Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» Филиал ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» в г. Златоусте Факультет техники и технологий Кафедра электрооборудования и автоматизации производственных процессов Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ по дисциплине «Вентильные преобразователи постоянного и переменного тока» 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ КП Нормоконтролер Руководитель проекта Сергеев Ю.С. « » 2023 г. Сергеев Ю.С. « » 2023 г. Автор работы: студент группы ФТТ-303 Щетинин А.С. « » 2023 г. Работа защищена с оценкой « » Златоуст 2023 2023 г. АННОТАЦИЯ Щетинин А.С. Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока – г. Златоуст: филиал ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» в г. Златоусте, кафедра ЭАПП; 2024 г., 39 с., библиогр. список – 6 наим., 11 ил., прил. 1 лист чертежа. В данном курсовом проекте рассматривается расчет тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока. Выполнение расчетов параметров силового трансформатора, выбор элемента вентильной части преобразователя, подбор тиристоров, подбор сглаживающего реактора, расчет и исследование характеристик преобразователя. Изм. Лист № докум. Разраб. Щетинин А.С. Провер. Сергеев Ю.С. Реценз. Н. Контр. Утверд. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ КП Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока Пояснительная записка Лит. к Лист Листов 39 2 Филиал ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» в г. Златоусте Кафедра ЭАПП СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 4 1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ .............................................................................. 5 2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА. 6 3 ПРОВЕРКА ВЫБРАННОГО ТРАНСФОРМАТОРА ........................................... 9 4 ВЫБОР ТИРИСТОРОВ ..................................................................................... 12 5 ПРОВЕРКА ТИРИСТОРОВ ПО НАГРЕВУ ...................................................... 16 6 ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ И ПРОВЕРКА ТИРИСТОРОВ НА ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ .............................................................................. 20 7 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СГЛАЖИВАЩЕГО РЕАКТОРА ............. 25 8 ВНЕШНИЕ, РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.......................................................................................... 28 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................. 37 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................... 39 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 3 ВВЕДЕНИЕ В задачу данного курсового проекта входит расчет и выбор тиристорного преобразователей для электроприводов постоянного тока. Основными требованиями здесь выступают обеспечение правильного протекания технологического процесса, в основу этого положена задача проектирования. Цель курсового проекта – закрепление и систематизация знаний в области важного раздела промышленной электроники – преобразовательной техники путем самостоятельного проектирования тиристорного решения преобразователя комплексной для задачи электропривода постоянного тока. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 4 1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ Таблица 1– Технические данные Тип двигателя Д 808 Pн, кВт 37 Uн, В 440 tц, с 45 tп, с 2.0 tу, с 9 tо, c 5 Iп/Iн 2,0 Iу/Iн 0,9 Iн, А 96 rя, Ом 0,2170 Lя, мГн 23,2 n, об/мин 565 Примечания: Для упрощения расчетов принято: IПВ=IПИ=IП; IУВ=IУИ=IУ; IПВ1=IПИ2=IП; IУВ1=IУ; IПВ2=IПИ1=0,6IП; IУ2=0,6IУ. tПВ=tПИ=tП; tПВ1=tПВ2=tПИ1=tПИ2=tП; tУВ=tУИ=tУ; tУВ1=tУВ2=tУ. Токи IП, IУ заданы относительно номинального тока двигателя IН. Выводы по разделу один: Произведен выбор технических данных: тип двигателя, его номинальная мощность Рн и номинальное напряжение UН, его параметры – номинальный ток IН, сопротивление якорной цепи rЯ, индуктивность якорной цепи LЯ и номинальная частота вращения n. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 5 2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА Выбор трансформатора производится по расчетным значениям первичного и вторичного токов (I1,I2), фазных напряжений (U1,U2) и типовой мощности ST. Трансформатор совместно с преобразователем должно обеспечивать номинальное значение напряжения на якоре двигателя при допустимых колебаниях напряжения сети и заданном установившемся токе нагрузки Iу. Поэтому вторичное напряжение силового трансформатора рассчитывается для минимального напряжения сети Ucmin. Расчетное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора 𝐔𝟐 = 𝐊𝐑 𝐊 𝐔 𝐊 𝟎 𝐦𝐢𝐧 𝐔Н, (1) 440 − 10% = 𝟎, 𝟗 440 K R UH 1,05 ∙ 440 U2 = = = 219 В. 2,34K 0 min 2,34 ∙ 0,9 K 0min = где КR - коэффициент, учитывающий падение напряжения за счет коммутации и активных сопротивлений трансформатора, вентилей, сглаживающего реактора, предварительно KR= 1.05; КU- коэффициент схемы(для трехфазной мостовой схемы KU= 2.34); Кcmin- коэффициент, учитывающий допустимое понижение напряжения сети до Ucmin. В каталогах на трансформаторы обычно указывается линейное вторичное напряжение 𝐔𝟐Л = √𝟑 𝐔𝟐 . 𝐔𝟐Л = √𝟑 𝐔𝟐 , (2) 𝐔𝟐Л = √𝟑 ∙ 219 = 379,3 В. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 6 Установившийся ток нагрузки IУ = 96 ∙ 0,9 = 86,4 А . Расчетный вторичный ток трансформатора при токе нагрузки IУ в соответствии с формулой 𝐈𝟐 = 𝐊𝐈 𝐈𝐝 , (4) где КI – коэффициент схемы, характеризующий отношение токов 𝐈𝟐 ⁄𝐈 в 𝐝 𝟐 идеальном выпрямителе при 𝐱𝐝 = ∞ (для трехфазной мостовой 𝐊𝐈 = √ ). 𝟑 2 I2 = √ ∙ 86,4 = 70,55 А. 3 Расчетный коэффициент трансформации 𝑲𝑻 = 𝑼𝑪𝑯 𝑼𝟐Л = 𝟑𝟖𝟎 𝟑𝟕𝟗,𝟑 = 𝟏, 𝟎𝟏. Расчетный первичный ток трансформатора 𝑰𝟏 = 𝑰𝟐 70,55 = = 69,85 А. 𝑲𝑻 1,01 Расчетная типовая мощность трансформатора согласно формуле (5) 𝐒𝐓 = 𝟑(𝐔𝟏 𝐈𝟏 +𝐔𝟐 𝐈𝟐 ) 𝟐 (5) 𝟑(𝟒𝟒𝟎 ∙ 𝟔𝟗, 𝟖𝟓 + 𝟐𝟏𝟗 ∙ 70,55) ∗ 𝟏𝟎−𝟑 𝐒𝐓 = = 69,3 кВт. 𝟐 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 7 По расчетным данным выбирается силовой трансформатор, имеющий параметры, удовлетворяющие условиям: U1ЛН=UСН; SТН>SТ; U2Н>U2; I2Н>I2 Для дальнейших расчетов должны быть известны также следующие параметры трансформатора: - потери холостого хода Pxx при UСН; - потери короткого замыкания PКЗ при I1Н; - напряжение короткого замыкания UК %; - ток холостого хода Iхх %; - величина и длительность допустимых перегрузок. Выбираем по каталогу трансформатор типа ТСП-125/0,7 с параметрами, приведенными в таблице 2. Таблица 2 – Параметры трансформатора типа ТСП-63/0,7 STH, кВА 117 U1ЛН, В 380 U2ЛН, В 410 I2Н, А 164 uк, % 5,8 Ixx. % 3 Pxx, Вт 470 Pкз, Вт 2700 Выводы по разделу два: Произведен выбор трансформатора типа ТСП-125/0,7. Из сопоставления таблицы 2 и предыдущего расчета видно, что U1лн=UСН; SТН>ST; U2ЛН>U2Л; I2Н>I2. Таким образом, предварительно можно сделать вывод, что трансформатор выбран правильно. Однако необходимо еще выполнить дополнительную проверку. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 8 3 ПРОВЕРКА ВЫБРАННОГО ТРАНСФОРМАТОРА При проверке трансформатора необходимо выяснить, обеспечивает ли он нужное напряжение на выходе выпрямителя, выдерживает ли заданные перегрузки и удовлетворяет ли условиям допустимости нагрева. Зная потери и напряжение короткого замыкания трансформатора, можно найти активное, полное и индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора, приведенные ко вторичной стороне. Номинальное вторичное фазное напряжение 𝑼𝟐𝑯 = 𝑼𝟐ЛН √𝟑 = 𝟒𝟏𝟎 √𝟑 = 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 В. Найдем активное, полное и индуктивное сопротивление рассеяния фазы трансформатора, приведенные ко вторичной стороне, в соответствии с формулами (6, 7, 8). ra = za = PКЗ 3I22H , Uk %∙U2H (6) , (7) xa = √za2 − ra2 . (8) 100I2H Подставляем параметры 𝐫𝐚 = 𝐳𝐚 = 𝐏кз 𝟐𝟕𝟎𝟎 = = 𝟎, 𝟎𝟑𝟑𝟓 Ом, 𝟐 𝟑 ∙ 𝟏𝟔𝟒𝟐 𝟑𝐈𝟐н 𝐔𝐤 % ∙ 𝐔𝟐н 𝟓, 𝟖 ∙ 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 = = 𝟎, 𝟎𝟖𝟒 Ом, 𝟏𝟎𝟎𝐈𝟐н 𝟏𝟎𝟎 ∙ 𝟏𝟔𝟒 𝐱𝐚 = √𝐳𝐚𝟐 − 𝐫𝐚𝟐 = √𝟎, 𝟎𝟖𝟒𝟐 − 𝟎, 𝟎𝟑𝟑𝟓𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟕𝟕 Ом. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 9 Напряжение на двигателе (без учета падения напряжения на сглаживающем реакторе) при токе Iу и напряжении U0min, определенное по формуле (9). 𝟑 𝐔 = 𝟐, 𝟑𝟒𝐊𝟎𝐦𝐢𝐧 𝐔𝟐𝐇 − ( 𝐱𝐚 + 𝟐𝐫𝐚 ) 𝐈у − 𝟐𝐔𝐓𝐌 , (9) 𝛑 3 𝐔 = 2,34 ∙ 0,9 ∙ 236,7 − ( 0,077 + 2 ∙ 0,0335) ∗ 86,4 − 2 ∙ 2 = 480,87 В. π U > UН на 40,87 В, следовательно выбранный трансформатор обеспечивает необходимое напряжение на двигателе. Ток, потребляемый двигателем при максимальной перегрузке. IП = IH IП = 164 ∙ 2,0 = 328 А. IH Вторичный ток трансформатора при заданной перегрузке в течение 2 с 2 2 I2П = √ IП = √ 328 = 267,81 А. 3 3 Допустимый вторичный ток трансформатора в течение 10 с при перегрузке 150% I2ПДОП = 2,5I2Н = 2,5 ∙ 164 = 410 А. Трансформатор выдержит, т.к. ток перегрузки (267,81 А) и время его действия (2 с) ниже допустима значений (267,81 А < 410 А; 2 с< <10 с). Среднеквадратичный ток, потребляемый от трансформатора, с учетом формулы (10) I 2 2 2 2 I2СКВ = √ (I2ПВ t ПВ + I2УВ t УВ + I2УИ t УИ + I2ПИ t ПИ, tц (10) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 10 I2СКВ = √ 1 (267,81 2 ∙ 2,0 + 86,4 2 ∙ 9 + 86,4 2 ∙ 9 + 267,81 2 ∙ 2,0) = 45 = 96,75 А. Среднеквадратичный ток I2скв меньше номинального I2H (96,75 А < 164 А). Выводы по разделу три: Произведена проверка выбранного трансформатора, он обеспечивает нужное напряжение на выходе выпрямителя, выдерживает заданные перегрузки и удовлетворяет условиям допустимости нагрева. Таким образом, трансформатор удовлетворяет всем требованиям. Переход на трансформатор меньшей мощности невозможен, так как ток перегрузки близок к предельному значению. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 11 4 ВЫБОР ТИРИСТОРОВ Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к тиристору, Uamax определяется при максимальном напряжении сети U0max. Для трехфазной мостовой схемы U0 max = K 0 max √6U2H , где K 0 max = U0 max UCH (11) . Импульсное рабочее напряжение тиристора в закрытом состоянии UDWM и импульсное рабочее обратное напряжение URWM должны быть больше Uamax (условие 1). Значения UDWM и URWM связаны с повторяющимся импульсным напряжением в закрытом состоянии URRM и повторяющимся импульсным обратным напряжением соотношениям: UDWM = 0,8UDRM; URWM = 0,8URRM (12 ) Максимально допустимый средний ток при заданных условиях работы ITAV связан с предельным током ITAVm рядом коэффициентов, учитывающих эти условия: ITAV = K λK f K T K V ITAVm , (13) Кλ - коэффициент, учитывающий отличие угла проводимости от 180 град. эл. и отличие формы тока от синусоидальной; при прямоугольной и трапецеидальной форме тока с углом проводимости, близким 120 град. эл., можно принять Кλ = 0,8; Kf - коэффициент, учитывающий влияние частоты; при частоте 50 Гц Kf = 1; Кт - коэффициент, учитывающий температуру окружающей среды Та; при Та <40°С можно принять Кт = 1; КV - коэффициент, учитывающий скорость охлаждающего воздуха; при номинальной скорости КV =1, при естественном охлаждении без обдува КV Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 12 снижается до 0,25...О,4. Зная требуемый ток тиристора в режиме перегрузки, можно, используя указанные коэффициенты, найти предельный ток ITAVm и предварительно выбрать тип тиристора. Максимальное обратное напряжение в соответствии с (11) Ua max = K 0 max √6U2H = 1,1√6 ∙ 236,7 = 638 В. Импульсное рабочее напряжение тиристора в закрытом состоянии и импульсное рабочее обратное напряжение должны быть больше Uamax: UDWM = URWM > 638 В. Тогда повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии и повторяющееся импульсное напряжение в соответствии с формулой (12) UDRM = URRM = 638 = 797,5 В. 0,8 Таким образом, по условию 1 можно выбрать тиристоры четвертого класса. Импульсное обратное напряжение URSM должны с коэффициентом запаса КS = (1,2...1,4) превышать напряжение Uапер (условие 2): Неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии UDSM и неповторяющееся UDSM = URSM = (1,5 … 2)K s Ua max (14) Значения неповторяющихся импульсных напряжений UDSM и URSM связаны со значениями повторяющихся импульсных напряжений UDRM и URRM коэффициентами: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 13 UDSM = K НЕП UDRM ; URSM = K НЕП URRN . (15) Находим неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии и неповторяющееся импульсное обратное напряжение в соответствии с формулой (14) для условия 2 UDSM = URSM = 2 ∙ 1,3 ∙ 638 = 1658,8 В. Тогда по формуле (15) повторяющееся импульсное напряжение для нелавинных приборов UDRM = URRM = Округлив 1658,8 = 1481 В. 1,12 это значение в большю сторону, с учетом условий 1 и 2 окончательно примем тиристоры восьмого класса. Средний ток вентиля при перегрузке 𝐈𝐚п = 𝐈п 328 = = 𝟏𝟎𝟗, 𝟑𝟑 А. 𝟑 𝟑 Требуемый предельный ток с учетом формулы (13) 𝐈𝐓𝐀𝐕𝐦 = 𝐈ап 𝟏𝟎𝟗, 𝟑𝟑 = = 𝟏𝟑𝟔, 𝟕 А. 𝐊𝛌 𝐊𝐟 𝐊𝐭 𝐊𝐯 𝟎, 𝟖 ∙ 𝟏 ∙ 𝟏 ∙ 𝟏 Предварительно выбираем тиристор типа T161-160 и охладителя типа ОР171-80, имеющий параметры, приведенные в таблице 3. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 14 Таблица 3 – Параметры тиристора типа T161-160 и охладителя типа ОР171-80 Наименование параметра и обозначение Единица Значение измерения А 160 кА 4,0 Максимально допустимая температура перехода Tjm °С 125 Пороговое напряжение UT(T0) В 1,15 Дифференциальное сопротивление мОм 1,40 мА 250 Предельный ток ITAVm(температура корпуса Тс=85 С, угол проводимости λ=180 град. Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии ITSM при максимально допустимой температуре перехода Tjm 0 в открытом состоянии rT Ток удержания Iн, не более Выводы по разделу четыре По найденным значениям тока и напряжения произведен выбор тиристора типа T161-160 и охладителя типа ОР171-80. Выполним проверку тиристора по нагреву. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 15 5 ПРОВЕРКА ТИРИСТОРОВ ПО НАГРЕВУ Допустимая нагрузка тиристоров по току определяется как электрическим режимом, так и условиями охлаждения. При различных схемах выпрямления, углах регулирования и видах нагрузки длительность и форма тока, протекающего через тиристор, различны. Преобразователи могут работать в длительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах. Поэтому при одинаковых средних значениях тока потери в вентилях будут различны, что определяет различный нагрев полупроводниковой структуры при одинаковых условиях отвода тепла. Отвод тепла определяется тепловыми параметрами тиристоров и их охладителей, а также температурой окружающей среды. Таким образом, после предварительного выбора типа тиристора необходима его проверка на нагрев. Потери в тиристорах делятся на основные и дополнительные. Основные обусловлены прохождением рабочего тока и определяются падением напряжения на вентиле. Дополнительные - суммируются из потерь в цепи управления, коммутационных потерь и потерь от токов утечки. При частоте до 200 Гц они не превышают 5...10% от основных. Тогда средняя мощность потерь в тиристоре при кусочно-линейной аппроксимации прямой ветви вольтамперной характеристики может быть определена по формуле 𝑃𝑇 = 𝑈𝑇(𝑇𝑂)𝐼𝑎 + 𝐾Ф2 𝑟𝑇 𝐼𝑎2, (16) где UТ(Т0) - пороговое напряжение; Iа - среднее значение анодного тока; rт - дифференциальное сопротивление тиристора в открытом состоянии; Кф - коэффициент формы анодного тока, равный отношению действующего значения тока к среднему. Для трехфазной мостовой схемы в режиме непрерывного тока можно принять Кф = √3. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 16 Рисунок 5.1 – Переходные тепловые сопротивления переход-среда при скоростях охлаждающего воздуха: 0 м/с (1), 3 м/с (2), 6 м/с (3), 12 м/с (4) для тиристора T161160 (охладитель ОР171-80) Анодные токи вентилей при перегрузке и в установившемся режиме: 𝐈п 328 = = 𝟏𝟎𝟗, 𝟑𝟑 , 𝟑 𝟑 Iу 86,4 Iау = = = 28.8 А. 3 3 𝐈𝐚п = Мощность потерь в режиме перегрузки и в рабочем режиме с учетам формулы (16): 2 2 PТП = UТ(ТО) Iап + K 2ф Iап rТ = 1,15 ∙ 𝟏𝟎𝟗, 𝟑𝟑 + (√3) ∙ 𝟏𝟎𝟗, 𝟑𝟑 2 ∙ 1,40 ∙ 10−3 = = 175,93 Вт, 2 2 PТУ = UТ(ТО)Iау + K 2ф Iау rТ = 1,15 ∙ 28.8 + (√3) ∙ 28.82 ∙ 1,4 ∙ 10−3 = 36,6 Вт. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 17 Длительность эквивалентного прямоугольного импульса определяется по формуле (17) tэ = tэ = При PТП tП +PТУ tУ +PТУ tУ +PТП tП PТП . (17) 175,93 ∙ 2 + 36,6 ∙ 9 + 36,6 ∙ 9 + 175,93 ∙ 2 = 8 c. 175,93 циклическом характере нагрузки (рисунок 2) максимальную температуру перехода Тjm в квазиустановившемся режиме (в конце интервала проводимости при достаточно длинной серии импульсов) можно определить путем бесконечного повторения суперпозиций до выхода на установившийся процесс. Таким образом, в получена формула t t tЦ tЦ Tj = Ta + PТП[ Э R thja + (I − Э ) Z(tЦ+tЭ) − ZЦt + ZtЭ ], (18) , где 𝑍(𝑡Ц+𝑡Э), 𝑍Ц𝑡 , 𝑍𝑡Э - значения переходного теплового сопротивления Z(th)tja в соответствующие моменты времени (tц + tэ), tц, tэ . Рисунок 5.2 – Изменение температуры перехода при циклической нагрузке Максимальная температура перехода при скорости охлаждающего воздуха 6 м/с, определенная по формуле (18) tЭ tЭ Tj = Ta + PТП [ R thja + (I − ) Z(tЦ+tЭ) − ZtЦ + ZtЭ ] = tЦ tЦ = 40 + 175,93 [ 8 45 ∙ 0,55 + (I − 8 ) 0,35 − 0.32 + 0.22] = 90,240 C. 45 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 18 Сопротивления 𝑍(𝑡Ц+𝑡Э), 𝑍𝑡Ц , 𝑍𝑡Э определены по кривой рисунок 1. По ней же определено 𝑅𝑡ℎ𝑗𝑎 т.к. 𝑅𝑡ℎ𝑗𝑎 равно установившемуся значению Z(th)tja. Поскольку полученная температура перехода далека от максимально допустимой (Tjm = 125°С), то проверим возможность работы тиристора при меньшей скорости охлаждающего воздуха (3 м/с). По расчету Tj = 90,24 °С, следовательно, тиристор может работать при меньшей скорости охлаждающего воздуха. Вывод по разделу пять При проделанной проверке тиристора по нагреву принимаем, что при скорости охлаждающего воздуха 3 м/с тиристор выбранного типа не перегревается. Полученные результаты свидетельствуют о возможности перехода на другой тип тиристора с меньшим предельным током ITAVm. Следовательно расчет выполнен верно. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 19 6 ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ И ПРОВЕРКА ТИРИСТОРОВ НА ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Аварийные режимы в преобразователях, характеризующиеся протеканием больших токов, делятся на внешние аварии, вызванные короткими замыканиями (КЗ) в нагрузке, внутренние аварии, обусловленные повреждениями отдельных вентилей, и опрокидывания инвертора, происходящие из-за неправильного выбора угла управления или нарушения нормальной работы системы управления. Для защиты преобразователей от аварийных режимов применяют защитную аппаратуру - быстродействующие автоматические выключатели и быстродействующие плавкие предохранители. Для защиты от внешних КЗ и опрокидываний инвертора чаще всего применяют автоматические выключатели, устанавливаемые на стороне переменного и постоянного тока. Для защиты от внутренних КЗ, вызванных повреждениями вентилей, последовательно с вентилями устанавливают плавкие предохранители. В маломощных установках плавкие предохранители могут устанавливаться также для защиты от внешних КЗ вместо автоматических выключателей (рисунок 3). Наибольшие аварийные токи возникают при внутренних КЗ, поэтому в курсовой работе ограничимся выбором предохранителей, защищающих тиристоры от внутренних КЗ. При расчете аварийных токов обычно используют относительные единицы, принимая за базу амплитуду установившегося тока трехфазного короткого замыкания Im : Im = Kc max U2m Za , (19) , где 𝐾𝑐 𝑚𝑎𝑥 учитывает возможное повышение напряжения в сети. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 20 Рисунок 6.1 – Схема трехфазного мостового преобразователя с предохранителями для защиты от внутренних (FU2) и внешних КЗ (FUI; FU3) При внутреннем коротком замыкают из-за наличия апериодической составляющей амплитуда тока короткого замыкания (ТКЗ) в первый полупериод может существенно превысить значение Im. на рисунке 4 приведена зависимость относительного значения амплитуда ударного тока Iуд при внутреннем коротком замыкании от параметров трансформатора. Амплитуда базового тока согласно формуле (19) Im = K 0 max U2н 1,1 ∙ 236,7 ∙ √2 = = 4484 А Za 𝟎, 𝟎𝟖𝟒 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 21 Рисунок 6.2 – Амплитуда ударного тока и интеграл предельной нагрузки в относительных единицах при внутреннем КЗ тиристорного преобразователя по трехфазной мостовой схеме Определение ударного ТКЗ и интеграла предельной нагрузки. Параметр трансформатора ra 0,0335 = = 0,435 xa 0,077 По рисунку 4 I*уд=1,1; Wa=0,54∙10-2 . В абсолютных единицах Iуд = 1,1 ∙ 4484 =4933.5 А; W = 0,54∙10-2 ∙ 44842 =10,86 ∙104 А ∙с. Ударный неповторяющийся ток тиристора в открытом состоянии (в соответствии с таблицей 3) ITSM= 4∙103 А. Защитный показатель WT = 0,005 ITSM 2 = 0,005 ∙ 42 ∙ 106 = 80 ∙103 А∙с . Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 22 Из сравнения с параметром 𝑟𝑎 𝑥𝑎 видно, что тиристоры не выдерживают ударный ток: ITSM <Iуд; WT <W. Необходима установка предохранителей. Проведем предварительный выбор предохранителя. Номинальное линейное напряжение на вторичной стороне трансформатора U2лн = 410 В. По каталогу видно, что можно выбрать предохранитель типа ПП-57 на напряжение 380 В. Действующее значение тока через тиристор при токе Iу Iаду = √3Iау = √3 ∙ 28.8 = 49,88 А. Наибольший номинальный ток плавких вставок на номинальное напряжение 220 В -250 А, поэтому нужно параллельное соединение двух тиристоров. При этом , Iаду = K в Iадр 1,1 ∙ 49,88 = = 27,43 А. 𝑛в 2 Выбираем предохранитель типа ПП-57-3427 на номинальное напряжение переменного тока 220 В, номинальный ток 250 А с плавкой вставкой на номинальный ток 160 А. Проверка плавкой вставки на перегрузку. При перегрузке действующее значение тока через тиристор при параллельном соединении находится по формуле , Iаду = Проверяем K B √3Iап 1,1 ∙ √3 ∙ 𝟏𝟎𝟗, 𝟑𝟑 = = 104,15 А. 𝑛в 2 условие защиты тиристора. Действующее значение первой полуволны ТКЗ при внутреннем КЗ Iуд.д = Iуд √2 = 4933.5 √2 = 3488,51 А. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 23 Тогда по характеристикам для интеграла отключения и тока, ограниченного предохранителем, найдем I0=Iуд.д и Wпр = 265 кАс , Iпр =7 кА Тогда 𝐾в 𝐼пр 1,1 ∙ 7 ∙ 103 = = 3,850 ∙ 103 А < 4 ∙ 103 , 𝑛в 2 𝐾𝐵2 𝑊пр 1,12 ∙ 260 ∙ 103 = = 78,65 ∙ 103 Ас < 80 ∙ 103 Ас. 2 2 2 𝑛𝐵 Выводы по разделу шесть Условия защиты выполняются с большим запасом, следовательно, при выходе из строя одного из тиристоров предохранитель обеспечивает защиту остальных. Теперь можно считать, что тиристоры и предохранители выбраны окончательно. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 24 7 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР СГЛАЖИВАЩЕГО РЕАКТОРА Сглаживающий реактор выполняет три функции: сглаживает пульсации выпрямленного тока, уменьшает зону прерывистых токов и ограничивает скорость нарастания аварийного тока через тиристоры при коротком замыкании на стороне выпрямленного тока. Рассчитав необходимую индуктивность для выполнения каждой из этих функций, следует принять максимальную. Поскольку требования к зоне прерывистых токов и к ограничению ТКЗ в задании не сформулированы, то рассчитаем только индуктивность, требуемую для сглаживания. В дальнейшем при расчете внешних характеристик определим зону прерывистых токов. При расчете индуктивности сглаживающего реактора исходят из допустимого уровня пульсаций выпрямленного тока при установившейся нагрузке и номинальном напряжении на двигателе. В настоящее время отсутствуют достаточно обоснованные данные по допустимой амплитуде пульсаций выпрямленного тока. Обычно действующие значения основной гармоники пульсаций выбираются в пределах 2...15% номинального тока двигателя в зависимости от мощности, диапазона регулирования скорости и допустимого сужения зоны темной коммутации. Выпрямленное напряжение при максимальном напряжении в сети Udomax = 2,34K0maxU2H = 2,34∙1,1∙236,7 = 609,2 B. Определим угол α при номинальном напряжении на двигателе UH, токе Iу и максимальном напряжении сети (падение напряжения на активном сопротивлении реактора пока неизвестно, но оно мало, и им можно пренебречь. Вместо rт подставим половинное значение, т.к. два тиристора включены параллельно: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 25 3 cosα = UH +(π Xa +2ra+2rT )Iу +2UT(TO) Udo max , (20) 3 UH + ( X a + 2ra + 2rT ) Iу + 2UT(TO) π cosα = = Udo max 3 440 + ( 𝟎, 𝟎𝟕𝟕 + 2 ∙ 0,0335 + 2 ∙ 0,0007) ∗ 86,4 + 2 ∙ 1,15 𝜋 = = 0,746 609,2 α= 41,75 град.эл. Амплитуда первой гармоники пульсаций напряжения 2cosα √1 + m2 tg 2 αUdomax , 2 m −1 2 ∗ 0,746 √1 + 62 ∙ 0,8922 ∙ 609,2 = 141,4 В. Udm(1) = 2 6 −1 Udm(1) = Необходимая индуктивность в цепи выпрямленного тока Ld = Udm(1) 141,4 = = 0,043 Гн. mωqIу 6 ∙ 314 ∙ 0,02 ∙ 86,4 Расчетная индуктивность сглаживающего реактора L = Ld - Lя = 0,043 – 23,2∙ 10-3 = 19,8 ∙I0-3 Гн. По каталогу выбираем сглаживающий реактор типа СРОС-400/0,5 на номинальный ток 200 А с индуктивностью LL=30 мГн и активным сопротивлением обмотки rL = 30 мОм. Допустимый ток реактора в течение 11 с при перегрузке 150% IПДОП= 2,5ILH= 2,5 ∙ 200 = 500 А . Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 26 Реактор выдержит перегрузку, т.к. ток перегрузки двигателя (IП = 𝟑𝟐𝟖 А) меньше по величине и по длительности. Общая индуктивность в цепи выпрямленного тока Ld = LЯ + LL =23,2 ∙ 10-3 + 30 ∙ 1O-3 =53,2∙ 1O-3 Гн, а индуктивное сопротивление Xd = ωLd = 314 ∙ 53,2∙ 10-3 = 16,7 Ом . Напряжение на двигателе при минимальном напряжении сети и токе Iу 3 U = 2,34K с min U2H − ( X a + 2ra + 2rT + rL ) IУ − 2UT(TO) = π 3 = 2,34 ∙ 0,9 ∙ 440 − ( 𝟎, 𝟎𝟕𝟕 + 2 ∙ 0,0335 + 2 ∙ 0,0014 + 0,03) ∙ 86,4 𝜋 − 2 ∙ 1,1 = 909,46 В. Напряжение U>UH, следовательно, выпрямитель обеспечивает заданный режим. Вывод по разделу семь: Произведен расчет параметров сглаживающего реактора, по данным значениям выбираем сглаживающий реактор типа СРОС-200/0,5. По вычисленным значениям допустимого тока реактора и напряжения на двигателе при минимальном напряжении сети и токе 𝐼у , можно сделать вывод, что реактор выдержит перегрузку и выпрямитель обеспечивает заданный режим. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 27 8 ВНЕШНИЕ, РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Расчет характеристик выполняется в основном с помощью ЭЦВМ. Расчеты выполнены для следующих исходных данных: Выбрана схема: Трехфазная мостовая Параметры трансформатора: U1=440 В Pxx=470 Вт ха=0.077 Ом Кт = 1.01 Ra=0.0335 Ом Параметры вентилей: U0=1,15В Rт=0.0014 Ом D=±15.0 гр. Параметры реактора: Lp=0.03 Гн Rp=0.03 Ом Параметры нагрузки: Lя=0,0232 Гн Rя=0,2170 Ом Iу=86,4 А Кп=2 Параметры систем управления: Ucм= 0.00В Uопмакс= 10.00В, косинусоидальное опорное напряжение. Расчеты внешних характеристик выполнены для углов α=const, обеспечивающих при номинальном напряжении в сети и потребляемом двигателем токе Iу напряжение на двигателе U3 440, 220, 0, -220 и - 440 В. В таблице 8.1–8.5 приведены распечатки полученных результатов для одного значения U3. Графические зависимости приведены на рисунке 8.1. Видны области прерывистого и непрерывного тока. Расчет участка внешней и ограничительной характеристик приближенным методом при пренебрежении активными сопротивлениями. Для напряжения U3, равного 440 В, расчетом с помощью ЭЦВМ определен угол α = 63,347 гр.эл. Для этого угла произведен расчет. Таблица 8.1 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 28 Таблица 8.2 Таблица 8.3 Таблица 8.4 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 29 Таблица 8.5 Рисунок 8.1 – Внешние и ограничительные характеристики токов и напряжений Напряжение на холостом ходу в прерывистом режиме: π U = Em cos (α − ) − nг Uт(то) = 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 √6 cos(63,347 ° − 30°) − 2 ∗ 1,15 (8.1) m = 482,035 В Напряжение на непрерывном режиме: холостом ходу в идеальном выпрямителе 𝑈𝑑𝑜 = 2,34 ∗ 𝑈2 = 2,34 ∗ 219 = 512,46 В. в (8.2) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 30 Тогда граничный ток в соответствии с формулой: π 256,71 ctg 30 0 U π π 6 0,364 2.151 A. I d гр do 1 ctg sin α X m m 4 2 0.032 𝑈𝑑𝑜 𝜋 𝜋 ∗ (1 − ∗ 𝑐𝑡𝑔 ( ) ∗ sin 𝛼) = 𝑋Σ 𝑚 𝑚 𝜋 512,46 ∗ (1 − ∗ 𝑐𝑡𝑔(30)) 6 = ∗ sin(63,347) = 10.265 𝐴. 4 + 2 ∗ 0,077 𝐼𝑑 гр = (8.3, 8.4) Уравнение внешней характеристики в непрерывном режиме, при пренебрежении активными сопротивлениями U 2,34U 2 H cosα 2U T T O 3X а Id , π (8.5) Тогда при Id=Idгр 𝑈 = 2,34 ∗ 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 ∗ 0,917 − 2 ∗ 1,15 − 3 ∗ 0,077 ∗ 10.265 = 504,85 B. 𝜋 (8.6) 3 ∗ 0,077 ∗ 86,4 = 499,25 B. 𝜋 (8.7) При Id=Iу 𝑈 = 2,34 ∗ 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 ∗ 0,917 − 2 ∗ 1,15 − Уравнение ограничительной характеристики активными сопротивлениями с учетом формулы (8.7) U max 2,34U 2 H cosδmin 2U T T O при пренебрежении 3 X a Id , π (8.8) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 31 тогда при Id = 0 𝑈𝑚𝑎𝑥 = 2.34 ∗ 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 ∗ 𝟎. 𝟗𝟔𝟔 − 𝟐 ∗ 𝟏. 𝟏𝟓 = 𝟓𝟑𝟐. 𝟕𝟓 (8.9) При Id=Iу 𝑈 = −2,34 ∗ 𝟐𝟑𝟔, 𝟕 ∗ 0,917 − 2 ∗ 1,15 − 3 ∗ 0,077 ∗ 86,4 = −516,56 В (8.10) 𝜋 Расчеты регулировочных характеристик преобразователя выполнены для четырех значений тока Id: Id =Idmin= 0A, Id = Idгрmax = 10.265, Id= Iy, Id= IП. За Idгрmin можно принять ток в несколько раз больший тока удержания тиристора или ток трогания якоря двигателя. Распечатка результатов, полученных при расчете регулировочной характеристики при Id = Iy приведена в таблице 8.6, а графические зависимости на рисунке 8.2. Расчеты регулировочных характеристик преобразователя вместе с системой управления U = f(Uупр) выполнены для тех же значений тока Id что и характеристики преобразователя, напряжение смещения UCM принято равным 0. Графические зависимости приведены на рисунке 8.3 для токов и для напряжений на рисунке 8.4. Расчет энергетических характеристик КПД, cos φ, ν и χ в функции тока выполненной для заданного напряжения. Распечатка результатов расчета при U3 = 440 В приведена в таблице 8.8, графические зависимости на рисунке 8.5 Расчет энергетических характеристик в функции глубины регулирования напряжения на двигателе выполнен для тока Id = Iy. Распечатка результатов расчета приведена в таблице 8.9, а графические зависимости на рисунке 8.6 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 32 Таблица 8.6 – Регулировочная характеристика при 𝐼𝑑 = 86,4 𝐴 Регулировочная характеристика системы управления при Id= 86,4 А Uсм= 0.00 В, косинусоидальное опорное напряжение, таблица 8.7. Таблица 8.7 Рисунок 8.2 – Регулировочные характеристики в функции угла управления для однокомплектного преобразователя (косинусоидальное опорное напряжение) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 33 Рисунок 8.3 – Регулировочные характеристики преобразователя U=f(a), полученные с помощью ЭЦВМ Таблица 8.8 Таблица 8.9 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 34 Рисунок 8.4 –Энергетические характеристики при изменении тока нагрузки, полученные с помощью ЭЦВМ Рисунок 8.5 – Энергетические характеристики при регулировании напряжения на якоре двигателя, полученные с помощью ЭЦВМ Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 35 Рисунок 8.6 – Энергетические характеристики ɳ=f(Id) для разных заданных напряжений, полученные с помощью ЭЦВМ Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 36 379,3 -379,3 86,4 86,4 86,4 379,3 86,4 -86,4 379,3 -379,3 440 -440 Рисунок 8.7– Временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной мостовой схеме Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 37 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В объеме данного курсового проекта был выполнен расчет тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока. Был выполнен расчет параметров силового трансформатора, выбор вентильной части сглаживающего преобразователя, реактора, расчет подбор и элемента тиристоров, исследование подбор характеристик преобразователя. Следует отметить всю важность правильного выбора оборудования. Ведь если эти величины не будут соответствовать расчетным, то весь технологический процесс производства будет нарушен, что ни коем образом недопустимо. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 38 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Булгаков, А.А. Новая теория управляемых выпрямителей / А.А. Булгаков. – М.: Наука, 1970. – 320 с. 2. Гельман, преобразователей для М.В. Проектирование тиристорных электроприводов постоянного тока: учебное пособие / М.В. Гельман. – Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1996. – 91 с. 3. Глух, Е.М. Защита полупроводниковых преобразователей / Е.М. Глух, В.Е. Зеленев. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 153 с. 4. Зимин, Е.Н. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями / Е.Н. Зимин, В.Л. Кацевич, С.К. Козырев. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 192 с. 5. Предохранители плавкие серии ПП57: каталог 07.04.07–84. Электротехника ОСОР. – М.: Информэлектро, 1985. – 12 с. 6. Реакторы серии СРОС: каталог 03.81.06–89. Электротехника СССР. –М.: Информэлектро, 1989. – 4 с. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13.03.02.2023.161.40.00 ПЗ 39
