Статичний перетворювач середньої потужності

Ud0 B

Параметри перетворювача

I1f A

S до B т

f радий

f град

Р кВт

До

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

Обрано відносне напруга Ud 0 = 0,65 як оптимальне.

2.26. В якості силових напівпровідникових приладів вибираємо уніфіковані низькочастотні тиристори типу ТБ -113-200 [3]. Які застосовують в ланцюгах постійного і змінного струмів перетворювачів енергії. А також в різних силових електроустановках. Тиристори володіють параметрами, представленими в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2.

Порівняння отриманих параметрів з параметрами тиристора ТБ-113-200

Зважаючи на відсутність стандартних охолоджувачів при монтажі тиристорів будуть враховуватися конструктивні особливості пристрою в цілому. Надійний електричний і теплової контакти забезпечуються за рахунок додатку осьового зусилля стиснення 10000 ± 1000 Н. При цьому охолоджувач і система притиску повинні забезпечувати рівномірний тиск по всій площі контактних поверхонь тиристорів. Для поліпшення контактного з'єднання тиристорів з охолоджуючим елементом використовуються мастила типу КПТ-8 по ГОСТ 19783-74.

3. Розрахунок сімейства зовнішніх характеристик.

3.1 Зовнішні характеристики режиму 2-3

Залежність Ud = f (Id) для режиму 2-3 прямі лінії, які будуються по двох точках. Для першої точки кожної характеристики прийнято Id = 0. Напруга

U _{d 01} = Ed * cos (a) (3.1)

Розрахунок проведено для ряду значень a. Результати занесені до табл. 3.1.

Таблиця 3.1.

Зовнішні характеристики режиму 2-3

Для другої точки кожної характеристики прийнято

I _d = I _kz * 0,2 = 48,86 (3.2)

(3.3)

3.2 Зовнішні характеристики режиму 3.

Для a = 0 граничної між режимами 2-3 і 3 є точка А, для якої

Для a = 30 ° кордоном для Mode 3 і 3-4 є точка В, для якої

Проміжні точки ділянки А-В зовнішньої характеристики відповідної режиму

Кут a для режиму 3 є вимушеним і змінюється від 0 до 30 °, кут комутації g залишається постійним і рівним 60 °. Кордон між режимами 2-3 і 3-4 для струмів Id> IdgrB описується тим же рівнянням, що й ділянка А-В. Максимальне значення струму при Ud = 0

Результати розрахунку зведені в табл.3.2

Таблиця 3.2.

Зовнішня характеристика режиму 3 та межа між режимами 2-3 і 3-4.

3 .3 Зовнішня характеристика режиму 3-4

Зовнішня характеристика для a = 30 ° будується по двох точках: точці В і точці на осі I _d = 244,1 A.

Зовнішня характеристика для a = 45 ° також будується за двома точками:

Для першої точки струм

Напруга знаходиться по рівнянню для режиму 3. Ud = 56,5.

Друга точка знаходиться на осі Id

Зовнішні характеристики показані на рис. 3.1.

Сімейство зовнішніх характеристик трифазного мостового випрямляча в діапазоні від холостого ходу до короткого замикання.

А (106,226), В (183,130), С (100,190)

Рис 3.1

4. Розрахунок вищих гармонійних кривої випрямленої напруги

4.1 Чинне значення n-ої гармоніки випрямленої напруги.

(4.1)

де: (4.2,4.3)

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

Результати розрахунку занесені в таблицю 4.1.

Таблиця 4.1.

Діючі значення n-их гармонік випрямленої напруги

4.2 Чинне значення першої гармоніки анодної напруги при f (1) = fc = 50Гц:

(4.4)

Отримано: Ua 1 = 93,978.

4.3 Чинне значення вищих гармонік анодної напруги з порядковими номерами n = 6 k ± 1, k = 0 ... 9:

(4.5)

де: (4.6,4.7)

Результати розрахунку занесені в таблицю 4.2.

Таблиця 4.2.

Діючі значення вищих гармонік анодної напруги з номерами 6 k ± 1

4.4 Чинне значення вищих гармонік анодної напруги з порядковими номерами n = 3 k, k = 0 ... 4:

де:

(4.8,4.9)

Результати розрахунку занесені в таблицю 4.3

Таблиця 4.3

Діючі значення вищих гармонік анодної напруги з номерами 3 k

5. Розрахунок згладжує фільтра. Вибір конденсаторів. Розрахунок згладжує дроселя

В якості фільтра, що згладжує обрана схема Г - подібної ланки з дроселем і конденсатором. Розрахунок проведено для шостої гармоніки.

5.1 Індуктивність фільтра

(5.1)

де f = 50 Гц - частота живлячої напруги;

Отримано: L = 33,04 мк Гн.

2. Коефіцієнт фільтрації:

(5.2)

Отримано Kf = 8,191.

5.3 Ємність фільтруючого конденсатора:

(5.3)

Отримано C = 0,061 Ф.

Вибір індуктивності і ємності фільтра.

Приймемо ємність 1 мФ, тоді індуктивність фільтра

Гн (5.4)

5.4 Амплітуда основної гармоніки струму

(5.5)

5.5 Вибір типу конденсатора

Вибираємо [5] конденсатор типу К50 - 17 -400 У -1000 мкФ з діапазоном робочих температур -40 ⁰ С до +70 ⁰ С: оксидний алюмінієвий з фольгированним обкладками. Ці конденсатори призначені для роботи в колах постійного і змінного струму. Найбільша допустима амплітуда змінної складової пульсуючого напруги U _{д m} = 20 В для C _ном = 1000 мкФ, U _ном = 400 В, f _C = 50 Гц. При збільшенні частоти зменшується U _{д m.}

5.6 Розрахунок згладжує дроселя

Прийнято допущення, що магнітне опір зазору у багато разів більше магнітного опору магнітопровода. Отже, індуктивність дроселя буде залежати тільки від магнітної провідності зазору.

5.6.1 Вибираємо для дроселя водяне охолодження, так як Id = 100А.

5.6.2 В якості матеріалу сердечника дроселя обрана насичена гарячекатана сталь (m `= 600). Задані початкові умови: k 1 = 4, k 2 = 10, щільність струму jd = 10 * 10 ⁶ A / м ^2, km = 0.25, число витків w = 60, питомий опір дроту обмотки r 40 = 1.9 * 10 ^-8 Îì * ì. При розрахунку використано метод послідовних наближень.

5.6.3 Довжина немагнітного зазору:

(5.6)

Отримано: lz = 4,37 мм.

5.6.4 Площа поперечного перерізу зазору:

(5.7)

Отримано: Sz = 2872 мм ^2.

5.6.5 Геометричні розміри муздрамтеатру дроселя:

(5.8,5.9)

Отримано a = 19 мм; b = 75 мм; c = 38 мм; q = 10 мм ^2.

5.6.6 Середня довжина витка обмотки:

(5.10)

Отримано: lcp = 134 мм.

5.6.7 Активний опір обмотки:

(5.11)

Отримано: R = 8,92 м Ом.

5.6.8 Падіння постійної складової напруги на активному опорі обмотки дроселя:

U _ad = 2 * Id * R (5.12)

Отримано: U _ad = 1,783 В.

5.6.9 Втрати в міді дроселя

Pdr = Id ² * R (5.13)

Отримано: Pdr = 0,4 кВт.

5.7 Тепловий розрахунок згладжує дроселя

5.7.1 Витрата охолоджуючої води

(5.14)

де Т1 = 20 ^о С - температура води на вході в обмотку;

Т2 = 50 ^о С - температура води на виході з обмотки;

Отримано: Q = 3,2 * 10 ^-6 м ³ / ⁰ с.

5.7.2 Необхідна площа перерізу охолоджуючої трубки:

(5.15)

де V = 2 м / с - швидкість подається в трубку води.

Отримали S = 0,016 см ^2.

Обрана прямокутна трубка перетином 0.25х0.25 см ^2.

5.7.3 Перевірка на турбулентність згідно з критерієм Рейнднольца:

(5.16)

де m `= 0.661 * 10 ^-6 м ² / с - кінематична в'язкість води;

D 0 - гідравлічний еквівалент діаметра

(5.17)

Отримано: D 0 = 5,33 мм, Rl = 1,616 * 10 ^4> 2300;

4. Перепад тиску по довжині трубки

(5.17,5.18)

де К = 3 - коефіцієнт шорсткості;

Отримано: l 1 = 0.073.

(5.19)

З урахуванням зменшення перетину труби в місцях стиків, пайки і.т.д. D p збільшено в 1,5 рази.

Отримано: D p = 1695 кН / м ²

6. Електромагнітний розрахунок трансформатора

Трансформатори для перетворювальних установок, як правило, працюють в тривалих режимах. У зв'язку з цим для них необхідно ретельно вибирати конструктивні й технологічні рішення для створення магнітопроводів з мінімальними втратами. У більшості випадків трифазні магнітопроводи трансформаторів виконують стрижневою конструкції, несиметричними, плоско шіхтованнимі. Для живлення апаратури від мережі 50 Гц широко застосовуються трансформатори броньового і стрижневого типу. За техніко-економічними показниками кращі трансформатори стрижневого типу, виконані на стандартних магнитопроводах оптимальної форми. Броньова конструкція практично рівноцінна стрижневою за масою, але поступається за обсягом і вартості. При розрахунку трансформатора використовується методика з [6].

6.1 Чинне значення лінійного струму вентильної обмотки:

(6.1)

де I _d = 100 А - струм навантаження.

6.2 Діючі значення фазних напруг холостого ходу вентильної і мережевий обмоток U _2ф і U _1ф відповідно:

(6.2)

(6.3)

де E _d = 301,538 B - випрямлена напруга холостого ходу випрямляча; U _{піт.лін.} = 380 В - напруга живлення.

6.3 Коефіцієнт трансформації:

(6.4).

6.4 Чинне значення лінійного струму мережевий обмотки:

(6.5).

6.5 У більшості випадків трифазні магнітопроводи трансформаторів виконують стрижневою конструкції, несиметричними, плоскошіхтованнимі. Вибираємо діаметр стрижня магнітопровода трансформатора з повітряним охолодженням для S _Т = 30 кВ × А [6, таб.3.2], D _з = 125 мм. Для D _з = 120 мм, згідно [6, таб.2.1], перетин стрижня П ₁ = 112,3 c м ^2, перетин ярма П ₂ = 115,3 см ^2, коефіцієнт використання площі кола k _і = 0,914.

6.6 Активне перетин стрижня магнітопровода:

м ² (6.7)

де К _З = 0,96 - коефіцієнт заповнення перерізу сталлю при жаростійкої електроізоляційної покритті з товщиною листів, що дорівнює 0,3 мм.

6.7 Число витків вторинної (вентильної) обмотки трансформатора:

витків (6.8)

де В = 1,2 Тл - електромагнітна індукція в трансформаторі із природним повітряним охолодженням з класом нагрівостійкості ізоляції В; f _C = 50 Гц - частота живильної мережі; q _С = 0,01 м ² - активне перетин стрижня муздрамтеатру.

6.8 Кількість витків первинної обмотки:

w ₁ = n × w ₂ = 1,7 × 48 = 81,72 »82 витка (6.9)

6.10 Переріз проводу первинної обмотки:

мм ² (6.10)

де j = 2 А / мм ² - щільність струму в обмотках з класом нагрівостійкості ізоляції В для мідного дроту.

6.11 Перетин дроту вторинної обмотки:

мм ² (6.11)

7. Вибір пристроїв захисту від аварійних струмів і перенапруг

Для забезпечення надійної роботи перетворювача необхідно використовувати швидкодіючі системи захисту. Захист може бути побудована на базі комутаційних апаратів та плавких запобіжників, а також вирівнюючих RCD - ланцюжків.

7.1 Вибір автоматичного вимикача

При виникненні аварійного струму на вході перетворювача можна використовувати струмообмежуючі вимикачі змінного струму. У розраховується перетворювачі на стороні мережевий обмотки застосовуємо автоматичний вимикач змінного струму серії А3712Б, характеристики якого, згідно [7] наведено в таблиці 6.1.

Таблиця 7.1

Довідкові дані автоматичного вимикача змінного струму серії А3722Б.

Автоматичний вимикач серії А3712Б застосовується для захисту електричних установок при коротких замиканнях, перевантаженнях і неприпустимих зниженнях напруги; рід струму - змінний; тип вимикача - струмообмежуючі триполюсні.

7.2 Вибір плавких запобіжників

Захист на базі плавких запобіжників застосовується для запобігання протікання струмів КЗ через тиристори. Вибираємо запобіжник ПП57-3417 для захисту тиристорів: номінальний струм плавкої вставки I _ном = 150 А при U _ном = 380 В; при цьому номінальні втрати потужності плавкою вставки W _ном = 60 Вт.

Для захисту навантаження вибираємо запобіжник ПП57-3737: номінальний струм плавкої вставки I _ном = 250 А при U _ном = 380 В; при цьому номінальні втрати потужності плавкою вставки W _ном = 120 Вт.

7 .3 Розрахунок параметрів вирівнюючих RCD - ланцюжків

Конденсатори ефективно вирівнюють напруги на тиристорах в перехідних режимах, але разом з тим збільшують струм у відкритому стані на інтервалі відмикання. Ці струми можна обмежити демпфуючими резисторами, включеними послідовно з конденсаторами, опір яких вибирається порядку декількох десятків Ом. Для обмеження швидкості наростання напруги в закритому стані, при якій може мимовільно включитися тиристор, паралельно демпфуючим резисторам включаються діоди, які повинні мати якомога менший час відновлення замикаючих властивостей у зворотному напрямку.

Опір демпфуючого резистора приймаємо рівним 20 Ом. Вибираємо резистор: С1 - 8 - 1 - 20 - ± 5%.

Ємність конденсаторів:

, (7.3)

де D Q _rr - найбільша можлива різниця зарядів відновлення послідовно включених приладів, приймаємо рівною половині заряду відновлення застосовуваних тиристорів:

D Q _rr = 700 мкКл = 350 мкКл.

Параметри U _RSM, U _RM, D Q _rr, I _RM взяті з довідника [3] для тиристора типу ТБ113 - 200.

Приймаємо: З = 0,47 мкФ

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

Вибираємо діод по напрузі і струму: КД105 Б.

8. Опис роботи схеми управління

Для комутації тиристорів в перетворювачі використовується система управління, яка може бути одноканальної (в якій всі тиристори управляються одноканальним сигналом із зсувом на 60 градусів), так і багатоканальної - з роздільно керованими тиристорами. Розглядається робота вертикальної синхронної системи управління зі стабілізацією напруги (рис.8.1, рис. 8.2).

Напруга з навантаження U _d через датчик Д надходить на елемент порівняння. Також на вхід елемента порівняння подається напруга U _з з задатчика інтенсивності ЗІ. Різниця напруг (U _з - U _ос) надходить на підсилювач У і посилена напруга управління U _у йде на компаратор К. На інший вхід компаратора подається опорна напруга U _оп з генератора пилкоподібної напруги ДПН, керованого пристроєм синхронізації УС, підключеного до ліній мережевої напруги U _с. Поки опорне напруга більше напруги керування на виході компаратора присутній негативне вихідна напруга U _вих ^-. По досягненню рівності вхідних напруг компаратора він перекидається і на формирователе імпульсів Ф виявляється позитивне напруга U _вих ^+.

Цей перепад викликає поява короткого керуючого імпульсу напруги на виході формувача імпульсів Ф, надалі підсилюється підсилювачем імпульсів УІ і подається на систему розподілу керуючих імпульсів для тиристорів. У разі підвищення вихідної напруги U _d керуючу напругу U _у стає менше, що викликає збільшення кута управління a _ном на величину Da. Отже, відбудеться більш пізніше відкривання тиристорів і зниження напруги на навантаженні до номінального. Якщо виникає необхідність зміни вихідної напруги, це можна зробити шляхом зміни напруги задатчика інтенсивності U _з.

Тимчасові діаграми схеми управління.

Рис.8.1

Структурна схема системи управління.

Рис.8.2.

Висновок

У результаті проведеного розрахунку, розроблений статичний перетворювач середньої потужності. Містить понижуючий трансформатор трифазний типової потужністю 30 кВт, тиристори типу Т113-200. Для зниження пульсацій вихідної напруги до необхідного рівня застосований Г - образний фільтр, що містить батарею, що складається з десяти конденсаторів типу К50-18-1000 мкФ-50В-20% +50%, і дросель з системою водяного охолодження, числом витків рівним 30 і величиною втрат у міді порядку 0,4 кВт. Для захисту мережевої обмотки знижувального трансформатора в разі виникнення аварійного струму вибраний автоматичний вимикач змінного струму серії А3716Б. В анодному ланцюзі кожного тиристора для запобігання протікання струмів короткого замикання встановлені плавкі запобіжники типу ПП57-3937, в ланцюзі навантаження - запобіжник типу ПП57-4038.

Список літератури

1. Довідник з перетворювальної техніки / За ред. І.М. Чиженко. - Київ: Техніка, 1978. 430 з.

2. Тугов Н.М. та ін Напівпровідникові прилади: Підручник для вузів. М.: Вища школа, 1990. 576 с.

3. Замятін В.Я. та ін Потужні напівпровідникові прилади. Тиристори: Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 1987. 576 с.

4. Бар В.І. Проектування ведених мережею статичних перетворювачів середньої та великої потужності: Навчальний посібник. - Тольятті: натовп, 1994.

5. Електричні конденсатори й конденсаторні установки: Довідник / За ред. Г.С. Кучинського. - М.: Вища школа, 1987. 656 з.

6. Фішлер Я.Л. та ін Трансформаторне обладнання для перетворювальних установок. М.: Вища школа, 1989. 320 с.

7. Комплектні тиристорів: Довідник / За ред. В.М. Перельмутер. - М.: Вища школа, 1988. 319 з.

8. Розробка тиристорного ключа: Методичні вказівки до курсової роботи / Чернявський Н.І. - Тольятті: натовп, 1995.

9. Намітоков К.К., Ільїна Н.А., Шкловський І.Г. Апарати для захисту напівпровідникових пристроїв. - М.: Вища школа, 1988. 980 с.