Расчет управляемого трехфазного мостового выпрямителя

Содержание TOC \o "1-3" \h \z \u 1. Подготовительный этап PAGEREF _Toc5712051 \h 42. Расчет параметров трансформатора PAGEREF _Toc5712052 \h 63. Расчет внешних характеристик преобразователя PAGEREF _Toc5712053 \h 84. Расчет коэффициента мощности выпрямителя PAGEREF _Toc5712054 \h 105. Расчет параметров сглаживающего дросселя (фильтра) PAGEREF _Toc5712055 \h 136. Выбор тиристоров, диодов, охладителей выпрямителя PAGEREF _Toc5712056 \h 147. Расчет аварийных токов и интеграла предельной нагрузки внешнего КЗ выпрямителей PAGEREF _Toc5712057 \h 158. Проверка тиристоров (и диодов при их наличии схемах) силового блока PAGEREF _Toc5712058 \h 189. Выбор устройств защиты тиристоров PAGEREF _Toc5712059 \h 1910. Анализ осциллограмм анализируемой схемы PAGEREF _Toc5712060 \h 2111. Гармонический анализ выходного напряжения преобразователя PAGEREF _Toc5712061 \h 22Список использованных источников PAGEREF _Toc5712062 \h 251. Подготовительный этапВ соответствии с заданием на курсовое проектирование необходимо произвести расчет управляемого полупроводникового выпрямителя, собранного по трехфазной несимметричной мостовой схеме. Исходные данные для проектирования представлены в таблице 1.1. Схема трехфазного несимметричного мостового выпрямителя представлена на рисунке 1.1.Таблица 1.1 – Параметры выпрямителя.КодI| II| IIIUС, ВКодIIРdН, кВтUd0,ВIdН, АuКЗ, %РКЗ, Втsf, Гц487380/22081111510031201250Рисунок 1.1 - Схема трехфазного несимметричного мостового выпрямителя.Произведем расчет параметров выпрямителя.Фазное напряжение первичной обмотки:Фазное напряжение вторичной обмотки:Коэффициент трансформации:Ток трансформатора в первичной обмотке:Ток трансформатора во вторичной обмотке:Номинальное напряжение нагрузки:Коэффициент повышения расчетной мощности:Максимальное обратное напряжение:Действующее значение тока вентиля:Среднее значение переменного тока вентиля:2. Расчет параметров трансформатораПроизведем расчет параметров трансформатора.Полная мощность трансформатора:Напряжение короткого замыкания:гдеU1Н – номинальное напряжение на первичной обмотке трансформатора.Коэффициент мощности при коротком замыкании:Модуль полного сопротивления короткого замыкания:Активное сопротивление короткого замыкания:Реактивное сопротивление короткого замыкания: QUOTE ω=2πf Учитывая, что индуктивное сопротивление рассеяния фазы равно половине индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора, можно рассчитать значение индуктивности Ls рассеяния трансформатора: Таблица 2.1 – Параметры выпрямителя и трансформатора.ПараметрыU2Ф,ВkТI1Н, АI2Н, АSТ, кВАIВ, АIВ.СР, АUОБРm, ВRК, ОмХК, ОмLS, мГнUdH, ВРезультат расчета2204,5818,281,611550057,733,3172,70,3620,0160,031103. Расчет внешних характеристик преобразователяВнешняя характеристика – зависимость среднего напряжения Ud(Id) на выходе выпрямителя в зависимости от тока Id нагрузки при фиксированном угле управления .Расчет внешних характеристик производим с учетом коммутационного падения напряжения UХ(Id), зависящего от угла коммутации  и особенностей схемы. Уравнение внешней характеристики Ud(Id) для несимметричных (полууправляемых) схем выпрямления при индуктивной нагрузке:Коммутационное падение напряжения для всех схем рассчитывается по соотношению:где mК - число коммутаций за период, число полупериодов (тактов) выпрямления за период питающего напряжения, mК=6.Коммутационное падение ΔUХ напряжения:Рассчитаем и построим внешние характеристики при изменении тока нагрузки в пределах от 0 до IdН для трех значений угла управления, например: =0o, =30o, =60o. Выражение для расчета внешних характеристик:Таблица 3.1 – Расчет внешних характеристик выпрямителя.Id, A02550100=0oUd, B120119,8119,6119,2=30oUd, B112111,8111,6111,2=60oUd, B9089,889,689,2Рисунок 3.1 – Внешние характеристики выпрямителя.4. Расчет коэффициента мощности выпрямителяКоэффициент мощности выпрямителя рассчитываем, как отношение активной мощности Р, потребляемой из сети, к полной S мощности, потребляемой из сети:При синусоидальной форме тока и напряжения: где U1Ф – фазное напряжение первичной обмотки трансформатора (действующее напряжение сети, питающей выпрямитель); I1 – действующее значение тока сети; – угол сдвига синусоидального тока по отношению к синусоидальному напряжению питающей сети.При несинусоидальной форме тока и напряжения за счет влияния подключенного выпрямителя: где I11 – действующее значение первой гармоники (несинусоидального) тока сети;1 – угол сдвига первой гармоники синусоидального тока по отношению к напряжению сети. Для выпрямителей, создающих искажения формы тока, следует учитывать, что коэффициент мощности  равен:где 1 - сдвиг фаз между первой гармоникой тока первичной обмотки и напряжением сети.Коэффициент несинусоидальности тока в первичной цепи характеризуется коэффициентом искажения KI, определяемым отношением действующего значения первой (основной) гармоники тока к действующему значению всего тока. Коэффициенты искажения KI (при прямоугольной форме тока, потребляемого из внешней цепи, и угле коммутации <15о) можно рассчитать по соотношению:Сдвиг фаз 1 между первой гармоникой тока вторичной обмотки и напряжением сети определяется углом управления  выпрямителя и углом коммутации :1 =  + /2Глубина регулирования: где Ud0 - напряжение холостого хода, Ux(Idн) – коммутационное падение напряжения при номинальном токе IdН и номинальном напряжении UdН.Закон регулирования выходного напряжения схемы определяется выражением:Тогда при αmax имеем:а значение угла cosmax рассчитывается как:Ввиду того, что величина угла коммутации  уменьшается с увеличением угла регулирования , считаем, что:1 = max + /2 ≈ maxКоэффициент мощности:5. Расчет параметров сглаживающего дросселя (фильтра)Величину индуктивности сглаживающего дросселя определим из выражения:Рассчитаем сопротивление нагрузки:Тогда индуктивность сглаживающего дросселя:6. Выбор тиристоров, диодов, охладителей выпрямителяУсловия выбора тиристоров определяются неравенством:IСРmax ≥ IВ.СРIСРmax ≥ 33,3 Aгде IСРmax - максимально допустимый средний ток тиристора,IВ СР – ток вентиля.Выбираем тиристор Т161-125-3. Технические характеристики тиристора приведены в таблице 5.1.Таблица 5.1 - Характеристика тиристора.Марка тиристораIср, AT=400 СIср, AT=900СКласскUп,,ВUнП,ВIудар, кАtи=10мсdU/dtдопВ/мксdI/dt допА/мксtвыкл, мксЗащитный показатель A2cТ161-1254512533001,752,520012510031Рисунок 5.1 – Тиристор.Параметры диодов выбираем по среднему значению рабочего тока и номинальному обратному напряжению. Выбираем диоды Д151-125-3. Параметры диода приведены в таблице 5.2.Таблица 5.2 - Параметры диода.Тип диодаIср, AT = 40 0 СКласскUп, ВIудар, кАtи =10мсЗащитный показатель A2cД151-125-34530,9345Рисунок 5.2 – Диод.Таблица 5.2 – Результаты расчетов.ПараметрыmkUd0, ВUx(Iн), ВKiUdmax, Bmax, градRd, OмLдр, мГнкI2t,А2сРезультат расчета61200,0220,955119100,9421,173317. Расчет аварийных токов и интеграла предельной нагрузки внешнего КЗ выпрямителейДля расчета тока КЗ следует рассчитать параметры, характеризующие цепь КЗ. Рисунок 7.1 - Схема контура протекания аварийного тока внешнего КЗ для трехфазной (а) и характеристика iКЗ(t).Активное сопротивление обмоток трансформатора rт определяется активными потерями в нем. Активные потери (потери в меди) принимаются равными 2,5% от полной мощности ST трансформатора. Тогда активное сопротивление цепи находится как:Мгновенное значение тока внешнего КЗ в преобразователе с трехфазной мостовой схемой выпрямления рассчитывается по соотношению:гдеРассчитаем соотношение базового тока схемы:Произведем расчет и построение зависимости тока КЗ iK1(t) интервале времени 0< t <0,015 сек вплоть до нулевого значения тока.Таблица 7.1.t, c00,0020,00430,0060,0070,0080,009i(t), А01697250021251598900102Iб2657tудар10,0055 сIудар1 = Iавар12500 А29,6 кА2∙сРисунок 7.2 – Характеристика КЗ.По построенной кривой iк1(t) определяем расчетное значение интеграла предельной нагрузки:8. Проверка тиристоров и диодов силового блокаПроизведем проверку полупроводниковых приборов по величине аварийного тока.В анализируемой схеме оцениваем проверку условия:Iавар ≤ Iударгде Iудар – допустимый ударный ток тиристора (диода), Iавар – максимальное значение тока IКЗ(t), рассчитанное (или определяемое по графику) в рассчитываемом интервале времени.2,5 кА ≤ 2,5 кА (для тиристоров)2,5 кА ≤ 3 кА (для диодов)Тиристоры и диоды выбраны правильно. Произведем проверку тиристоров (диодов) с использованием защитного показателя (допустимый тепловой эквивалент) тиристора.Производим проверки по условию:где - допустимый тепловой эквивалент тиристора (см. таблицы); - максимальное значение интеграла предельной нагрузки.29,6 кА2∙с ≤ 31 кА2∙с (для тиристоров)29,6 кА2∙с ≤ 45 кА2∙с (для диодов)Тиристоры и диоды выбраны правильно. 9. Выбор устройств защиты тиристоровДля ограничения перенапряжений применяют конденсаторы, входящие в параллельные RС-цепочки. Для защиты от коммутационных перенапряжений, поступающих из питающей сети, их включают на вторичной стороне трансформатора.Электромагнитная энергия WL, накопленная в индуктивности рассеяния LS однофазного нагруженного трансформатора:где Кпер – коэффициент возможной перегрузки по току (Кпер ≈ 1,5).Емкость конденсатора, необходимая для поглощения энергии WL, выделяющейся в виде перенапряжения: QUOTE где UП – допустимое повторяющееся обратное напряжение тиристора с учетом его класса; Кд = 1,5 - коэффициент допустимости импульса напряжения; К – коэффициент возможного превышения значения выходного напряжения QUOTE над номинальным средним значением Ud, К = 1,3.Таблица 9.1 – Результаты расчета.ПараметрыUп, ВКдКKперrт, Омхs, ОмIб, АIмах, АИнтегралЭксперим.WL , ДжС1, мкФРезультат расчета3001,51,31,50,0160,016265725007,20,338710. Анализ осциллограмм анализируемой схемыРассмотрим осциллограммы, описывающие работу выпрямителя при 1=0 и 2=300 при угле коммутации =100.На 10 а представлена полууправляемая мостовая схема выпрямления, в которой три вентиля управляемые, а три – неуправляемы. На рисунке 10 б-г показаны диаграммы выпрямленного напряжения и сетевого тока. При α = 0 эл. град. выпрямленное напряжение формируется как в неуправляемом выпрямителе. При α ≤ 30 эл. град процесс выпрямления протекает следующим образом. В момент (, где ω – угловая частота, t – время) отпирается вентиль VS1, и ток нагрузки до момента протекает через вентили VS1 и VD2. В момент ток нагрузки переходит с вентиля VD2 на вентиль VD3, так как катод последнего становится более отрицательным. Управляемый вентиль пропускает ток до момента , когда подается импульс на управляющий электрод вентиля VS2. При α > 30 эл. град. процессы изменяются. В момент подан управляющий импульс на вентиль VS3, ток нагрузки пропускают вентили VS3 и VD2. В момент напряжение между анодом и катодом вентиля VS3 оказывается равным нулю, и он запирается. Напряжение на нагрузке становится равным нулю до момента следующего отпирания управляемого вентиля. В случае активно-индуктивной нагрузки напряжение на интервале так же равно нулю, так как ток, обусловленный энергией, накопленной в нагрузке, замыкается через диод VD3 и вентиль VS3, отключая нагрузку от сети.Рисунок 10 - Схема полууправляемого выпрямителя.11. Гармонический анализ выходного напряжения преобразователяФункцию напряжения ud(t) на нагрузке, получаемого в трехфазной мостовой схеме, можно представить в виде:ud(t)= Ud [1 + (2/35cos6сt (2/141cos12сt +(1/323)cos18сt+…]где Ud =3√3U2m/3√6U2/=3U2Л/- среднее напряжение на нагрузке; U2 – фазное напряжение на вторичных обмотках; U2m– амплитудное значение напряжения на вторичных обмотках; U2Л - линейное напряжение между вторичными обмотками.По разным определениям коэффициентом пульсаций q (коэффициентом гармоник) называется:– отношение амплитуды напряжения основной гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения на нагрузке:– отношение – отношение где Udmax, Udmin – максимальные и минимальные мгновенные значения выпрямленного напряжения, U1 – амплитуда первой (основной) гармоники; Un – амплитуда высших гармоник.Таблица 11.1 Расчет гармонического состава выходного напряжения.ог=ог2=2ог2=3ог2=4ог2=5ог2=6ог2=7огU, ВUd0,057∙Ud0,014∙Ud0,003∙Ud0000q'0,057q''0,07q'''0,042Рисунок 11.1 – Спектры частот напряжения.Рассмотрим влияние гармоник преобразователя на состояние сети и работу различных устройств.Влияние несинусоидальности напряжений и токов на работу электрооборудования ощущается практически во всех странах с развитой промышленностью и, как правило, приводит, с одной стороны, к увеличению потерь напряжения и мощности в сетях, уменьшению их пропускной способности, а с другой — к нарушению нормальной работы и уменьшению срока службы электрооборудования.Список использованных источников1 Забродин Ю. С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982, 496 с.2 Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф.И. Ковалева. – М.: Энергоатомиздат, 1967. – 480 с. ; М.: Энергоатомиздат, 1978. – 448 с.3 Судовая электротехника и электроника: учебник / Под ред. Вилесова Д.В., Л. Судостроение, 1985, 312 с. 4 Чиженко И. М., Руденко В. С, Сенъко В. И. Основы преобразователь-ной техники. М.: Высшая школа, 1974, -429 с.