Выбор силовой схемы реверсивного тиристорного преобразователя

1. Выбор силовой схемы реверсивного  
тиристорного преобразователя

В зависимости от мощности и назначения электропривода могут  применяться различные силовой схемы реверсивных тиристорных преобразователей [1,4]. Нужно стремиться к применению наиболее простых схем, содержащих минимальное количество вентилей. Однако упрощение схемы обычно приводит к ухудшению ее технических показателей. Поэтому при проектировании обычно принимается компромиссное решение, основанное на технико-экономическом сравнении вариантов.

Все реверсивные преобразователи  делятся на два класса: однокомплектные и двухкомплектные. В настоящее время наиболее распространенными являются двухкомплектные тиристорные преобразователи, выполненные по встречно-параллельной или перекрестной схемам соединения вентильных групп. Вентили в группах могут соединяться по нулевой или мостовой схемам.

В данном курсовом проекте рекомендуется использовать трехфазную мостовую схему преобразователя так как она обладает следующими преимуществами над нулевой:

- при одинаковой фазной ЭДС среднее  значение выпрямленного напряжения в мостовой схеме в два раза больше;

- частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза выше (300 против 150 Гц), а амплитуда пульсаций меньше.

- при одинаковой мощности нагрузки типовая мощность трансформатора меньше, чем для нулевой;

- отсутствует подмагничивание  сердечника трансформатора.

Вентильные группы,  входящие  в  схему реверсивного выпрямителя могут, как указывалось выше, соединяться двумя способами: по перекрестной или встречно-параллельным  схемам [4]. Схемы отличаются количеством вторичных обмоток силового трансформатора. Из-за простой  конструкции  трансформатора в схеме со  встречно-параллельным  соединением следует ей отдавать предпочтение. силовая схема трехфазного мостового реверсивного преобразователя с устройствами коммутации и защиты представлена на  
рис. 1.1. По заданию, в курсовом проекте управление вентильными группами – совместное согласованное. для ограничения возникающих при этом уравнительных токов используются два ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2.

 

 
2. Расчет  и выбор элементов силовой  схемы  
преобразователя

 

2.1. Расчет и  выбор трансформатора

 

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям  тока I_2ф.расч напряжению U_2ф.расч, и типовой мощности S_Т. Напряжение первичной обмотки U_1ф должно соответствовать напряжению питающей сети.

Расчетное значение напряжения U_2ф.расч вторичной обмотки трансформатора, имеющего ТП с нагрузкой в режиме непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой

              (2.1)

где k_u= 0,427 – коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_d0 в идеальном трехфазном мостовом выпрямителе;

k_c=1,1 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

k_a=1,1 – коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

k_R=1,05 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и при коммутации;

U_d.ном – номинальное напряжение на выходе преобразователя (принимается равным номинальному напряжению двигателя U_{d ном}= U_ном).

Расчетное значение тока вторичной обмотки

                        (2.2)

где k_I =0,815 – коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_d в идеальной мостовой схеме;

k_i=1,1 – коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

I_d.ном – значение номинального тока двигателя.

                                (2.3)

где  Р_ном– номинальная мощность электродвигателя;

h_ном - номинальное значение КПД электродвигателя;

U_ном - номинальное напряжение электродвигателя.

Рассчитываем (предварительно) действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

                (2.4)  

где  k^’_тр - расчетный коэффициент трансформации трансформатора.

                                         (2.5)

где U_1ф - фазное напряжение первичной обмотки трансформатора,  
U_1ф =220 В;

k_i1- схемный коэффициент первичного  тока. принимаем k_i1=0,815  [1, табл. 2.1].

мощность первичной обмотки трансформатора

                       (2.6)

где   m₁ - число фаз первичной обмотки, m₁ =3.

мощность вторичной обмотки трансформатора

, (2.7)

где m₂ - число  фаз  вторичной  обмотки  трансформатора, m₂ =3;

I_2.расч - действующее расчетное значение вторичного тока трансформатора;

U_2ф - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора. ориентировочно принимаем U_2ф = U_2ф.расч;

0.5% Р_ном – мощность потребляемая системой управления.

типовая мощность трансформатора

     (2.8)

Трансформатор выбираем из условий:

– номинальное фазное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора должно быть близким к значению U_2ф.расч:  
0.95×U_2ф.расч £ U_2ф.ном £ 1.2×U_2ф.расч;

– ток вторичной обмотки трансформатора должно быть больше или равен I_2.расч: I_2н³ I_2.расч.=86,652

–номинальная мощность трансформатора должна быть больше или равна типовой: S_ном ³ .

трансформатор выбираем по [2, табл.8.5]. Обратите внимание на то, что в справочнике приводятся номинальные значения линейных напряжений обмоток.

Параметры выбранного трансформатора сводим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

 

Параметры трансформатора

Наименование	Обозначение	Значение
Номинальная мощность, кВА	Sном	32
Напряжение вентильной обмотки (линейное), В	U2ном	120
Ток вентильной обмотки, А	I2ном	87
Напряжение сетевой обмотки (линейное), В	U1ном	380
Мощность холостого  хода, Вт	Pхх	330
Мощность короткого  замыкания, Вт	Pкз	1900
Напряжение короткого  замыкания, %	Uкз	5,5
Ток холостого хода, %	Iхх	6

 

Рассчитываем действительный коэффициент трансформации выбранного трансформатора

                          (2.9)

где U_1ф.ном = U_1ном / Ö3,  U_2ф.ном = U_2ном / Ö3 – номинальные значения фазного напряжения первичной и вторичной обмоток.

действительные значения рабочих токов первичной и вторичной обмоток

I₂ = I_2расч,

                                      (2.10)

2.2. Расчет и  выбор тиристоров

 

Тиристоры  выбираются  по  среднему  значению  тока,  протекающему через них и величине обратного напряжения.

При этом должен быть обеспечен достаточный запас  по току и напряжению.

Среднее значение тока тиристора

                      (2.11)

где k_зi=1,6 – коэффициент запаса по току;

k_ох – коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении k_ох=0,35;

k_вэ - коэффициент, принимаем по [1, табл.1.9], =0,333.

Максимальная величина обратного напряжения

                       (2.12)

где k_зU=1,8 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы U_обр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

k_Uобр – коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений U_bmax/U_d0, для мостовой схемы выпрямления k_Uобр=1,045;

U_d0 – наибольшее среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя (напряжение условного холостого хода). Для трехфазной мостовой схемы выпрямления U_d0=2.34U_2ф.ном

Условия выбора тиристоров:

– максимальный средний ток тиристоров открытом состоянии  должен быть больше или равен  значению I_а,  I_{ос.ср.max}³ I_а;

– повторяющееся обратное напряжение тиристора должно быть больше или равно значению U_b.тах , U_обр.п ³ U_b.тах.

Из справочника [3] выбираем  марку тиристоров (низкочастотных).

Т161-125-6

Параметры выбранных  тиристоров сводим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Параметры тиристоров

Наименование параметра	Обозна-чение	Значение
Максимальный средний  ток в открытом состоянии, А	Iос.ср.max	150
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В	Uобр.п	600
Ударный ток в открытом состоянии, А	Iос.удр	2500
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/мкс	(duзc/dt)кр	500
Ток удержания, мА	Iуд	250
Импульсное напряжение в открытом состоянии, В	Uос,и	1,75
Отпирающий постоянный ток управления, мА	Iупр	200
Время включения, мкс	tвкл	25
Время выключения, мкс	tвыкл	250
Отпирающее постоянное напряжение, В	Uупр	3,5

 

 

 

2.3. Расчет и выбор уравнительных реакторов

 

В мостовом преобразователе  с совместным управлением присутствуют уравнительные токи.

Для уменьшения уравнительных  токов  в схему вводят 4 насыщающихся или 2 ненасыщающихся уравнительных реактора.

для расчета принимаем схему с двумя  ненасыщающимися уравнительными реакторами (рис.1.1).

Определяем индуктивность  уравнительных реакторов [4, стр.133]

 

                                (2.13)

где k_Д - коэффициент действующего значения уравнительного тока. принимаем по [4, рис.1-158] k_Д =0,62;

U_2ф.max – амплитудное значение фазного напряжения трансформатора,  U_2ф.тax = Ö2× U_2ф.ном,

w - круговая частота сети, w =314 ;

I_ур – действующее значение уравнительного тока

. (2.14)

для схемы выбираем 2 ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2 с рассчитанной индуктивностью.

 

2.4. Расчет и  выбор сглаживающих дросселей

 

Пульсации выпрямленного  напряжения приводят к пульсациям выпрямленного  тока, которые ухудшают коммутацию электродвигателя и увеличивают его нагрев.

Для сглаживания пульсаций  выпрямленного напряжения применяют сглаживающие дроссели.

Определяем индуктивность  сглаживающего дросселя по формуле  [4, стр. 132]

, (2.15)

где k - кратность гармоники. В выходном напряжении преобразователя наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, поэтому  принимаем k=1;

p - количество пульсаций за период. Для мостовой схемы p = 6;

p_(1)%- допустимое действующее значение основной гармоники тока, принимаем p_(1)%- =8%;

 - амплитудное значение гармонической составляющей выпрямленного напряжения, определяем по [4,стр.131]

 

  (2.16)

где  a - угол управления тиристорами, a = 30 ;

U_d0 - максимальное среднее значение выпрямленного напряжения, U_d0=2.34× U_2ф.ном=276,822

w - круговая частота сети;

I_d.ном- номинальный выпрямленный ток преобразователя.

Так как индуктивность  выбранного уравнительного  реактора больше  индуктивности  сглаживающего дросселя (L_ур > L_d),  то отказываемся от установки последнего в силовую цепь преобразователя.

Уравнительного реактора будет достаточно для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

 

2.5. Расчет и  выбор силовой коммутационной  и защитной

аппаратуры

2.5.1. Расчет  и выбор R-C цепочек

 

Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения используется RC цепочки, которые подключаются параллельно каждому тиристору.

Используя стандартный ряд сопротивлений выбираем резистор с сопротивлением в пределах 18…51Ом [11].

Из уравнения [5, стр.81]

, (2.17)

где  U_уст- установившееся  напряжение  на  тиристоре,

U_уст = Ö2 U_2л.ном;

- максимально допустимая критическая скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре (табл. 2.2), находим постоянную времени t и значение емкости . Используя стандартный ряд емкостей, выбираем емкость конденсатора.

Используя стандартный  ряд емкостей выбираем конденсатор С=8нФ

 

2.5.2. Расчет  и выбор предохранителей

 

Для защиты тиристорного преобразователя от внутренних коротких замыканий во вторичную обмотку трансформатора установим предохранители.

Находим амплитудное  значение базового тока короткого замыкания по формуле

 

, (2.18)

где U_2ф.max – амплитудное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2ф.max = Ö2× U_2ф.ном;

x_2Т - индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

r_2Т - активное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке.

Находим полное, активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки трансформатора [4, стр.105]:

, (2.19)

где U_{к %} - напряжение короткого замыкания (табл. 2.1).

U_2л.ном - номинальное линейное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора.

Активное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

, (2.20)

где  Р_кз - мощность короткого замыкания (табл. 2.1);

I_2.ном - номинальный ток вентильной обмотки (табл. 2.1).

Индуктивное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

. (2.21)

Для нахождения ударного тока внутреннего короткого замыкания определяем коэффициент k₁ по графику [4, рис.1-129а] в зависимости от ctgj_к

.

Если значение ctgj_к получается больше 1, то при определении коэффициента k₁ значение ctgj_к  принимается равным 1

ударный ток внутреннего короткого замыкания

.

Выбираем плавкий предохранитель (типа НПН, ПН2 или ПР-2) [12], исходя из условий:

- номинальное напряжение  предохранителя должно соответствовать напряжению цепи U_2.ном, в которой он установлен;

- номинальный ток предохранителя I_пр.ном должен быть больше

 максимального рабочего тока I₂, протекающего через него;

- номинальный ток плавкой вставки I_пл.вст должен быть больше или равен максимальному рабочему току I₂, протекающего через него.

После выбора предохранителя и плавкой вставки производится проверка предохранителя на срабатывание при коротком замыкании

.

I_пл.вст<

 

параметры выбранного предохранителя необходимо свести в таблицу 2.3

 

Таблица 2.3

параметры  предохранителя

Тип предохранителя	ПН2-250
Номинальное напряжение предохранителя, В.	380
Номинальный ток предохранителя, А.	250
ток плавкой вставки предохранителя, А.	200

 

 

 

2.5.3. Расчет и выбор автоматического выключателя

 

Для защиты тиристорного преобразователя от внешних коротких замыканий  в  первичную  обмотку трансформатора устанавливают автоматический выключатель.

Для вычисления ударного тока внешнего короткого замыкания

определяем коэффициент k₂ по  [4, рис.1-127а] в зависимости от ctgj_к:

.

k₂=0.84

 

ударный ток внешнего короткого замыкания:

 

автоматический выключатель с комбинированным расцепителем [12] (рекомендуются следующих типов А3100, А3700, АЕ2000, АП50 и др.) выбирают из условий:

-номинальный ток автомата должен быть больше  рабочего тока  первичной обмотки трансформатора

;

-номинальное напряжение автомата должно быть больше или

равно сетевому напряжения U_1.ном;

-число полюсов было равно числу фаз питающей сети;

-номинальный ток теплового расцепителя должен  быть  больше рабочего  тока I₁;

-номинальный ток электромагнитного расцепителя должен быть больше  рабочего тока  I₁;

-ток срабатывания электромагнитного расцепителя должен быть меньше действующего значения ударного  тока  внешнего короткого  замыкания протекающего через выключатель  ;

Выписываем параметры выбранного автоматического выключателя в таблицу 2.4

 

 

 

 

 

Таблица 2.4

параметры автоматического выключателя

Тип автоматического выключателя	АЕ-20
Число полюсов	3
Номинальное напряжение, В.	380
Номинальный ток автомата, А.	100
Номинальный ток теплового  расцепителя, А.	80
Номинальный ток электромагнитного  расцепителя, А	80
ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А.	700

 

 

 

3. Выбор структуры и основных узлов системы

импульсно-фазового управления (СИФУ)

тиристорным преобразователем

 

Система управления преобразовательным устройством предназначена для генерирования и формирования управляющих импульсов определенной формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента подачи на управляющие электроды вентилей преобразователя. В настоящее время широкое распространение получили электронные (полупроводниковые)  системы  управления  вентильными преобразователями,  так  как  они имеют ряд преимуществ перед электромагнитными системами: высокое быстродействие, надежность, малая потребляемая мощность и малые габариты.

Системы  управления,  в которых  управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать, называют импульсно-фазовыми.

Системы  управления могут выполняться по синхронному и асинхронному принципам.

Синхронный принцип импульсно-фазового управления преобразователями является наиболее  распространенным. Его характеризует такая функциональная связь узлов СУ, предназначенных для получения управляющих  импульсов, при которой синхронизация управляющих импульсов осуществляется напряжением сети переменного тока.

Асинхронные системы  управления преобразователями применяются при существенных искажениях  напряжения питающей сети, в частности при значительной несимметрии трехфазных напряжений по величине и фазе. Использование в таких условиях синхронной системы  невозможно ввиду получающейся  недопустимой  асимметрии  в  углах по каналам управления  тиристорами.  Наиболее  распространены асинхронные СУ в преобразователях,  потребляющих  мощность, соизмеримую с мощностью питающей сети. В данном проекте необходимо использовать синхронную систему управления.

Существуют системы  управления, построенные по горизонтальному и вертикальному принципу. Горизонтальное управление не нашло широкого  распространения, так как мостовые фазовращатели критичны к форме и частоте подаваемого напряжения. Исходя из вышесказанного, выбираем систему управления, построенную по вертикальному принципу.

Функциональная схема  СИФУ изображена на рис 3.1 и содержит:

ИСН – источник  синхронизирующего  напряжения  (трехфазный  маломощный трансформатор);

УО – управляющий орган;

ГОН – генератор опорного напряжения;

НО1 – нуль-орган;

ФДИ – формирователь  длительности импульсов;

УИ – усилитель импульсов;

ВУ – выходное устройство;

 

 

 

 

                                                    Рис. 3.1. Функциональная схема СИФУ 

4. Расчет и выбор основных  элементов системы импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразователя

        для расчета основных элементов системы импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразователя вначале требуется выбрать тип цифровых и аналоговых микросхем.

 

 В качестве операционного  усилителя выберем микросхему  К140УД7 с параметрами, приведенными  в таблице 4.1

Таблица 4.1

Параметры ОУ К140УД7.

Параметр	Значение
Коэффициент усиления
Напряжение смещения нуля , мВ	9
Входные токи , нА	400
Разность входных токов  , нА	200
Максимальный выходной ток  , мА	20
Максимальное выходное напряжение , В	10,5
Максимальное входное напряжение , В	12
Максимальное входное синфазное  напряжение , В	12
Напряжение питания  , В	±15
Нагрузка подключаемая к выходу ОУ  RВЫХ.ДИФ.,МОм	0,4

 

Выбираем в качестве логических элементов будем применять  микросхемы серии К155 с параметрами, приведенными в таблице 4.2:

        К155ЛА3 – 4 логических  элемента “2И-НЕ”;

К155ЛЕ1 – 4 логических элемента “2ИЛИ-НЕ”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.2      Параметры логических элементов.

Параметр	Значение
Максимальное напряжение питания  , В	6
Максимальное напряжение на входе  , В	5,5
Минимальное напряжение на входе  , В	-0,4
Входной ток “нуля”, не более  , мА	-1,6
Входной ток “единицы”, не более  , мА	0,04
Выходной ток “нуля”, не более  , мА	16
Выходной ток “единицы”, не более  , мА	6
Выходное напряжение “нуля”, не более  , В	0,4
Выходное напряжение “единицы”, не менее  , В	2,4
Коэффициент разветвления по выходу	10
Коэффициент объединения по входу	8

     Выходной  ток «единицы» рассчитывается  как: I¹_ВЫХ=U¹_ВЫХ/R_ВЫХ, где R_ВЫХ=0,4 кОм – максимальная нагрузка подключаемая к выходу логического элемента[7].

I¹_ВЫХ=2,4/0,4·10³=6·10^-3А.

Полученное значение заносим в таблицу 4.2.

 

4.1. Расчет и выбор элементов генератора опорного напряжения

Для работы СИФУ используется косинусоидальное или линейное пилообразное опорное напряжение, максимальное и минимальное значения которого должны находиться в точках естественной коммутации вентилей. Для трехфазных схем преобразователей точки естественной находятся в точках пересечения фазных напряжений.

Для примера, вначале, рассмотрим генератор опорного косинусоидального напряжения (рис 4.1) Он состоит  из трехфазного трансформатора  синхронизации Т1, действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки U_2синх которого выбирают в пределах 12…18 В, и инвертирующего усилителя (на основе операционного усилителя).

чтобы максимальное и минимальное значения опорного напряжения  находились в точках естественной коммутации вентилей, необходимо напряжение последующей фазы трансформатора синхронизации, имеющего такую же группу соединения обмоток, как и силовой трансформатор (U\U-0), проинвертировать. Этим достигается нужный сдвиг косинусоиды опорного напряжения относительно силового напряжения (рис. 4.2).