Проектирование тиристорного выпрямительного агрегата

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ По дисциплине:

Устройства преобразовательной техники На тему:

Проектирование тиристорного выпрямительного агрегата

• Задание для расчета

• Введение

  Выбор и обоснование схемы выпрямления

• 1. Предварительный расчёт внешней характеристики
• 2. Выбор вентилей и их тепловой расчёт
• 2.1 Выбор вентилей по току
• 2.2 Выбор вентилей по напряжению
• 2.3 Тепловой расчёт вентиля
• 3. Расчёт преобразовательного трансформатора
• 3.1 Предварительное определение основных размеров и числа витков обмоток
• 3.2 Конструктивный расчёт обмоток. Определение потерь и напряжения короткого замыкания
• 3.3 Конструктивный расчёт магнитной системы. Определение потерь и тока холостого хода
• 3.4 Определение КПД трансформатора
• 3.5 Тепловой расчёт трансформатора в установившемся режиме
• 4. Расчет сглаживающего фильтра
• 5. Проверочный расчёт коэффициента наклона внешней характеристики выпрямителя
• 6. Определение энергетических показателей выпрямителя
• Заключение
• Список использованной литературы

Задание

Рассчитать и спроектировать силовой тиристорный выпрямительный агрегат со следующими параметрами:

§ Выпрямленное напряжение: =200 B

§ Номинальный ток: =300 A

§ Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения: =2%

§ Напряжение питающей сети: 380 B

§ Частота питающей сети: =50Гц

§ Отклонение напряжения питающей сети:

Выбор и обоснование схемы выпрямления

Наиболее часто преобразовательные устройства делят на четыре группы: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и импульсные преобразовательные устройства.

В настоящее время производство электрической энергии осуществляется, главным образом, на переменном трёхфазном токе, промышленной частоты 50 Гц. Однако, переменный ток в силу целого ряда причин не удовлетворяет значительную часть потребителей. Благодаря этому полупроводниковые выпрямительные агрегаты нашли широкое применение в различных областях промышленности: для питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности; для питания системы электропривода постоянного тока различного назначения и мощности; для возбуждения крупных электрических генераторов; для тяговых подстанций и магистральных электровозов переменного тока и для удовлетворения многих других потребностей народного хозяйства.

В выпрямительных агрегатах малой и средней мощности наиболее часто применяют трёхфазную мостовую, шестифазную с уравнительным реактором, трёхфазную нулевую и кольцевую схемы выпрямления.

Среди схем с фазностью выпрямления m = 6 наилучшим использованием трансформатора в сочетании с простотой его конструкции характеризуется трехфазная мостовая схема (). В ней, однако, выпрямленный ток протекает через два последовательно включенных вентиля, создавая потери на каждом из них, что снижает к.п.д. выпрямителя. Этот недостаток особенно ощутим при низких значениях выпрямленного напряжения. Поэтому трехфазную мостовую схему рекомендуется применять в установках мощностью до 100 кВт на выпрямленные напряжения, а в более мощных установках — на выпрямленные напряжения. Поэтому, учитывая данные на проектирование: =200 B, =300 A, используем именно трехфазную мостовую схему выпрямления.

1. Предварительный расчёт внешней характеристики

Наклон внешней характеристики, А зависит от соотношения между потерями выпрямленного напряжения и номинальным значением выпрямленного напряжения :

Эту же величину можно найти исходя из мощности проектируемого выпрямителя (P_d = 20 кВт), величины выпрямленного напряжения (), коэффициента пульсации выпрямленного напряжения () и схемы выпрямления (трехфазная мостовая). Ориентировочно, наклон внешней характеристики, А = 1,1. Тогда для известного выпрямленного напряжения, через принятый коэффициент наклона вычислим напряжение холостого хода выпрямителя при пониженном, номинальном и повышенном напряжении сети:

где — колебания напряжения сети, от которой питается выпрямитель в относительных значениях. В нашем случае

Разность между максимально возможным напряжением на выходе выпрямителя и стабилизированным напряжением, есть глубина регулирования силового преобразователя:

Косинус максимального угла регулирования вычисляется по формуле:

Реальный угол регулирования больше на величину начального угла регулирования, который принимается равным град. эл. Причём большую величину принимают для более низких выпрямленных напряжений.

Рисунок 1. Внешняя характеристика схемы

2. Выбор вентилей и их тепловой расчёт

2.1 Выбор вентилей по току

Выбираем тип вентиля по току, для чего определяем среднее значение тока вентильного элемента:

;

2.2 Выбор вентилей по напряжению

Выбираем тип вентиля по напряжению, для чего определяем амплитудное значение напряжения на нем:

;

Выбираем коэффициент запаса по напряжению К_P=2 и определяем значение повторяющегося импульсного напряжения на вентиле:

По величине повторяющегося напряжения на вентиле, округлённой в большую сторону, определяем класс вентиля:

По справочнику выбираем вентиль Т323−200 со следующими параметрами: U_(ТО) = 0,9 В — пороговое напряжение;

r_(T) = 0,75 мОм — дифференциальное прямое сопротивление;

R_thjc = 0,065^оС/Вт — установившееся тепловое сопротивление переход-корпус; T_jm = 125^оС — максимально допустимая температура перехода.

2.3 Тепловой расчёт вентиля

Средняя мощность основных потерь тиристора:

Полная мощность потерь в вентиле:

Рассчитаем температуру p-n перехода тиристора в установившемся режиме:

Запас по температуре будет равен:

Максимальная мощность, которая может выделяться на вентиле:

Рассчитаем максимально допустимый ток тиристора:

Рассчитаем максимально допустимое время перегрузки:

Пусть кратность перегрузки, тогда Мощность, выделяемая на вентиле при перегрузке:

Полная мощность потерь при перегрузке:

Дополнительное увеличение мощности потерь при перегрузке:

Тепловое сопротивление при перегрузке:

По графику зависимости переходного теплового сопротивления переход-среда определяем время перегрузки: t_пер. Это значение больше 20 мс.

Таким образом, вентиль выбран, верно.

3. Расчёт преобразовательного трансформатора

3.1 Предварительное определение основных размеров и числа витков обмоток

Напряжение вторичных обмоток трансформатора определяется по выпрямленному напряжению холостого хода при номинальном напряжении питающей сети:

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяется по среднему значению выпрямленного тока в номинальном режиме:

Габаритная мощность силового трансформатора:

Величину тока первичной обмотки вычислим через габаритную мощность трансформатора и напряжение, приложенное к первичной обмотке:

где — фазность первичной обмотки;

Исходя из фазности питающей сети и схемы выпрямления, выбираем трёхфазный трёхстержневой трансформатор.

Мощность, приходящаяся на один стержень:

Выбираем марку стали магнитопровода 3411 и вычислим предварительное значение ЭДС одного витка:

где — конструктивный коэффициент ();

— отношение массы стали к массе меди;

— индукция в стержне ();

— плотность тока в обмотках ();

Число витков первичной и вторичной обмоток:

;

Уточним коэффициент трансформации и число вольт на виток:

Определим сечение стержня и диаметр окружности, описанной вокруг него:

где — коэффициент заполнения сечения отверстия сталью;

— коэффициент заполнения площади круга сердечника;

Выбираем внутренний диаметр изолирующего цилиндра, при этом условии цилиндр будет плотно сидеть на стержне.

Выбираем изоляционные расстояния равными:

где — расстояние от внутренней поверхности первичной обмотки до наиболее выступающей части стержня;

— расстояние от наружной поверхности первичной обмотки до внутренней поверхности вторичной обмотки;

— расстояние между катушками разных фаз трансформатора;

— расстояния от катушек до ярма;

Предварительные геометрические размеры обмоток равны:

а) Радиальная толщина первичной обмотки:

где k₁ = 1,1; k₂ = 0,75.

б) Радиальная толщина вторичной обмотки:

в) Диаметры обмоток:

Средний диаметр первичной обмотки:

Средний диаметр вторичной обмотки:

Средний диаметр обеих обмоток:

где д₁₂=0,6 (взято из условия д₁₂12) — изоляционный промежуток между первичной и вторичной обмотками;

D_цн=15 — наружный диаметр изоляционного цилиндра.

Средняя длина витка обмоток:

Высота катушек:

где

— коэффициент приведения идеального поля рассеяния к действительному;

— относительное значение реактивной составляющей напряжения короткого замыкания ();

Длина стержня магнитопровода:

3.2 Конструктивный расчёт обмоток. Определение потерь и напряжения короткого замыкания

I. Сечение витка первичной обмотки для цилиндрического провода круглого сечения:

Поскольку q'₁>10мм², обмотки выполняются из 3 параллельных проводов m_n=3. Выберем медный провод (класс нагревостойкости изоляции F ()) ПСД по ГОСТ 7019–80 со следующими параметрами:

Найдём действительную плотность тока в обмотке:

Предварительное число витков в слое обмотки:

где — коэффициент заполнения обмоток по высоте;

Число слоёв первичной обмотки и количество витков в слое:

Окончательные размеры первичной обмотки равны:

Высота:

Радиальная толщина:

где — коэффициент заполнения обмотки по ширине;

Окончательно уточним значения:

Средний диаметр первичной обмотки:

Средняя длина витка обмотки:

Масса меди обмотки:

где j_M — плотность материала обмотки;

S — число стержней трансформатора;

Потери в первичной обмотке:

где k_q = 1,02- коэффициент добавочных потерь,

с_M = 2,41 Вт/кг — удельные потери в меди.

II. Определяем предварительное сечение провода вторичной обмотки:

где j_М — плотность тока во вторичной обмотке

Зададимся предварительным числом слоёв: n_СЛ2 = 2, тогда число витков:

Вычисляем предварительные размеры витка обмотки:

а) высота витка:

б) ширина витка:

Выбираем провод марки ПСД прямоугольного сечения по ГОСТ 7019–80, класс нагревостойкости — F:

Уточним плотность тока в обмотке:

Определим действительные размеры обмотки:

а) высота катушки:

б) радиальная толщина:

в) средний диаметр обмотки:

г) средняя длина витка обмотки:

Масса меди вторичной обмотки:

где г_М = 8,9 г/см³— плотность меди обмотки.

Потери в меди вторичной обмотки:

Потери короткого замыкания:

где k_M = 1,08 — коэффициент добавочных потерь;

Напряжение короткого замыкания:

а) активная составляющая:

б) реактивная составляющая:

где

в) полное напряжение короткого замыкания:

Активное и реактивное сопротивления короткого замыкания:

тиристорный выпрямитель трансформатор ток напряжение

3.3 Конструктивный расчёт магнитной системы. Определение потерь и тока холостого хода

Размеры ступеней стержня, обеспечивающие максимальное заполнение площади круга площадью 4-ех ступенчатой фигуры определим по формулам:

a₁ = 0,312•D₀ = 0,312•14 = 4,4 см;

а₂ = 0,532•D₀ = 0,532•14 = 7,4 см;

а₃ = 0,707•D₀ = 0,707•14 = 9,9 см;

a₄ = 0,847•D₀ = 0,847•14 = 11,9 см;

a₅ = 0,950•D₀ = 0,950•14 = 13,3 см;

Толщину пакетов вычислим по формулам:

b₁ = 0,5• (а₄ — а₃) = 0,5• (13,3 -11,9) = 0,7 см;

b₂ = 0,5 (а₃ — а₂) = 0,5• (11,9 — 9,9) = 1 см;

b₃ = 0,5• (а₂ — a₁) = 0,5• (9,9 — 7,4) = 1,25 см;

b₄ = 0,5• (а₂ — a₁) = 0,5• (7,4 — 4,4) = 1,5 см;

b₅ = 0,5• a₁ = 0,5• 4,4 = 2,2 см.

Площадь сечения стержня:

Активное сечение стержня:

где К_С = 0,95- коэффициент заполнения сталью.

Действующее значение индукции в стержне:

Активная площадь сечения ярма:

где — коэффициент усиления ярма;

Геометрические размеры прямоугольного ярма:

а) ширина ярма:

б) высота ярма:

Индукция в ярме:

Окончательные размеры сердечника:

а) длина стержня:

б) расстояние между осями соседних стержней:

Масса стали стержней:

где — плотность стали;

Масса стали ярма:

Полная масса стали сердечника:

Проверим ранее принятое соотношение:

Расчет режима холостого хода.

Определим массу стали ярм, приходящуюся на «узлы» сердечника:

Для стали марки 3411, с толщиной листа 0,35, с отжигом после механической обработки, при прямых стыках, потери в углах составляют:

где и — удельные потери в 1 кг стали сердечника и ярма (из табл. 5);

— коэффициент увеличения удельных потерь за счёт отклонения магнитного потока от направления прокатки;

Полные потери в стали сердечника:

Ток холостого хода трансформатора:

а) активная составляющая:

б) реактивная составляющая:

В_я=1,2 Тл, В_с=1,38 Тл, поэтому выбираем:

q_хс=7, 7 ВА/кг; q_хя=3,85ВА/кг; q^/_дс=1,225 ВА/см²; q^//_дя=0,466 ВА/см²;

Реактивная мощность Х.Х.:

тогда:

в) абсолютное значение тока холостого хода и его относительная величина:

3.4 Определение КПД трансформатора

Коэффициент полезного действия трансформатора в номинальном режиме:

3.5 Тепловой расчёт трансформатора в установившемся режиме

Температура нагрева обмоток трансформатора:

где =20· 10-⁴, И_c=10C — перепад температуры от внутренних слоев обмоток к наружным

И=40C — температура окружающей трансформатор среды,

S_об и S_серд — открытая поверхность обмоток и сердечника трансформатора, которые соответственно равны:

где K=0,85 — коэффициент, учитывающий открытую поверхность катушек.

Окончательно получим:

Максимально допустимая температура изоляции обмоточных проводов

составляет 155(класс нагревостойкости F), что превышает температуру обмоток в установившемся режиме (133), следовательно, марка провода (ПСД) выбрана правильно.

4. Расчет сглаживающего фильтра

1. Суммарное значение коэффициента пульсаций, определяемое из выражения:

2. Находим коэффициент сглаживания:

;

где _н=2 — величина коэффициента пульсаций в номинальном режиме.

Будем использовать Г-образный LС фильтр.

3. Вычисляем значение произведения LC:

Задавшись значением С=5000 мкФ, определяем предварительное значение индуктивности фильтра:

4. Устанавливаем частоту собственных колебаний LC-контура:

При правильно выбранных значениях LC должно выполняться условие:

Это условие выполняется, следовательно, значения L и C выбраны, верно.

На первом этапе выбираем конструкцию стержневого сглаживающего дросселя с двумя катушками и сердечником из стальной ленты марки 3421 (ГОСТ 21 427.1−75), толщиной 0,35 мм. Принимаем коэффициент заполнения сердечника К_с=0,93; амплитуду эквивалентной синусоидальной индукции В_mэст=0,75 Тл, В_о=0,7 Тл. А также коэффициенты: н=0,01 — учитывающий падение магнитного потока в стали сердечника; =0,08 — потокосцепление обмотки с шунтирующим потоком, К_L = 1.

Амплитуда эквивалентной синусоиды тока:

Рассчитываем конструктивный коэффициент:

Находим отношение:

Принимаем длину зазора l=20 мм.

Геометрическое сечение стали: S'_ст=59 см².

Активное сечение стали:

Выбираем стальную ленту шириной, а=8 см. Тогда толщина сердечника:

b=S'_ст/a=64/8 = 8 см,

т.е. форма сечения является квадратной, для нее коэффициент заполнения круга:

Число витков:

Возьмем плотность тока равной j'=2,5 А/мм², тогда сечение провода:

Выбираем провод ПСД прямоугольного сечения по ГОСТ 7019–80: q_пр=25,7 мм² со следующими параметрами: h_миз = 8,4 мм, b_миз = 3,28 мм. Класс нагревостойкости F (до 155 С⁰). При этом обмотку будем выполнять из 5 параллельных проводов.

Действительное сечение q = 5 25,7= 128,5 мм²

Действительная плотность тока:

Выполняем обмотку в 2 слоев по 4 витков из 5 параллельных проводов в каждом слое.

Высота обмотки:

Ширина обмотки:

где К_укл = 1,1 — коэффициент укладки,

К_всп = 1,2 — коэффициент выпучивания.

Площадь круга, ограниченного окружностью, описанной вокруг сердечника:

Его диаметр:

Принимая изоляционное расстояние ₀+₁=1см, получим внутренний диаметр обмотки:

Внешний диаметр обмотки:

Средний диаметр витка:

Длина провода обмотки:

Масса меди:

Потери в меди:

Принимаем высоту окна:

где l_о — величина изоляционного расстояния между катушкой и ярмом.

Расстояние между катушками: _к1,2=1 см.

Средняя длина магнитной линии:

Масса стали:

где j_с — плотность стали.

Потери в стали:

P_ст = k_cq?с?G_cт = 1,01•0,97•47=46 Вт.

Полные потери в дросселе:

P_Ф = Р_М + P_ст = 264,2+46 = 310,2 Вт.

Масса активных материалов:

G_акт = G_ст + G_м =47+20=67 кг.

Отношение массы стали к массе меди:

5. Проверочный расчёт коэффициента наклона внешней характеристики выпрямителя

1. Потери напряжения на элементах схемы выпрямления: активные, реактивные и полные потери напряжения на трансформаторе:

2. Падение напряжения на дросселе фильтра:

где r_Ф — активное сопротивление обмотки фильтра.

где К=1,01 — коэффициент, связанный с эффектом вытеснения тока.

3. Падение напряжения на вентиле

U_B = K_П U_V = 11,1=1,1 B.

4. Падение напряжения на проводах и отводах U_n принимаем равным 1 В.

5. Потери напряжения за счет существования минимального угла открытия вентиля _min=5 град.эл.

6. Суммарные потери напряжения:

7. Действительный коэффициент наклона внешней характеристики:

6. Определение энергетических показателей выпрямителя

1. Суммарные потери мощности в выпрямителе:

где Р_сн+Р_у — потери на собственные нужды и в системе управления, колеблются в пределах (1,5−3) %P_dn

P_T — потери в трансформаторе

P_B — потери на вентиле

P_Ф — потери на фильтре

2. Коэффициент полезного действия:

2. Коэффициент мощности:

Заключение

В выпрямительных агрегатах малой и средней мощности наиболее часто применяют трёхфазную мостовую, шестифазную с уравнительным реактором, трёхфазную нулевую и кольцевую схемы выпрямления.

Среди схем с фазностью выпрямления m = 6 наилучшим использованием трансформатора в сочетании с простотой его конструкции характеризуется трехфазная мостовая схема (). В ней, однако, выпрямленный ток протекает через два последовательно включенных вентиля, создавая потери на каждом из них, что снижает к.п.д. выпрямителя. Этот недостаток особенно ощутим при низких значениях выпрямленного напряжения. Поэтому трехфазную мостовую схему рекомендуется применять в установках мощностью до 100 кВт на выпрямленные напряжения, а в более мощных установках — на выпрямленные напряжения. Поэтому, учитывая данные на проектирование: =200 B, =300 A, используем именно трехфазную мостовую схему выпрямления.

1. Чижаев И. А., Суконников А. А. Расчёт и проектирование полупроводниковых выпрямителей. Учебное пособие по курсовому проектированию. — Саранск: Морд. ГУ, 2010. — 132 с.: ил.

2. Чебовский О. Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 2008. — 400 с.: ил.

3. Богрый В. С. Курсовое проектирование автономных преобразователей: Учеб. Пособие. — Саранск: Морд. ГУ, 2008. — 76 с.: ил.