РАСЧЕТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Выбор типа преобразователя должен определяться прежде всего параметрами питающей сети (номинальное напряжение и число фаз сети, наличие нулевого провода), нагрузки (номинальные напряжение и ток) и диапазоном регулирования, исходя из которого следует рассмотреть возможность применения несимметричной схемы выпрямления (т.е. в одну группу включаются тиристоры, а в другую – диоды). При этом необходимо исходить из условия получения минимальных габаритов и массы САР (трансформаторный или бестрансформаторный вариант, наличие сглаживающего дросселя в цепи якоря двигателя и токоограничивающих реакторов в цепи переменного тока для защиты тиристоров и диодов от токов короткого замыкания) с обеспечением допустимых пульсаций выпрямленного напряжения в цепи якоря двигателя во всем диапазоне регулирования и токоограничения в цепи перменного тока при коротких замыканиях.
При предварительном выборе схемы необходимо учитывать колебания напряжения питающей сети в пределах . После предварительного выбора схемы САР необходимо привести ее структурную схему, где элементы силовой схемы, задатчика, датчиков обратных связей должны изображаться в виде условных графических обозначений, а узлы сравнения, блоки схемы управления – в виде окружностей и прямоугольников. При этом необходимо указать по какому принципу должна строиться схема управления (вертикальному, горизонтальному, цифровому) и кратко описать назначение каждого блока схемы управления.
Выбор тиристоров
При выборе диодов и тиристоров необходимо учитывать режимы охлаждения и типы охладителей, форму и длительность протекающего тока, определяемую схемой выпрямления. В однофазных и трехфазных схемах выпрямления длительность протекающего тока составляет соответственно 180 и 120 электрических градусов, а в виду значительной индуктивности в цепи выпрямленного тока форму тока можно принимать прямоугольной. В информационных материалах приводятся параметры вентилей с типовыми охладителями для двух режимов охлаждения: естественного и принудительного. В свою очередь принудительное охлаждение может быть воздушным и водяным, для которых приводится общее установившееся тепловое сопротивление Rт , с/Вт при скорости охлаждающего воздуха 3,6 и 12 м/с или соответственно расходе воды 1, 2, 3 л/мин. Не рекомендуется применять в САР общего назначения вентили с водяным охлаждением. Не всегда следует применять и принудительное воздушное охлаждение, так как для обеспечения оптимального обдува вентилей необходимы специальная конструкция шкафа, обеспечивающая формирование потока охлаждающего воздуха, и вентиляторы, что в ряде случаев приводит к увеличению массо-габаритных показателей преобразователя.
В зависимости от формы и длительности протекающего через вентиль тока и температуры охлаждающей среды максимально-допустимый средний ток изменяется не однозначно. Поэтому эти зависимости в виде графиков приводятся в информационных материалах. При нормальных условиях эксплуатации температуру охлаждающей среды следует брать до 400С с естественным охлаждением, т.к. температура в ограниченном объеме шкафа может существенно отличаться от температуры окружающей среды.
Зависимости для различных углов проводимости и формы токов даны при предельных условиях охлаждения, т.е. при или . В то же время зависимость дана для синусоидальной формы и углов проводимости 1800С при температуре охлаждающей среды не превышающей 400С. Поэтому непосредственно из указанных графиков нельзя получить для других условий охлаждения и параметров протекающего тока.
Практика расчетов показывает, что при работе вентилей в наиболее распространенных схемах выпрямления с небольшими углами регулирования и с перегрузками, не превышающими , можно исходить из среднего значения температуры и усредненной мощности потерь. При этом действительная температура структуры превышает на 5-70С среднюю. Предельный ток
, (2.1)
где – пороговое напряжение, В;
– коэффициент формы тока (таблица 2.1);
– динамическое сопротивление, Ом;
– мощность потерь, Вт;
– максимально допустимая температура структуры, ;
– температура охлаждающей среды, ;
– общее установившееся тепловое сопротивление (совместно с
охладителем), /Вт.
Полученное по уравнению (2.1) численное значение для выбранного вентиля должно превышать величину среднего значения тока, протекающего через вентиль проектируемого преобразователя. В этом случае при протекании через тиристоры реального тока температурные показатели р-п-структуры и корпуса не будут превышать заданных.
Коэффициент формы тока Kф выбирается из таблицы 2.1 в зависимости от угла проводимости и формы тока.
Таблица 2.1
1,57 1,87 2,22 2,77 3,99 | 3,14 4,19 6,28 10,7 23,3 | 1,41 1,73 2,0 2,45 3,46 |
После расчета трансформатора определяется требуемый класс вентилей по повторяющемуся напряжению. Маркировка выбранного вентиля записывается полностью, т.е. помимо предельного тока и класса необходимо указать группы по , и . следует определять для углов управления, при которых данный параметр имеет наибольшее значение, а – в период коммутации при максимальных углах управления и номинальном токе нагрузки, когда имеет максимальное значение.
Расчет трансформатора
При трансформаторном варианте необходимо определить установленную мощность трансформатора , номинальные значения действующих напряжений и токов первичной , и вторичной , обмоток трансформатора и коэффициент трансформации
Установленная мощность трансформатора
, (2.2)
где – мощность первичной обмотки трансформатора, выраженная через мощность переменного и постоянного тока;
– мощность вторичной обмотки трансформатора, выраженная через мощность переменного и постоянного тока;
m – число фаз трансформатора;
, – действующие значения токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора;
, – действующие значения напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора;
, – коэффициенты превышения установленной мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора относительно мощности постоянного тока;
– мощность нагрузки выпрямленного тока.
Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора должно соответствовать напряжению сети, указанному в задании.
Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора определяется из выражения:
, (2.3)
где – коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения питающей сети (при снижении напряжения сети на 10% );
– коэффициент, учитывающий запас по углу управления в реверсивном электроприводе при согласованном управлении. В нереверсивном электроприводе данный запас необходим для устойчивого включения тиристоров в случае искажения напряжения сети;
– коэффициент преобразования преобразователя;
– выпрямленное напряжение преобразователя при углах управления , определяемое из уравнения (2.5).
Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора
и , , (2.4)
где – произведение коэффициента трансформации на отношение действующего значения тока первичной обмотки трансформатора к выпрямленному;
– отношение действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора к выпрямленному.
Каждая схема выпрямления характеризуется соответствующими численными значениями коэффициентов в и с / 10 /.
определяется из уравнения внешней характеристики:
, (2.5)
где – номинальное напряжение выпрямителя, равное ;
– номинальный ток выпрямителя, равный ;
– число коммутации вентилей за период (2, 4, 3, 6 соответственно в однофазной двухполупериодной и мостовой, трехфазной с нулевым выводом и мостовой схемах выпрямления);
– реактивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;
– активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;
– коэффициент, равный I, для однофазной двухполупериодной, мостовой и трехфазной с нулевым выводом и, равный 2, для трехфазной мостовой схем выпрямления;
– число пульсаций выпрямленного напряжения (2, 3, 6);
– угол коммутации, определяемый из уравнения коммутации:
.
При определении вместо , которое еще неизвестно, следует подставлять соотношение (2.7);
– коэффициент, равный I, в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления; 2 – в однофазной мостовой, в трехфазной с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемах выпрямления;
– действующее значение вторичного фазного напряжения трансформатора в однофазных схемах выпрямления и действующее значение вторичного линейного напряжения трансформатора в трехфазных схемах выпрямления ;
– угол управления, соотвествтующий номинальному напряжению выпрямителя (двигателя) и определяемый для номинального напряжения сети ;
n – количество последовательно включенных вентилей в контуре постоянного тока преобразователя;
– прямое падение напряжения в вентиле, определяемое для номинального тока по выражению ;
– активные сопротивления якоря двигателя и сглаживающего дросселя.
Так как на предварительном этапе расчета сглаживающий дроссель еще не выбран, то его активное сопротивление можно приближенно брать равным . Выражение в квадратных скобках уравнения (2.5) представляет эквивалентное активное сопротивление преобразователя
Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к цепи постоянного тока,
, (2.6)
где f – число фаз в контуре постоянного тока (в межкоммутационный период), равное I, в однофазных и трехфазной с нулевым выводом схемах выпрямления и 2 в трехфазной мостовой;
– потери в меди трансформатора;
– расчетная мощность трансформатора, Вт.
Так как неизвестно, то его определяют из первого соотношения (2.4) и подставляют в (2.6), где сокращается.
Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к цепи постоянного тока,
, (2.7)
где – напряжение короткого замыкания трансформаторов, применяемых в схемах питания тиристорных преобразователей.
Если значение активного сопротивления якоря двигателя не приведено в справочнике, то его можно приближенно определить:
,
где – к.п.д. двигателя.
Выбор сглаживающего дросселя
При питании электродвигателя от вентильного преобразователя наличие пульсаций в выпрямленном токе приводит к дополнительному нагреву двигателя и ухудшению коммутации (к искровой коммутации на коллекторе).
Приведенная ниже таблица 2.2. иллюстрирует величину дополнительных потерь в двигателе при различной кратности пульсаций и глубине регулирования в % от потерь при работе без пульсаций.
Таблица 2.2
Кратность пульсаций выпрямленного напряжения | Относительная частота вращения двигателя в % от номинальной | ||||
2,5 | |||||
Дополнительные потери двигателей в % от потерь при токе без пульсаций | |||||
40-60 20-40 10-20 | 60-80 40-60 20-40 10-20 | 70-90 50-70 30-50 15-30 | 80-100 60-80 40-60 20-40 | ||
Для уменьшения потерь в двигателе желательно не допускать работы выпрямителя в области прерывистых токов значительно уменьшается жесткость механической характеристики привода, возрастает его электромеханическая постоянная времени и ухудшаются динамические свойства.
Для снижения амплитуды пульсаций выпрямленного тока и уменьшения зоны прерывистых токов необходимо по возможности увеличивать число фаз выпрямителя и дополнительно устанавливать в цепи якоря сглаживающий дроссель. Величина пульсаций тока якоря крупных двигателей не должна превышать примерно 2%, если исходить из сужения зоны безыскровой коммутации не более, чем на 10% (по сравнению с питанием идеально сглаженным током). Расчет сглаживающего дросселя приводится из условия ограничения пульсаций тока в цепи якоря двигателя , записанного в относительных единицах:
, (2.8)
где – амплитуда гармонической составляющей выпрямленного тока;
– относительная амплитуда гармонической составляющей выпрямленного напряжения, рис. 2.1.
определяется по , найденного при расчете трансформатора.
Обычно расчет ведут по основной гармонической составляющей n. Гармонический ряд выпрямленного напряжения относительно частоты питающей сети определяется из выражения , где – натуральный ряд чисел 0, 1, 2 …;
– число пульсаций выпрямленного напряжения (1, 2, 3, 6).
Тогда из (2.8):
(2.9)
выбирают из рис. 2.1 для принятой схемы выпрямления и номинального угла управления , соответствующего номинальной угловой скорости двигателя. – из условия ограничения пульсаций тока на уровне 2%. , – частота пульсаций выпрямленного тока (первой гармоники).
Кривые рис. 2.1 построены по уравнению
Если индуктивность якоря двигателя не дана, то ее можно определить из соотношения
, (2.10)
где – коэффициент, зависящий от конструкции машины (без компенсационной обмотки K1=0,5 … 0,6, с компенсационной обмоткой K1=0,1-0,25. Для крупных машин следует принимать K1=0,1);
р – число пар полюсов;
– индуктивность трансформатора, приведенная к цепи постоянного тока (, так как x s определено для ).
По найденной индуктивности и номинальному току нагрузки следует подобрать подходящий типовой реактор.