Проектирование и расчет надежности тиристорного преобразователя

Для каждого из блоков ТП предусмотреть замену на резервный блок при выработке гамма-процентного ресурса при вероятности достижения своего предельного состояния и при экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы.

Считаем, что в цехе эксплуатируется не менее 10 аналогичных ТП. Необходимый годовой резерв ЗИП рассчитать на 10 изделий.

1.4 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ (Вариант № 345)

Номинальная мощность ДПТ ;

Номинальное напряжение якоря ;

Напряжение питающей сети . Возможные колебания первичного напряжения ;

Схема силовой части ТП - нереверсивный тиристорный агрегат по трехфазной нулевой схеме;

Способ подключения ТП к первичной сети - через согласующий трансформатор;

Схема соединения обмоток трансформатора - треугольник - звезда (Д/Y);

Диапазон регулирования скорости ДПТ - 32;

Допустимые пульсации тока якоря ;

Допустимый граничный ток ;

Кратность тока якоря при срабатывании токоограничения ;

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В настоящее время основным видом преобразователей являются управляемые тиристорные выпрямители (УТВ). Они вытеснили все остальные виды преобразователей за счет более высокого КПД, отсутствия движущихся элементов, повышенной надежности и более высокой приспособленности к автоматическому регулированию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

РПФ - радиоподавляющий фильтр; БКА - блок коммутационной аппаратуры; УТВ - управляемый тиристорный выпрямитель; БФ - блок фильтров; СУВ - система управления выпрямителем.

Рис. 2. Блок-схема ТП.

На выход системы управления (рис. 2.) выпрямителем (СЧВ) поступает управляющее напряжение , где оно преобразуется в соответствующее значение угла открытия тиристоров . Изменение ведет к регулированию выходного напряжения , которое может содержать значительные пульсации, что требует сглаживания выходного напряжения, осуществляемого блоком фильтрации (БФ). Согласование уровня первичного напряжения и требуемого значения переменного напряжения, подаваемые на УТВ, осуществляется силовым согласующим трансформатором. Блок РПФ-БКА содержит коммутационную и защитную аппаратуру, осуществляющую рабочее и аварийное отключение (включение) ТП от первичной сети, а также может содержать радиоподавляющие фильтры, предотвращающие высших гармоник, генерируемых преобразователем, в первичную сеть. Измерительное устройство осуществляет контроль параметров ТП (в частности тока и напряжения) и в случае аномальных режимов воздействует на коммутационную аппаратуру БКА и систему управления, вызывая запирание тиристоров (отключение преобразователя).

2.2 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Трёхфазная нулевая схема тиристорного преобразователя. Данная схема получила широкое распространение для построения трёхфазных управляемых выпрямителей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этой схеме вентили подключены к вторичной обмотке трансформатора. В нулевых схемах выпрямления проводит ток тот вентиль, анодное напряжение которого максимально. Это обуславливает поочерёдную работу трёх вентилей нулевой схемы с длительностью горения (проводящего состояния) равной .

В момент (точка пересечения фазы А и фазы С) подается управляющий импульс на тиристор VS1, который переходит в открытое состояние, длительностью . Затем он запирается. Управляющие импульсы подаются на тиристоры VS1, VS2 и VS3 последовательно, с интервалом , что обеспечивает выпрямление трёхфазного переменного тока в ток на нагрузке с относительной частотой пульсации .

2.3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Нулевые схемы выпрямления рекомендуется применять при низких значениях выпрямленного напряжения . Обычно к низким значениям относят напряжения 24, 40, 60, 110 и в некоторых случаях 154 В. Это связанно с тем, что при низких значениях выпрямленного напряжения существенное влияние на КПД преобразователя оказывает падение напряжения на тиристорах.

Можно приблизительно оценить КПД выпрямителя:

, (1)

где:

 - падение напряжение на тиристоре в открытом состоянии (1,5 В);

- число тиристоров последовательно проводящих ток нагрузки и выпрямительной схеме ().

Расчетное значение КПД УТВ .

3. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ СХЕМЫ

3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗКИ

Номинальный ток якоря в двигателе можно рассчитать по формуле:

, (2)

где:

- коэффициент полезного действия двигателя. Для ДПТ, номинальная мощность которого , лежит в пределах .

Для проектируемого преобразователя:.

Потери в двигателе оценим по выражению:

, (3)

Полагаем, что потери в меди якоря при номинальном токе составляют половину суммарных потерь. Это позволяет определить сопротивление якоря двигателя.

 (4)

Индуктивность якорной цепи оценим по формуле Лицвилля:

(5)

где:

- число пар полюсов двигателя;

- номинальная частота вращения;

- расчётный коэффициент, принимаемый равным:

§ 0,6 для некомпенсированных машин с

§ 0,25 для компенсированных машин с большой мощностью;

Значение для общепромышленных машин постоянного тока серий П2 и П можно принять равным 314 с-1.

3.2 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ИДЕАЛЬНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Идеальным является выпрямитель, выполненный на элементах, не имеющих потерь. Анализ схем выпрямления ведем, положив угол управления тиристорами равным нулю. В этом случае нет запаздывания в открытии тиристоров относительно точки естественной коммутации (ТЕК), а тиристоры можно условно заменить диодами. В этом режиме преобразователь обеспечивает на выходе максимальное выпрямленное напряжение, обозначенное . Так как у идеального выпрямителя нет внутреннего падения напряжения, то

,

где - внутренняя ЭДС выпрямительной схемы при .

Очевидно, что при нагрузке на выходе выпрямителя R, либо RL типа, мощность, отдаваемая преобразователем, и загрузка его элементов будут максимальными при . Поэтому выбор элементов преобразователя производиться в данном режиме работы.

Кроме указанных выше допущений считаем, что ток нагрузки идеально сглажен, т.е. . Это является ошибочным предположением при RL-нагрузке либо двигательной нагрузке. При работе на ДПТ допустимые пульсации в кривой выпрямленного тока , как правило, не должны превышать 5%. При больших уровнях пульсации резко ухудшаются условия протекания коммутационных процессов на коллекторе ДПТ. Это проявляется в усилении искрения в щеточных контактах машин и обгорания коллектора.

Необходимое соотношение между средним значением выпрямленного напряжения идеального выпрямителя и вторичным напряжением трансформатора (для идеального трансформатора ) устанавливается на основании соотношения:

, (6)

где:

- число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за период сетевого напряжения . Для проектируемой схемы

Для нулевых схем выведена общая расчетная формула:

, (7)

Выражение (7) позволяет определить коэффициенты согласования по напряжению для различных схем выпрямления.

(8)

Численное значение относительной величины вторичного расчётного напряжения , для проектируемой схемы, рассчитанное по выражениям (6) и (8) равно .

Расчётное значение .

Основными показателями при выборе тиристоров по напряжению является значение максимального напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии . Отношение назовём коэффициентом использования вентилей по напряжению . Очевидно, что при заданном , чем ближе к единице, тем на меньшее напряжение выбираются тиристоры по каталогу. Для большинства трёхфазных схем выпрямленное значение определяется амплитудой вторичного линейного напряжения (). Используя известное соотношение амплитуд и действующих значений напряжений в трёхфазной симметричной системе и выражение (6), было рассчитано численное значение .

Выбор тиристоров по току в идеальной схеме осуществляют по предельно возможному значению среднего тока, протекающему через него.

, (9)

Для большинства схем - .

(10)

где:

- угол проводимости тиристора, определяемый по диаграммам работы схемы; . Тогда:

Обычно токовую нагрузку тиристоров определяют через коэффициент использования тиристоров по току.

, (11)

Для рассматриваемой схемы коэффициент использования тиристоров по току .

Для различных схем выпрямления продолжительность открытого состояния (угол ) и форма тока различны. Это означает, что при равных значениях токов через вентили их действующие значения могут отличаться. Как известно, эффективность (действующее значение) тока вентиля определяется выражением:

(13)

Относительное значение действующего тока вентилей:

, (14)

Для рассматриваемой схемы коэффициент относительной эффективности тока тиристоров (взят из справочной таблицы).

3.3 ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Выбор силовых трансформаторов преобразовательных схем осуществляется по каталогам, исходя из следующих данных:

§ схема соединения обмоток трансформатора;

§ значение первичного напряжения ;

§ значение вторичного фазного напряжения (или для идеального преобразователя). Последнее определяется по (6), (7), (8) и данным справочной таблицы.

§ расчетное значение типовой мощности трансформатора , где - число фаз первичной и вторичной обмоток соответственно;

Относительное значение типовой мощности трансформатора назовем коэффициентом использования трансформатора в выпрямительной схеме.

, (15)

3.4 РАСЧЕТ ИДЕАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Всем расчётным параметрам присвоен индекс «и», что означает, что расчёты выполнены для идеальной схемы.

Используя данные справочной таблицы и соответствующие расчетные формулы для проектируемого преобразователя получим:

Действующее значение ЭДС вторичных обмоток трансформатора

;

Максимальное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии

.

Среднее значение тока через тиристор

.

Эффективное значение тока через тиристор

.

Типовая мощность трансформатора

3.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

При эксплуатации тиристорных преобразователей в реальных условиях возникают отклонение напряжения и тока от расчётных значений за счёт неидеальности элементов схем и действия внешних возмущений (колебания сетевого напряжения, температуры окружающей среды и воздействия токовых перегрузок). На стадии проектирования при определении параметров схем вводят ряд коэффициентов запаса, каждый из которых позволяет учесть влияние определённых эксплуатационных факторов.

Уточнение величины фазного напряжения на вторичных обмотках трансформатора осуществляется с помощью выражения:

, (16)

где:

- коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжение сети , заданное в техническом задании.

;

Рассчитав, получим .

- коэффициент запаса, учитывающий возможное снижение выпрямленного напряжения за счёт отклонения управляющих импульсов от их расчётного положения. Для синхронизации многоканальных систем управления обычно принимают , а для цифровых (при высокой разрядности) и одноканальности синхронных систем ;

- коэффициент запаса, учитывающий внутренне падение напряжения в ТП. Примем .

Для проектируемой трёхфазной нулевой схемы принимаем , и . Тогда получим

.

Действующее значение первичного тока, потребляемого ТП из сети, уточняем по выражению:

, (17)

где:

- коэффициент запаса, учитывающий возможные технологические перегрузки (обычно равен 1,15ч1,2);

- коэффициент запаса, учитывающий возрастание действующих значений токов в трансформаторе из-за пульсации тока якоря, который можно оценить по выражению:

, (18)

где:

- значение допустимых пульсаций тока якоря, заданное в техническом задании.;

- коэффициент запаса, учитывающий протекание в первичных обмотках намагничивающего тока . Последний обычно принимают равным току холостого хода (хх) трансформатора , значение которого приводится в технических данных трансформаторов. Для ТП, работающего в составе электроприводов с широким диапазоном регулирования скорости (), на этапе предварительного расчёта можно ориентировочно принять . В последствии уточняется на основании технических данных трансформатора;

- расчётный коэффициент. При этом коэффициент трансформации рассчитывается по приближённому выражению . В качестве выбирается линейное или фазное первичное напряжение согласно техническому заданию и схеме трансформатора. Для проектируемой схемы: .

Значение типовой мощности трансформатора с учётом эксплуатационных факторов рассчитаем по выражению:

, (19)

где:

- коэффициент запаса по мощности, обеспечивающий устранение явления насыщенности стали. В трёхфазной нулевой схеме имеет место явление подмагничивания стали поэтому для проектируемой схемы .

3.6 РАСЧЁТ ТРАНСФОРМАТОРА С УЧЁТОМ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПАСА

Определяем значение коэффициента трансформации

.

Определяем значения коэффициентов запаса:

;

;

;

;

Тогда линейный ток, потребляемый из сети, составит

Определяем значение типовой мощности трансформатора с учётом эксплуатационных факторов:

;

;

;

;

.

Рассчитаем относительное значение коэффициента использования трансформатора в выпрямительной схеме:

,

3.7 ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА

В электротехнических справочниках приведены технические параметры некоторых серийных трансформаторов, которые могут быть применены в проектируемой схеме ТП.

Трехфазные трёхобмоточные трансформаторы серии ТТ в серийном исполнении имеют схему соединения «треугольник - двойная звезда».

При проектировании варианта ТП можно допустить изменение схемы соединения обмоток. Это предоставляет разработчику широкие возможности по использованию трансформаторов ТТ во многих вариантах ТП. Так, при последовательном соединении вторичных обмоток можно образовать на стороне вторичного напряжения соединение звездой. При этом значение вторичного линейного напряжения будет равно , где - значение вторичного линейного напряжения серийного трансформатора, приведенное в графе серийного трансформатора.

У таких трансформаторов допускается регулирование напряжения на вентильных обмотках в пределах .

Условия выбора конкретного трансформатора формулируются так:

§ Первичное линейное напряжение серийного трансформатора должно соответствовать напряжению первичной сети , определённому в техническом задании, т.е. ;

§ Номинальная мощность серийного трансформатора не должна быть меньше требуемой мощности, т.е. ;

§ Схема соединения обмоток трансформатора и его основные конструктивные решения (число фаз первичных обмоток, число вторичных обмоток) должны соответствовать схеме, заданной в техническом задании;

§ Определённое в п. 3.5. значение фазного напряжения вентильных обмоток трансформатора должно соответствовать номинальному фазному напряжению вторичных обмоток серийного трансформатора, т.е. .

3.8 ВЫБОР ТИРИСТОРОВ

3.8.1 РАСЧЕТ ТИРИСТОРОВ

Основным параметров, по которому осуществляется выбор тиристоров для преобразователей, работающих на частотах , является предельно допустимый средний ток, протекающий через прибор в открытом состоянии . Этот ток для унифицированных низкочастотных тиристоров серии Т, определяется на заводах-изготовителях экспериментально в классификационной однополупериодной схеме выпрямителя при работе на активную нагрузку при . Следовательно, - это постоянная состовляющая однополупериодной волны синусоидального тока.

, (20)

При этом за номинальное значение принимают такой ток , который разогревает полупроводниковую структуру прибора до предельной рабочей температуры при определённых условиях охлаждения. Значение , определенное при принудительном охлаждении с номинальными скоростью и температурой охлаждающего воздуха, указывается в обозначении тиристора.

Первая задача, которую решает разработчик при выборе тиристоров - определяет условия их охлаждения.

По действующим нормативным документам при проектировании тиристорных выпрямителей, подключаемых к промышленным сетям, рекомендуется применение принудительного охлаждения тиристоров при выходной мощности преобразователя при напряжениях . Для низковольтных выпрямительных установок принудительное охлаждение принудительное охлаждение применяется при .

При меньших мощностях (токах) применяется естественное охлаждение тиристоров. Радиаторы (охладители), на которых закрепляются тиристоры, охлаждаются естественными восходящими конвекционными потоками без принудительного обдува. На основе данных рекомендаций осуществляется выбор условий охлаждения тиристоров в проектируемой установке. В ТП, подключаемых к промышленным сетям рекомендуется использовать унифицированные низкочастотные тиристоры серии Т.

Рассчитаем максимальное значение среднего тока, протекающего через тиристор в проектируемом преобразователе:

, (21)

где: и - коэффициенты запаса по току, физический смысл и рекомендуемые численные значения которых приведены в п. 3.5. и в п. 3.6., а значения коэффициента по току даны в п. 3.2.. Долее по данным справочной таблицы из методического указания подбираем тиристор и тип охладителя, исходя из условия . Причём ближайшее значение выбирается из столбца при соответствующих условиях охлаждения.

При работе выбранного тиристора в реальном преобразователе условия его работы, как правило, отличаются от классифицированных. Эти отличия касаются формы и длительности тока, протекающего через тиристор и температуры охлаждающей среды. Воспользуемся выражением для определения среднего допустимого тока.

, (22)

где:

- допустимая рабочая температура полупроводниковой структуры (для унифицированных тиристоров принимают равной );

- температура охлаждающей среды (температура воздуха при классификационных испытаниях принимается равной );

- полное установившееся тепловое сопротивление «переход-среда» для выбранного типа радиатора (охладителя) и при принятых условиях охлаждения;

- коэффициент тока (для однополупериодного тока синусоидальной формы в классификационной схеме );

- пороговое напряжение тиристора;

- динамическое сопротивление тиристора в открытом состоянии;

Используя выражение (22) для классификационной схемы, можно определить значения для выбранного охладителя.

(23)

Для определения в реальных условиях эксплуатации вновь используем выражение (22), поставив в него рассчитанное по выражению (23) значение и новые значения и .

Если ТС особо техническим заданием не оговаривается, а преобразователь предназначен для работы в цеховых условиях для средней полосы России, то в летний период температура охлаждающего воздуха под кожухом преобразователя может достигать .

Зависимость представлена в таблице 2.

Таблица 2