ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Филиал УГНТУ в г. Салавате

 

Кафедра «Электрооборудование и автоматика

Промышленных предприятий»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ

ПОСОБИЕ

К выполнению курсового проекта по дисциплине

«Силовая электроника»

 

Направление подготовки: 140400 – «Электроэнергетика и электротехника»

 

Профили: «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» и «Менеджмент и маркетинг в электроэнергетике»

Уфа

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов направления подготовки 140400 – «Электроэнергетика и электротехника», профили «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», «Менеджмент в электроэнергетике и электротехнике».

Учебно-методическое пособие содержит требования к оформлению и содержанию курсового проекта, указания к выполнению разделов и примерные темы курсовых проектов.

 

 

Составители: Минлибаев М.Р., доцент, канд. физ-мат.наук

Хисматуллин А.С., ст.преп., канд. физ-мат.наук

 

 

Рецензенты: Захаров Н.М., зав каф. ОПНН, доцент, канд. техн. наук

Галиев А.Л., директор филиала ФГБОУ «УГАТУ»

в г. Стерлитамак, д.т.н., профессор

 

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА…..
1 ОПИСАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫИ ПРОЦЕССОВ ЕЕ РАБОТЫ………
2 РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ ВЫПРЯМИТЕЛЯ…………….
3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА………….
4 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЯ…………………………..
4.1 Внешние характеристики…………………………………………...
4.2 Регулировочные характеристики…………………………………...
4.3 Энергетические характеристики (коэффициенты мощности и полезного действия)……………………………………………………..
5 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВЕНТЕЛЕЙ В ПЛЕЧЕ ВЫПРЯМИТЕЛЯ…….
5.1 Общие положения…………………………………………………...
5.2 Расчёт количества последовательно включённых вентилей в плече мостового выпрямителя………………………………………….
5.3 Расчёт количества параллельно включённых вентилей в плече мостового выпрямителя…………………………………………………
6 РАСЧЕТ УСЛОВИЙ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕНТЕЛЕЙ ВЫПРЯМИТЕЛЯ……………….
7 РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОСТИ ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА……..
8 РАСЧЕТ УСЛОВИЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ ПРИ МАКСИМАЛЬНОМ ВЫБРАННОМ ЗНАЧЕНИИ УГЛА УПРАВЛЕНИЯ...
9 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫСИСТЕМЫУПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯ……………………….
10 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
ВОПРОСЫДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ И ЗАЩИТЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА…………………………………………………........
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

 

Преобразовательная техника относится к быстроразвивающейся области силовой электроники. Современные достижения в этой области оказывают большое влияние на технический прогресс в большинстве отраслей народного хозяйства. Эти достижения основываются на быстрых темпах развития современных силовых полупроводниковых приборов и микропроцессорной электронной техники их управления.

Одним из основных направлений использования силовой электроники стал электропривод. Для электропривода постоянного тока разработаны выпрямительные преобразовательные агрегаты, которые широко применяются в различных отраслях промышленности и транспорта.

Целью настоящего пособия является приобретение студентами навыков самостоятельного расчёта параметров однофазного выпрямителя и анализа электромагнитных процессов его работы.

Перед выполнением расчёта студент должен изучить соответствующие разделы теории выпрямителей по рекомендуемой литературе [1, 2].

В расчётной части проекта студент должен выполнить следующее:

1) выбор силовой схемы однофазного выпрямителя, её обоснование и
описание работы;

2) расчет процессов коммутации токов вентилей выпрямителя;

3) расчет основных параметров трансформатора;

4) расчет и построение характеристик выпрямителя;

5) расчет количества вентилей в плече выпрямителя;

6) расчет условий охлаждения и параметров радиатора (охладителя)
вентилей;

7) расчет индуктивности цепи выпрямленного тока;

8) расчет условий нормального функционирования выпрямителя при максимально выбранном значении угла управления

9) разработку функциональной схемы системы управления тиристорами
выпрямителя.

В графической части проекта студент должен изобразить силовую схему
выпрямителя и блочную функциональную схему его управления, а также временные диаграммы электромагнитных процессов работы выпрямителя и графики его
характеристик.

Для успешного выполнения курсового проекта, помимо рекомендуемой
литературы, в конце пособия приведены вопросы для подготовки к выполнению и защите проекта.

 

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

 

Самостоятельное выполнение курсового проекта является важным
этапом профессиональной подготовки специалиста по силовой электронике и
электроприводу.

Расчётно-пояснительная записка курсового проекта выполняется на листах формата А4 с полями: 30 мм - слева, 15 мм - справа, 20 мм - сверху и снизу.

Записка должна содержать подробный ход расчёта выпрямителя, обоснование выбранных и рассчитанных параметров, эскизы и свободные данные расчёта его элементов.

В каждом разделе проекта необходимо сделать запись исходных данных и привести формулы, которые должны быть обоснованы краткими комментариями.

При расчёте параметров выпрямителя подстановка численных значений в окончательную формулу является обязательной. После выполнения расчёта записывается ответ с указанием единицы измерения.

Точность расчёта будет считаться приемлемой, если число после запятой
будет содержать не менее двух значащих цифр.

В серии однотипных расчётов первый расчёт должен быть выполнен полностью, а результаты остальных надо свести в таблицу.

Однотипные расчёты большого объёма и построение графиков желательно
выполнять на компьютере с оформлением, соответствующим требованиям стандарта.

Графическая часть проекта должна быть выполнена на листах формата А4. А графики должны иметь координатную сетку с указанием соответствующих параметров и их размерностей. Деление на осях желательно выбирать из ряда 1·10ⁿ, 2·10ⁿ или 5·10ⁿ, где n - любое целое число.

Чертежи должны быть выполнены в соответствии с ГОСТ 2.423-68 «Правила выполнения электротехнических чертежей и радиотехнических изделий».

Титульный лист курсового проекта должен быть оформлен в соответствии с ГОСТ 2.105-95. Задание на курсовой проект вкладывается за титульным листом, а за ним - содержание проекта.

1 ОПИСАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫИ ПРОЦЕССОВ ЕЕ РАБОТЫ

 

В преобразовательной технике электропривода имеется несколько схем
однофазных выпрямителей, выполненных на силовых полупроводниковых приборах: однополупериодная, двухполупериодная с нулевой точкой, двухполупериодная мостовая схема. Все эти схемы могут быть выполнены на неуправляемых (диодах), на управляемых (тиристорах и транзисторах) и в комбинации управляемых и неуправляемых приборов (диоды, тиристоры, транзисторы).

Наиболее предпочтительной схемой однофазного выпрямителя является несимметричная мостовая схема управляемого выпрямителя, в которой два поперечных плеча моста выполнены на неуправляемых вентилях (диодах), а два других - на управляемых вентилях (тиристорах). Эта схема обладает также повышенным коэффициентом мощности, лучшей регулировочной характеристикой и более простой схемой управления тиристорами выпрямителя [1, 2].

На рис. 1.1 представлена силовая схема выпрямителя, а на рис. 1.2 -временная диаграмма процессов его работы.

 

Рис. 1.1. Силовая схема выпрямителя

 

Напряжение сети переменного тока подводится к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю. От выпрямителя питается двигатель постоянного тока Д, подключённый к его выходу через сглаживающий дроссель СД. Обмотки якоря Я и возбуждения ОВ двигателя включены между собой последовательно. Для устойчивой работы двигателя в режиме его коммутации параллельно обмотке возбуждения включено постоянное сопротивление шунтирующего резистора R_m. В данной схеме выпрямителя реализуется фазовый способ регулирования выпрямленного напряжения на двигателе за счёт изменения угла отпирания α тиристоров. Увеличивая или уменьшая угол a, можно уменьшать или увеличивать среднее значение U_d выпрямленного напряжениявыпрямителя. Наибольшее значениеU_d будет при и равное нулю – при

Рис. 1.2. Диаграмма процессов работы выпрямителя

 

Рассмотрим работу выпрямителя на интервале времени двух полупериодов напряжения сети (рис. 1.2). В первый полупериод напряжения сети, при котором эдс вторичной обмотки трансформатора имеет полярность, обозначенную на рис. 1.1 по направлению стрелкой «справа-налево», выпрямленный ток нагрузки i_d протекает через тиристор VS1 и диод VD2. Изменение полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора в момент на обратное (направление стрелки «слева-направо») приводит в начале второго полупериода к коммутации тока из диода VD2 в диод VD1. В результате ток через диод VD2 уменьшается от величины до нуля, а через диод VD1 увеличивается от нуля до величины .

В период сетевой коммутации (коммутация называется сетевой потому, что происходит в начале полупериодов при смене полярности напряжения сети) диодов VD1 и VD2 на протяжении длительности угла коммутации выпрямленное напряжение равно нулю, так как вторичная обмотка трансформатора находится в закороченном состоянии с помощью открытых диодов VD1 и VD2, которые создают равные потенциалы её обоих концов, т.е.

Одновременно в период коммутации возникает буферный контур разряда накопленной электромагнитной энергии в индуктивности цепи выпрямленного тока (сглаживающий дроссель СД и обмотки Я и ОВ двигателя постоянного тока Д). Ток разряда накопленной энергии протекает через ранее открытый тиристор VS1 и отпирающийся диод VD1 под действием эдс самоиндукции, возникающей в индуктивностях СД и Д. Этот разрядный ток используется в двигателе, так как увеличивает среднюю величину тока на интервале коммутации и уменьшает его пульсацию. Если бы этого буферного контура не было (в случае, когда вместо диодов VD1 и VD2 были бы тиристоры), то накопленная энергия в цепи выпрямленного тока разряжалась бы во вторичную обмотку трансформатора (т. е. в сеть) через работающие с предыдущего полупериода тиристоры. Такой режим работы увеличивает реактивную и уменьшает активную составляющие полной мощности, забираемой выпрямителем из сети для работы двигателя. В результате чего коэффициент мощности выпрямителя понижается.

После окончания коммутации напряжение продолжает быть равным нулю до момента полного открытия тиристора VS2 во втором полупериоде напряжения сети. Передача энергии от сети через трансформатор к двигателю возобновляется при открытии тиристора VS2 в момент, определяемый углом отпирания . В этот момент начинается вторая коммутация когда в тиристоре VS2 ток увеличивается от нуля до величины а в тиристоре VS1 ток уменьшается от величины до нуля. После завершения процесса второй коммутации ток в двигателе протекает через тиристор VS2 и диод VD1 под воздействием напряжения вторичной обмотки трансформатора.

В следующем (первом) полупериоде напряжения сети в выпрямителе начнут протекать процессы, аналогичные рассмотренным во втором полупериоде. Буферный контур разряда энергии цепи выпрямленного тока в первом полупериоде будет создаваться уже теперь через вентили VS2 и VD2.

2 РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ КОММУТАЦИИ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

В несимметричном выпрямителе происходит два процесса коммутации:

1) сетевая коммутация неуправляемых вентилей-диодов в начале каждого полупериода напряжения сети;

2) регулируемая (фазовая) коммутация управляемых вентилей-тиристоров в пределах каждого полупериода напряжения сети.

Сетевая коммутация происходит при смене полярности напряжения сети на интервале угла когда изменение полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора приводит к возможности открытия диодов VD1 и VD2 (в зависимости от номера полупериода) и закрытия соответственно VD2 или VD1. На интервале угла ток во вторичной обмотке трансформатора (этот ток является одновременно и током коммутации т.е ) уменьшается от величины до нуля вследствие запирания диода VD2 в одном полупериоде или диода VD1 в другом полупериоде.

Процесс уменьшения тока от до нуля во вторичной обмотке трансформатора не может происходить мгновенно, так как трансформатор обладает индуктивностью . Возникающая в его вторичной обмотке ЭДС самоиндукции задерживает процесс спадания тока на угол коммутации , величину которого можно определить из условия, что в интервале этой коммутации будет соблюдаться следующее равенство

Отсюда

,

Где - амплитудное значение эдс вторичной обмотки трансформатора, В;

- угловая частота, - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора.

Из выражения (2.1) можно вывести следующее уравнение

 

,

где - амплитудное значение тока вторичной обмотки трансформатора.

На интервале сетевой коммутации ток коммутации совпадает
(например, для первого полупериода (стрелка «справа-налево»)) с проводящим направлением тока вентиля VD1 и направлен встречно току i _d, проходящему через вентиль VD2, а в другом полупериоде вентили меняются местами. В общем виде выражения токов и в процессе коммутации можно записать как (нарастающий ток) и (спадающий ток). Сетевая коммутация заканчивается при уменьшении тока через вентиль VD2 до нуля, т. е. когда . Отсюда, подставляя уравнение (2.2) в выражение тока при условии получим

Это выражение позволяет получить следующую формулу

Индуктивное сопротивление трансформатора x _т определяем из опыта его короткого замыкания

Подставив выражение (2.4) в (2.3), получим

В интервале регулируемой коммутации от до управляемых вентилей-тиристоров напряжение вторичной обмотки трансформатора также равно нулю, как и во время сетевой коммутации диодов, так как обмотка замкнута накоротко тиристорами, находящимися в открытом состоянии во время этой коммутации, т. е. . Аналогично процессу сетевой коммутации получим выражение тока коммутации :

Регулируемая коммутация заканчивается при уменьшении тока через VS1 до нуля, т. е. когда . Следовательно,

Подставив в это выражение формулу (2.4), получим

При выражение (2.7) будет иметь вид

 

Подставляя заданные значения , , и принимая для номинального режима нагрузки, вычислим углы коммутации и

,

.

Выполним расчёт и построение кривых токов и протекающих через неуправляемые вентили VD1 и VD2 во время сетевой коммутации (угол ). Согласно выражению (2.2) для нарастающего тока через VD1 запишем

.

Тогда для спадающего тока через VD2 запишем

.

Подставляя в эти формулы значения и выражение (2.4), получим

,

.

Для построения кривых тока и необходимо задаться десятью значениями угла , где n = 0, 1, 2, …, 10 в диапазоне от до т. е. Результаты расчёта надо свести в табл. 2.1

Таблица 2.1

Токи диодов VD1 и VD2 во время сетевой коммутации

		0+	2	3	4	5	6	7	8	9	10

По данным табл. 2.1 необходимо построить временную диаграмму токов и (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Временная диаграмма токов диодов VD1 и VD2 во время сетевой коммутации

Расчёт и построение кривых токов и протекающих через управляемые вентили-тиристоры VS1 и VS2 во время регулируемой коммутации, выполним аналогично кривым токов и . Согласно выражению (2.6) в номинальном режиме при и с учётом (2.4) для нарастающего тока через VS2 запишем

Тогда для спадающего тока через VS1 запишем

Для построения кривых тока и необходимо задаться десятью
значениями угла , где n = 0, 1, 2, …, 10 в диапазоне от до т. е. Результаты расчёта надо свести в табл. 2.2

 

Таблица 2.2

Токи диодов VD1 и VD2 во время сетевой коммутации

 

		+	+2	+3	+4	+5	+6	+7	+8	+9	+

По данным табл. 2.2 необходимо построить временную диаграмму токов и (рис. 2.2).

Анализ кривых токов тиристоров VS1 и VS2 показывает, что коммутация токов этих тиристоров протекает практически прямолинейно (сравните с сетевой коммутацией диодов VD1 и VD2).

 

Рис. 2.2. Временная диаграмма токов тиристоров VS1 и VS2 во время регулируемой коммутации

 

3 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

 

К основным параметрам трансформатора относятся: коэффициент трансформации, действующие значения напряжения и тока первичной и вторичной обмоток трансформатора, а также типовая (расчётная) мощность трансформатора.

Коэффициент трансформации трансформатора определяется по следующим выражениям:

При расчёте к_т без большой доли ошибки можно принять, что эдс первичной обмотки трансформатора E ₁ равна напряжению питания сети , заданного в исходных данных, т.е. Следовательно, для расчёта к_т остаётся определить , которая лежит в основе расчёта среднего значения выпрямленного напряжения выпрямителя:

Величину определяем из условия работы выпрямителя в номинальном режиме, т.е. когда и . Величина известна из исходных данных задания.

На основе формул (2.8) и (3.1) получаем следующее выражение:

Отсюда

Таким образом, получаем . Так как , то . Расчёт действующих значений токов первичной и вторичной обмоток трансформатора выполняем по следующим выражениям:

и

Расчёт типовой мощности трансформатора в номинальном режиме выполняем по формуле

По величине типовой мощности можно выбрать соответствующий тип однофазного трансформатора.

 

4 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЯ

4.1 Внешние характеристики

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U _d от среднего значения тока нагрузки I _d при постоянном угле регулирования . Эту зависимость с учётом (2.8) и (3.1) выражают следующей формулой

В проекте необходимо построить четыре характеристики: при , и .

Выражение (4.1) представляет собой уравнение прямой линии, поэтому для построения каждой характеристики достаточно рассчитать две точки:

I _d=0 при (холостой ход) и I _d= I _dн (режим номинальной нагрузки). Результаты расчёта следует свести в табл. 4.1.

 

Таблица 4.1

Внешние характеристики выпрямителя

 

Угол Регулирования , рад	Выпрямленное напряжение Ud, В
при Id=0 (холостой ход)	при Id= Idн (режим номинальной нагрузки)
=0
=Y1
=

Внешние характеристики выпрямителя при разных значениях I _dн

приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1 Внешние характеристики выпрямителя при разных значениях угла

4.2 Регулировочные характеристики

Регулировочной характеристикой выпрямителя называется зависимость
среднего значения выходного (выпрямленного) напряжения от угла регулирования . Регулировочные характеристики могут рассчитываться для различных видов нагрузки (активная, активно-индуктивная, активно-емкостная).

Расчёт регулировочной характеристики производится по формуле (4.1) для двух значений тока нагрузки: I _d=0 (холостой ход) и I _d= I _dн (режим номинальной нагрузки). Значение для расчёта задается в диапазоне от О до через 0,523 рад (30°) для семи значений: 0; 0,523; 1,046; 1,569; 2,093; 2,616; 3,14. Результаты расчёта необходимо свести в табл. 4.2.

 

Таблица 4.2

Регулировочные характеристики выпрямителя

 

Угол регулирования , рад		0,523	1,046	1,569	2,093	2,616	3,14
U d,В	I d=0
I d= I dн

По данным табл. 4.2 строятся регулировочные характеристики выпрямителя, представленные на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Регулировочные характеристики выпрямителя

 

4.3 Энергетические характеристики (коэффициенты мощности и
полезного действия)

Коэффициент мощности выпрямителя ^к>* определяется как отношение активной мощности первичной обмотки трансформатора Р к её полной мощности К

.

Коэффициент K является одним из основных параметров выпрямителя, определяющим экономические показатели системы преобразования энергии переменного тока в постоянный.

При наличии синусоидальной формы питающего напряжения сети активная мощность

,

где - действующее значение первой гармонической составляющей тока первичной обмотки трансформатора; - действующее значение напряжения питания выпрямителя; - угол сдвига фаз между и .

Полная мощность первичной обмотки трансформатора

.

Отсюда будет равен

,

где - коэффициент искажения тока первичной обмотки трансформатора.

Угол сдвига фаз зависит от углов и

.

С учётом разложения кривой тока прямоугольной формы в ряд Фурье получим её выражение

.

Действующее значение тока прямоугольной формы

.

В результате получим выражение коэффициента искажения ток

.

Таким образом, коэффициент мощности будет равен

.

Значения для расчёта при полученных значениях и в номинальном режиме задаются в диапазоне от 0 до через 0,523 рад (30°) для семи значений: 0; 0,523; 1,046; 1,569; 2,093; 2,616; 3,14. Результаты расчётов необходимо свести в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Коэффициент мощности выпрямителя

рад		0,523	1,046	1,569	2,093	2,616	3,14

 

По данным табл. 4.3 строится кривая коэффициента мощности в зависимости от (рис. 4.3)

Рис. 4.3 Характеристика коэффициента мощности

 

Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется как отношение активной полезной мощности выпрямителя с учётом потерь мощности в вентилях к активной полезной мощности выпрямителя без учёта потерь мощности на вентилях выпрямителя.

Так как ток нагрузки протекает в каждый полупериод напряжения через одно тиристорное и одно диодное плечо моста, то выходное напряжение выпрямителя будет меньше рассчитанного напряжения выпрямителя по формуле (4.7) на сумму падений напряжения на этих плечах. В результате

где - сумма падений напряжения на вентилях (диодах и тиристорах) выпрямителя. Падение напряжения в среднем на силовом диоде , а на силовом тиристоре . Общая сумма падений напряжения на вентилях выпрямителя рассчитывается для двух п