Расчет управляемого выпрямителя

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Преобразовательная техника»

Тема: Управляемый выпрямитель

Содержание

Исходные данные

1. Подготовка и анализ исходной информации

1.1. Условия охлаждения преобразователя

1.2. Расчетный ток нагрузки

1.3. Параметры цепи нагрузки

2. Выбор согласующего трансформатора или только ограничительного реактора

2.1. Выбор вида связи выпрямителя с сетью

2.2. Выбор и проверка согласующего трансформатора

3. Расчёт регулировочной характеристики

4. Выбор и расчет сглаживающего реактора. Внешние характеристики управляемого выпрямителя

4.1. Необходимая индуктивность нагрузки

4.2. Построение внешних характеристик управляемого выпрямителя

5. Расчет рабочих и аварийных режимов работы

5.1. Рабочий режим работы преобразователя

5.2. Аварийный режим работы преобразователя

6. Выбор и проверка вентилей силового преобразователя

6.1. Предварительный выбор и расчет диодов и тиристоров

6.2. Проверка фазных полупроводниковых приборов

6.3. Расчет допустимых рабочих перегрузок преобразователя по току

7. Выбор аппаратов и элементов защиты выпрямителя

7.1. Защита от аварийных перегрузок автоматическими выключателями

7.2. Защита плавкими предохранителями

7.3. Защита вентилей от перенапряжений

7.4. Защита вентилей при большой скорости нарастания прямого тока

8. Энергетические характеристики преобразователя

8.1. Коэффициент полезного действия

8.2. Коэффициент мощности

9. Разработка системы управления преобразователем

9.1. Определение параметров управляющих импульсов и схемы замещения

9.2 Разработка электрической схемы СИФУ Заключение Приложение Литература

Введение

Преобразование переменного тока в постоянный является в настоящее время наиболее распространенным видом преобразования электрической энергии. Полупроводниковые управляемые выпрямители нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: на железнодорожном транспорте, питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности, в системах возбуждения крупных электрических генераторов, для питания систем электропривода постоянного тока различного назначения и мощности, на тяговых подстанциях и магистральных электровозах и т. д.

При всем разнообразии схем и нагрузок методика расчета данного класса преобразователей одинакова и может быть сведена к расчету и выбору элементов одного комплекта управляемого выпрямителя.

Исходные данные

Управляемый выпрямитель, питающийся от сети переменного тока с линейным напряжением 380 В (фазное — 220В), работает на электродвигатель постоянного тока. Возможное понижение напряжения в сети составляет 10%. Выпрямитель обеспечивает регулирование напряжения на нагрузке в диапазоне (1,0 — 0,1) U_Н и работает в режиме непрерывных токов при снижении тока нагрузки до 0,15 I_Н .

1. Схема выпрямления — трехфазная мостовая симметричная

2. Тип двигателя — П-72

3. Номинальная мощность электродвигателя Р_Н = 14,0 кВт

4. Номинальное напряжение электродвигателя U_Н = 220 В

5. Номинальный ток электродвигателя I_Н = 79,6 А

6. Номинальная частота вращения электродвигателя N_Н = 1000 об/мин

Рис. 1. Расчетная схема выпрямителя

1. Подготовка и анализ исходной информации

1.1 Условия охлаждения преобразователя

Температура полупроводниковой структуры прибора определяется мощностью, рассеиваемой в структуре, тепловыми сопротивлениями элементов конструкции прибора и условиями его охлаждения.

Наибольшее распространение получило воздушное охлаждение (естественное и принудительное) как наиболее простое в реализации. Естественное воздушное охлаждение повышает надежность функционирования преобразовательной установки и является предпочтительным до токов нагрузки I_dH = 800…1000 A.

При больших нагрузках необходимо использовать принудительное воздушное охлаждение, чтобы повысить нагрузочную способность полупроводниковых приборов и избежать их группового (параллельного) соединения в плече преобразовательной установки. Целесообразно скорость охлаждающей среды принимать равной при естественном охлаждении V_С = 0 м/с, при принудительном воздушном V_С = 6 м/с (экономичный режим). При более высоких скоростях нагрузочная способность полупроводниковых приборов увеличивается незначительно, а мощность двигателя охлаждающих устройств возрастает существенно.

Температура охлаждающей среды Т_С определяется климатической зоной и условиями работы преобразователя. Для учебного проектирования можно принять Т_С = 25…40 °С.

Для того чтобы при выборе полупроводниковых приборов иметь возможность воспользоваться данными по их максимальным допустимым токам, приведенным в информационных материалах, необходимо все возможные при эксплуатации режимы привести к нормализованному с неизменным рабочим током. Для этого используется график нагрузки преобразователя на расчетном интервале t_p, в течение которого наступает установившийся тепловой режим прибора. Можно принять при естественном воздушном охлаждении t_p = 2000 с, при принудительном воздушном охлаждении со скоростью движения среды V_C = 6 м/с t_p = 1000 с, при V_C = 2 м/с или принудительном водяном охлаждении t_p = 600 с.

При отсутствии графика в качестве расчетного можно принять номинальный ток нагрузки: I_d = I_dH. [Л. 9]

Исходя их условия I_d = I_dH = 79,6 А << I_dH = 800…1000 А, выбираем для заданного выпрямителя естественное воздушное охлаждение.

1.2 Расчетный ток нагрузки

В качестве расчетного можно принять номинальный ток нагрузки: I_d = I_dH. I_d = I_dH = 79,6 А [Л. 9]

1.3 Параметры цепи нагрузки

Для двигателя постоянного тока активное сопротивление его якорной цепи R_ЯЦ, состоящее из сопротивлений обмоток якоря R_Я, дополнительных полюсов R_ДП и компенсационной R_К, может быть вычислено по приближенной формуле:

R_ЯЦ= R_Я + R_ДП + R_К = 0.6(U_НI_Н — Р_Н)/ I_Н², где (1.1)

U_Н, I_Н, Р_Н — соответственно номинальные напряжение, ток, мощность электродвигателя постоянного тока.

R_ЯЦ = 0.6(220 79, 6 — 14 000) / 79, 62 = 0,333 (Ом).

Собственная индуктивность якоря двигателя определяется по формуле Лиумвиля-Уманского:

где (1.2)

К_L — конструктивный коэффициент (для нормальных некомпенсированных машин К_L = 8 — 10, возьмем К_L =10 — нормальная некомпенсированная машина), — число пар полюсов двигателя, n_н -номинальная скорость вращения.

1.4 Схема преобразователя и временные диаграммы рабочих процессов

Схема преобразователя и временные диаграммы рабочих процессов приведены в приложении 1, 4.

2. Выбор согласующего трансформатора или токоограничительнго реактора

2.1 Выбор вида связи выпрямителя с сетью

В качестве звена, согласующего выпрямительный блок с сетью переменного тока, может использоваться согласующий трансформатор либо токоограничивающий реактор. Согласующий трансформатор может применяться для следующих целей:

1) изменить величину переменного напряжения сети в соответствии с принятой схемой выпрямления;

2) преобразовать число фаз сети переменного напряжения и/или задать среднюю точку;

3) своим сопротивлением понизить токи короткого замыкания при внутренних и внешних повреждениях в выпрямителе и ограничить скорость нарастания прямого тока вентилей в коммутационных процессах.

Токоограничительный реактор (ТОР) может выполнить только третью задачу.

Для трехфазного мостового симметричного преобразователя возможно применение как согласующего трансформатора, так и токоограничивающего реактора, следовательно, необходим дополнительный анализ.

Преобразователь должен обеспечить номинальное напряжение на нагрузке в нормальных режимах работы с учетом минимально допустимых углов регулирования, возможных понижения сети и падений напряжения в элементах установки (вентильной схеме, сглаживающем реакторе, соединительных проводах).

где (2.1)

U_dн = 220 В — номинальное напряжение нагрузки; I_dR_c — падение напряжения на активных сопротивлениях цепи выпрямленного тока (вентилях, сглаживающем реакторе, соединительных проводах), предварительно можно принять I_dR_c = 0,05U_dн; K_В = 2,34 — коэффициент схемы выпрямления (для трехфазной мостовой симметричной схемы выпрямления); К_С — коэффициент, учитывающий возможное падение напряжения сети, в соответствии с ГОСТ 13 109–87 на зажимах электроприемников в нормальных режимах допускается отклонение напряжения ±5%, следовательно, К_С = 1,05 … 0,95 (расчетным является значение К_С = 0,95); б_min= 7 … 10^о — минимальный угол регулирования для нереверсивного преобразователя при согласованном управлении; А — коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя (для трехфазной мостовой симметричной схемы выпрямления, А = 0,5), учитывающий понижение напряжения на выходе выпрямителя при коммутации токов вентилей; U_k — напряжение короткого замыкания трансформатора, предварительно можно принять. [Л. 9]

Ток на входе вентильного преобразователя (ток вторичной обмотки трансформатора или ТОР)

где (2.2)

— коэффициент фазного тока при активно-индуктивной нагрузке (); - коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольного ().[Л. 4, 9]

Для мостовых трехфазных схем возможно применение токоограничивающего реактора при выполнении условия:

(2.3)

 — условие не выполняется.

Условия для использования токоограничивающего реактора не выполняются, следовательно, в качестве элемента, связывающего вентильную схему с сетью переменного тока, выбираем согласующий трансформатор.

2.2 Выбор и проверка согласующего трансформатора

Габаритная мощность трансформатора определяется по выражению:

где (2.4)

K_S=1,045 — коэффициент типовой мощности трансформатора для трехфазной мостовой симметричной схемы. [Л. 4, 9]

Выбираем соответствующий трехфазный трансформатор, отвечающий следующим условиям:

1) S_HT? S_T, S_T = 21,041 (кВА);

2) U_1H = U_СЛ, U_СЛ = 380 (В);

3) U_2H? U_2ф, U_2ф = 108,1 = 187,234 (В);

4) I_2H? I_2ф ,

Где S_{HT, U1H, U2H, I2H —} номинальные значения мощности, первичного и вторичного напряжений и вторичного тока трансформатора.

Выбираем трансформатор типа ТС-25/0,66 с техническими данными:

S_HT = 25 кВА, U_1H = 380 В, U_2H = 205 В, ДР_хх = 180 Вт — потери холостого хода, ДР_кз = 560 Вт — потери короткого замыкания, U_к = 4,5% - напряжение короткого замыкания, I_хх = 5% - ток холостого хода. [Л. 9]

Номинальный вторичный ток трансформатора рассчитывается по формуле:

где (2.5)

m₂ = 3 — число фаз вторичной обмотки, К_сх = - коэффициент схемы для трехфазных схем.

.

Проверяем выбранный трансформатор по условиям:

1) S_HT = 25 кВА? S_T = 21,041 кВА — выполняется;

2) U_1H=380 В = U_СЛ=380В — выполняется;

3) U_2H = 205 В? U_2ф = 187,234 В — выполняется;

4) I_2H = 70,41 А? I_2ф = 68,118 А — выполняется.

Все условия выполняются, следовательно окончательно выбираем трансформатор типа ТС — 25/0,66.

После выбора и проверки трансформатора определяем его параметры — индуктивное Х_т и активное R_т сопротивления, приведенный ко вторичному напряжению, и коэффициент трансформации К_т:

, , где (2.6, 2.7, 2.8)

ДР_кз — потери короткого замыкания в трансформаторе.

, .

При использовании согласующего трансформатора в дальнейших расчетах необходимо учитывать, что к выпрямителю подводится номинальное переменное напряжение, создаваемое вторичной обмоткой U₂ = U_2H = 205 В.

3. Расчёт регулировочной характеристики

Регулировочной характеристикой является аналитическая или графическая зависимость напряжения на выходе от угла регулирования. Исходными данными для её построения служат напряжение, подводимое к вентильной схеме U₂ и режим работы преобразователя.

В качестве расчётного принимается режим непрерывных токов при работе на активно-индуктивную нагрузку. Регулировочная характеристика строится без учёта падений напряжения на выпрямителе и в цепи выпрямленного тока.

Выпрямленное напряжение преобразователя при угле регулирования =0 определяется:

(3.1)

.

Регулировочная характеристика для управляемого трехфазного симметричного мостового выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывных токов (рис. 3.1) имеет вид:

(3.2)

Изменяя угол от 0⁰ до 90⁰, получим значения для построения регулировочной характеристики.

По формуле 3.2 найдем значения минимального (_н) и максимального (_к) углов регулирования:

U_dmax = 220 B — максимальное напряжение, U_dmin = 22 В — минимальное напряжение.

Рис. 3.1. Регулировочная характеристика U_d=f ()

4. Выбор и расчет сглаживающего реактора. Внешние характеристики управляемого выпрямителя

4.1 Необходимая индуктивность цепи нагрузки

Для обеспечения режима непрерывного тока во всём диапазоне изменения нагрузки необходимо в цепи выпрямленного тока иметь индуктивность:

где (4.1)

К_{П max} = 0,348 — максимальное значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения в рабочем диапазоне углов управления; f_c = 50 Гц — частота напряжения сети; m_п = 6 — коэффициент пульсности схемы выпрямления; I_{d min} =0,15I_н = 11,94 (А) — заданная граница непрерывного тока нагрузки. [Л. 9]

Индуктивность в контуре протекания выпрямленного тока:

L =kL_T + L_я, где (4.2)

k — число фаз трансформатора, L_T = Х_T/(2рf_c) — индуктивность фазы трансформатора.

L_T = 0,047/(2^.3,14^.50) = 0,15 (Гн), L =3^.0,15 +4,606^.10^-3 = 5,056 (мГн)

Условие L=5,056Гн L_d=4,284Гн выполняется, значит, для уменьшения пульсаций тока, нет необходимости в дополнительном сглаживающем реакторе.

4.3 Построение внешних характеристик управляемого выпрямителя

При работе преобразователя напряжение на нагрузке U_d меньше определённого по регулировочной характеристике U_d на величину падения напряжения на суммарном сопротивлении R_d цепи постоянного тока:

U_d = U_d — I_dнR_d, где (4.3)

R_d образуется сопротивлением трансформатора R_Т, сглаживающего реактора R_ср и коммутационным R_п, обусловленным перекрытием анодных токов преобразователя

R_d = R_Т + R_ср + R_п (4.4)

где (4.5)

= 6 — число эквивалентных вентилей в трехфазной мостовой схеме.

R_d =0,021 +0,045 = 0,066 (Ом) Внешние (нагрузочные) характеристики тиристорного преобразователя, построенные по формуле (4.3) в зоне непрерывных токов, представляют собой семейство прямых линий, каждую из которых можно построить по двум точкам (рис. 4.1):

— холостой ход: I_d = 0, U_d = U_d ;

— расчетная (номинальная нагрузка): I_d = I_dн, U_d = U_d — I_dнR_d

Для каждой характеристики определяем границу непрерывного тока по формуле:

где (4.6)

K_П — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения для принятого угла регулирования. [Л. 9]

,

.

Характеристики строим для = 37,406⁰, = 45⁰ _, = 60⁰ _, = 85,444⁰ .

1. = 37,406⁰, I_d = 0, U_d = 220 В; I_d = I_dн, U_d = 218 В;

2. = 45⁰, I_d = 0, U_d = 196 В; I_d = I_dн, U_d = 194 В;

3. = 60⁰, I_d = 0, U_d = 138 В; I_d = I_dн, U_d = 136 В;

4. = 85,444⁰, I_d = 0, U_d = 22 В; I_d = I_dн, U_d = 19 В.

Рис. 4.1. Внешняя характеристика U_d =f (I_d)

5. Расчет рабочих и аварийных режимов работы

5.1 Рабочий режим работы преобразователя

Рис. 5.1. Структурная схема проектируемой установки

Рабочий режим работы установки при номинальных (с учетом допустимых отклонений) параметрах питающей сети и нагрузки.

Действующее значение тока цепи определяется по выражению:

I_1ф = К_i1К_ТI_d, где (5.1)

К_Т — коэффициент трансформации.

I_1ф = 0,815 ^. 0,539 ^. 79,6 = 34,998 (А).

В симметричных схемах максимальный ток через вентиль имеет место при углеге гулирования = _нач .

= 37,406⁰ .

Коэффициент формы тока вентиля К_ф определяется по формуле:

(5.2)

= 120⁰ [Л. 9]

.

Среднее значение тока I_v и амплитуда рабочего напряжения U_обр.м для фазного вентиля определяются следующим образом:

_,, где (5.3, 5.4)

где = 0,33 — коэффициент среднего тока вентиля; - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по фазам и зависящий от точности работы системы управления, при допуске на несимметрию углов управления по фазам в 3⁰; m = 1- число параллельных приборов в эквивалентном вентиле; - коэффициент равномерности деления тока по полупроводниковым приборам (при m =1 =1); = 1,04 — коэффициент обратных напряжений; = 1 — число последовательно соединенных приборов в схеме эквивалентного вентиля; коэффициент равномерности деления напряжения по последовательно соединенным приборам (при n =1).

_, .

5.2 Аварийный режим работы преобразователя

Аварийный режим вызывается аварийными условиями работы питающей сети, преобразователя или нагрузки и возникает ограниченное число раз за срок службы. Наиболее встречающийся аварийный режим преобразователей — короткие замыкания в различных точках электрической схемы. Наиболее характерными являются короткие замыкания (рис. 5.1) в цепи переменного тока преобразователя (точка К1), внешние — на шинах постоянного тока (точка К2) и внутренние — при пробое тиристора. Основой для расчета параметров вышеперечисленных аварийных режимов является информация о трехфазном К.З. в цепи переменного тока за согласующим трансформатором или токоограничивающим реактором преобразовательной установки (точка К1). Основной характеристикой рассматриваемого режима является величина периодической составляющей тока короткого замыкания, которая вычисляется по выражениям:

действующее значение, амплитудное значение:

, где (5.5, 5.6)

где — активное и индуктивное сопротивления сети переменного тока.

.

При коротком замыкании в точке К1 из сети будет потребляться ток, действующее значение периодической составляющей которого при использовании согласующего трансформатора определяется:

(5.7)

.

Амплитудное значение этого тока

(5.8)

.

Тепловое воздействие на вентиль при протекании импульса тока короткого замыкания длительностью не более 20мс характеризуется тепловым эквивалентом, относительное значение которого B_К определяется по зависимости B_К=f (R_C/X_C) в зависимости от параметров сети. Тепловой эквивалент переводится в абсолютные единицы по следующему выражению:

; R_c / X_c = 0,444; В_к = 2,231 (5.9)

.

При повреждении в точке К2 установившееся значение тока короткого замыкания управляемого выпрямителя при небольших углах регулирования определяется по выражению:

(5.10)

.

Скорость нарастания тока в эквивалентном вентиле при включении. Она может быть достаточно высокой и ограничиваться только индуктивными сопротивлением трансформатора. Максимальное значение определяется выражением:

где (5.11)

kчисло фаз трансформатора.

.

6. Выбор и проверка вентилей силового преобразователя

6.1 Предварительный выбор и расчет диодов и тиристоров

1) Выбор вида и подвида полупроводникового прибора.

Силовые полупроводниковые диоды и тиристоры в зависимости от вольт — амперной характеристики подразделяются на обычные (Д и Т) и лавинные (ДЛ и ТЛ), а в зависимости от коммутационных параметров — на низкочастотные (Д и Т), быстровосстанавливающиеся диоды (ДЧ), быстровыключающиеся (ТЧ), быстровключающиеся (ТИ) и быстродействующие тиристоры (ТБ).

Низкочастотные силовые диоды и тиристоры применяют в цепях переменного тока частотой до 500 Гц, где к ним не предъявляется особых требований по времени обратного восстановления или выключения и включения, высоких скоростей нарастания прямого тока и напряжения.

Выбираем тиристоры типа Т161. [Л. 3, 4]

2) Выбор номинального тока вентиля.

Максимально допустимый средний ток вентиля, указанный в паспортных данных (номинальный ток), определен при так называемых квалификационных условиях (частоте 50 Гц, однополупериодном синусоидальном токе, температура корпуса 85⁰ С, угле проводимости 180⁰ и т. д.). Реальные условия работы (особенно охлаждение) полупроводниковых приборов в значительной степени отличаются от квалификационных, что затрудняет выбор вентиля по току. Предварительное значение номинального тока в предполагаемых условиях охлаждения определяются по соотношению (для фазного вентиля):

где (6.1)

K₀ — коэффициент условий охлаждения фазного вентиля (K₀ = 2…4 при естественном охлаждении вентилей на стандартных радиаторах), К_iw = 0.5…0,8 — коэффициент запаса по рабочему току, принимаем К₀ = 3, К_iw = 0.6:

.

3) Выбор класса вентиля по рабочему напряжению. [Л. 3, 4]

Класс тиристора определяется допустимым значением повторяющегося импульсного напряжения, деленным на 100. Напряжение фазного вентиля не должно быть меньше амплитуды рабочего напряжения на вентиле. Уровень запаса выбирается из условия получения приемлемых параметров устройств ограничения перенапряжений и потерь в них.:

>, где (6.2)

— коэффициент запаса по рабочему напряжению, =0,5…0,8 выбираем =0,6.

= 288,033 / 0,6 = 480,055 (В).

Выбираем полупроводниковый прибор со значением, наиболее близким к рассчитанному. Выбираем тиристоры типа Т161−160−5.

4) Выбор типа охладителя. [Л. 3, 4]

Охладители предназначены для отвода тепла от полупроводникового прибора и создания приемлемого теплового режима. Выберем охладитель типа О171−80.

5) Параметры выбранного тиристора Т161−160−5 в комплекте с охладителем О171−80: [Л. 3, 4]

— пороговое напряжение U₀ = 1,15 В

— максимально допустимая температура перехода Т_п.мах = 125 ⁰С

— дифференциальное сопротивление R_д = 0,57^.10^-3 Ом

— установившееся тепловое сопротивление переход-среда R_Т.П-С = 0,15 ⁰С/Вт

— ударный неповторяющийся прямой ток I_уд = 4500 А

— критическая скорость нарастания тока i'_крит = 80^.10⁶ А/с

— повторяющийся импульсный обратный ток I_обр.п = 0,015 А

— повторяющееся импульсное обратное напряжение U_обр.п = 500 В.

6.2 Проверка фазных полупроводниковых приборов

1) Проверка по нагреву рабочим током.

В нормальном режиме работы температура p-n перехода не должна превышать максимального допустимого значения, для чего необходимо выполнить условие:

(6.3)

Максимально допустимый средний ток вентиля определяется по реальным условиям охлаждения и работы прибора:

где (6.4)

где U₀ — пороговое напряжение; R_Д — дифференциальное сопротивление вентиля в открытом состоянии, Ом; Т_П.МАХ — максимально допустимая температура p-n перехода; Т_С — температура окружающей среды; R_{Т (П-С)} — установившееся тепловое сопротивление переход — среда.

55,603 (А),

— условие выполняется.

2) Проверка по аварийному току.

Для защиты вентилей полупроводниковых преобразователей в аварийных режимах работы используются быстродействующие автоматические воздушные выключатели. В этом случае при анализе теплового режима можно считать, что через вентиль проходит один импульс аварийного тока и выделяется количество тепла, соответствующее тепловому эквиваленту. Защитный показатель вентиля определяется по значению ударного неповторяющегося тока следующим выражением:

(6.5)

Полупроводниковый прибор будет устойчив к тепловому воздействию аварийного тока при выполнении условия

(6.6)

При невыполнении этого условия защита вентилей преобразователя должна быть дополнена плавкими предохранителями, либо необходимо выбрать вентиль с большим номинальным током.

1,112^.10⁵ (А^.с²),

=1,097^.10⁵ / 1^.1 = 1,097^.10⁵ (А^.с²),

— условие выполняется.

3) Проверка по коммутационным параметрам.

Для ведомых сетью преобразователей обычно достаточно проверить тиристоры по скорости нарастания тока при включении. Ограниченная способность тиристоров выдерживать нарастания тока при включении связана с тем, что процесс распространения проводящей зоны вблизи управляющего электрода идет со скоростью 0.03…0.1 мм/мкс и при превышении определенной скорости нарастания тока происходит локальный перегрев области первоначального включения. Допустимая (критическая) скорость нарастания тока ()_КРИТ задается в каталогах при максимально допустимой температуре перехода. Для тиристора должно выполняться условие:

(6.7)

Если условие не выполняется, то значение ()_МАХ следует ограничить за счет увеличения индуктивности внешнего контура.

()_крит=80^.10⁶ (А/с)

— условие выполняется.

6.3 Расчет допустимых рабочих перегрузок преобразователя по току

Перегрузки могут возникать в рабочих и аномальных режимах (пуски, неисправности механизмов и т. д.). Их допустимость оценивается по рабочим перегрузочным характеристикам, определяющим в функции времени допустимый ток перегрузки, при котором не превышается допустимая температура p-n перехода. Допустимый ток перегрузки вентиля зависит от предварительной загрузки преобразователя и условий охлаждения. В предшествующем режиме через преобразователь протекает ток I_d, а через фазные вентили ток I_v, нагревающий p-n переход до температуры:

(6.8, 6.9)

где Р_ОС.СР — мощность, рассеиваемая в вентиле.

,

Амплитудное значение допустимого тока вентиля при длительности перегрузки t рассчитывается по формуле:

(6.10)

В этом выражении коэффициенты, А и В определяются следующим образом:

где (6.11)

Z_Т(П-С)t = Z_{Т (П-К)t} + Z_{Т (К-О)t} + Z_{Т (О-С)t} — переходное тепловое сопротивление переходкорпус — охладитель — среда, соответствующее времени перегрузки t, Z_{Т (П-К)26}, Z_{Т (П-К)20}, Z_{Т (П-К)6} — переходные сопротивления переход — корпус, соответствующие временам перегрузки 26, 20 и 6 мс, ⁰С/Вт.

Z_{Т (П-К)26} = 0,035 ⁰С/Вт; Z_{Т (П-К)20} = 0,025 ⁰С/Вт; Z_{Т (П-К)6} = 0,015 ⁰С/Вт [Л. 3]

Для анализа возможных режимов установки в целом целесообразно определять не амплитудное значение допустимого тока перегрузки отдельного вентиля, а среднее значение тока перегрузки всего преобразователя, которое при активно-индуктивном характере нагрузки рассчитывается:

(6.12)

Рассчитаем и построим в логарифмическом масштабе (по оси t) перегрузочные характеристики преобразователя для двух предшествующих режимов работы (рис. 7.1):

— холостой ход преобразователя I_d = 0;

— номинальная нагрузка преобразователя I_d = I_dН

Длительность перегрузки примем равной t = 0.1; 1; 10; 100; 1000 и 10 000 с.

1. Предшествующий режим — холостой ход:

Данные расчетов заносим в таблицу 6.1.

Табл. 6.1 Данные расчетов режима холостого хода

1. Предшествующий режим — номинальная нагрузка:

Данные расчетов заносим в таблицу 6.2.

Табл. 6.2 Данные расчетов режима номинальной нагрузки

Рис. 7.1. Перегрузочные характеристики преобразователя I_dпрг = f (t)

7. Выбор аппаратов и элементов защиты выпрямителя

7.1 Защита от аварийных перегрузок автоматическими выключателями

Аварийные перегрузки, сопровождающиеся большими токами, возникают как при коротких замыканиях в элементах цепи переменного тока преобразовательной установки, так и при коротких замыканиях в нагрузке и повреждениях отдельных полупроводниковых приборов. В последних случаях протекание сверхтоков через исправные вентили приводит к резкому повышению температуры p-n перехода, что может послужить причиной прожога выпрямительного элемента. Защитная аппаратура при своем срабатывании призвана с минимальным запаздыванием, разорвать цепь короткого замыкания и тем самым ограничить электродинамические и термические воздействия аварийного режима на вентили и другие элементы электрической установки.

Поскольку наиболее чувствительными к токовым перегрузкам являются полупроводниковые приборы преобразовательной установки, то при всех повреждениях, связанных с протеканием сверхтоков через вентили (внешние и внутренние К.З.), производится их проверка на термическую стойкость. Устойчивость вентиля к аварийным перегрузкам характеризуется защитным показателем, полупроводниковый прибор является устойчивым к воздействию сверхтоков, если значение теплового эквивалента при повреждении (тепловая энергия, выделяющаяся в полупроводниковом приборе при различных видах К.З.) не превышает защитного показателя.

В качестве аппарата, защищающего оборудование электроустановки в аварийных режимах, используются автоматические воздушные выключатели (автоматы), срабатывающие при повышении в них тока до значения установки. Достоинство автомата в том, что в них совмещены устройство защиты и коммутационный аппарат, включающий и отключающий преобразователь в нормальных режимах. Места автоматов показаны на рис 5.1. Автомат, установленный в цепи переменного тока преобразователя (А1), отключается как при внешних, так и внутренних повреждениях. Автомат цепи постоянного тока (А2) отключается только при коротких замыканиях в нагрузке.

Первоначальный выбор автоматов производится по конструктивным особенностям: роду тока, числу полюсов, виду и количеству расцепителей и т. п. Дальнейшие условия выбора и проверки автоматов приведены в таблице 7.1 и заключаются в сравнении каталожных параметров автомата с соответствующими величинами нормального и аварийного режимов в защищаемой цепи.

Табл. 7.1 Основные условия проверки автоматов

Выбираем автомат А1, отвечающий требованиям, указанным в таблице 7.1.

— ударный коэффициент (7.1)

; ;

.

Выбираем автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем типа А3711Б (переменного тока) с техническими данными: [Л. 9]

— номинальное напряжение

— номинальный ток выключателя

— номинальный ток расцепителя

— предельно допустимый ожидаемый то КЗ

Проверяем А3711Б по условиям:

— условие выполняется,

— условие выполняется,

— условие выполняется.

Выбираем автомат А2, отвечающий требованиям, указанным в таблице 7.1.

Выбираем автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем типа А3711Б (постоянного тока) с техническими данными: [Л. 9]

— номинальное напряжение

— номинальный ток выключателя

— номинальный ток расцепителя

— предельно допустимый ожидаемый то КЗ

Проверяем А3711Б по условиям:

— условие выполняется,

— условие выполняется,

— условие выполняется.

Окончательно принимаем в качестве А1 автоматический выключатель переменного тока А3711Б, в качестве А2 автоматический выключатель постоянного тока А3711Б.

7.2 Защита плавкими предохранителями

Для защиты полупроводниковых приборов при внутренних и внешних коротких замыканиях в некоторых случаях применяются специальные быстродействующие плавкие предохранители различных типов: ППА, ПП38, ПП57, ПП63. Наиболее часто применяются предохранители типа ПП57, которые имеют широкую гамму типоразмеров и выпускаются на номинальные напряжения U_пн = 220, 380, 660, 1250, 2000 В переменного тока и 160, 220, 440, 660, 1080 В постоянного тока и номинальные токи плавких вставок I_пн — 25…630 А.

Табл.7.2 Условия выбора предохранителей

Выбираем предохранители типа ПП57−3137

Проверяем предохранитель по условиям:

— условие выполняется,

— условие не выполняется,

— условие выполняется.

Следовательно выбираем защиту только автоматическими выключателями.

7.3 Защита вентилей от перенапряжений

Переходные процессы в цепях вентильных преобразователей часто сопровождаются перенапряжениями, основными из которых являются: перенапряжения, обусловленные внутренними процессами в полупроводниковых приборах в моменты коммутации тока; коммутационные перенапряжения, возникающие в моменты отключения внешних цепей с индуктивностями и др. Перенапряжения могут привести к электрическому пробою приборов и коротким замыканиям. Для снятия возникающих перенапряжений применяют R-C цепочки, включаемые параллельно вентилям. Необходимую ёмкость конденсатора в такой цепочке можно определить по формуле:

где (7.2)

— напряжение короткого замыкания трансформатора, — повторяющийся импульсный ток и повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии; - амплитудное значение прямого тока.

.

На практике величина емкости принимается 0,5 — 4 мкФ, следовательно, принимаем

Сопротивление резистора выбирается из необходимости ограничения тока при разряде конденсатора через открывающийся вентиль, особенно при больших углах регулирования. Если учесть, что ток, обеспечивающий нормальное развитие процесса включения тиристора, составляет 15…20 А, а конденсатор может зарядится до амплитуды напряжения источника питания, то

(7.3)

.

Мощность резистора в R-C цепочке рассчитывается по формуле:

где (7.4)

=3 — количество коммутаций в течение периода, для трехфазных схем; - амплитудное значение выпрямленного напряжения; - период.

.

7.4 Защита вентилей при большой скорости нарастания прямого тока

При работе выпрямителя в течение периода происходит несколько коммутаций тока с одного тиристора на другой под действием напряжения сети. Скорость изменения тока может быть достаточно высокой, особенно при углах регулирования 0, и ограничивается только индуктивностью источника питания. Максимальное значение скорости нарастания прямого тока не должно превышать критического значения:

(7.5)

— условие выполняется.

8. Энергетические характеристики преобразователя

8.1 Коэффициент полезного действия

КПД (з) преобразовательной установки определяется суммарными потерями в согласующем трансформаторе (), вентилях (), сглаживающем реакторе (), цепях управления, защитных цепочках, собственных нуждах ():

где (8.1)

= +++. (8.2)

(8.3)

Потери в согласующем трансформаторе:

где (8.4)

— потери холостого хода и короткого замыкания в трансформаторе, — коэффициент нагрузки трансформатора. (8.5)

.

Суммарные потери мощности в вентилях:

где (8.6)

— потери мощности в тиристоре, — общее число тиристоров в схеме.

Потери мощности в цепях управления, собственных нужд, защитных цепочках определяются приближенно в долях от номинальной мощности согласующего трансформатора:

(8.7)

КПД определяем при углах регулирования б_нач=37,4^о, б_кон=85,4^о и I_d=(0,2…1,2)I_dн.

Данные расчетов заносим в таблицу 8.1.

Табл. 8.1 Данные расчетов для построения графика КПД

По результатам расчетов строим кривые КПД в зависимости от тока нагрузки при начальном и конечном углах регулирования (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Кривые КПД преобразователя з = f (I_d)

8.3 Коэффициент мощности

Коэффициент мощности в общем случае может быть определен как отношение активной мощности, потребляемой из сети Р, к полной мощности S:

где (8.8)

— потребление реактивной мощности преобразователем.

Активная мощность определяется мощностью, отдаваемой в нагрузку, и потерями мощности в элементах преобразователя и рассчитывается по формуле:

(8.9)

Потребление реактивной мощности преобразователем складывается из двух составляющих:

где (8.10)

 — потребления реактивной мощности соответственно согласующим трансформатором и вентильной схемой.

где (8.11)

— число фаз вторичной обмотки трансформатора, — ток холостого хода трансформатора.

Потребление реактивной мощности вентильной схемой может быть определено через её коэффициент мощности :

(8.12)

Для выпрямителя, как и для любой электрической установки с несинусоидальными токами, коэффициент мощности определяется произведением коэффициентов искажения К_И и сдвига первичного тока преобразователя:

(8.13)

 — для трехфазной мостовой симметричной схемы [Л. 9]

; .

Коэффициент мощности определяем при углах регулирования б_нач=37,4^о, б_кон=85,4^о и I_d=(0,2…1,2)I_dн. Напряжение U_d определяем по внешней характеристике (рис. 4.1.)

Данные расчетов заносим в таблицу 8.2.

Табл. 8.2.

По результатам расчетов строим кривые коэффициента мощности в зависимости от тока нагрузки при начальном и конечном углах регулирования (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Кривые коэффициента мощности преобразователя ч = f (I_d)

9. Разработка системы управления преобразователем

9.1 Определение параметров управляющих импульсов и схемы замещения

Для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое на его управляющий электрод следует подать управляющий импульс тока определенных уровня, формы и длительности, и при этом не должна быть превышена допустимая мощность потерь на управляющем электроде. В большинстве случаев включение тиристоров осуществляется импульсами тока с крутым фронтом и достаточной амплитудой, при этом обеспечиваются точное задание угла отпирания тиристоров, симметрия тока в многофазной нагрузке, стойкость тиристоров к большим скоростям нарастания анодного тока.

Время включения отдельных тиристоров даже при одних и тех же параметрах импульсов управления может быть резным. У современных тиристоров основная составляющая времени включения — время задержки имеет минимальное и практически одинаковое для разных тиристоров значение при амплитуде тока управления I_УM=1,5…2A и при, при этом обеспечиваются минимальные время включения и его разброс.

Требуемая длительность импульса управления зависит от времени задержки включения, схемы преобразовательной установки и характера нагрузки. За время протекания импульса должен быть, достигнут ток включения тиристора с учетом индуктивности нагрузки. В преобразовательных установках нереверсивных электроприводов должна обеспечиваться длительность импульса t_y=300.500 мкс с длительностью фронта 3…4 мкс. Для реверсивных электроприводов при прочих равных условиях длительность каждого импульса равна 500. 800 мкс. В трехфазных мостовых преобразователях необходимо формирование на периоде для каждого тиристорв двух импульсов, следующих друг за другом через 60 эл. град.

При расчете схемы управления определяют напряжение холостого хода U_xx и внутреннее сопротивление r_BH источника управления, при которых обеспечиваются требуемые параметры прямоугольного импульса (рис. 9.1). Необходимые величины определяются по вольт-амперным характеристикам управляющего электрода (ВАХУ) тиристора, приводятся в каталогах.

ВАХУ тиристоров (рис. 9.2), соответствующие техническим условиям, ограничены кривыми, А и В, определенными при максимально и минимально допустимых входных сопротивлениях цепи управляющего электрода. На ВАХУ также нанесены максимально допустимые значения прямого тока I_УMAX, импульсного прямого напряжения U_УMAX управляющего электрода и кривые максимально допустимых потерь мощности Р_ум на управляющем электроде при различной длительности t_y и скважности К_у импульсов трапецеидальной формы:

Для определения параметров системы управления на ВАХУ дополнительно необходимо нанести линии, соответствующие значениям отпирающих тока I_У0 и напряжения U_У0 управления зона, ограниченная этими линиями и осями ординат (заштрихованная площадь на рис. 9.2), является областью негарантированного отпирания.

Рис. 9.1 Эквивалентная схема управления тиристором

Рис. 9.2 Вольт-амперная характеристика управляющего электрода тиристора и предельные линии нагрузки Напряжение U_ХХ и сопротивление R_BH должны выбираться таким образом, чтобы линия нагрузки источника управления не пересекала гиперболу максимально допустимой мощности потерь при принятой скважности управляющих импульсов н область негарантированного отпирания при всех возможных в эксплуатации отклонениях U_ХХ и R_BH от расчетных значений.

Возможные отклонения U_xx определяются допустимыми колебаниями напряжения источника питания, а R_BH — допуском на отклонение его величины от номинального значения и колебаниями температуры окружающей среды Обычно источник управления имеет сравнительно небольшое внутреннее сопротивление, поэтому для ограничения тока управления целесообразно последовательно с электродом управления включить дополнительное сопротивление, которое условно можно отнести к внутреннему сопротивлению. К R_BH можно также отнести сопротивление соединительных проводов.

Линия нагрузки 2, соответствующая минимальному значению напряжения R_XXMAX и максимальному значению сопротивления R_BHMAX, не должна пересекать область негарантированного открытия, а может лишь касаться ее в предельном случае. Линия нагрузки 1, соответствующая максимальному напряжению U_XX и минимальному сопротивлению R_BHMIN, не должна пересекать линию допустимой мощности потерь P_У1 для выбранной длительности t_У1 и скважности K_У1 импульса, а может лишь касаться ее (точка D). Напряжение холостого хода источника управления U_ХХ принимается равным напряжению в точке пересечения нагрузочной прямой 1 с осью ординат, при этом должно выполняться условие

Минимальное сопротивление R_BHMIN, соответствующее линии нагрузки 1, находится по формуле

Проверка выбранных параметров источника управления проводится по выражению

.

Т.е. линия нагрузки не должна пересекать область негарантированного отпирания.

9.2 Разработка электрической схемы СИФУ

В настоящее время системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами выполняется в основном вертикального типа. Воспользуемся схемой управления электроприводом УКЭ-Л-3101 (приложение 2).

Система импульсно-фазового управления предназначена для преобразования непрерывного управляющего сигнала U_УПР в последовательность прямоугольных импульсов управления силовыми тиристорами. Ширина этих импульсов может быть достаточно большой и доходить до десятков эл. град. Для их передачи через малогабаритные импульсные трансформаторы без существенного затухания применяется высокочастотное заполнение, которое в рассматриваемых устройствах обеспечивается заполняющими импульсами частотой 20…50 кГц. Для трехфазной мостовой схемы управления необходимо иметь в виду еще одну особенность. Чтобы обеспечить работоспособность этой схемы во всех возможных режимах, необходимо на управляющий электрод каждого тиристора за период подавать два импульса управления, сдвинутых на 60 эл.град. В соответствии с изложенным диаграмма управляющих напряжений трехфазного мостового выпрямителя имеет вид, показанный на рис. 9.5. Для реализации этой диаграммы может быть предложен следующий алгоритм работы: первый импульс формируется в собственном канале управления, а второй берется из канала тиристора другой группы (анодной или катодной) предыдущей по порядку работы фазы.

В УКЭ-Л-3101 — из трех тождественных блоков фазового управления (БФУ), формирующих управляющие импульсы для двух тиристоров разных групп (анодной и катодной) одной фазы. Структурная схема БФУ приведена на рис. 9.3. БФУ включает в себя следующие функциональные узлы: узел синхронизации (СИНХР), генератор сигнала развертки (пилообразного напряжения) (ГПН), интегральный регулятор (на структурной схеме не показан), компаратор (КОМП), формирователь длительности (ФД), распределители (РАСПР) и усилители-формирователи (УФ) выходных импульсов.

Рис. 9.3. Структурная схема БФУ Электрическая принципиальная схема БФУ представлена на электрической схеме управляемого выпрямителя.

Узел синхронизации, выполненный на элементах V2… V6, R2, предназначен для формирования разрешающих импульсов и импульсов синхронизации. Временные диаграммы напряжений в различных точках узла синхронизации приведены на рис. 9.4. Синхронизирующее синусоидальное напряжение U_СИНХР сдвигается фильтром R1-R7-R8-C4 на угол 30 эл. град. (U_C4) и с помощью транзисторов V2… V4 преобразуется в прямоугольные противофазные импульсы длительностью несколько больше 180 эл. град. С коллекторов транзисторов V3 и V4 на входы 5 и 9 микросхемы D1 подаются импульсы логической единицы (разрешающие импульсы), в функции которых осуществляется распределение импульсов управления для противофазных тиристоров. В момент перехода синхронизирующего напряжения на конденсаторе С4 через нуль транзисторы V3 и V4 одновременно находятся в закрытом состоянии, и в точке «Е6» можно наблюдать формирование синхронизирующих импульсов длительностью 4…5 эл. град. (400 мкс). Длительность этих импульсов определяется порогом отпирания транзисторов. Импульсами синхронизации осуществляется «обнуление» интегратора (разряд конденсатора С6 с помощью ключа V1), приведение в исходное состояние и блокирование на время прохождения синхроимпульса компаратора и разряд конденсатора С8 через ключ V15.