Перетворювач змінного струму в постійний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Аналіз роботи електропривода. Визначення параметрів перетворювача

2. Розрахунок і вибір перетворювального трансформатора

3. Розрахунок і вибір тиристорів

4. Розрахунок і вибір згладжуючого реактору

5. Розрахунок і вибір зрівнювальних реакторів

6. Розрахунок і вибір елементів захисту від перенапруг

7. Розрахунок і вибір елементів захисту від аварійних струмів

8. Розрахунок і побудова зовнішніх та регулювальних характеристик перетворювача

9. Розрахунок і побудова енергетичних характеристик перетворювача

10. Моделювання роботи перетворювача

10.1 Нормальний режим роботи перетворювача

10.2 Аварійний режим роботи перетворювача

Висновок

Специфікація

Література

Вступ

У багатьох галузях застосування тиристорних випрямлячів необхідно забезпечувати можливість рекуперації (повернення) енергії з ланцюга постійного струму до ланцюга змінного струму. Цей процес можливо забезпечити за допомогою спеціальних схем з'єднання двох тиристорних мостових випрямлячів, кожний з яких створює струм свого напрямку. Кожний з мостів у реверсивному перетворювачі працює, як у випрямному, так і в інверторному режимі.

Інверторний режим виникає при роботі перетворювача на індуктивне навантаження або проти-е.р.с. В цьому режимі струм в перетворювачі виникає за рахунок е.р.с. самоіндукції або е.р.с. електричної машини, а напруга мережі вмикається зустрічно напрузі перетворювача. Інверторний режим можливий при кутах керування, що перевищують 90^?.

Керування обома тиристорними мостами виконується або одночасно (сумісне керування), або почергово (роздільне керування). При сумісному керуванні відпираючи імпульси подаються на тиристори обох мостів, при роздільному - лише на той, який в даний момент проводить струм.

Реверсивні (інверторні) вентильні перетворювачі взагалі використовуються в багатьох галузях господарства та промисловості, наприклад конвеєри, прокатні стани, різноманітні види електротранспорту та у побуті.

Даний перетворювач ,навантаженням якого є двигун постійного струму незалежного збудження), являє собою трифазну зустрічно-паралельну мостову схему випрямлення з живленням через трансформатор з'єднанням Y/Y та двома комплектами зрівнювальних реакторів між тиристорними мостами.

1. Аналіз роботи електропривода. Визначення параметрів перетворювача

Табл. 1.1. Вихідні дані для електродвигуна

Тип приводу	Рн, кВт	Uн, В	зн	Uж, кВ	Iжив	, Гц
ТП-Д	250	440	0,9	0,4		50

Розрахунок номінального струму перетворювача:

Номінальна частота обертання:

Табл. 1.2. Розрахункові коефіцієнти для даної схеми перетворювача

2,34	0,817	1,045	1,045	0,62	1,05	0,955

Табл. 1.3. Основні параметри електродвигуна (двигун постійного струму) 4ПФ160S

Номінальна потужність Pдвн, кВт	Номінальна напруга Uдвн, В	Струм якоря Ія, А	Кутова частота обертання щдвн, рад/с	Коефіцієнт корисної дії здвн, %	Кількість пар полюсів р
30	440	78,6	151,832	84	2

2. Розрахунок та вибір перетворювального трансформатора

Розрахункове значення фазної напруги вторинної обмотки трансформатора:

(2.1)

де - коефіцієнт урахування зниження напруги мережі живлення;

- коефіцієнт урахування комутації та асиметрії вихідної напруги;

- коефіцієнт урахування падіння напруги на тиристорах і на обмотках трансформатора ( реактора );

- коефіцієнт схеми перетворювача за напругою;

- номінальна напруга на виході перетворювача;

Розрахункова потужність трансформатора:

(2.2)

де - коефіцієнт схеми перетворювача за потужністю;

- номінальний вихідний струм перетворювача.

(2.3)

Найбільше середнє значення е. р. с. перетворювача:

 (2.4)

Діюче значення лінійного струму перетворювача:

(2.5)

де - коефіцієнт схеми перетворювача за струмом;

Розрахунковий коефіцієнт трансформації:

(2.6)

Діюче значення лінійного струму первинної обмотки трансформатора:

(2.7)

У відповідності до отриманих значень , , ,, та схемою перетворювача вибираємо трансформатори [3].

Табл. 2.1. Параметри трансформатора

ТСП-160/6 Х5
Номінальна потужність, кВА	Обмотка напруги мережі перетворювача, В	Параметри перетворювача	Втрати потужності	, %	%
		Напруга, В	Струм, А	, кВт	, кВт
160	6000	230	401,6	1,9	0,65	6	1,8
ТМГ-160/10-Т1
160	6000	230	401,6	2,35	0,33	4	1,4

3. Розрахунок та вибір тиристорів

Вибір тиристорів виконується за середнім значенням струму, який протікає через нього і за величиною прикладеної повторної імпульсної напруги.

Розрахункове середнє значення струму тиристора:

(3.1)

де для трифазних схем перетворювачів;

Найбільше розрахункове значення повторної імпульсної напруги на тиристорах:

(3.2)

де - коефіцієнт схеми перетворювача за повторною напругою перетворювача;

Середнє значення струму тиристора з урахуванням коефіцієнтів запасу за струмом та типом охолодження:

(3.3)

де - коефіцієнт запасу за струмом з урахуванням збільшення струму навантаження в перехідних режимах;

- коефіцієнт, який враховує інтенсивність охолодження (оскільки при , що відповідає розрахункам за даних умов, застосовують примусове повітряне або водяне охолодження, вибираємо відповідний коефіцієнт

Обраний тиристор: Т333 - 250 .

Табл. 3.1. Параметри тиристора Т333 - 250

Повторна зворотна напруга , В	Зворотна напруга в закритому стані, В	Середній струм , А	Ударний струм , А
2000	2500	250	6000

4. Розрахунок та вибір згладжуючих реакторів

Необхідна величина індуктивності якірного ланцюга:

(4.1)

де - амплітуда основної гармоніки вихідної напруги;

- кратність пульсацій вихідної напруги даної схеми перетворювача;

- допустиме відносне діюче значення основної гармоніки вихідного струму перетворювача;

- кругова частота мережі.

Величина амплітуди основної гармоніки вихідної напруги:

(4.2)

де - кут керування перетворювача, який відповідає номінальній напрузі:

(4.3)

тоді

Визначення індуктивності для обмеження пульсацій струму:

(4.4)

Де - допустима величина пульсацій струму двигуна.

Індуктивність згладжуючого реактора:

(4.5)

де - індуктивність якоря електродвигуна:

- коефіцієнт компенсованості двигуна;

- число пар полюсів електродвигуна;

- номінальні параметри електродвигуна.

Користуючись даними двигуна, обчислюємо:

Обчислимо значення індуктивність згладжуючого реактора:

За розрахованими значеннями індуктивності і струму перетворювача обираємо згладжуючий реактор: СОРС3 - 4000 [1].

Табл. 4.2. Параметри реактора СОРС3 - 4000

Номінальний струм, А	Номінальна індуктивність, мГн	Активний опір, Ом
800	5	0,0072

6. Розрахунок та вибір елементів захисту від перенапруг

Для захисту від зовнішніх перенапруг, які виникають під час включення і відключення перетворювального трансформатора, застосовують додатковий діодний випрямляч, навантажений на RC контур.

Параметри C_д.в., R_д.в.1, R_д.в.2 визначаються як:

(6.1)

(6.2)

(6.3)

де , , - відповідно номінальні значення потужності, напруги та струму вторинної обмотки перетворювального трансформатору;

- значення намагнічуючого струму трансформатору, приведене до вторинної обмотки у відсотках.

Розрахункова потужність опорів R_д.в.1, R_д.в.2 визначається як:

(6.4)



(6.5)

Для захисту вентилів від комутаційних перенапруг, які обумовлені накопиченням носіїв у напівпровідниковій структурі, паралельно вентилям включають захисні RC ланцюги, параметри яких:

C₁…С_n=0.95 мкФ;

R₁…R_n=15 Ом;

де n - відповідно кількість тиристорів у схемі.

Розрахункова потужність опорів R₁…R_n :

(6.6)

де - допустима амплітуда зворотної напруги вентиля.

На основі розрахованих ємностей конденсаторів, опорів та потужностей резисторів, вибираємо елементи наступних типів [6,7,4]:

Для 2 резистори типу ПЭВ - 100 (56 Ом) увімкнені в паралель:

Табл. 6.1. Параметри отриманого резистору

Потужність , Вт	Опір, Ом
200	28

Для 9 резисторів типу ПЭВ - 100 (24 кОм):

Табл. 6.2. Параметри отриманого резистору

Потужність , Вт	Опір, Ом
900	2666.6 Ом

Для 4 резистори типу ПЭВ - 100 (62 Ом):

Табл. 6.3. Параметри отриманого резистору

Потужність , Вт	Опір, Ом
400	15.5

Для конденсатор типу В25650 Е51:

Табл. 6.4. Параметри конденсатору В25650 Е53

Ємність, мкФ	Напруга, В
560	1000

Для конденсатор типу В25650 Е53:

Табл. 6.5. Параметри конденсатору В25650 Е53

Ємність, мкФ	Напруга, В
1	1000

Параметрам одного діоду з додаткового діодного випрямляча відповідає діод типу В800:

Табл. 6.6 Параметри діоду В800

Діючій прямий струм , А	Напруга, В
1260	150-2400

Табл. 6.7. Параметри отриманого діоду

Діючій прямий струм , А	Напруга, В
7560	300

7. Розрахунок та вибір елементів захисту від аварійних струмів

Для даної схеми обираємо пристрої захисту зі сторони живлення та для захисту двигуна. Вибір автоматичних вимикачів для захисту від аварійних струмів здійснюємо за номінальним струмом, номінальною напругою та інтегралом:

(7.1)

де - значення ударного струму вентиля для заданої тривалості перевантаження .

Для даної схеми:

Обираємо елементи захисту, що задовольняють умові:

(7.2)

Для захисту зі сторони живлення трансформатора (6 кВ) обираємо вакуумний вимикач - ВВ/TEL-10-20-630

Табл. 7.1. Параметри обраних елементів захисту від аварійних струмів

ВВ/TEL-10-20-630
, В	, А	, А
2000	250	180000

8. Розрахунок та побудова зовнішніх та регулювальних характеристик перетворювача

Побудова зовнішніх характеристик перетворювача [1,10]:

У режимі безперервного струму навантаження :

(8.1)

У режимі граничного струму:

(8.2)

(8.3)

У режимі уривчастого струму :

(8.4)

(8.5)

де - приведений до вторинної обмотки індуктивний опір розсіювання фази трансформатора;

- індуктивний опір якірного ланцюгу;

- активний опір фаз трансформатору;

- активний опір згладжуючого реактору;

л - кут провідності вентилів на інтервалі повторювання кривої напруги ;

- амплітуда лінійної напруги;

(8.6)

(8.7)

(8.9)

Графіки зовнішніх характеристик перетворювача:

Рис. 8.1. Зовнішні характеристики перетворювача у режимі безперервного струму (для ).

9. Розрахунок та побудова енергетичних характеристик перетворювача

Побудова діаграми струму мережі [2].

Коефіцієнти і для трифазної мостової с схеми визначаються, як:

(9.1, 2)

(9.3)

Рис. 9.1. Діаграма струму мережі.

Побудова спектру гармонік

Діюче значення кожної гармоніки визначаються:

 (9.4)

де - кут керування ( для даної схеми ).

Рис. 9.2. Спектр гармонік .

Побудова графіків залежностей складових потужності від кута керування [1].

Повна потужність, яка споживається з мережі, без урахування втрат:

(9.5)

Повна потужність без врахування спотворення:

Активна потужність:

(9.6)

Рис. 9.3. Графік залежності для

Реактивна потужність:

(9.7)

Рис. 9.3. Графік залежності для

Потужність спотворення:

(9.8)

Повна потужність з урахуванням спотворень:

(9.9)

Рис. 9.4. Графіки залежності для

Побудова графіків залежностей коефіцієнтів потужності , зсуву та спотворення :

(9.10)

(9.11)

 (9.12)

Рис. 9.5. Графіки залежностей , та .

Побудова графіків залежностей ККД від струму , та напруги :

(9.13)

де - сумарні втрати потужності у перетворювачі.

Сумарні втрати потужності у перетворювачі:

(9.14)

де , , , - втрати потужності відповідно в трансформаторі, реакторах, вентилях та захисних елементах.

Втрати потужності в трансформаторі:

 (9.15)

де , - втрати потужності холостого ходу та короткого замикання трансформатору.

Втрати потужності в реакторах:

(9.16)

Потужність спотворення:

де та - відповідно втрати потужності в згладжуючи та зрівнювальних реакторах, що розраховуються як:

Втрати потужності у вентилях:

(9.17)

де - число вентилів у схемі (;

Втрати потужності у захисних елементах:

(9.18)

де , , - відповідно втрати потужності у резисторах додаткового діодного мосту та RC - контурів, якими охоплені тиристори;



Рис. 9.6. Графік залежності ККД від струму .

Рис. 9.7. Графік залежності ККД від напруги .

перетворювач трансформатор реактор

10. Моделювання роботи перетворювача

Моделювання роботи перетворювача забезпечує, достатню для аналізу, візуалізацію побудови системи керування перетворювача та його роботу взагалі. Для моделювання даного перетворювача використовуємо пакет MATLAB-Simulink. В результаті моделювання отримаємо осцилограми: струму живлення, струму та зворотної напруги на тиристорі VS1, струму та напруги на навантаженні. Модель перетворювача буде досліджено при роботі на активно-індуктивне навантаження без електродвигуна та з електродвигуном для нормального та аварійного режиму роботи. Кут керування при моделюванні

Рис. 10.1. Система керування тиристорами 2-х мостів.



Рис. 10.2. Блок-схема

10.1 Нормальний режим роботи перетворювача

Рис. 10.3. Осцилограми струму живлення, струму та напруги на навантаженні (без двигуна).

Рис. 10.4. Осцилограми струму та зворотної напруги на тиристорі VS1 (без двигуна).



Рис. 10.5. Осцилограми струму живлення, струму та напруги на навантаженні (з двигуном).

Рис. 10.6. Осцилограми струму та зворотної напруги на тиристорі VS1 (з двигуном).

10.2 Аварійний режим роботи перетворювача

В якості аварійного режиму змоделюємо внутрішнє коротке замикання тиристора VS5 фази С та коротке замикання всього навантаження. Забезпечуємо вказаний режим за допомогою ключа, що в певний момент часу шунтує потрібний тиристор або навантаження. За час настання аварії приймемо половину часу моделювання (t_к.з.=0.1 с.).



Рис. 10.7. блок-схема забезпечення короткого замикання на тиристорі VS7.

Рис. 10.8. Осцилограми струму живлення, струму та напруги на навантаженні (без двигуна) при к.з. на тиристорі VS7.

Рис. 10.10. Осцилограми струму та зворотної напруги на тиристорі VS9 (без двигуна) при к.з. на тиристорі VS7.



Рис. 10.12. Осцилограми струму живлення, струму та напруги на навантаженні (з двигуна) при к.з. на тиристорі VS7.

Рис. 10.14. Осцилограми струму та зворотної напруги на тиристорі VS9 (з двигуном) при к.з. на тиристорі VS7.

Також змоделюємо такий аварійний режим, як к.з. на навантаженні перетворювача. Струм під час такого аварійного режиму описується наступним чином [2].

Миттєве значення струму в будь-який момент часу:

(10.1)

де та - відповідно доаварійний струм та усталений струм к.з.;

- постійна часу .

Усталене значення струму к.з. перетворювача:

(10.2)

де - приведений до вторинної сторони сумарний реактивний опір фази.

Рис. 10.16. блок-схема забезпечення короткого замикання навантаження.

Рис. 10.18. Осцилограми струму та зворотної напруги на тиристорі VS9.



Рис. 10.17. Осцилограми струму та напруги на навантаженні під час к.з. навантаження.

Висновки

В даній курсовій роботі був розрахований перетворювач змінного струму в постійний.

У пояснювальній записці наведений аналіз роботи схеми перетворювача та приведені розрахунки перетворювального трансформатору, тиристорів, згладжуючого реактору, елементів захисту від перенапруг, елементів захисту від аварійних струмі та виконаний вибір цих елементів за розрахованими значеннями.

Також були розраховані та побудовані зовнішні, регулювальні та енергетичні характеристики перетворювача.

За допомогою використання програмного пакету MATLAB-Simulink здійснено моделювання схеми перетворювача в нормальному та в аварійному режимах. По отриманим осцилограмам проведений аналіз роботи перетворювача в аварійному режимі.

Розроблена та приведена принципова електрична схема перетворювача з всіма елементами захисту.

Література

1. Сіноліций А.П., Філіпп Ю.Б., Кольсун В.А. Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Керовані перетворювачі автоматизованих електроприводів». - Кривий Ріг: ДВНЗ «КНУ», 2011. -100 с.

2. Полупроводниковые выпрямители /Е.И. Беркович, В.Н. Ковалев, Ф.И. Ковалев и др./ Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. - М.: Энергия, 1978 -448 с.

3. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г.. Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. - М.: Энергоиздат, 1985. -400 с.

4. Шипилло В.П., Автоматизированный вентильный электропривод. -М.: Энергия, 1969. -400 с.

Размещено на Allbest.ru