Проектирование тягового полупроводникового преобразоателя

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кафедра «Электроснабжение железных дорог»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Выполнил студент А.Е. Гуйдо

Группа ЭС – 005

Руководитель Я. С. Гришин

Нормоконтроль Я. С. Гришин

Санкт-Петербург

2004

ЗАДАНИЕ.

Вариант №17:

Номинальное значение выпрямленного напряжения:

Номинальное значение выпрямленного тока:

Номинальное значение напряжения питающей сети:

Схема соединения обмоток преобразовательного трансформатора:

Вид преобразователя по функциональным свойствам: неуправляемый выпрямитель;

Климатическое исполнение преобразовательной установки: тропическое исполнение.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….…..4

1.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ…………………………….5

2.РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА...…7

3.РАСЧЕТ ТОКОВ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ………………………………………..9

4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ………………………………………………………………………….14

4 1. Выбор типа диода………………………………………………………………………...14

4.2.Разработка соединения схемы плеча преобразователя…………………………………17

5.ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ………………………………………...19

5.1. Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности………………...19

5.2 Исследование коммутации……………………………………………………………….21

6.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (КПД, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ)…………………………………………………………………………………..22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………25

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………………26

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.

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 неуправляемого 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:

, (1)

где - потеря выпрямленного напряжения на коммутацию, принимается равной 2…3% от .

- номинальное выпрямленное напряжение.

.

.

Исходя из значения среднего выпрямленного напряжения определяем эффективные значения напряжения вторичной обмотки :

(2)

(3)

Средний ток плеча схемы выпрямления :

(4)

где - номинальное значение выпрямленного тока.

Для номинального режима:

Обратное максимальное напряжение плеча схемы выпрямления :

(5)

Эффективное значение тока плеча схемы выпрямления

(6)

Эффективное значение тока вторичной обмотки преобразовательного трансформатора

; (7)

Отсюда следует, что эффективное значение фазного тока вторичной обмотки:

Эффективное значение тока первичной обмотки преобразовательного трансформатора

(8)

где - коэффициент трансформации;

Расчет мощности преобразователя трансформатора при номинальном режиме:

На основании значения расчетной мощности и предназначения преобразователя, осуществляется выбор преобразовательного трансформатора. По расчетам подходит трансформатор типа: ТСЗП – 1600/10. Типовая мощность трансформатора 1515 кВА, напряжение короткого замыкания , потери: =4кВт,

Для трёх режимов перегрузки , вычисляются средние и эффективные токи. Результаты расчётов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Средние и эффективные токи в номинальном и утяжелённых режимах

3. РАСЧЁТ ТОКОВ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Для правильного выбора силовых полупроводниковых приборов

необходимо выполнить расчёты токов короткого замыкания на шинах выпрямленного тока. На рис. 3.1 представлена схема возможных коротких замыканий трёхфазного мостового преобразователя, а на рис. 3.2 представлена расчётная схема замещения.

Схема возможных коротких замыканий трехфазного мостового преобразователя

А В С

U_1ф

I₁

S₁

ТП

U_2ф

I₂

К1

VD4 VD1

К2 VD6 VD3

UZ

VD2 VD5 Id

- +

К3 Ld

К4

ТД

Рис. 3.1

Расчётная схема замещения при коротком замыкании на шинах трёхфазного мостового преобразователя

е_а е_b е_c

L_аL_a L_a

R_а R_a R_a

VD1 VD3 VD5

VD4 VD6 VD2

Рис. 3.2

Эквивалентное анодное активное сопротивление одной фазы, приведённое ко вторичной обмотке, и анодное индуктивное сопротивление определяются соответственно по формулам [1, с.313]

,

где анодное индуктивное сопротивление трансформатора;

индуктивное сопротивление питающей сети.

,

где u_k – напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора, (в процентах).

,

,

.

,

где активное сопротивление, вычисленное из опыта сквозного короткого замыкания;

активное сопротивление питающей сети.

,

где Р_КЗ, u_k – соответственно потери и напряжение (в процентах) короткого замыкания преобразовательного трансформатора.

;

;

.

Ток короткого замыкания определяется по формуле

где амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;

фазовый угол сдвига между кривыми напряжения и тока;

угол коммутации выпрямителя.

,

,

,

,

,

,

,

,

Результаты расчёта токов короткого замыкания представлены в табл. 3.1

Таблица 3.1

Значения тока короткого замыкания

По результатам результатов расчёта построен график кривой тока короткого замыкания на рис. 4.1.

Рис. 4.1

4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА 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 рабочей 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 округляют его до большего целого числа, если дробная часть превышает 0,1.

На основании выше указанных значений, выбираем для расчета диод Д253-1600 с охладителем О153-150.

Характеристики диода:

· максимальное обратное напряжение

· предельный ток диода

· ударный повторяющийся ток

· 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:

(16)

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:

(17)

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;

- предельный ток диода, А;

- коэффициент нагрузки или коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительной перегрузки:

(18)

- 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 (16). Для режимов рабочей и аварийной перегрузок ток рассчитывается по формулам (19) и (21) 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:

(19)

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:

(20)

Примем тогда:

В режиме аварийной перегрузки при и времени перегрузки (один полу период при частоте ) ток перегрузки определяется:

(21)

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:

(22)

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 (), емкостные (С) и смешанные (RСD) цепи, включаемые параллельно СПП (рис.4.).

Групповое соединение СПП в одном плече преобразователя

Рис.4

Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:

(23)

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:

(24)

где: - эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.

Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:

(25)

где: - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ.

5.1. 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:

(26)

Потеря напряжения на активных сопротивлениях:

(27)

где: -угол коммутации выпрямителя;

(28)

(29)

Потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах:

(30)

где: - число плеч, одновременно проводящих ток;

- число последовательных СПП в одном плече;

(31)

Уравнение внешней характеристики имеет вид:

(32)

При номинальном режиме:

Если известна мощность на стороне выпрямленного тока, то для определения полной мощности преобразователя необходимо знать коэффициент мощности:

(33)

где: -коэффициент фазового сдвига основной гармонической тока питающей сети;

- коэффициент искажения формы тока первичной сети;

, (34)

- эффективное значение высших гармонических составляющих тока питающей сети;

(35)

Фазовый угол сдвига основной гармонической тока питающей сети для неуправляемого выпрямителя:

(36)

для номинального режима:

Результаты расчета коэффициента мощности для различных значений тока приведены в таблице 1.

Таблица 1.

На основании таблицы строится график зависимости коэффициента мощности от выпрямленного тока (рис.5.1.).

Рис. 5.1

5.2. Исследование коммутации.

Наличие индуктивных сопротивлений на стороне переменного тока преобразователя приводит к появлению интервала коммутации, который называется углом коммутации и измеряется в электрических градусах. С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения; полностью сглаженный ток на стороне выпрямленного напряжения; расчеты выполняются при нагрузке не выше нормальной) угол коммутации определяется по выражению:

(37)

Далее исследуется форма тока на коммутационном интервале. Ток коммутации определятся по формуле:

(38)

Ток плеча, входящего в работу , изменяется по закону тока коммутации и при достигается в амплитуде значения . Ток плеча, выходящего из работы , изменяется как и при становится равным нулю. Производится расчет токов плеч при изменении от 0 до . Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

Угол коммутации при номинальном режиме:

при ;

Таблица 2.

По данным таблицы строятся зависимости и , приведенные на рис.5.2.

Рис. 5.2

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (КПД, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ)

Суммарные активные потери в схеме преобразователя определяются по формуле:

(39)

где: - потери в стали преобразовательного трансформатора, равные потерям холостого хода для выбранного трансформатора;

- потери в меди преобразовательного трансформатора, которые определяются потерями короткого замыкания , пропорциональными квадрату отношения выпрямленного тока к номинальному току, т.е.:

(40)

- потери в СПП, т.е.:

(41)

- число плеч преобразователя одновременно проводящих ток;

-средний ток диода при

- потери в делителях напряжения и тока, составляющая

- потери в сглаживающем реакторе. Здесь - активное сопротивление обмотки сглаживающего реактора, которое в расчетах можно принять равным (0,01…0,02) Ом;

- потери в устройствах защиты и систем управления, применяются равными 0,2% от ;

Для номинального режима:

Суммарные потери мощности в преобразователе:

Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется по формуле:

(42)

Результаты расчетов потерь мощности и КПД для остальных режимов сведены в таблицу 3.

Результаты расчетов энергетических характеристик выпрямителя.

Таблица 3.

По данным таблицы стоятся зависимости а также изменение составляющих потерь от выпрямительного тока . Зависимости приведены на рис.6.1., а изменение составляющих потерь мощности на рис.6.2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В данном курсовом проекте был произведен расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Построены временные диаграммы напряжений и токов, а также характеристики тягового полупроводникового преобразователя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.- д. трансп. – М.: Транспорт, 1999. – 464с.

2. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.2 / Под ред. К.М. Марквардта. – М.: Транспорт, 1981. – 392с.

3. Методическое указание к курсовому проекту. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя. А.Т. Бурков, А.П. Самонин. Санкт-Петербург 2001.