Выбор вентилей управляемого выпрямителя

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра: "Электроснабжение"

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: "Выбор вентилей управляемого выпрямителя"

КР. 1001. 001. 635.

Выполнил: студент 635 группы

Мартыненко А.С.

Проверил: Буравлев А.А.

Хабаровск

2004

Содержание:

Введение:

1. Расчёт аварийных режимов управляемого выпрямителя.

1.1. Подготовка исходных данных.

1.2. Короткое замыкание на шинах выпрямительного напряжения.

1.3. Короткое замыкание при пробое тиристорного плеча.

1.4. Проверка тиристоров по току рабочего режима.

2.Определение качества последовательно включенных тиристоров.

3. Определение общего количества тиристоров

4. Равномерное распределение обратного напряжения:

5. Вычисляем угол коммутации

6. Разработать функциональную схему системы управления тиристорами.

7. Разработать и рассчитать защиту преобразователя от внутренних к.з.

8. Графики.

9. Схемы.

Введение:

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. Но в тоже время из всей энергии около 25% потребляется в виде постоянного тока. Это связанно с тем, что потребители (эти 25%) работают на постоянном токе.

Другая часть потребителей имеет лучшие характеристики на постоянном токе.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяются полупроводниковые преобразователи электрической энергии – выпрямители. Прогресс в преобразовательной технике вызвали появление силовых полупроводниковых вентилей, которые имеют высокие электрические параметры, простота в обслуживании, малая масса и габариты. Высокая надёжность вентилей позволяет широко использовать их в схеме преобразования переменного тока в постоянный.

Исходные данные

1.1. Параметры короткого замыкания на первичных шинах подстанции:

Напряжение короткого замыкания Uс = 110 кВ;

Мощность короткого замыкания Sкз = 620000 кВА;

1.2. Параметры понизительного трансформатора:

Мощность Sт1 = 16000 кВА;

Напряжение Uс = 110 кВ;

Напряжение короткого замыкания (к.з.) Uк% = 10,5 %;

Мощность короткого замыкания ΔРк1 = 85 кВт;

Мощность холостого хода Рхх = 18 кВт;

Количество трансформаторов Nв = 2;

1.3. Колебания напряжения питающей цепи Кс% = 6.6;

1.4. Схема выпрямителя нулевая с ур. реактором

1.5. Количество выпрямителей Nв = 2;

1.6. Параметры выпрямителя:

Мощность Р = 5350 кВт;

Номинальный ток Idном = 1200 А;

1.7. Выпрямленное напряжение Udном = 3020 В;

1.8. Параметры преобразовательного трансформатора:

Мощность Рт = 6300 кВт;

Первичное напряжение Uф = Uс1 = 35 кВ;

Напряжение короткого замыкания (к.з.) Uкз = 7.7 %;

Мощность короткого замыкания ΔРк2 = 46.1 кВт;

Мощность холостого хода Рхх = 8.5 кВт;

Количество N2 =2;

1.9. Отношение величины коммутационного (повторяющегося) перенапряжения к максимальному обратному Кγ = 1.05;

1.10. Отношение амплитуды неповторяющегося перенапряжения к Kuн = 2.19;

1.11. Охлаждение тиристоров воздушное

1.12. Коэффициент перегрузки Кпер = 1.63;

Температура охлаждающего воздуха Та = 26.2;

1.РАСЧЁТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ.

1.1 ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Исходными данными являются паспортные параметры установленного на подстанции основного оборудования и характеристики питающей сети. Наиболее тяжёлыми аварийными режимами полупроводникового выпрямителя является короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения и пробой вентилей, что в итоге тоже приводит к короткому замыканию.

При анализе аварийных процессов обычно принимаются следующие допущения:

• При расчетах токов к.з. вентили принимаются идеальными и падением напряжения в них принебригаем;
• Все активные и индуктивные сопротивления линейны;
• Трёхфазная питающая сеть имеет синусоидальное и симметричное напряжение;
• Намагничивающий ток трансформатора не учитывается;
• Авария в преобразователе возникает при установившемся режиме питающей сети;
• Активным сопротивлением питающей сети принебригаем;
• Индуктивность в цепи выпрямленного тока равна бесконечности.

Развитие аварии в выпрямителе при указанных допущениях определяется параметрами цепи переменного тока приведёнными к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата.

При заданной мощности короткого замыкания в питающей сети индуктивное сопротивление от источника до места подключения подстанции определяется по формуле

(1)

Найдём коэффициенты трансформации понизительного трансформатора:

Найдём коэффициенты трансформации трансформатора выпрямителя:

где - линейное напряжение питающей сети, кВ;

-мощность к.з., кВА;

-коэффициент трансформации понизительного трансформатора;

-то же для трансформатора выпрямителя.

Индуктивное сопротивление фазы понизительное трансформатора, приведённое к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата, найдётся по выражению

(2)

где -напряжение короткого замыкания понизительного трансформатора;

- напряжения фазы вторичной обмотки понизительного трансформатора, кВ;

-номинальная мощность понизительного трансформатора, кВА.

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора выпрямителя, приведённое к напряжению вторичной обмотки,

(3)

где - напряжение короткого замыкания трансформатора выпрямителя;

- напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ;

- номинальная мощность трансформатора выпрямителя, кВА.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя:

(4)

где - количество понизительных трансформаторов;

- количество трансформаторов выпрямительных агрегатов.

Активное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя определяется по выражению

(5)

где -активное сопротивление фазы понизительного трансформатора, приведенное к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, ОМ;

-тоже для трансформатора выпрямителя, ОМ.

Значение определяется по выражению

(6)

где - мощность потерь из опыта короткого замыкания понижающего трансформатора, кВт;

- напряжение фазы вторичной обмотки понизительного трансформатора, кВ;

- номинальная мощность понизительного трансформатора, кВА;

- коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя.

Значение определяется по аналогичной формуле:

(7)

где - мощность потерь из опыта короткого замыкания трансформатора выпрямителя , кВт.

1.2 КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ НА ШИНАХ ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Для расчёта принимается наиболее тяжёлый режим развития аварии. Под нагрузкой находятся все трансформаторы и выпрямители. Короткое замыкание происходит при работе выпрямителя с углом регулирования , когда ток к.з. достигает максимальных значений.

Среднее значение тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения для схемы с уравнительным реактором определится по выражению:

(8)

Максимальное значение тока к.з. учитывается ударным коэффициентом :

(9)

где - переходный коэффициент от среднего к максимальному значению, определяется по [1] в виде зависимости .

Максимальное значение тока тиристорного плеча в схеме с уравнительным реактором определится по выражению:

(10)

где - количество находящихся в работе выпрямителей.

При включении в вентильном плече “a” параллельных тиристоров максимальный ударный ток к.з. , проходящий через один тиристор, будет равен:

(11)

Выбираем число параллельных тиристоров а=2.

где - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по тиристорам,

По полученному, из выражения (11), току из [1] предварительно выбираем тиристор Т-630. I

Предварительно выбрав тиристор из условия, что расчётный параметр “a” в плече должен быть близким очередному большему целому числу, подбором найдём (с последующим округлением)

(12)

где - паспортный ударный неповторяющийся ток через открытый тиристор, А.

Следовательно а1<а, а=2

1.3 КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ПРИ ПРОБОЕ ТИРИСТОРНОГО ПЛЕЧА.

При пробое одного из тиристорных плеч выпрямителя возникает внутреннее к.з. , вызывающее динамическую перегрузку оставшихся в работе тиристорных плеч. К повреждению тиристоров наиболее часто приводит резкий скачок обратного напряжения в конце периода коммутации. Авария (пробой) в момент окончания коммутации является наиболее тяжёлой по амплитуде тока к.з. , длительности и тепловому воздействию.

В расчете предполагается пробой в конце периода коммутации при , что соответствует наиболее тяжелому режиму развитию внутреннего к.з. в выпрямителе. Система управления оснащена схемой блокирования управляющих импульсов до первой очереди коммутации.

Фактическое значение амплитуды тока к.з. определяется по выражению:

(13)

где по [1];

(14)

где - действующее номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ;

- коэффициент, учитывающий повышения напряжения в питающей сети:.

В случае, если к.з. при пробое тиристорного плеча вызовет ударный ток тиристора больший, чем при к.з. на шинах выпрямленного напряжения, то количество параллельно включенных тиристоров необходимо выбрать по наиболее тяжёлому аварийному режиму из условия, аналогичного (12),

(15)

где - наиболее максимальное значение ударного тока из анализируемых аварийных режимов, А.

- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по тиристорам,

Iт_уд<Iт_уд_паспорт, а<2. Выбранный тиристор Т-630 подходит по всем условиям. Число параллельных ветвей выбираем равным 2.

1.4 ПРОВЕРКА ТИРИСТОРОВ ПО ТОКУ РАБОЧЕГО РЕЖИМА.

Для принятия окончательного решения по количеству параллельно включенных тиристоров в плече выпрямителя необходимо убедится в том, что такое плечо будет работать без перегрузки в длительном рабочем режиме, т.е.

(16)

где - средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной нагрузке, А;

- коэффициент допустимой длительной перегрузки =1,63;

- предельный средний прямой ток тиристора для заданных условий работы, А;

- коэффициент неравномерности распределения тока по тиристорам, .

Предельный средний прямой тиристора при заданных условиях работы выпрямителя рассчитывается по выражению:

(17)

Паспортные данные тиристора Т-630 и соответствующего ему охладителя О353-150

где - пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии, =1,35В;

- коэффициент формы тока вентильного плеча ;

- динамическое сопротивление тиристора, =0,5/1000 ОМ;

- максимально допустимая температура p-n перехода ;

- температура охлаждающего воздуха, =26,2;

R - сопротивление стоку тепла от p-n перехода в охлаждающую среду для выбранного тиристора и соответствующего типа охладителя:

где составляющие R являются паспортными параметрами отдельных участков стока тепла, от полупроводниковой структуры в охлаждающую среду.

Средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной нагрузке (Id_ном):

Из трёх значений параметра “a” , полученных исходя из условий (12),(15),(16), следует взять наибольшее, при котором исключаются недопустимые перегрузки тиристоров по току во всех режимах работы выпрямителя и структура вентилей не достигает предельной температуры при заданных условиях охлаждения.

Окончательно принимаем число параллельно включенных тиристоров равное 2.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ТИРИСТОРОВ.

Количество тиристоров включенных в последовательной цепочке должно быть таково, чтобы при заданном рабочем напряжении сети с учётом возможных отклонений, коммутационных и неповторяющихся напряжений, максимальное обратное напряжение на любом тиристоре выпрямителя не превышало бы паспортного параметра тиристора.

Число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече определяется по выражению:

, (18)

где - максимальное значение обратного напряжения, воздействующего на вентильное плечо с учетом бросков и колебаний напряжения в сети, В;

- паспортное значение допустимого обратного напряжения на тиристоре, В;

=1000B

- коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, .

Величина определяется с учетом коммутационных перенапряжений:

В (19)

где - максимум обратного напряжения при номинальном напряжении сети,

- коэффициент, показывающий отношение величины коммутационного перенапряжения к максимальному обратному напряжению,

- колебание напряжения в сети, % .

Количество последовательно включенных тиристоров, определённое на основе повторяющихся бросков перенапряжения должно быть проверено быть по условию воздействия неповторяющихся бросков перенапряжения:

(20)

где - номинальное выпрямленное напряжение, В

- коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения,

- паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора, В

- коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, =0,9.

Окончательно принимаем число последовательно включенных тиристоров равным 7.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВА ТИРИСТОРОВ.

Количество тиристоров выбранного типа, необходимое для комплектования выпрямителей подстанции, соответственно определяется:

(21)

4.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ.

4.1 РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЯМОГО ТОКА В ТИРИСТОРАХ.

При параллельном соединении тиристоров для равномерного распределения тока необходимо выбрать их с одинаковыми вольт-амперными характеристиками. Однако, даже с учётом этого требования, подбор не удаётся осуществить, т.к. с течением времени характеристики изменяются, что приводит к разбалансу токов в тиристорах плеча. Основываясь на обобщении эксплуатационных данных , можно более просто решить распределение токов по тиристорам с помощью резисторов связи , через которые включаются в узловую точку аноды тиристоров, находящихся в одном ряду вентильного плеча. В выпрямительных агрегатах электрифицированных железных дорог сопротивление резисторов связи принимается равным 1….10 ОМ. Изготавливают резисторы из нихромовой проволоки диаметром 0,6….1,0 мм.

4.2 РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОБРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Как при параллельном, так и при последовательном соединении тиристоров требуется применение дополнительных средств выравнивания прямых и обратных напряжений на закрытых тиристорах. Подбор тиристоров по вольт-амперным характеристикам не может обеспечить равномерное распределения напряжения по цепочке последовательно соединенных тиристоров. Одним из наиболее распространённых способов выравнивания напряжений на закрытых последовательно соединенных тиристорах является шунтирование их активными сопротивлениями. Сопротивление шунтирующего резистора определяется по формуле:

(22)

где - число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече;

- паспортное значение допустимого повторяющегося обратного напряжения на тиристоре, В;

- наибольшее обратное напряжение, воздействующее на тиристорное плечо в преобразователе, В;

- повторяющийся обратный ток в закрытом тиристоре, мА.

Мощность шунтирующего резистора определяется по выражению:

(23)

где - коэффициент амплитуды, =0,4…0,5.

Для исключения возможности попадания бросков перенапряжения на закрытые тиристоры дополнительно, в параллель шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующие цепочки Значение ёмкости определится по формуле:

(24)

где -угловая частота, ;

k- коэффициент неравномерности распределения напряжения, k=0,9;

Исходя из опыта проектирования и эксплуатации полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций, параметры демпфирующей цепочки рекомендуется выбрать в пределах

Мощность резистора демпфирующего устройства выбирается в пределах .

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение:

(25)

где - определена ранее и берётся в кВ.

5. ВЫЧИСЛЯЕМ УГОЛ КОММУТАЦИИ.

7. РАСЧИТАТЬ И ПОСТРОИТЬ ПОЛНУЮ ВНЕШНЮЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ ПРИ a=0° И a=30°.

Внешняя характеристика в 2-ом (нормальном) режиме:

При a=0°

При a=30°

Точное выражение внешней характеристики схемы во втором (нормальном) режиме с учётом активных сопротивлений и падений напряжения в вентилях будет выглядеть следующим образом:

При a=0°

При a=30°