Расчет нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО Заочный факультет Кафедра «Автоматизированный электропривод»

Контрольная работа по дисциплине:

«Элементы автоматизированного электропривода»

на тему: «Расчет нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ»

Выполнил: студент группы 3ЭП-41

Курчев А.А.

Руководитель: доцент

Погуляев М.Н.

Гомель 2012

Задание к контрольной работе

1. функциональная схема трёхфазного нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ

2. Расчет и выбор силового трансформатора для питания тиристорного преобразователя

3. Построение внешних характеристик ТП для различных режимов его работы

4. Расчет и построение скоростных характеристик ДПТ в режиме прерывистого и непрерывного токов

5. Построение характеристик управления ТП при I_d =0, I_d = 0,5I_d.гр и I_d = I_d. и линейном пилообразном опорном напряжении

6. Построение временных диаграмм напряжений и токов в нагрузке

7. Теоретический вопрос к контрольной работе Литература

Задание к контрольной работе

(Вариант 20)

1. Рассчитать и построить характеристики нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ в режиме прерывистого и непрерывного токов.

1.1. Изобразить функциональную схему трёхфазного нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ.

1.2. Рассчитать и выбрать силовой трансформатор для питания тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ.

1.3. Рассчитать и построить внешние характеристики тиристорного преобразователя в режиме прерывистого и непрерывного токов при углах управления: б=15^o, б=30^o, б=45^o, б=60^o, б=75^o, б=90^o. Ток нагрузки изменять в пределах от 0 до 1.2•I_d.ном.

1.4. Построить скоростные характеристики ДПТ в режиме прерывистых и непрерывных токов при тех же углах управления б.

1.5. Построить характеристики управления ТП при I_d=0, 0,5I_d.гр и I_d.гр, где значение тока I_d.гр брать при угле управления б=75^o. Форма опорного напряжения — линейная пилообразная, амплитудное значение U_оп.max=12 В.

1.6. Рассчитать и построить временные диаграммы напряжения и тока в нагрузке при угле управления б и токе нагрузки I_d, указанных в табл.1.1.

2. Ответить на теоретический вопрос.

9. Влияние дискретности и неполной управляемости на динамические характеристики преобразователя. Полоса пропускания ТП. Структурные схемы и передаточные функции преобразователя.

Таблица 1.1

Исходные данные к расчету нереверсивного мостового ТП

1. функциональная схема трёхфазного нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ представлена на рис. 1.1.

2. Расчет и выбор силового трансформатора для питания тиристорного преобразователя Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям тока I_2.расч, напряжению U_2ф.расч, и типовой мощности S_Т. Напряжение первичной обмотки U_1ф должно соответствовать напряжению питающей сети (380/220 В).

Расчетное значение напряжения U_2ф.расч вторичной обмотки трансформатора, питающего ТП в режиме непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой:

где k_u=0,427 — коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_d?0 в идеальном трехфазном мостовом выпрямителе;

k_c=1,1 — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

k=1,1 — коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

k_R=1,05 — коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и при коммутации;

U_d.ном — номинальное напряжение на выходе преобразователя, равное номинальному напряжению двигателя, U_d.ном= U_ном.

Расчетное значение тока вторичной обмотки:

где k_I= 0,815 — коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_d в идеальной мостовой схеме;

k_i=1,1 — коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

I_d.ном — значение номинального тока двигателя где Р_ном— номинальная мощность электродвигателя;

— номинальный КПД электродвигателя;

— номинальное напряжение электродвигателя.

Рассчитываем (предварительно) действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:

где — расчетный коэффициент трансформации трансформатора.

где — фазное напряжение первичной обмотки трансформатора, =220 В;

— схемный коэффициент первичного тока. Для мостовой схемы =0,815. мощность первичной обмотки трансформатора гдечисло фаз первичной обмотки, =3.

мощность вторичной обмотки трансформатора где m₂ — число фаз вторичной обмотки трансформатора, =3;

— действующее значение вторичного тока трансформатора;

— фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора. ориентировочно принимаем =;

типовая мощность трансформатора Трансформатор выбираем из условий:

— номинальное фазное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора должно быть близким к значению U_2ф.расч:

0.95U_2ф.расч = 226,765 U_2ф.ном 1.2U_2ф.расч = 286,44

— ток вторичной обмотки трансформатора должно быть больше или равен I_2.расч:

I_2.ном I_2.расч.

— номинальная мощность трансформатора должна быть больше или равна типовой:

S_ном S_Т.

трансформатор выбирается по [3, табл.8.5].

Таблица 2.1

Параметры силового трансформатора ТСП-125/0,7-УХЛ4

Рассчитываем действительный коэффициент трансформации выбранного трансформатора где U_1ф.ном = U_1ном / 3 = 220 В, U_2ф.ном = U_2ном / 3 = 236,7В — номинальные значения фазного напряжения первичной и вторичной обмоток.

действительные значения рабочих токов первичной и вторичной обмоток

I₂ = I_2расч = 135,07 А Находим полное, активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные к вторичной обмотке:

где U_кз% — напряжение короткого замыкания (табл. 2.1).

— номинальное линейное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора;

Активное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора где Р_кз — мощность короткого замыкания, из табл. 2.1;

— номинальный ток вентильной (вторичной) обмотки.

Индуктивное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

3. Построение внешних характеристик ТП для различных режимов его работы

= 15, 30, 45, 60, 75, 90

Внешняя характеристика ТП — это зависимость E_d = f (I_d) при U_у = const (= const). Внешние характеристики, полученные при различных фиксированных значениях U_у образуют семейство внешних характеристик.

рассмотрим расчет и построение внешней характеристики при угле управления б = 75°.

В режиме непрерывных токов среднее значение ЭДС ТП E_d не зависит от тока нагрузки I_d и определяется только углом управления

E_d = E_d?0 cos = 553,9· cos75° = 143,36 В где Е_d?0 — ЭДС условного холостого хода.

Режим прерывистых токов при углах открывания? _гр= 1005 (при p = 6) ограничен эллипсом (рис. 3.1 зона I), который описывается уравнениями:

E_d.гр = В cos = 553,9· cos75° = 143,36В

I_d.гр = А sin = 78,59· sin75° =75.91A

где В = E_d?0 = 553.9B — большая полуось эллипса (для трехфазной мостовой схемы E_d?0 = 2,34U_2ф.ном= 2,34· 236,7 = 553,9В).

А — малая полуось эллипса где х_2т — индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

х_d =•L_я -= 2рf· L_я = 2· 3,14·50·0,0016 = 0,502 — индуктивное сопротивление цепи нагрузки;

k — число плеч силовой схемы (для мостовых m-фазных схем

k = 2);

p — пульсность схемы (для трехфазной мостовой схемы р = 6).

Рассчитанным значениям E_d.гр = 143.36 В и I_d.гр = 75.91А соответствует точка 8 на графике (рис. 3.1), которая лежит на границе зон прерывистого и непрерывного токов. В зоне непрерывных токов (зона II, рис. 3.1) характеристика проходит параллельно оси тока нагрузки через точки 8 и 9, где точке 9 соответствуют координаты I_d = I_d.ном =150,67А и E_d = E_d.гр = 143,36 В.

Для построения внешней характеристики в зоне прерывистых токов (зона I, рис. 3.1) необходимо рассчитать координаты нескольких (7 … 8) точек в этой зоне.

Максимальное значение ЭДС E^?_d?0 при холостом ходе (I_d =0) равно значению ЭДС в цепи нагрузки и определяется в зависимости от угла управления выражениями:

где E_dm — амплитудное значение выпрямленной ЭДС (для трехфазной мостовой схемы E_dm = U_2ф.ном = 236,7 = 579,8 В.

На холостом ходе интервал проводимости тиристоров = 0. в режиме прерывистых токов интервал проводимости тиристоров находится в диапазоне 0 /р.

Холостому ходу ТП соответствует точка 1. Поскольку угол управления б = 75° /р=30°, то значение ЭДС холостого тока определяется по формуле:

E^?_d0= E_dm cos (б-/р)= U_2ф.ном cos (б-/р)=

=•236,7 cos (75−30)=409 В Для нахождения координат (I_d, E_d) промежуточных точек 2, 3, 4, 5, 6, 7 зададим следующие значения интервалов проводимости тиристоров в данных точках:

₂= 0.55•, ₃= 0.7•, ₄= 0.8•,

₅= 0.85•, ₆= 0.9•, ₇= 0.95•,

Выбор таких значений связан с необходимостью получения более равномерной расстановки точек по значениям тока. Определим, для примера, величину тока и ЭДС в точке 2 (₂= 0.55• = =0.57 596 рад):

где E_2m — максимальное значение ЭДС вторичной обмотки (для трехфазной мостовой схемы E_2m =E_dm= U_2ф.ном = 579,8 В.

Аналогично рассчитываются величины тока и ЭДС в остальных точках. Все результаты расчета внешней характеристики при б=75° записываются в табл. 3.1. Указанным выше способом рассчитываются и строятся внешние характеристики при других значениях угла управления б, а полученные результаты так же записываем в таблицу 3.1, дополнив ее строками со значением углов управления.

В режиме непрерывного тока (= /р) ЭДС не зависит от тока и график проходит параллельно оси тока нагрузки (зона II, рис. 3.1).

Таблица 3.1

Результаты расчета внешних характеристик

Рис. 3.1 Внешние характеристики ТП при различных углах управлении б

4. Расчет и построение скоростных характеристик ДПТ в режиме прерывистого и непрерывного токов

= 15, 30, 45, 60, 75, 90

Скоростная характеристика дпт щ=f (I_н), без учета падения напряжения на внутреннем сопротивлении ТП, описывается следующим уравнением:

где

Подставляя в уравнение скоростной характеристики величины ЭДС и токов I_н в различных режимах работы ТП и заданных значений б, строятся скоростные характеристики ДПТ (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Вид скоростных характеристик ДПТ при различных углах управления б

5. Построение характеристик управления ТП при I_d =0, I_d = 0,5I_d.гр и I_d = I_d. и линейном пилообразном опорном напряжении Характеристика управления ТП — это зависимость E_d = f (U_У) при заданном значении тока нагрузки I_d. Вначале рассчитывается значение I_d.гр при =75^о:

I_d.гр = А sin = 78,59· sin75° =75.91A

а затем и значение I_d = 0,5 I_d.гр.= 0,5· 75,91 = 37,95А

Полученные значения тока, как и значение I_d = 0, используются при построении характеристик управления.

Задаваясь необходимым значением тока I_d (по заданию три значения: I_d =0, 0.5•I_d.гр и I_d.гр) находим значение л для всех значений угла, используя формулу:

Далее подставляя полученные значения л и угла управления в формулу для ЭДС определяем величину Е_d:

Так делаем для трех значений тока I_d (0, 0.5•I_d.гр и I_d.гр). Полученные данные также записываются в таблицы 5.1−5.3.

Напряжение управления при линейной пилообразной форме U_оп по известному значению угла рассчитывается по следующей формуле Таблица 5.1

Результаты расчета характеристики управления для I_d =0

Таблица 5.2

Результаты расчета характеристики управления для I_d =I_d.гр

Таблица 5.3

Результаты расчета характеристики управления для I_d =0.5· I_d.гр

Рис. 5.1 Вид характеристик управления ТП при различных значениях тока нагрузки I_d

6. Построение временных диаграмм напряжений и токов в нагрузке Определяем значение тока I_d.гр при заданном угле управления б = 57°.

I_d.гр = А sin = 78,59· sin57° = 65.91A

требуемое значение тока I_d.

I_d = [I_d/I_d.гр] •I_d.гр = 0,48· 65,91 = 31,636А где отношение [I_d/I_d.гр] = 0,48 — по заданию.

Подставляя значения I_d и б в уравнение для тока

рассчитается значение л.

л = 0,838 = 49°

Далее, подставляя значение б и л в выражение для ЭДС

определяется значение Е_d.

Е_d=354,764 В Используя полученные значения л и Е_d, а также, зная углы управления б, амплитуды фазного и линейного напряжений:

U_2ф.m=U_2ф.ном = 236,714 =334,764В

U_2л.m= U_2ф.ном = 236,714 = 579,83 В, строятся временные диаграммы напряжений и тока в нагрузке, внешний вид которых представлен на рис. 6.1.

Рис. 6.1 Временные диаграммы, а — напряжение катодной и анодной групп;

б — напряжение на входе ТП; в — ток в нагрузке

7. Теоретический вопрос к контрольной работе Широкое применение в электроприводе находит трехфазная мостовая схема ТП .Эта схема представляет собой сдвоенную нулевую схему, работающую последовательно в оба полупериода переменного тока.

Поэтому для мостовой схемы:

Ed0 =

где

— действующее значение линейной ЭДС вторичной цепи трансформатора, В. По сравнению с трехфазной нулевой схемой мостовая схема имеет преимущества:

1) выпрямленная ЭДС при одном и том же вторичном напряжении трансформатора в 2 раза больше;

2) пульсации выпрямленной ЭДС (частота пульсаций рав на 6f/с=300 Гц) в 2 раза больше по частоте и меньшепо амплитуде;

3) вентильные группы могут подключаться к сети без трансформатора;

4) типовая мощность трансформатора меньше:

Перечисленные достоинства обусловливают преимущественное применение трехфазной мостовой схемы в системах электропривода мощностью в десятки — сотни киловатт.

Рассмотрим примеры функциональных схем типовых трехфазных ТП промышленных серий. На рис. 2.17, а представлена схема трехфазного мостового нереверсивного ТП. Особенность мостовой схемы в отличие от нулевой заключается в том, что в каждый момент времени открыты два тиристора, включенных последовательно с нагрузкой.

Поэтому для поддержания обоих тиристоров во включенном состоянии ширина открывающих импульсов должна быть не менее 60°, чтобы ТП не смог закрыться в режиме прерывистых токов, так как через каждые 60° происходит отключение одного из тиристоров и включение другого. Широкие импульсы технически сложнее сформировать, чем узкие.

Рис. 2.17. Трехфазная мостовая схема нереверсивного ТП (а) и дич-граммы очередности открывания тиристоров (б) и работы генераторов импульсов (б) Кроме того, широкие импульсы вызывают дополнительный нагрев тиристоров. Поэтому вместо широких используются сдвоенные узкие импульсы. Каждый тиристор через каждые 60° после основного открывающего импульса (сплошная стрелка на рис. 2.17, б) получает дополнительный импульс (штриховая стрелка на рис. 2.17,б). На тиристор с номером i дополнительный импульс поступает от генератора импульсов с номером i+1.

Диаграмма синхронизированной работы генераторов импульсов приведена на рис. 2.17, в, где генераторы импульсов изображены в виде кружков, основные импульсы — радиальными стрелками, а доп-ные — дуговыми стрелками. В соответствии с диаграммой на рис. 2.17, а короткими вертикальными стрелками показаны входы и выходы у генераторов для дополнительных импульсов.

Цифры устрелок генератора импульсов указывают номера других генераторов, с которыми соединены вход и выход данного генератора. В состав СИФУ входят шесть идентичных блоков управления БУ1—БУ6, в которых на генераторы импульсов поступает разность опорных напряжений генераторов опорных напряжений ГОН1—ГОН6 и общего для всех БУ напряжения управления Uy.

Цепь, в которой сравниваются (Uоп> и U/y, выполняет функцию фазосмещающего устройства. Угол открывания тиристоров регулируется изменением Uу.

На рис. 7.1 приведена трехфазная мостовая схема реверсивного ТП с раздельным управлением. Две вентильные группы ВГ1 и ВГ2 представляют собой два трехфазных моста, включенных встречнопараллельное.

Рис. 7.1. Трехфазная мостовая схема реверсивного ТП с раздельным управлением вентильными группами При раздельном управлении открывающие импульсы подаются только на одну группу, находящуюся в работе, другая группа при этом закрыта. В связи с этим отсутствует необходимость в уравнительных реакторах. Это снижает массогабаритные показатели ТП, что является достоинством ТП с раздельным управлением. Отсутствие уравнительного тока ухудшает характеристики ТП в зоне малых нагрузок. Однако современные средства управления позволяют корректировать и улучшать работу ТП в зоне прерывистых токов. Поэтому раздельное управление находит все более широкое применение в системах электропривода не только большой, но и малой мощности. Система управления ТП содержит кроме СИФУ1 и СИФУ2, вырабатывающих управляющие импульсы для вентильных групп ВГ1 и ВГ2, логическое переключающее устройство (ЛПУ), выполняющее автоматическое переключение ВГ1 и ВГ2. На ЛПУ возлагаются следующие функции:

1) выбор группы для работы в зависимости от знака управляющего напряжения U_У — разности задающего напряжения и напряжения обратной связи;

2) запрещение открывания неработающей группы при наличии тока в работающей группе;

3) запрещение снятия открывающих импульсов с работающей группы при протекании в ней тока;

4) обеспечение временной паузы перед включением вступающей, работу группы.

Для реализации перечисленных функций требуется информация о наличии тока в вентильных группах и знаке управляющего сигнала. Эта информация поступает в ЛПУ с датчиков нулевого тока ДНТ1 и ДНТ2, а также с датчика управления ДУ. Так как ЛПУ — устройство релейного действия, то его входные х₀, х₁, х₂ и выходные y₁, y₂ величины являются дискретными и характеризуются двумя уровнями: низким (условно 0) и высоким (условно 1). В терминологии алгебры логики сформулированный выше алгоритм работы ЛПУ можно записать в виде структурных формул:

(7.1)

где y₁, y₂ — запрещающие сигналы на открывание ВГ1 и ВГ2; x₁, х₂ — сигналы наличия тока в ВГ1 и ВГ2; x₀ — сигнал выбора вентильной группы для работы (Х₀=0, U_У>0) для ВГ1, Х₀=1, U_У<0 для ВГ2); черты над логической переменной означает ее инверсное значение.

В соответствии с (7.1) запрещающий сигнал у₁ подается на СИФУ1, если Х₂=1 (I_d20) или x₂=0 и x₁=0, но x₀=1. Аналогично y₂=1 если x₁=1 (I_d10) или X₁=X₂=0, но х₀=0.

Если на вход ТП подать переменный сигнал управления с частотой f_У>f_C, то в выходной ЭДС ТП может появиться постоянная составляющая. Это означает, что преобразование входного сигнала в выходной сопровождается существенными искажениями. Теоретически ТП теряет полностью управляемость при .

В диапазоне частот ТП может пропускать переменный управляющий сигнал, не давая постоянной составляющей. Однако это имеет место только для небольших диапазонов изменения и при определенных начальных фазах входного сигнала. Поэтому практически полоса пропускания ТП ограничивается частотой питающей сети. В этой полосе силовая часть ТП может рассматриваться как безынерционное звено с косинусоидальной зависимостью средней ЭДС от угла открывания.

В отличие от силовой части ТП СИФУ может вносить заметные фазовые сдвиги величины относительно управляющего напряжения. Они определяются инерционностью элементов, входящих в состав СИФУ. В зависимости от исполнения СИФУ как инерционное звено обычно приводится к виду апериодического звена, звена с чистым запаздыванием или к тому и другому вместе. С учетом инерционности СИФУ передаточные функции ТП для линейного участка его характеристики управления имеют вид

(7.2)

; (7.3)

(7.4)

где T_П0,0100,015 с; _П0,0070,015 с; k_П — коэффициент усиления ТП.

Поскольку инерционность ТП мала, то ее учитывать имеет смысл только для малоинерционной нагрузки, постоянные времени которой соизмеримы с T_П и _П при условии требуемого высокого быстродействия регулирования выходной координаты нагрузки. Примером такой нагрузки может служить двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Структурная схема ТП для такой нагрузки определяется в соответствии с (7.2)—(7.4). На рис. 7.2 приведена структурная схема реверсивного ТП с совместным несогласованным управлением, включенного на двигатель.

Для нагрузки с большой индуктивностью, например — для обмотки возбуждения, область прерывистых токов практически отсутствует. В этом случае I_dГР=0 и при несогласованном управлении характеристика обратной связи по току вырождается в характеристику идеального реле. Инерционность ТП ничтожно мала по сравнению с инерционностью указанной нагрузки и не учитывается в расчетах. С учетом отмеченных фактов структурная схема ТП с активно-индуктивной нагрузкой приобретает вид, показанный на рис. 7.3. Для согласованного управления обратная связь по току в структурных схемах рис. 7.2 и 7.3 отсутствует и преобразователь оказывается линейным звеном.

Рис. 7.2. Структурная схема реверсивного ТП с совместным несогласованным управлением вентильными группами при работе на двигатель постоянного тока Рис. 7.3. Структурная схема реверсивного ТП с раздельным управлением с активно-индуктивной нагрузкой Рис. 2.19. Характеристики управления вентильных групп реверсивного ТП.

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ под общ. ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. Т. 1. -М.: Энергоатомиздат, 1988. — 456 с.

2. Анхинюк В. Л., Опейко О. Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами: Учебное пособие для вузов. — Мн.: Выш. шк., 1986. — 143 с.

3. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник/ И. Х. Евзеров, А. С. Горобец, Б. И. Мошкович и др.; Под ред. канд. технических наук В. М. Перельмутера. — М.: Энергоиздат, 1988. — 319 с.

4. Терехов В. М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 224 с.

5. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. — Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. — 392 с.

6. Руденко B.C.,. Сенько В. И., Чиженко И. М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. — М.: Высш. школа. 1980. 424 с.

7. Справочник по проектированию электропривода и систем управления технологическими процессами /под ред. В. И. Круповича, Ю. Г. Барыбина, М. Л. Самовера. изд. 3-е, перераб. и доп. — М.: Энергоиздат, 1982. — 486 с.