ВВЕДЕНИЕ
Контрольные задания по курсу "Силовая электроника" состоят контрольной работы, содержащей несколько заданий, а также курсовой работы, состоящей из двух частей, расчетной и графической. Контрольные задания охватывают основные разделы теории названного курса.
Варианты заданий для выполнения курсовой работы определяются по последнему номеру зачетной книжки.
При курсовой работы следует руководствоваться настоящими методическими указаниями, приведенной литературой и документами ЕСКД.
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
В курсовой работе должна быть решена задача расчета и конструирования преобразовательного устройства, удовлетворяющего заданным техническим условиям.
СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНОЙ ЧАСТИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
1.Введение. Во введении, исходя из требований к проектируемому устройству, производится выбор схемы преобразователя.
Основная задача расчета выпрямительных устройств сводится к определению соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя найти электрические параметры вентилей и трансформатора выпрямителя, а также параметры фильтрующих и регулирующих устройств с последующим выбором этих элементов по каталогу или, если это необходимо, с их расчетом.
Выпрямительные схемы принято сопоставлять по стоимости, массе и размерам вентильного блока, типовой мощности трансформаторного оборудования, форме кривой выпрямленного напряжения, энергетическим показателям и влиянию на питающую сеть.
Приступая к выбору, необходимо дать оценку в общих чертах всем схемам выпрямления, которые могли бы быть применены для данного конкретного случая.
Существует большое количество схем выпрямления, в основе большинства которых лежат схемы простые и мостовые, соединяемые последовательно или параллельно.
Если выходное напряжение имеет достаточно большую величину (более 100 вольт), предпочтение следует отдавать мостовым схемам выпрямления и их последовательному соединению. При низких выпрямленных напряжениях необходимо применять шестифазную схему с уравнительным реактором или кольцевую схему выпрямления. Достоинством кольцевой схемы является отсутствие дополнительной конструктивной единицы — уравнительного реактора. Недостаток же ее заключается в более сложной ошиновке вентильного блока и трансформатора и более высоком коэффициенте формы тока вентилей k ф. Поэтому кольцевую схему выпрямления следует применять при токах нагрузки не более 800 А. При малой мощности выпрямителя (до 10 кВт) возможно применение простой трехфазной схемы выпрямления или простой шестифазной с соединением с соединением вторичных обмоток в двойной зигзаг.
2. Предварительный расчет внешней характеристики и исходных данных для расчета трансформатора. В зависимости от требований к характеру изменения выпрямленного напряжения различают выпрямители:
— со стабилизацией выходного напряжения (силовые);
— со стабилизацией выходного тока (зарядные, электротехнологические).
Внешняя характеристика выпрямителя при разомкнутой системе автоматического регулирования выходного напряжения представляет собой прямую линию, наклоненную к оси абсцисс.
Наклон внешней характеристики A зависит от соотношения между потерями выпрямленного напряжения Δ Ud и номинальным значением выпрямленного напряжения Ud н:
.
Напряжение питающей сети задается в определенных пределах, и, следовательно, при расчете внешних характеристик нужно учитывать его максимальное и минимальное значения. Для правильно спроектированного выпрямителя номинальное значение выпрямленного напряжения должно обеспечиваться при пониженном значении напряжения питающей сети и номинальном токе нагрузки.
Исходя из этого условия, выполняют предварительное построение внешних характеристик и расчет напряжений холостого хода выпрямителя.
Величиной наклона внешней характеристики задаются, учитывая мощность выпрямителя, схему выпрямления и величину выпрямленного напряжения. Ориентировочно для трехфазной мостовой схемы выпрямления при напряжении выше 100 В:
А = 1,5–1,3 при Pd < 1 кВт;
А = 1,3–1,2 при Pd = 1…10 кВт;
А = 1,2–1,2 при Pd = 10…25 кВт;
А = 1,1–1,05 при Pd = 25…100 кВт.
В выпрямителях с более низким выпрямленным напряжением величина наклона внешней характеристики увеличивается на 0,1–0,2 в зависимости от мощности и схемы выпрямления.
Для известного выпрямленного напряжения Ud н через принятый коэффициент наклона внешней характеристики А вычисляют напряжение холостого хода при пониженном, номинальном и повышенном напряжении питающей сети:
(Ud0) –Uc = Ud н∙ A;
Ud0 = Ud н∙ A / [1 + (–Δ Uc)];
(Ud0)+ Uc = Ud н∙ A [1 + (+Δ Uc)] / [1 + (–Δ Uc)].
Управляемые выпрямители позволяют с помощью замкнутой системы регулирования стабилизировать выходное напряжение на заданном уровне. Внешние характеристики такого выпрямителя показаны на рис.1. Разность между максимально возможным напряжением на выходе выпрямителя(Ud0)+ Uc и стабилизированным напряжением Ud н есть глубина регулирования преобразователя Δ Ud max.
Формула расчета глубины регулирования имеет вид:
.
Выпрямители, работающие в режиме стабилизации тока, находят применение в гальванике, электролизе цветных металлов, электротехнической обработке металлов, для зарядки аккумуляторных батарей.
Зона регулирования для стабилизатора тока ограничена минимальным и номинальным токами стабилизации (рис. 2.). Необходимая глубина регулирования, если минимальный уровень напряжения задан при токе Id1, определяется по формуле:
Δ Ud max = (Ud0)+ Uc – Ud н(A – 1) 
– Ud min .
Между глубиной регулирования и углом регулирования связь устанавливается на
основании закона регулирования, которому подчиняется рассчитываемая схема выпрямления. Величина напряжения на выходе выпрямителя с регулировочной характеристикой вида
Ud α = Ud0 cosα
изменяется на величину
Ud0 (1 –cosα)
при изменении угла регулирования α от нуля до α max. Выражение для определения максимального угла регулирования имеет вид:
.
Аналогично производится вывод уравнения для определения максимального угла регулирования при других законах управления. Реальный угол регулирования больше α max на величину начального угла регулирования α0, который принимается равным 5…l0 эл. градусов. Причем большую величину выбирают при более низких выпрямленных напряжениях.
3. Электромагнитный расчет силового оборудования преобразователя. Силовое оборудование преобразователя включает в себя силовой трансформатор, вентильный блок и выходной фильтр. Расчету силового трансформатора предшествует установление исходных данных через соответствующие коэффициенты и известные величины номинального выпрямленного напряжения, номинального выпрямленного тока и номинального напряжения питающей сети.
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора определяется по выпрямленному напряжению холостого хода при номинальном напряжении питающей сети:
U 20 = k сх Ud0.
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора находят по среднему значению выпрямленного тока в номинальном режиме через соответствующий коэффициент схемы:
I 2 = k сх Id н.
Мощность, определяющая размеры и массу силового трансформатора, носит название габаритной и выражается произведением Ud0Id н, умноженным на коэффициент схемы по типовой мощности:
S т = k сх Ud0Id н.
Величина тока первичной обмотки определяется исходя из величины типовой мощности трансформатора и напряжения, приложенного к первичной обмотке:
.
где m — число фаз первичной обмотки трансформатора.
3.1.Расчет силового трансформатора. Расчет трансформатора выпрямителя в рамках данной курсовой работы не производится. Однако данные для его расчета, перечисленные выше, являются исходными данными для курсового проекта «Проектирование силового преобразовательного трансформатора», предусмотренного учебным планом дисциплины «Электрические и электронные аппараты», который выполняется в следующем семестре. Поэтому полученные данные для расчета должны быть сохранены.
3.2.Расчет вентильного блока. При расчете вентильного блока определяют среднее Iv ср и действующее Iv значения тока вентиля через номинальный ток нагрузки, а также максимальное обратное напряжение на вентиле Uvmax. По среднему значению тока выбирают конкретный тип прибора и рассчитывают его на перегрев полупроводниковой структуры. Потери в вентиле определяются по формуле:
Δ P = U 0 Iv ср + R д 
.
Нагрев вентиля определяется через тепловое сопротивление с учетом выбранной системы охлаждения (в данной работе рекомендуется естественная система охлаждения):
Q = Q окр + Δ PR т,
где R т — тепловое сопротивление вентиля с охладителем, ºC/Вт.
Если температура вентиля не превышает допустимого значения, приведенного в его паспортных данных, выбор вентиля сделан правильно. В противном случае необходимо выбрать более мощный прибор и заново произвести расчет.
Вентиль необходимо выбрать также по максимальному обратному напряжению, то есть выбрать вентиль соответствующего класса.
Примечание. Выбор вентилей (тиристоров) следует производить по данным сайта ОАО «Электровыпрямитель»: https://www.elvpr.ru/poluprovodnikprib/tiristory/index1.php
3.3. Расчет сглаживающего фильтра. Для расчета фильтра необходимо определить суммарное значение коэффициента пульсаций (см. рис. 3):
.
Затем определяется необходимый коэффициент сглаживания:
,
где βн — величина коэффициента пульсаций в номинальном режиме (задается в исходных данных к курсовой работе).
При S > 20 применяется Г-образный LC -фильтр (рис 4, а). При меньших значениях S достаточно простого L -фильтра (рис. 4, б).
Вычисляется значение произведения LC:
, Гн∙Ф,
где ωн = 2π mf, m — фазность выпрямления, f — часто-та питающей сети.
Задавшись значением C = 2000–10000 мкФ, определяем предварительное значение индуктивности фильтра:
L = (LC)/ C, Гн.
Определим частоту собственных колебаний LC -контура:
, с–1.
При правильно выбранных значениях L и C должно выполняться условие ωр ≤ 0,5ωн.
Конструктивный расчет фильтра выполняется по прилагаемой методике или по методике, изложенной в [2].
На заключительном этапе расчета преобразователя производится проверка наклона внешней характеристики преобразователя и расчет его коэффициента полезного действия.
СОДЕРЖАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Графическая часть курсовой работы включает в себя чертеж принципиальной электрической схемы силовой части преобразователя;
1. Принципиальная электрическая схема силовой части преобразователя. На чертеже в формате А2 должны быть показаны собственно схема выпрямления, устройства индикации, коммутации, зашиты преобразователя, а также приборы контроля выходных. Система автоматического регулирования представляется в виде функциональной электрической схемы
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Исходными данными для расчета являются: среднее значение выпрямленного напряжения Ud, среднее значение выпрямленного тока Id, действующее значение напряжения питающей сети U с, частота напряжения f с и число фаз питающей сети, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения β.
Исходные данные выдаются преподавателем индивидуально каждому студенту в период установочной сессии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Попков О. З. Основы преобразовательной техники: учеб. пособие для вузов / О. З. Попков. 2-е изд., стереотипное. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. — 200 с: ил.
2. Богрый B. C. Курсовое проектирование автономных преобразователей: Учеб. пособие. — Саранск: Изд. Мордов. ун-та, 1984.- 76 с: ил.
3. Чижаев И. А., Суконников А. А. Расчет и проектирование полупроводниковых выпрямителей: Учеб. пособие. — Саранск: Изд. Мордов. ун-та, 1979. — 132с.: ил.