Тип выпрямителя

Пульсность m

Минимальное число вентилей

Однофазный нулевой

2

2

0,67

0,50

3,14

1,34

Однофазный мостовой

2

4

0,67

0,50

1,57

1,11

Трёхфазный нулевой

3

3

0,25

0,33

2,09

1,34

Трёхфазный мостовой (схема Ларионова)

6

6

0,06

0,33

1,05

1,05

Двойной трёхфазный с уравнительным реактором

6

6

0,06

0,17

2,09

1,26

Ud0

Параметры преобразователя

Id0

Ed B

E2mf B

Xg мОм

gnom рад

gnom град

Idkz кA

I21 A

I2f1 A

I2f A

Ktr

0,45

0,756

435,6

263,3

1990

1,076

61,6

0,132

0,563

Ud0 B

Параметры преобразователя

I1f A

S кBт

f рад

f град

Р кВт

К

Iа A

Uaon B

Uaof B

Uarm B

0,45

63,1

41,5

1,081

61,93

19,6

0,472

91,04

211,21

456,1

-456,1

0,50

57,32

37,73

1,025

58,74

0,519

91,9

190,09

407,8

-410,5

0,55

52,61

34,63

0,968

55,48

0,566

92,78

172,81

364,6

-373,18

0,60

48,68

32,04

0,909

55,11

0,612

93,67

158,41

324,8

-342,8

0,65

45,38

29,86

0,848

48,59

0,656

94,58

146,22

287,5

-315,8

0,70

42,56

28,01

0,783

44,88

0,7

95,52

135,78

251,6

-293,2

0,75

40,14

26,42

0,714

40,92

0,742

Выбрано относительное напряжение Ud0=0,65 как оптимальное.

2.26. В качестве силовых полупроводниковых приборов выбираем унифицированные низкочастотные тиристоры типа ТБ –113-200 [3]. Которые применяют в цепях постоянного и переменного токов преобразователей энергии. А также в различных силовых электроустановках. Тиристоры обладают параметрами, представленными в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Сравнение полученных параметров с параметрами тиристора ТБ-113-200

Ввиду отсутствия стандартных охладителей при монтаже тиристоров будут учитываться конструктивные особенности устройства в целом. Надёжный электрический и тепловой контакты обеспечиваются за счёт приложения осевого усилия сжатия 10000±1000 Н. При этом охладитель и система прижима должны обеспечивать равномерное давление по всей площади контактных поверхностей тиристоров. Для улучшения контактного соединения тиристоров с охлаждающим элементом используется смазка типа КПТ-8 по ГОСТ 19783-74.

3. Расчёт семейства внешних характеристик.

3.1 Внешние характеристики режима 2-3

Зависимость Ud=f(Id) для режима 2-3 прямые линии, которые строятся по двум точкам. Для первой точки каждой характеристики принято Id=0. Напряжение

U_d01 =Ed*cos(a) (3.1)

Расчет проведен для ряда значений a. Результаты занесены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Внешние характеристики режима 2-3

Для второй точки каждой характеристики принято

I_d=I_kz*0,2=48,86 (3.2)

(3.3)

3.2 Внешние характеристики режима 3.

Для a=0 граничной между режимами 2-3 и 3 является точка А, для которой

Для a=30° границей для режимов 3 и 3-4 является точка В, для которой

Промежуточные точки участка А-В внешней характеристики соответствующей режиму

Угол a для режима 3 является вынужденным и изменяется от 0 до 30°, угол коммутации g остается постоянным и равным 60°. Граница между режимами 2-3 и 3-4 для токов Id>IdgrB описывается тем же уравнением, что и участок А-В. Максимальное значение тока при Ud=0

Результаты расчета сведены в табл.3.2

Таблица 3.2.

Внешняя характеристика режима 3 и граница между режимами 2-3 и 3-4.

3.3 Внешняя характеристика режима 3-4

Внешняя характеристика для a=30° строится по двум точкам: точке В и точке на оси I_d=244,1 A.

Внешняя характеристика для a=45° также строится по двум точкам:

Для первой точки ток

Напряжение находится по уравнению для режима 3. Ud=56,5.

Вторая точка находится на оси Id

Внешние характеристики показаны на рис. 3.1.

Семейство внешних характеристик трехфазного мостового выпрямителя в диапазоне от холостого хода до короткого замыкания.

А(106,226), В(183,130), С(100,190)

Рис 3.1

4. Расчет высших гармонических кривой выпрямленного напряжения

4.1 Действующее значение n-ой гармоники выпрямленного напряжения.

(4.1)

где: (4.2,4.3)

n=6k, k=1,2,3,4,5,6

Результаты расчета занесены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

Действующие значения n-ых гармоник выпрямленного напряжения

4.2 Действующее значение первой гармоники анодного напряжения при f(1)=fc=50Гц:

(4.4)

Получено: Ua1=93,978.

4.3 Действующее значение высших гармоник анодного напряжения с порядковыми номерами n=6k±1, k=0...9:

(4.5)

где: (4.6,4.7)

Результаты расчета занесены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2.

Действующие значения высших гармоник анодного напряжения с номерами 6k±1

4.4 Действующее значение высших гармоник анодного напряжения с порядковыми номерами n=3k, k=0...4:

где:

(4.8,4.9)

Результаты расчета занесены в таблицу 4.3

Таблица 4.3

Действующие значения высших гармоник анодного напряжения с номерами 3k

5. Расчет сглаживающего фильтра. Выбор конденсаторов. Расчет сглаживающего дросселя

В качестве сглаживающего фильтра выбрана схема Г - образного звена с дросселем и конденсатором. Расчет проведен для шестой гармоники.

5.1 Индуктивность фильтра

(5.1)

где f=50 Гц - частота питающего напряжения;

Получено: L =33,04 мкГн.

2. Коэффициент фильтрации:

(5.2)

Получено Kf=8,191.

5.3 Ёмкость фильтрующего конденсатора:

(5.3)

Получено C=0,061 Ф.

Выбор индуктивности и емкости фильтра.

Примем емкость 1 мФ, тогда индуктивность фильтра

Гн (5.4)

5.4 Амплитуда основной гармоники тока

(5.5)

5.5 Выбор типа конденсатора

Выбираем [5] конденсатор типа К50 – 17 –400 В –1000 мкФ с диапазоном рабочих температур –40⁰С до +70⁰С: оксидный алюминиевый с фольгированными обкладками. Эти конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока. Наибольшая допустимая амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения U_{д m} = 20 В для C_ном = 1000 мкФ, U_ном = 400 В, f_C = 50 Гц. При увеличении частоты уменьшается U_{д m}.

5.6 Расчёт сглаживающего дросселя

Принято допущение, что магнитное сопротивление зазора во много раз больше магнитного сопротивления магнитопровода. Следовательно, индуктивность дросселя будет зависеть только от магнитной проводимости зазора.

5.6.1 Выбираем для дросселя водяное охлаждение, так как Id=100А.

5.6.2 В качестве материала сердечника дросселя выбрана насыщенная горячекатаная сталь (m`=600). Заданы начальные условия: k1=4, k2=10, плотность тока jd=10*10⁶ A/м², km=0.25, число витков w=60, удельное сопротивление провода обмотки r40=1.9*10^-8 Îì*ì. При расчёте использован метод последовательных приближений.

5.6.3 Длина немагнитного зазора:

(5.6)

Получено: lz=4,37 мм.

5.6.4 Площадь поперечного сечения зазора:

(5.7)

Получено: Sz=2872 мм².

5.6.5 Геометрические размеры магнитопровода дросселя:

(5.8,5.9)

Получено a=19 мм; b=75 мм; c=38 мм; q=10 мм².

5.6.6 Средняя длина витка обмотки:

(5.10)

Получено: lcp= 134 мм.

5.6.7 Активное сопротивление обмотки:

(5.11)

Получено: R=8,92 м Ом.

5.6.8 Падение постоянной составляющей напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя:

U_ad=2*Id*R (5.12)

Получено: U_ad=1,783 В.

5.6.9 Потери в меди дросселя

Pdr=Id²*R (5.13)

Получено: Pdr=0,4 кВт.

5.7 Тепловой расчёт сглаживающего дросселя

5.7.1 Расход охлаждающей воды

(5.14)

где Т1=20 ^оС - температура воды на входе в обмотку;

Т2=50 ^оС - температура воды на выходе из обмотки;

Получено: Q=3,2*10^-6 м³/⁰с.

5.7.2 Необходимая площадь сечения охлаждающей трубки:

(5.15)

где V=2 м/с - скорость подаваемой в трубку воды.

Получили S=0,016 см².

Выбрана прямоугольная трубка сечением 0.25х0.25 см².

5.7.3 Проверка на турбулентность согласно критерию Рейнднольца:

(5.16)

где m`=0.661*10^-6 м²/с - кинематическая вязкость воды;

D0 - гидравлический эквивалент диаметра

(5.17)

Получено: D0=5,33 мм, Rl=1,616*10⁴ > 2300;

4. Перепад давления по длине трубки

(5.17,5.18)

где К=3 – коэффициент шероховатости;

Получено: l1=0.073.

(5.19)

С учетом уменьшения сечения трубы в местах стыков, пайки и.т.д. Dp увеличено в 1,5 раза.

Получено: Dp=1695 кН/м²

6. Электромагнитный расчет трансформатора

Трансформаторы для преобразовательных установок, как правило, работают в длительных режимах. В связи с этим для них необходимо тщательно выбирать конструктивные и технологические решения для создания магнитопроводов с минимальными потерями. В большинстве случаев трехфазные магнитопроводы трансформаторов выполняют стержневой конструкции, несимметричными, плоско шихтованными. Для питания аппаратуры от сети 50 Гц широко применяются трансформаторы броневого и стержневого типа. По технико-экономическим показателям предпочтительны трансформаторы стержневого типа, выполненные на стандартных магнитопроводах оптимальной формы. Броневая конструкция практически равноценна стержневой по массе, но уступает по объему и стоимости. При расчёте трансформатора используется методика из [6].

6.1 Действующее значение линейного тока вентильной обмотки:

(6.1)

где I_d = 100 А – ток нагрузки.

6.2 Действующие значения фазных напряжений холостого хода вентильной и сетевой обмоток U_2ф и U_1ф соответственно:

(6.2)

(6.3)

где E_d = 301,538 B - выпрямленное напряжение холостого хода выпрямителя; U_{пит.лин.} = 380 В - напряжение питания.

6.3 Коэффициент трансформации:

(6.4).

6.4 Действующее значение линейного тока сетевой обмотки:

(6.5).

6.5 В большинстве случаев трехфазные магнитопроводы трансформаторов выполняют стержневой конструкции, несимметричными, плоскошихтованными. Выбираем диаметр стержня магнитопровода трансформатора с воздушным охлаждением для S_Т = 30 кВ×А [6, таб.3.2], D_с = 125 мм. Для D_с = 120 мм, согласно [6, таб.2.1], сечение стержня П₁=112,3 cм², сечение ярма П₂ = 115,3 см², коэффициент использования площади круга k_и = 0,914.

6.6 Активное сечение стержня магнитопровода:

м² (6.7)

где К_З = 0,96 – коэффициент заполнения сечения сталью при жаростойком электроизоляционном покрытии с толщиной листов, равной 0,3 мм.

6.7 Число витков вторичной (вентильной) обмотки трансформатора:

витков (6.8)

где В = 1,2 Тл – электромагнитная индукция в трансформаторе с естественным воздушным охлаждением с классом нагревостойкости изоляции В; f_C = 50 Гц – частота питающей сети; q_С = 0,01 м² - активное сечение стержня магнитопровода.

6.8 Число витков первичной обмотки:

w₁ = n × w₂ = 1,7 × 48 = 81,72 » 82 витка (6.9)

6.10 Сечение провода первичной обмотки:

мм² (6.10)

где j =2 А/мм² – плотность тока в обмотках с классом нагревостойкости изоляции В для медного провода.

6.11 Сечение провода вторичной обмотки:

мм² (6.11)

7. Выбор устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений

Для обеспечения надежной работы преобразователя необходимо использовать быстродействующие системы защиты. Защита может быть построена на базе коммутационных аппаратов и плавких предохранителей, а также выравнивающих RCD – цепочек.

7.1 Выбор автоматического выключателя

При возникновении аварийного тока на входе преобразователя можно использовать токоограничивающие выключатели переменного тока. В рассчитываемом преобразователе на стороне сетевой обмотки применяем автоматический выключатель переменного тока серии А3712Б, характеристики которого, согласно [7] приведены в таблице 6.1.

Таблица 7.1

Справочные данные автоматического выключателя переменного тока серии А3722Б.

Автоматический выключатель серии А3712Б применяется для защиты электрических установок при коротких замыканиях, перегрузках и недопустимых снижениях напряжения; род тока – переменный; тип выключателя – токоограничивающий трехполюсный.

7.2 Выбор плавких предохранителей

Защита на базе плавких предохранителей применяется для предотвращения протекания токов КЗ через тиристоры. Выбираем предохранитель ПП57-3417 для защиты тиристоров: номинальный ток плавкой вставки I_ном=150 А при U_ном=380 В; при этом номинальные потери мощности плавкой вставки W_ном = 60 Вт.

Для защиты нагрузки выбираем предохранитель ПП57-3737: номинальный ток плавкой вставки I_ном=250 А при U_ном=380 В; при этом номинальные потери мощности плавкой вставки W_ном = 120 Вт.

7.3 Расчет параметров выравнивающих RCD - цепочек

Конденсаторы эффективно выравнивают напряжения на тиристорах в переходных режимах, но вместе с тем увеличивают ток в открытом состоянии на интервале отпирания. Эти токи можно ограничить демпфирующими резисторами, включенными последовательно с конденсаторами, сопротивление которых выбирается порядка нескольких десятков Ом. Для ограничения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, при которой может самопроизвольно включиться тиристор, параллельно демпфирующим резисторам включаются диоды, которые должны иметь как можно меньшее время восстановления запирающих свойств в обратном направлении.

Сопротивление демпфирующего резистора принимаем равным 20 Ом. Выбираем резистор: С1 - 8 - 1 - 20 - ±5%.

Емкость конденсаторов:

, (7.3)

где DQ_rr - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, принимаем равной половине заряда восстановления применяемых тиристоров :

DQ_rr= 700 мкКл = 350 мкКл.

Параметры U_RSM , U_RM, DQ_rr, I_RM взяты из справочника [ 3 ] для тиристора типа ТБ113 - 200.

Принимаем: С=0,47 мкФ

Выбираем: К40У-9 – 400 В - 0,47 мкФ - ±20%.

Выбираем диод по напряжению и току : КД105 Б.

8. Описание работы схемы управления

Для коммутации тиристоров в преобразователе используется система управления, которая может быть одноканальной (в которой все тиристоры управляются одноканальным сигналом со сдвигом на 60 градусов), так и многоканальной - с раздельно управляемыми тиристорами. Рассматривается работа вертикальной синхронной системы управления со стабилизацией напряжения (рис.8.1 , рис. 8.2).

Напряжение с нагрузки U_d через датчик Д поступает на элемент сравнения. Также на вход элемента сравнения подаётся напряжение U_з с задатчика интенсивности ЗИ. Разница напряжений (U_з-U_ос) поступает на усилитель У и усиленное напряжение управления U_у идёт на компаратор К. На другой вход компаратора подаётся опорное напряжение U_оп с генератора пилообразного напряжения ГПН, управляемого устройством синхронизации УС, подключенного к линиям сетевого напряжения U_с. Пока опорное напряжение больше напряжения управления на выходе компаратора присутствует отрицательное выходное напряжение U_вых^-. По достижению равенства входных напряжений компаратора он опрокидывается и на формирователе импульсов Ф оказывается положительное напряжение U_вых⁺.

Этот перепад вызывает появление короткого управляющего импульса напряжения на выходе формирователя импульсов Ф, в дальнейшем усиливаемого усилителем импульсов УИ и подаваемого на систему распределения управляющих импульсов для тиристоров. В случае повышения выходного напряжения U_d управляющее напряжение U_у­ становится меньше, что вызывает увеличение угла управления a_ном на величину Da. Следовательно, произойдёт более позднее открывание тиристоров и снижение напряжения на нагрузке до номинального. Если возникает необходимость изменения выходного напряжения, это можно сделать путём изменения напряжения задатчика интенсивности U_з.

Временные диаграммы схемы управления.

Рис.8.1

Структурная схема системы управления.

Рис.8.2.

Заключение

В результате проведённого расчёта, разработан статический преобразователь средней мощности. Содержащий понижающий трёхфазный трансформатор типовой мощностью 30 кВт, тиристоры типа Т113-200. Для снижения пульсаций выходного напряжения до требуемого уровня применён Г - образный фильтр, содержащий батарею, состоящую из десяти конденсаторов типа К50-18-1000 мкФ-50В-20%+50%, и дроссель с системой водяного охлаждения, числом витков равным 30 и величиной потерь в меди порядка 0,4 кВт. Для защиты сетевой обмотки понижающего трансформатора в случае возникновения аварийного тока выбран автоматический выключатель переменного тока серии А3716Б. В анодной цепи каждого тиристора для предотвращения протекания токов короткого замыкания установлены плавкие предохранители типа ПП57-3937, в цепи нагрузки - предохранитель типа ПП57-4038.

Список литературы

1. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко. – Киев: Техника, 1978. 430 с.

2. Тугов Н.М. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576 с.

3. Замятин В.Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987. 576 с.

4. Бар В.И. Проектирование ведомых сетью статических преобразователей средней и большой мощности: Учебное пособие. - Тольятти: ТолПИ, 1994.

5. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / Под ред. Г.С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат, 1987. 656 с.

6. Фишлер Я.Л. и др. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1989. 320 с.

7. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник/ Под ред. В.М. Перельмутера. – М.: Энергоатомиздат, 1988. 319 с.

8. Разработка тиристорного ключа: Методические указания к курсовой работе / Чернявский Н.И. - Тольятти: ТолПИ, 1995.

9. Намитоков К.К., Ильина Н.А., Шкловский И.Г. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств. – М.: Энергоатомиздат, 1988. 980 с.