Проектирование силовой части преобразователя системы ТП-Д

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Курсовой проект

Проектирование силовой части преобразователя системы ТП-Д



Содержание

преобразователь выпрямительный разомкнутый тиристорный

1. Задание на курсовой проект

2. Выбор схемы преобразователя

3. Электрический расчет силового трансформатора

4. Выбор вентилей

5. Выбор реакторов

6. Описание силовой части электрической принципиальной схемы

7. Расчет механических характеристик

Заключение

Список использованных источников



1. Задание на курсовой проект

На основании технических данных двигателя постоянного тока и требований к электроприводу выполнить электрический расчет тиристорного выпрямительно-инверторного преобразователя (управляемого выпрямителя) и его систему управления, рассчитать характеристики разомкнутой системы ТП-Д. Преобразователь выполняется на нестандартное выходное напряжение и на стандартный ток, реверсивным с раздельным управлением.

Вариант задания с исходными данными представлен в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные курсового проекта.

№ вар	РN, кВт	, B	, A	, об/мин	, мОм	, 0C	Кл. изол.	, мГн	I	, сек	, %	Доп. тре- бов.
7	1,5	220	9,74	1500	110	15	В	19,5	1,7	15	12	5

Дополнительные требования: максимальное напряжение на якоре должно превышать номинальное на 100 В

2. Выбор схемы преобразователя

Схема силовых цепей выпрямительно-инверторного преобразователя должна обеспечивать выполнение требований, предъявляемых к электроприводу, при минимальном количестве управляемых вентилей и высоких технико-экономических показателях.

В первую очередь, выбирается пульсность схемы исходя из мощности привода. Выбираем пульсность р=2 [1, рис. 1].



Выбираем схему преобразователя. Однофазная мостовая схема используется чаще, чем двухфазная нулевая и она может питаться от однофазного напряжения и от одной фазы многофазного, через токоограничивающие реакторы, которые имеют меньшие габариты, массу и стоимость, чем трансформатор, поэтому выбираем однофазную мостовую схему [1, рис. 2в]. Реверсивный преобразователь выполняем двухкомплектным по встречно-параллельной схеме [2, рис. 32].

3. Электрический расчет силового трансформатора

Электрический расчет трансформатора выполняется с целью определения параметров трансформатора, от которых зависят свойства и характеристики преобразователя и привода.

Предварительно определим сопротивление якоря в относительных единицах. Расчетная температура, к которой приводится сопротивления обмоток электрической машины, при вычислении потерь принимается равной 75 0C для обмоток с изоляцией класса В и рассчитывается по формуле

, (1)

где - коэффициент увеличения сопротивления обмоток при нагреве до расчетной температуры;

- заданное сопротивление якорной цепи двигателя, Ом;



Ом.

После этого находится коэффициент необходимого повышения напряжения, обусловленного увеличением падения напряжения на активных сопротивлениях при перегрузках по току

, (2)

Где

- перегрузочная способность электрической машины;

, - номинальные напряжение и ток якоря двигателя, В;

- эквивалентное сопротивление преобразователя в относительных единицах, включающее в себя сопротивление обмоток трансформатора, токоограничивающего реактора и сопротивление, обусловленное коммутацией вентилей;

.

Коэффициент корректировки величины максимального напряжения преобразователя, исходя из требуемого превышения напряжения на якоре двигателя Uяmin в переходных режимах

Преобразователь имеет вентильные группы, подключенные к вторичным обмоткам трансформатора, поэтому вычисляются действующие значения линейного и фазного напряжения.

Действующее значение линейного и фазного номинального вторичного напряжения по формуле

, (3)

где - коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения сети в отдельных случаях, согласно ГОСТ 13109-67;

- минимальный угол управления, определяющий снижение выпрямленного напряжения в реверсивных преобразователях в связи с ограничением угла управления;

- коэффициент выпрямленного напряжения по табл. 1 [1],

.

Вычисляется ЭДС преобразователя при номинальном напряжении сети и угле управления

, (4)

.

Исходя из мощности цепи постоянного тока, определяется габаритная мощность трансформатора

, (5)

где - коэффициент типовой мощности,



.

По табл. 2 [1] рекомендуемое первичное напряжение выбирается равным .

Действующее значение линейного первичного тока трансформатора пропорционально выпрямленному току

, (6)

где - коэффициент первичного тока для полностью сглаженного тока по табл. 1 [1],

.

При работе преобразователя в режиме непрерывного тока происходит потеря напряжения, обусловленная коммутацией вентилей, которая учитывается как падение напряжения на фиктивном сопротивлении , обусловленном коммутацией. Таким образом, эквивалентное сопротивление преобразователя имеет два слагаемых

. (7)

Активную составляющую напряжения короткого замыкания в процентах можно вычислить по предложенной эмпирической формуле

, (8)



где - коэффициент, зависящий от конструкции трансформатора,

.

Коэффициент трансформации в общем случае равен отношению напряжения первичной обмотки к напряжению вторичной обмотки, если они имеют одинаковые схемы соединения

, (9)

.

Тогда активное сопротивление обмоток одной фазы трансформатора, приведенное ко вторичной цепи, вычисляется по формуле

, (10)

где - число фаз подведенного к вентилям напряжения сети

.

Активное сопротивление преобразователя, которое вносится в цепь постоянного тока, зависит от расчетного числа табл. 3 [1] последовательно включенных обмоток в сложных схемах, по которым протекает ток

, (11)

мОм.



Индуктивное сопротивление рассеяния обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной цепи, вычисляется по формуле

, (12)

но при отсутствии технических данных реактивная составляющая напряжения короткого замыкания принимается равным 5-8% независимо от мощности трансформатора, т.е.

мОм,

Вносимая в цепь постоянного тока индуктивность преобразователя, определяется по формуле

, (13)

где - угловая частота сети, равная 100р рад/с,

мГн.

Фиктивное активное сопротивление преобразователя, обусловленное коммутацией вентилей, определяется по выражению

, (14)

где - коэффициент, учитывающий особенность схем по табл. 3;

- пульсность преобразователя в целом.



мОм.

Индуктивные сопротивления токоограничивающих (анодных) реакторов, рассчитывают по номинальным первичным линейным напряжениям и току

, (15)

Ом.

Индуктивное сопротивление, которое вносится в цепь выпрямленного тока, равно

, (16)

Ом.

Активное сопротивление токоограничивающего реактора, при курсовом проектировании можно определить по эмпирической формуле

, (17)

мОм.

Активное сопротивление, которое вносится в цепь якоря, вычисляется по формуле

, (18)

мОм.



Таким образом, эквивалентное сопротивление преобразователя

,

мОм.

3. Выбор вентилей

В ходе проектирования выбираются типы вентилей и их класс по напряжению. Тип полупроводникового вентиля определяется требуемым выпрямленным током и заданной перегрузочной способностью, а класс максимальными повторяющимися напряжениями. Длительно допускаемый средний ток вентиля в значительной степени зависит от условия охлаждения. Поэтому вначале выбирается способ охлаждения.

Исходя из относительно небольшого выпрямленного тока А, выбирается принудительное воздушное охлаждение.

Правильно выбранные вентили должны длительно работать при номинальном токе с некоторым запасом, а при расчетных перегрузках температура p-n перехода не должна превышать максимально допустимую.

Во всех схемах преобразователей средний ток вентиля определяется числом вентилей присоединенных к одной выходной шине: положительной или отрицательной

, (19)

А.

По рекомендации [1] предварительно выбирается тиристор с предельным током в 5 раз больше его среднего значения. Данному условию отвечает оптронный тиристор типа ТО132-40.

А,

- коэффициент формы тока тиристора табл. 3 [1];

- максимальная температура p-n перехода;

- температура окружающей (охлаждающей) среды в силовом шкафу преобразователя;

Коэффициент запаса по току

,

,

что удовлетворяет рекомендуемому значению от 2 до 3.

Тиристоры каждого типа выпускаются на различные максимально допустимые напряжения в прямом закрытом состоянии и в обратном направлении, которые считаются равными и кратными 100.

Максимальное импульсное рабочее напряжение определяется по формуле

, (20)

где - коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в сети,

.

Исходя из импульсного рабочего напряжения и коэффициента запаса по напряжению формула для определения класса вентиля имеет вид



,(21)

.

Для уменьшения повторяющихся и неповторяющихся напряжений в каждом преобразователе используются защитные RC-цепи (рисунок 1).

Рисунок 1. Защитная RC-цепь тиристора.

5. Выбор реакторов

В тиристорных выпрямительно-инверторных преобразователях могут использоваться реакторы уменьшающие пульсации тока якоря двигателя (сглаживающие).

Пульсации выпрямленного тока должны быть ограничены на уровне допустимого значения для выбранного двигателя.

Для проверки необходимости установки реактора используем следующее соотношение

,

где .



В

Следовательно необходима установка дополнительного реактора.

Подберем подходящий реактор из справочника [5]

Выбираем реактор ФРОС-65/0.5УЗ с параметрами

Номинальный выпрямленный ток I=250 А

Номинальная индуктивность 1,5 мГн.

Для построения внешних характеристик необходимо знать максимальный граничный ток (при )

, (22)

где - коэффициент граничного тока, зависящий от силовой схемы и пульсности преобразователя табл. 4 [1],

А.

6. Описание силовой части электрической принципиальной схемы

Работа двигателя постоянного тока обеспечивается двумя комплектами нереверсивных преобразователей включенных встречно параллельно. Вентильный комплект VS1-VS4 - это группа "Вперед", представляющая собой мостовую схему. Питание мостовых схем выполняется от однофазного повышающего трансформатора с одной вторичной обмоткой. Вентильный комплект VS5-VS8 - это группа "Назад", представляющая собой мостовую схему. Встречно параллельное включение двух нереверсивных групп позволяет осуществлять реверс направления вращения и торможения двигателя постоянного тока. Включение и выключение вентильных комплектов производится подачей и снятием импульсов управления тиристорами соответствующего комплекта. Реактор L, включенный последовательно в цепь якоря двигателя ограничивает пульсации тока якоря на заданном уровне. Кроме того, реактор L ограничивает скорость нарастания тока в цепи постоянного тока при коротком замыкании и отключении преобразователя от сети контактором К1. Оба вентильных комплекта питаются от одного трансформатора. Напряжение питающей сети составляет 220 В. Автоматический выключатель QF1 на входе защищает от токов короткого замыкания.

7. Расчет механических характеристик

Вначале рассчитываются внешние характеристики системы ТП-Д. Предварительно находят приближенную границу между зонами прерывистого и непрерывного токов при .

Координаты границы для симметричных схем

, (23)

. (24)

Далее задается несколько значений напряжения управления в пределах, соответствующих указанным углам , и при согласованном управлении в случае пилообразного развертывающего напряжения угол управления рассчитывается по формуле



(25)

Результаты расчетов заносятся в таблицу 1.

Для построения фазовых характеристик второго вентильного комплекта в формулы для расчета подставляется напряжение управления вторым вентильным комплектом .

Для построения регулировочной характеристики выполняются промежуточные вычисления угла управления по формуле (25). Результаты расчетов заносятся в таблицу 1.

Таблица 1.

, град (первый вентильный комплект)	9	36	63	90	117	144	171
, В (первый вентильный комплект)	9	6	3	0	-3	-6	-9
, град (второй вентильный комплект)	9	36	63	90	117	144	171
, В (второй вентильный комплект)	-9	-6	-3	0	3	6	9
, В	428	350	197	0	-197	-350	-428
, А	0,9	0,6	0,3	0	-0,3	-0,6	-0,9

По результатам расчетов (таблица 1) строятся фазовые характеристики СИФУ для вентильной группы вперед и вентильной группы назад (рисунок 2), и регулировочная характеристика (рисунок 3).

Рисунок 2. Фазовые характеристики вентильных групп "Вперед" (синий) и "Назад" (красный)



Рисунок 3. Регулировочная характеристика .

В режиме прерывистого тока в начале находим - минимальную ЭДС якоря при . Полагая, что используются широкие импульсы управления тиристорами, при малых углах ()

, (26)

В.

При больших углах управления

()

,(27)

Результаты расчета заносятся в таблицу 2.

Таблица 2.

, град	9	36	63	90	117	144	171
, В	106	400	606	680	606	400	106

Эквивалентное сопротивление якорной цепи



(28)

мОм.

При токах, превышающих граничный (в режиме непрерывного тока), внешние характеристики являются прямыми линиями

, (29)

Задаваясь током якорной цепи от до при фиксированном значении угла управления (напряжения управления).

Окончательно строятся механические характеристики . Для этого определяются коэффициент двигателя

,(30)

.

а затем вычисляется электромагнитный момент и скорость по формулам

,(31)

.(32)

Механические характеристики реверсивных преобразователей строятся в четырех квадратах.

На них наносятся линии, соответствующие номинальному и максимальному электромагнитным моментам, линии соответствующие положительной и отрицательной номинальным скоростям, ограничительная характеристика и линия раздела между режимами прерывистого и непрерывного тока.

Максимальный электромагнитный момент определяется исходя из перегрузочной способности двигателя

,(33)

м.

Результаты расчетов скорости и момента двигателя постоянного тока

Введены следующие данные:

E2 = 481.0; R_я.ц = 0.2890; I_max = 10.0 p=2

X_т = 0.141; L_я.ц = 0.365700; c = 0.700 s=2



Заключение

На основании технических данных двигателя постоянного тока и требований к электроприводу выполнен электрический расчет тиристорного выпрямительно-инверторного преобразователя (управляемого выпрямителя), рассчитаны характеристики разомкнутой системы ТП-Д.

Преобразователь выполнен на нестандартное напряжение и стандартный ток.

В процессе выполнения работы рассчитаны параметры силового трансформатора, произведен выбор вентилей, рассчитаны параметры реакторов.



Список использованных источников

1. Проектирование силовой части преобразователя системы ТП-Д. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине "Преобразовательная техника". Лихошерст В.И., Костылев А.В. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2002. 39 с.

2. Лихошерст В.И. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии для электроприводов с двигателями постоянного тока: Учебное пособие. Свердловск: изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1987. 80 с.

3. Мощные управляемые выпрямители для электроприводов постоянного тока. Э.М. Аптер, Г.Г. Жемеров, И.И. Левитан, А.Г. Элькин. М.: Энергия, 1975.

4. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами. Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1982. 416 с.

5. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник. Под ред. Перельмутера В.М. М.: Энергоатомиздат, 1988. 319 с.

Размещено на Allbest.ru