2449,5 А

Расчётная мощность вентильной обмотки

S₂ = 1,05·P_dо (5)

S₂ = 1,05·10476,2 = 11000 кВА

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в выпрямительном режиме.

К_тв = U_c/(1,73·U_2в) (6)

где U_c – номинальное напряжение сети – 110 кВ

К_тв= 10000/(1,73·1492,3) = 3,87

I_1н= I_2н/K_тв (7)

I_1н = 2449,5/3,87= 633,1 A

Номинальная мощность сетевой обмотки.

S_1н = 1,05·P_do (8)

S_1н = 1,05·10479,2 = 11000 кВА

Типовая мощность трансформатора.

S_т= S₁ = S₂ = 1,05·P_do (9)

S_т = 1,05·10479,2 = 11000 кВА

4.2. Инвертор

Номинальный ток инвертора.

I_ин = I_dн/K_и (10)

где I_dн – номинальный ток выпрямителя

 К_и-1,25

I_ин = 3000/1,25 = 2400 А

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

U_2и = U_2в·K_и (11)

U_2и = 1492,3·1,25 = 1865,4 В

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

I_2и = I_2в/K_и (12)

I_2и = 2449,5 /1,25 = 1959,6 А

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в инверторном режиме.

К_ти = K_тв/K_и (13)

К_ти = 3,1

I_1н = I_2и /K_ти (14)

I_1н = 1959,6/3,1 = 633,1 А

5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча 5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320\ 5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-250 5.3. Выпрямитель

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя. Расчет числа параллельно включенных вентилей мостовой схемы ВИП

(15)

где S_кз – мощность короткого замыкания на шинах питающей сети

 = 0,0825 Ом

Активное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя

(16)

где =0,006·S_1н.

 = 0, 0060 Ом

Амплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекающего через вентильное плечо выпрямителя

(17)

 = 25504 А

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

i_удв = К_уд·I_m (18)

где К_уд – ударный коэффициент – 1,2

i_удв = 1,2·25504 = 30605 A

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

По току плеча.

N_пар1 = (I_dн/3) ·К_н/I_п (19)

где К_н - 1,15

N_пар1 = (3000/3) ·1,15/274 = 4,89; округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По i_удв.

N_пар2 = К_н·i_удв/I_уд (20)

где I_уд – ударный ток вентиля

N_пар2 = 1,15·30605/7200 = 4,89; округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По расчётам принимаем максимальное значение параллельных вентилей, а именно – 5.

Выберем максимальное значение:

N_пар.max = 5

5.4. Инвертор:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора

X_аи = X_aв· (К_и)² (21)

X_аи = 0,0825· (1,25) = 0,129 Ом

Активное сопротивление фазы и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора

R_аи = R_ав· (К_и)² (22)

R_аи = 0,0060· (1,25)² = 0,0094 Ом

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

Расчёт по току плеча

N_пар1 = (I_ин/3) ·К_н/I_п (23)

N_пар1 = (2400/3) ·1,15/501,5 = 1,84 округляем до 2

Принимаем – 2.

X_d = 6,28 Ом

R_d = 0,016 Ом

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

(24)

= 16285,0 А

Расчёт по току i_удп.

N_пар2 = К_н·i_удп /I_уд (25)

N_пар2 = 1,15·16285,0/17500= 1,51 округляем до 2

Из двух вычислений выбираем число вентилей – 2

Выберем максимальное значение:

N_пар.max = 2

 
6.Расчёт числа последовательно включенных вентилей

 

6.1 Выпрямитель

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу. Расчет числа последовательно включенных вентилей мостового ВИП

U_вmax= 1,045·U_do(26)

U_вmax= 1,045·3492,1= 3649 B

Расчётный класс вентильного плеча

(27)

K_р = 1,65·3649/100 =61

Введём выбранный нами класс неуправляемых вентилей К для выпрямителя: класс 42, стоимость вентиля: 30,0

Повторяющееся напряжение

U_п = 100·К

где К – класс неуправляемого вентиля

U_п = 100·42 = 4200 В

Неповторяющееся напряжение

U_нп = 116·К (28)

U_нп = 116·42 = 4872 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

N_посл1 = К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_п/U_п+1(29)

где U_с% – колебания напряжения сети

N_посл1 = 1,15· (1+5/100) ·3649·1,65/4200+1 = 1,7 округляем до 2

N_посл2=К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_нп/U_нп (30)

N_посл2=1,15· (1+5/100) ·3649·2,4/4872+1 = 1,71 округляем до 2

N_посл.max = 2

По результатам расчёта получаем 6 последовательно включенных вентилей в плече.

6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя

Выбранный тип вентиля: В2-320

Общее число вентилей плеча: 10

Стоимость плеча(+10% для нелавинных вентилей): 330,0

Стоимость плеча с охладителями: 418,0

6.3. Инвертор

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу:

U_вmax = 4562 B

Расчётный класс вентильного плеча

K_р: 76

Введём выбранный нами класс управляемых вентилей К для инвертора: 16

Повторяющееся напряжение

Uп =1300 В

Неповторяющееся напряжение

U_нп (для нелавинных) = 1443 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

N_посл1=К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_п/U_п+1 (31)

N_посл1=1,15· (1+5/100) ·4562·1,3/1600+1 = 7,8 округляем до 8

N_посл2=К_н·(1+U_c%/100)·U_вmax·К_нп/U_нп+1 (32)

N_посл2=1,15· (1+5/100) ·4562·2,4/1443 +1= 10,953округляем до 11

N_посл.max =11

Выбираем 11 последовательно включенных вентилей.

6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече

Общее число вентилей плеча: 22

Стоимость плеча с охладителями: 2470,2
7.Расчёт характеристик преобразователя

7.1. Расчёт внешней характеристики выпрямителя

U_do = U_dн/(1- 0,5·U_dн%/100) =3492,1 В, при I_d=0;

U_dн = 3300 В, при I_dн = 3000 А.

7.2. Расчёт внешней характеристики инвертора

Среднее значение напряжения инвертора при холостом ходе с заданным углом опережения бета

U_ио =2,34·U_2и/К_и (33)

U_ио =2,34·1865,4/1,25 = 3492,3 В

Угол опережения инвертора

 (U_2в/U_2и) (34)

(1/1,25) ·/180= 36,9 эл. гр.

Среднее значение напряжения инвертора с заданным углом опережения бета

(35)

U_ин = 3492,3·1,25· (cos(36,9)+0,5·0,11) = 3732,1 В

  7.3. Ограничительная характеристика инвертора

U_ог (при I_и = 0) = U_ио·К_и·cos (36)

U_ог = 3492,3·1,25·cos = 4298,8 В

где  - угол запаса

U_ог (при I_и = I_ин) = U_ио·К_и(cos-0,5·U_к%/100) (37)

U_ог (при I_и = I_ин) = 3997,0 В

7.4 Углы коммутации мостового ВИП (эл.град.)

Выпрямителя:

 = arccos (1-2I·X_ав/2,45·U_2в) (38)

При I_d = 0,5·I_dн

 = arccos (1-3000·0,0825/2,45·1492,3) = 21,2

При I_d = I_dн

 = arccos (1-2*3000·0,0825/2,45·1492,3) = 30,2

Инвертора:

cos() - cos = I_и·X_аи/2,45·U_2и (39)

При I_и = 0,5·I_ин

cos() - cos=7,1

При I_и = I_ин

cos() - cos=16,2

7.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП

Выпрямителя:

cos(/2) (40)

 = 0,955

При I_d = 0,5·I_dн

 = 0,955·сos(0,5·21,02·/180) = 0,939

При I_d = I_dн

 = 0,955·сos(0,5·30,2·/180) = 0,922

Инвертора: ·cos(/2) (41)

=0,955

При I_и = 0,5·I_ин

 = 0,955·cos((36,9-0,5·7,1) · /180) = 0,798

При I_и = I_ин

 = 0,955·cos((36,9-0,5·16,2) · /180) = 0,837

7.6 Максимальные токи инвертора:

I_{и max}=(100/0,5·U_к%)·I_ин·(cos-cos) (42)

При работе инвертора по естественной характеристике:

При  = const

I_и1max=(100/0,5*11) ·2400· (cos-cos) = 4032,2 А

При работе инвертора по искусственной характеристике:

При U_и = U_ио = U_dо

I_и2max=(100/0,5·11) ·2400· (cos-cos) = 8064,3 А

 
8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения

 

8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320

Шунтирующее сопротивление

R_ш = (N_посл·U_п -U_{в max})/((N_посл – 1) ·N_пар·I_{о max}·0,001) (43)

где I_{о max} – максимальный обратный ток вентиля

R_ш = (2·4200-3649)/(1·5·20·0,001) = 47508 Ом

Мощность резистора Rш

P = (I_{о max}·0,001·N_пар·U_{в max})/N_посл (44)

P = 20·0,001·3·3688/3 = 182,5 Вт

Емкость шунтирующего конденсатора

С_в = N_пар = 5 мкФ

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора U_c=1,5·U_п (45) U_c=1,5·3200 =6300 B

R_в = 2,0 Ом

R_c = 0,2 Ом

8.2. Инвертор на нелавинных вентилях.: Т9-250

Шунтирующий сопротивление

R_ш = (N_посл·U_п -U_{в max})/((N_посл – 1) ·N_пар·I_{о max}·0,001) (46)

R_ш = (11·1300-4562)/(10·2·50·0,001) =9738 Ом

Мощность шунтирующего резистора

P = (I_{о max}·0,001·N_пар·U_{в max})/N_посл (47)

P = 50·0,001·2·4562/9 = 41,5 Вт

Емкость шунтирующего конденсатора

С_в = N_пар = 2 мкФ

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора

U_c=1,5·U_п (48)

U_c = 1,5·1600 =1950 B

R_в = 5,0 Ом

R_c = 0,2 Ом

 
9. Выбор схемы выравнивания тока в параллельно включенных ветвях вентильного плеча

Так как число параллельных ветвей не превышает 6, следовательно, будет применена схема включения «замкнутая кольцевая»

 
10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB 10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания