Расчёт параметров и выбор устройств защиты силового преобразователя

Принципиальная схема тиристорного блока с необходимыми устройствами защиты выглядит следующим образом:

Рис. 2. Принципиальная схема тиристорного блока с защитными устройствами.

Расчёт индуктивности токоограничивающего реактора Lp.

[1], стр. 84.

Расчёт сопротивления и ёмкости шунтирующей цепочки Rш и Сш соответственно

[1], стр. 84.

пример: Rm = 12 (Ом), Сш =0.1 (мкФ).

Найдём индуктивность токоограничивающего реактора Lр, при которой не превышает допустимого значений:

Таким образом, окончательно принимаем следующие значения:

Lp = 4(мкГн);

Rш=12(OM);

Сш = 0.1 (мкФ).

Правильность выбора проверяем по следующему соотношению:

[1], стр. 27.

6.325 <12<12.649 — соотношение выполняется.

Выбор элементов цепи управления тиристора.

Элементы цепи управления тиристора выбираются в соответствии с рекомендациями.

([3], стр. 93):

R1=100(Om);

R2 =100 (Ом);

С1[ = 0.1 (мкФ).

Выбор охладителя тиристора.

В соответствии с рекомендациями ([2], стр. 574) выбираем охладитель по типу тиристора серии 0241. Для данного типа охладителей максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при естественном охлаждении тиристора тина Т-141−80−7 равен .27 (А).

Выбор плавкой вставки FU.

В соответствии с [1], Таблица 15 выбираем предохранитель с плавкой вставкой быстродействующий типа ПП61 со следующими техническими данными:

Номинальный ток плавкой вставки63 (А) Напряжение переменное380 (B).

Интеграл квадрата тока.100 (Лс) Отключающая способность100 (кЛ) В соответствии с рекомендациями по выбору плавкой вставки ([1], стр. 78) при выборе быстродействующих предохранителей необходимо, чтобы интеграл квадрата тока (джоулев интеграл) при отключении предохранителя (I2 * 1) прсд; был меньше допустимого джоулева интеграла полупроводникового прибора (тиристора) (I2 * t) приб. Тогда:

• (I2-t)пред<(I2-t)приб;
• 100(А2· с)<3200 (А2· 2) — требуемое условие выполняется.

Разработка принципиальной схемы системы импульсно-фазового управления (СИФУ) и выбор её элементов. Построение диаграмм, поясняющих принцип работы СИФУ Принципиальная схема СИФУ для одного канала управления представлена на следующем рисунке:

Номинальные параметры элементов СИФУ представлены в спецификации в приложении 1.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы СИФУ приведены на следующем рисунке:

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) состоит из следующих узлов:

фильтра (Ф) на элементах Rl, R2, СЗ, двух пороговых элементов (ПЭ1, ПЭ2) на транзисторах VI V4;

формирователя синхронизирующих импульсов (ФСИ) на микросхеме D1; генератора пилообразного напряжения (ГПН) на элементах Y5, С5, Rl.1; нуль-органа (НО) на микросхеме А1.2; RS-триггера на микросхеме D2;

формирователя длительности импульсов (ФДИ) на элементах С7, V7. Диаграмма работы СИФУ приведена на рис. 4., при этом по вертикальной оси даны диаграммы напряжений на элементах схемы, а в кавычках указаны точки схемы, в которых снимается конкретное напряжение. Схема работает следующим образом:

Синхронизирующее фазное напряжение сдвигается фильтром Ф на угол 30 эл. градусов. С выхода фильтра напряжение с помощью пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2 преобразуется в прямоугольные противофазные импульсы.

При логическом сигнале «0» на выходах обоих пороговых элементов на выходе ФСИ формируется синхроимпульс (сигнал логической «1»), который осуществляет разряд конденсатора С5 ГПН через открывшийся транзистор V5. Напряжение ГПН начинает снова линейно нарастать от нуля до 10 В. Момент превышения напряжения ГПН над управляющим напряжением Uy, поступающим через резистор R12, фиксирует нуль-орган НО, который изменяет своё состояние с логической единицы «1» на логический ноль «0», и происходит переключение RSтриггера, вызывающего появление на выходе ФДИ импульса, который совместно с сигналами пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2 формирует управляющие импульсы. То есть, для управления тиристорами необходимы сигналы «8», «9» и «7». Сигналы «8» и «9» определяют, какой тиристор в полумосте будет управляться, а сигнал «7» определяет угол управления тиристором б.

Расчёт и построение регулировочных характеристик преобразователя Ud (a), определение максимального угла управления выпрямителем атах, расчёт заданных значений углов управления а2 и а3 и определение для этих углов средних значений выпрямленного напряжения Uda и величин противо-ЭДС в цепи нагрузки и Е2.

Расчёт и построение регулировочных характеристик преобразователя Ud (б) и определение максимального угла управления преобразователем бmax.

Общий вид зависимости, для построения регулировочной характеристики при чисто индуктивной нагрузке (Ld>?), имеет следующий вид:

Ud (a) = Ud0 · [1+cosa .

Общий вид зависимости, для построения регулировочной характеристики при чисто активной нагрузке (Ld—>0), имеет следующий вид:

Ud (a) = Ud0 •[1 + cos (б + 60)]. (7.2.).

Определение активного сопротивления нагрузки Rd.

Определение индуктивного сопротивления нагрузки Xd. В соответствии с заданием:

где фd — постоянная времени цепи нагрузки ;

тогда:

Ld = фd · Rd = 3 · 10−3 · = 0.0092 (Гн);

Xd = щ · Ld = 2 · р · f · Ld = 2· р·50· 0.0092 = 2.8888 (Ом).

Определение угла нагрузки цd7.1.4. Расчёт максимального угла управления выпрямителем бmax.

Рассмотрим режим работы преобразователя, при котором Ud=0 (В), при увеличении индуктивности нагрузки Ld от 0 (ц1=0°) до бесконечности (ц2=90°), при этом изменение угла нагрузки равно:

Дц=ц2 — ц1=90° - 0°=90°.

Для поддержания напряжения преобразователя на прежнем уровне необходимо изменять угол регулирования б в пределах от 90° до 120°. Тогда:

Дб=120° - 90°=30°.

Изменение угла ц при изменении нагрузки от нуля до заданной равно:

Дцd =43.30 — 0°=43.3°.

Учитывая, что Дб при увеличении нагрузки и Ud=const пропорционально изменению угла ц, составим следующую пропорцию:

откуда:

Максимальный угол регулирования при заданной нагрузке равен:

бmax=120?-Дбd=120?-14.434?=105.566?

Расчёт и построение регулировочной характеристики преобразователя Ud (б) при заданной нагрузке.

Приведём пример расчёт регулировочной характеристики преобразователя.. Зададимся напряжением Ud:

Ud=10 (В);

рассчитаем значения углов управления преобразователем, соответственно для регулировочных характеристик при чисто индуктивной нагрузке (б1) и при чисто активной нагрузке (б2), при заданном значении напряжения Ud:

найдём соответствующее этим углам значение Дб:

Дб' =б2' -б1'= 105.165°-88.09° = 17.075°;

рассчитаем значение Дбd' из соотношения (5.3):

тогда:

биск=б'2-Дб'd=105.165?-8.215?=96.95?.

На основе приведённого выше примера выведем формулу, для расчёта искомой регулировочной характеристики:

(7.4).

Рассчитаем искомую регулировочную характеристику по приведённой выше формуле и занесём результаты расчёта в следующую таблицу:

Таблица 1 — Регулировочные характеристики при заданной активно индуктивной нагрузке.

Результаты расчёта регулировочных характеристик для случаев чисто активной и чисто индуктивной нагрузки приведём в следующей таблице:

Регулировочные характеристики для случаев чисто активной и чисто индуктивной нагрузки (таблица 5.2.) и для случая активноиндуктивной нагрузки при заданных Rd и Ld (таблица 5.1.) приведены на следующем рисунке:

Определение заданных значений углов управления преобразователем а2 и а3. В соответствии с заданием:

тогда:

б2 = 0.25 · б max =0.25· 105.566 = 26.392°; аналогично:

б3 = 0.5· бmах =0.5· 105.566 = 52.783°.

Определение средних значений выпрямленного напряжения, соответствующих углам управления преобразователем б2 и б3, Udб2 и Udб3.

По регулировочной характеристике определим значения Udб2 и Udб3:

б1=0°;

Udбl=Ud0 = 270(B);

б2=26.392?;

Udб2=Ud0 •cos (б2) = 270•cos (26.392) = 242.901(B);

б3=52.783?;

Udб3 = Ud0 •cos (б3) = 270•cos (52.783) = 167.257(B).

Определение значений противо-ЭДС в цепи нагрузки Е1 и Е2.

В соответствии с заданием:

тогда для каждого угла управления запишем:

Расчёт и построение семейства внешних характеристик преобразователя Ud (Id), отвечающих углам управления б1 б2 и б3.

Построение внешних характеристик преобразователя производится по следующей формуле:

.

где m=3-число фаз преобразователя; подставив в это выражение значения Ra. т. и Ха.т., получим:

Тогда для каждого угла управления получим:

Расчёт величин коэффициентов мощности, коэффициентов искажения тока, потребляемого из сети, и коэффициентов пульсаций напряжения и тока на выходе преобразователя при активно-индуктивной нагрузке для заданных значений углов управления б1 б2 и б3.

Приведём подробный пример расчёта коэффициента мощности, коэффициента искажения тока, потребляемого из сети, и коэффициентов пульсаций напряжения и тока на выходе преобразователя для угла управления б1=0°:

В соответствии с [1], Рис. 11. принимаем:

Коэффициент искажения тока в сети вычислим по следующей формуле:

подставив численные значения в предыдущее выражение получим:

Коэффициенты пульсаций напряжения и тока на выходе преобразователя определим из графиков ([1], Рис. 5., Рис. 6., соответственно):

Кп (U)=0.1;

Кп (i)= [1], стр. 33.

Кп (i)=.

Аналогичным образов вычислим все искомые величины для других углов управления преобразователем. Результаты расчёта сведём в следующую таблицу:

Таблица 2 — «Значения величин коэффициентов мощности, коэффициентов искажения тока, потребляемого из сети, и коэффициентов пульсаций напряжения и тока нВ выходе преобразователя при активно-индуктивной нагрузке для заданных значений углов управления б1, б2 и б3».

Расчёт и построение временных диаграмм, отвечающих указанным в задании режимам работы преобразователя Расчёт и построение временных диаграмм при чисто активной нагрузке (Ld=0) и угле регулирования б 2=26.392°.

Найдём полное активное и индуктивное сопротивление цепи нагрузки:

Rd? = Rd + 2•Ra.т. =3.059+ 2•0.591 = 4.241(Ом);

Xd? = Xd + 2•Ха.т. = 2.8888+ 2•0.0313= 2.951(Ом).

Найдём полную индуктивность цепи нагрузки:

Тогда постоянная времени цепи нагрузки будет равна:

Найдём угол нагрузки:

(.

Запишем фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора:

;

.

Найдём среднее значения выпрямленного напряжения:

Udср = Ud0•cos (б2) = 270• cos (26.392°) = 242.901 (В).,.

Найдём среднее значение выпрямленного тока: Уравнение для расчёта тока на тиристоре (на примере тиристоров VS1 и VS6) будет иметь следующий вид:

Найдём среднее значение тока на тиристоре:

Ток первичной обмотки силового согласующего трансформатора будем рассчитывать по следующему выражению:

.

где Кт — коэффициент трансформации.