ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Выполнил студент И.А.Надеин
Группа ЭС – 205
Руководитель Ю.П. Васильев
Нормоконтроль Ю.П. Васильев
Санкт-Петербург
ЗАДАНИЕ.
Вариант №18:
Номинальное значение выпрямленного напряжения:
Номинальное значение выпрямленного тока:
Номинальное значение напряжения питающей сети:
Схема соединения обмоток преобразовательного трансформатора:
Вид преобразователя по функциональным свойствам: управляемый выпрямитель;
Климатическое исполнение преобразовательной установки: умеренно холодный климат, внутренняя установка.
СОДЕРЖАНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….…..
1.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ…………………………….
2.РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА…..
3.РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ………………………………………..
4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ………………………………………………………………………….
4 1. Выбор типа диода ………………………………………………………………………….
4.2.Разработка соединения схемы плеча преобразователя ………………………………….
5.ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ………………………………………...
5.1. Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности ………………...
5.2 Исследование коммутации ………………………………………………………………..
6.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (КПД, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ)……………………………………………………………………………………
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………….
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………………..
|
ВВЕДЕНИЕ.
В данном курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя.
Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора – 0,95 против 0,8. Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе. Установленная мощность полупроводниковых приборов в обеих схемах одинакова, также во всех шестипульсовых схемах одинаков угол коммутации.
В данное время шестипульсовые мостовые выпрямители уже не удовлетворяют современным требованиям по уровню пульсаций выпрямленного напряжения и по уровню высших гармонических составляющих в кривой потребляемого тока. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют двенадцатипульсовые выпрямители, которым и отдается предпочтение при разработке новых преобразователей. Эти выпрямители имеют также более пологую внешнюю характеристику, меньший угол коммутации, более высокие экономические показатели.
В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, несмотря на это, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.
|
- ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ.
В данном курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя (рис.1).
Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора – 0,95 против 0,8. Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе. Установленная мощность полупроводниковых приборов в обеих схемах одинакова, также во всех шестипульсовых схемах одинаков угол коммутации.
В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, несмотря на это, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.
Схема шестипульсового мостового управляемого выпрямителя.
Рис.1
2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА.
Номинальный и перегрузочный режимы принимаем исходя из следующих рекомендаций. Параметры номинального режима по току определяем из задания. Кратность в процентах от номинального тока, длительность перегрузок и цикличность соответствуют требованиям к тяговым потребителям (ГОСТ 2329-70).
125% в течении 15 минут 1 раз в 2 часа;
|
150% в течении 2 минут 1 раз в 1 час;
200% в течении 10 секунд 1 раз в 2 мин;
Предварительно производится расчет для номинального режима при идеальных СПП и пренебрежении сопротивлениями питающей сети. Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода определяется по формуле:
(2.1)
где - номинальное выпрямленное напряжение.
Исходя из значения среднего выпрямленного напряжения определяем эффективные значения напряжения вторичной обмотки :
(2.2)
Коэффициент кратности определяется по формуле
,
где максимально допустимое по ПТЭ напряжение в контактной сети, В.
Максимальное выпрямленное напряжение холостого хода при угле управления определяется по формуле
,
.
Угол управления определяется по формуле
,
.
Напряжение х.х. вторичной обмотки трансформатора (при a=30,75)
(2.3)
Средний ток плеча схемы выпрямления :
(2.4)
где - номинальное значение выпрямленного тока.
Для номинального режима:
Эффективное значение тока плеча схемы выпрямления
(2.5)
Эффективное значение тока вторичной обмотки преобразовательного трансформатора
; (2.6)
Эффективное значение фазного тока вторичной обмотки:
=2286,2 А.
Эффективное значение тока первичной обмотки пр-ного трансформатора
(2.7)
где - коэффициент трансформации;
Обратное максимальное напряжение плеча схемы выпрямления определяется по формуле:
,
.
Расчет мощности преобразователя трансформатора при номинальном режиме:
На основании значения расчетной мощности и предназначения преобразователя, осуществляется выбор преобразовательного трансформатора. По расчетам подходит трансформатор типа: ТМП – 3200/10 Y/Y. Типовая мощность трансформатора 2850 кВА, напряжение короткого замыкания , потери:
Для трёх режимов перегрузки ,
по формулам (2.4)-(2.7) вычисляются средние и эффективные токи. Результаты расчётов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Средние и эффективные токи в номинальном и утяжелённых режимах.
Токи, А | Режимы | |||
Номинальный | Перегрузочные | |||
Id | Idн | 1,25Idн | 1,5Idн | 2Idн |
Iп | 933,3 | 1166,625 | 1399,95 | 1866,6 |
I2л | 2857,5 | |||
I2ф | 2857,5 | |||
I1 | 153,6 | 230,4 | 307,2 |
На черт.1 приведены временные диаграммы напряжений и токов схемы.
На рис.2.1 представлена упрощённая внешняя характеристика преобразователя, а
на рис. 2.2. регулировочная характеристика управляемого выпрямителя.
3. РАСЧЕТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.
При работе выпрямителя возможны внутренние короткие замыкания при повреждении СПП в плечах и внешние короткие замыкания: на шинах переменного тока, на шинах выпрямленного тока, короткое замыкание в контактной сети у ЭПС. Самое опасное для силовых полупроводниковых приборов шестипульсового выпрямителя, это короткое замыкание выпрямленного моста (рис.3.1).
Схема возможных коротких замыканий трехфазного мостового преобразователя.
![]() |
А В С
U1ф
I1
S1
![]() | ![]() | ![]() |


ТП
U2ф
I2
![]() | ![]() | ![]() |
К1
VS4 VS1
![]() | ![]() |
К2 VS6 VS3
UZ
![]() |
VS2 VS5 Id
- +
IG
СУ
К3 Ld
К4
ТД
Рис. 3.1
Для правильного выбора полупроводниковых приборов, чтобы не было короткого замыкания выпрямительного моста, необходимо выполнить расчеты токов короткого замыкания на шинах выпрямленного напряжения моста. Для этого составляется расчетная схема замещения (рис.3.2).
![]() | |||||||
![]() | ![]() | ![]() |



еа еb еc
![]() | ![]() | ![]() |
Lа Lb Lc
![]() | ![]() | ![]() | |||||||
![]() | ![]() | ||||||||
Rа Rb Rc
![]() | |||||
![]() | |||||
![]() | |||||
VS1 VS3 VS5
![]() | ![]() | ||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
![]() | |||||||||||
VS4 VS6 VS2
![]() | |||||
![]() | |||||
![]() |
Рис. 3.2.
Параметры схемы замещения и
приводятся к напряжению вторичной обмотки преобразовательного трансформатора.
(3.1)
где - сопротивление питающей сети, Ом, если это сопротивление не задано, то можно принять его равным
;
- сопротивление обмоток преобразовательного трансформатора, Ом;
(3.2)
-напряжение короткого замыкания, %.
Эквивалентное анодное активное сопротивление одной фазы, приведенное к вторичной обмотке, определяется выражением:
(3.3)
где - активное сопротивление обмоток трансформатора, определяемое из опыта короткого замыкания, Ом;
- приведенное активное сопротивление питающей сети, Ом, можно принять равным
/2;
, (3.4)
- потери короткого замыкания преобразовательного трансформатора, кВт.
Эквивалентный треугольник приводим к эквивалентной звезде:
Амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания:
(3.5)
Максимальные значения тока короткого замыкания в плече выпрямителя (рис.4) не превышают двойной амплитуды тока короткого замыкания, т.е. ударный коэффициент k<=2. По истечении интервала 3r=3La/Ra установившийся ток короткого замыкания становится синусоидальным и диоды загружаются синусоидальными полуволнами тока.
(3.6)
где - ударный коэффициент
31,3
Мгновенные значения тока короткого замыкания
wt | ik*10^4, A |
-0,7273 | |
-0,3196 | |
0,101 | |
0,5298 | |
0,9618 | |
1,3921 | |
1,8158 | |
2,2282 | |
2,6244 | |
3,0001 | |
3,3509 | |
3,6728 | |
3,9621 | |
4,2156 | |
4,4302 | |
4,6036 | |
4,7335 | |
4,8186 | |
4,8577 | |
4,8502 | |
4,7962 | |
4,6961 | |
4,5509 | |
4,3621 | |
4,1316 | |
3,8619 | |
3,5559 | |
3,2167 | |
2,8481 | |
2,4539 | |
2,0385 | |
1,6063 | |
1,1619 | |
0,7102 | |
0,2561 | |
-0,1956 | |
-0,64 | |
-1,0722 |
Рис. График кривой тока короткого замыкания.
4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
4.1. Выбор типа диода.
Выбор диода производиться по двум параметрам:
· предельный ток диода
· максимальное обратное повторяющееся напряжение
Так как СПП имеют низкую перегрузочную способность, то при расчете необходимо рассмотреть три режима работы тягового преобразователя:
1) режим длительной нагрузки
2) режим рабочий перегрузки но не чаще чем через каждые
3) режим аварийной перегрузки
В расчете определяем число параллельных (а) СПП для перечисленных выше режимов, а затем принимаем наибольшее из них и округляем его до большего целого числа, если дробная часть превышает 0,1.
На основании выше указанных значений, выбираем для расчета тиристор Т253-1000 с охладителем О153-150.
Характеристики диода:
· максимальное обратное напряжение
· предельный ток диода
· пороговое напряжение
· дифференциальное сопротивление
· тепловое сопротивление структура-контур
· тепловое сопротивление корпус-охладитель
· тепловое сопротивление охладитель – окружающая среда при естественном охлаждении и температуре воздуха
· максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры
· наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов
· переходное тепловое сопротивление за время соответствующее эквивалентному прямоугольному импульсу мощности (t=6мс)
· переходное тепловое сопротивление переход корпус за время τ=6 мс (соответствует 120 эл. град.)
· переходное тепловое сопротивление переход корпус за период Т=20 мс
· переходное тепловое сопротивление цепи структура-корпус, за время перегрузки tx=100c
Расчет предельного тока по формуле нагрузочной способности:
(4.1)
где: - установившееся тепловое сопротивление цепи полупроводниковая структура -
охлаждающая среда,
- температура окружающей среды,
;
- коэффициент формы тока,
.
;
Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения:
(4.2)
где: - ток плеча преобразователя для соответствующего режима его работы, в режиме длительной нагрузки
, в режиме кратковременной перегрузки
для режима аварийной перегрузки ток плеча принимается равным амплитуде
тока короткого замыкания), А;
- коэффициент нагрузки или коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительной перегрузки:
(4.3)
- коэффициент, учитывающий снижение предельного тока из-за повышенной температуры охлаждающей среды, если не оговорены условия охлаждения, то
- коэффициент перегрузки в различных режимах;
- среднее значение тока перегрузки. В режиме длительной нагрузки этот ток равен предельному току
, который вычисляется по формуле (4.1). Для режимов рабочей и аварийной перегрузок ток рассчитывается по формулам (4.4) и (4.5) соответственно.
- коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях. При проектировании допускают неравномерность распределения тока 10%, что соответствует
,
Округляя до наибольшего, получаем
Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с:
(4.4)
где: - одно из значений температуры структуры при кратности нагрузки
, предшествовавшей режиму перегрузки, обычно принимается по условиям эксплуатации
– коэффициент скважности импульсов прямого тока;
- одно из значений потерь мощности:
(4.5)
Примем тогда:
В режиме аварийной перегрузки при и времени перегрузки
(один полу период при частоте
) ток перегрузки определяется:
(4.6)
Округляем до наибольшего, получаем
На основании сравнения расчета для номинального режима , режима рабочей перегрузки
и аварийного режима
принимаем максимальное число параллельных ветвей
4.2. Разработка соединения схемы плеча преобразователя.
Число последовательных СПП определяется из соотношения:
(4.7)
где: - максимальное обратное напряжение на плече преобразователя в номинальном режиме, В;
- неповторяющееся импульсное напряжение, В;
- коэффициент неравномерности распределения напряжения, в расчетах принимается равным 1,1;
- кратность перенапряжений, принимаем равным 1,7…1,8 для тяговых преобразователей.
Получаем значение , округляем в большую сторону до целого числа, таким образом получаем
Для равномерного деления напряжения применяют активные () и емкостные (С) и смешанные (КС) цепи, включаемые параллельно СПП рис.4.
Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:
(4.8)
где: - число последовательных приборов;
- наибольшее допустимое мгновенное напряжение для одного СПП данного класса (повторяющееся напряжение), В;
- наибольшее мгновенное обратное напряжение на плече, В;
- наибольший повторяющийся импульсный обратный ток СПП, А.
Мощность резистора определяется по формуле:
(4.9)
где: - эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.
Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:
(4.10)
где: - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ.
Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности.
Одной из важнейших характеристик, определяющих работу выпрямителя, является его внешняя характеристика, которая представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока .
С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение уменьшается. Потери в преобразователе можно условно разделить на следующие основные составляющие:
· потеря напряжения на коммутации
· потеря напряжения на активных сопротивлениях (в обмотках трансформатора)
· потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах
Потеря напряжения на коммутацию:
(5.1)