Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности.

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.

 

1. 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

U_1ф

I₁

S₁

 

 

ТП

U_2ф

I₂

 

К1

VS4 VS1

 

К2 VS6 VS3

UZ

VS2 VS5 Id

- +

I_G

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).

 

 

 

е_а е_b е_c

 

L_а L_b L_c

 

 

R_а R_b R_c

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)

Поделиться: