Преобразовательная техника

Содержание

Введение 3

1. Технические условия на разработку 4

2.Технические данные двигателя 4

3. Проектирование тиристорного преобразователя 5

3.1 Выбор   тиристорного преобразователя 5

3.2 Выбор токоограничивающего реактора 7

3.3 Выбор тиристоров. 8

3.4 Расчёт индуктивности и выбор сглаживающего дросселя 10

3.5 Выбор СИФУ 12

3.6 Характеристики тиристорного преобразователя 17

3.7 Расчёт энергетических характеристик 20

4. 3ащита тиристорного преобразователя 27

4.1. Разновидности и причины аварийных режимов 27

4.2 Требования к защите 29

4.3 Выбор защитных аппаратов 30

Заключение 38

  Список использованных источников 39

 

Введение

Выпускаемые отечественной  промышленностью полупроводниковые  неуправляемые и управляемые вентили позволяют создавать компактные, малогабаритные статические преобразователи тока, которые находят широкое применение в промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, самолетах и т.п. Различные выпрямители используются для возбуждения электрических машин, для питания якорей двигателей в системах электропривода постоянного тока, электролизных установок в химической промышленности и цветной металлургии и для многих других потребителей народного хозяйства нашей страны.

Автоматизированный электропривод  выполняется в виде комплектного устройства, состоящего из регулируемого источника питания двигателя и системы управления приводом. В качестве регулируемого источника питания в этих устройствах применяются тиристорные агрегаты, которые по сравнению с другими преобразователями обладают существенными технико-экономическими преимуществами: высоким    к. п. д., компактностью, отсутствием подвижных контактов и вращающихся масс, отсутствием таких токсичных материалов, как ртуть, постоянной готовностью к работе, широким температурным диапазоном работы, высокой надежностью и удобством в эксплуатации.

Однако не только рациональная конструкция и высокое качество изготовления определяют надежность работы тиристорных агрегатов на объекте. Решающим условием надежности, в значительной степени зависящим от обслуживающего персонала, является поддержание качественных показателей, достигнутых на заводе, на должном уровне при эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

 

1. Технические  условия на разработку

В качестве нагрузки тиристорного преобразователя применен двигатель  постоянного тока независимого возбуждения типа 2ПФ315МУХЛ4, сеть трехфазная переменного тока 380 В, режим работы электропривода – реверсивный.

2. Технические данные двигателя

Технические данные двигателя 2ПФ315МУХЛ4 представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1.

N п/п	Наименование	Ед. изм.	Величина
1.	Номинальная мощность, Рн	кВт	160
2.	Номинальное напряжение,Uн	В	440
3.	Номинальный ток якоря, Iн	A	404,04
4.	Частота  вращения,     –– номинальная, nн      –– максимальная, nmax	об/мин об/мин	1900 2400
5.	КПД, η	%	90
6.	Сопротивление обмоток  при 15о С   –– якоря, rя   –– добавочных полюсов,  rдп   –– обмотки возбуждения,  rв	Ом Ом Ом	0,012 0,0071 25,6

Номинальный ток якоря, I_н найдем из выражения

 

3. Проектирование тиристорного  преобразователя

3.1. Выбор   тиристорного преобразователя

Для заданной мощности Р_н, напряжения U_н, тока I_н, перегрузочной способности = 2,5 наиболее целесообразной схемой выпрямления является трехфазная мостовая схема с питанием от сети переменного тока 380 В., реакторный вариант; преобразователь реверсивный по встречно-параллельной схеме с раздельным управлением вентильными группами.

При определении номинальных  значений выпрямленного напряжения и тока необходимо обеспечить:

и учесть

Этим условиям отвечает тиристорный  преобразователь со следующими номинальными данными:

где - перегрузочная способность тиристорного преобразователя в течение 10 с.

Этим условиям удовлетворяет тиристорный преобразователь из серии КТЭ

КТЭ-500/440-131-1ВМТД-УХЛ4 на = 500 A., U_dн = 440 В. со следующими данными:

КТЭ – комплектный тиристорный электропривод;

500 – номинальный ток;

440 – номинальное напряжение;

1 – однодвигательный электропривод без линейного контактора;

3 – реверсивный с изменением напряжения на якоре;

1 – исполнение ТП с реактором;

1 – АСР скорости однозонная;

В – наличие  устройства питания обмотки возбуждения;

М, Т, Д – наличие питания тормоза, тахогенератора, динамического торможения;

УХЛ – климатическое исполнение;

4 – категория размещения по ГОСТ15150-69.

 

 

Силовая схема представлена на рисунке 3.1. Схема РТП встречно-параллельная.

Рисунок 3.1. Принципиальная схема реверсивного тиристорного преобразователя, работающего на двигатель постоянного тока.

3.2. Выбор токоограничивающего реактора

Максимально расчетное значение выпрямленной ЭДС в режиме непрерывного тока определяется по формуле:

Uн – номинальное значение напряжения на двигатели;

 I_н – номинальное значение выпрямленного тока преобразователя;

 α_min – минимальный угол регулирования;

 α_min=15÷20º – если особых требований в отношении динамических показателей электропривода не предъявляется;

 ∆U – падение напряжения на тиристоре;

 а_в – коэффициент, учитывающий число коммутаций фазы за период;

 в, с_т, d – расчетные коэффициенты;

 k_сет – коэффициент, учитывающий индуктивность сети переменного тока;

 k_сет=1,0÷1,2 – при проектировании маломощных и средней мощности электроприводов;

е_к% – напряжение короткого замыкания; е_к% =5÷10%;

∆P_м% – потери; ∆P_м% =1÷3%;

∆U_С% – возможные колебания напряжения сети; ∆U_C% =5%.

Таблица 3.1. – Расчетные коэффициенты схемы выпрямления

схема выпрямления	kсх	ав	в	ст	d	kп
трехфазная мостовая	2,34	2	0,0025	0,0052	0,0043	1,045

Силовой реактор выбирается по следующим номинальным данным:

Исходя из тока фазы

и напряжения сети U_с = 380 B.

Выбирается токоограничивающий реактор РТСТ-410-0,101УЗ 
            I_р=410 А.; U_р=410 B.; L_р=0,101 мГн.; R_р=3,8 мОм.

Структура условного обозначения:

Р – реактор;   

Т – трехфазный; 

С – сухой, охлаждение естественное воздушное при открытом исполнении;   

Т – токоограничивающий;  

410 – номинальный ток;

0,101 – индуктивность фазы;

 УЗ – климатическое исполнение.

3.3 Выбор тиристоров.

Расчёт силового модуля

На основании номинальных  данных преобразователя необходимо выбрать тиристоры, схему соединения и число вентилей в плече.

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления при  I_dн=500 А. и _тп = 2,25 выбираются тиристоры серии Т.

Тиристоры серии  Т допускают эксплуатацию при  температуре окружающей среды от -60° до +55°С с охладителями в соответствии с ТУ-16-729,377-83, с критической скоростью нарастания тока (di/dt) = 320 A/мкc. Время обратного восстановления тиристора не более 40 мкс, падение напряжения в открытом состоянии не более 2,0 В., максимально-допустимый средний ток с охладителем конструкции 0153 находится в пределах (225 640) А. при скорости охлаждающего воздуха соответственно (0 12) м/с.

На    основании    номинальных   данных   тиристорного    преобразователя выбираем тиристор Т123-500-8-4-УХЛ-2.

 

Структура обозначения тиристора следующая:

Т – тиристор;

1– порядковый номер модификации конструкции;

2 – обозначение диаметра корпуса;

3 – обозначение конструктивного исполнения корпуса

500 – максимально допустимый средний ток в открытом состоянии, при t_кopnyca=90С;

8 – повторяющееся импульсное напряжение

в закрытом состоянии, 800 В. (класс)

4 – критическая скорость нарастания напряжения в открытом состоянии, не менее 200 В/мкс для 4 гр.;

УХЛ – климатическое исполнение;

2 – категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Число параллельно включенных тиристоров в плече определяется

где m=3 – число фаз питающей сети;

 I_пр – предельный ток выбранного тиристора;

 k₁ = 0,9 – коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки параллельно включённых тиристоров;

 k₂ = 0,9 – коэффициент, учитывающий неравномерную длительность включения тиристоров;

 k₃ = 1 – для принудительного воздушного охлаждения;

I_пр – предельный ток выбранного тиристора;

По результатам расчётов принимается необходимое (целое) число  параллельно включенных тиристоров в плече (принимается один тиристор в плече).

Число последовательно включенных тиристоров в плече

где - максимальное обратное напряжение на тиристоре

- коэффициент запаса по напряжению;

 В. – номинальное напряжение тиристора (соответствует классу тиристора).

Так как число параллельно и последовательно включенных тиристоров принято равным единице, то нет необходимости в установке индуктивных делителей тока и делителей напряжения

Рисунок 3.2. Вентильная часть  реверсивного тиристорного преобразователя, импульсный узел тиристора.

3.4. Расчёт индуктивности и выбор сглаживающего дросселя

Сглаживающий  дроссель включается последовательно с якорем двигателя и его индуктивность рассчитывается следующим образом.

Критическая индуктивность силовой цепи из условия сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

 где

P₁% = 5% принятая величина действующего значения основной гармоники переменной составляющей выпрямленного тока.

Е_dnm - амплитуда основной гармонической выпрямленной ЭДС n-го порядка

Критическая индуктивность  силовой цепи из условий ликвидации прерывистого режима на холостом ходу двигателя (принять 10% от , _яхх= ∙10% =0,1∙404,04=40,404 А.).

Индуктивное  сопротивление 

Из двух значений критической индуктивности выбирается большее, и по уравнению

определяется  требуемая индуктивность сглаживающего дросселя L_сд

 

 

где

где β – эмпирический коэффициент, для компенсированных машин β=0,1;

р – число пар полюсов;

U_н, I_н, ω_н – соответственно номинальные значения напряжения, тока, частоты вращения двигателя

Выбирается один сглаживающий дроссель типа ФРОС–500/0,5У3 со следующими техническими данными: А., мГн.

3.5. Выбор СИФУ

Для управления тиристорным  преобразователем выбирается многоканальная синхронная система импульсно-фазового управления (СИФУ) с опорным синусоидальным напряжением и вертикальным принципом регулирования фазы отпирающих импульсов.

СИФУ комплектных тиристорных электроприводов серии КТЭ состоит из ячейки фазосмещения, ячейки формирования импульсов, ячейки переключающего устройства (ЛПУ) и представлена на рис 3.3. в составе функциональной схемы преобразовательной части. СИФУ серии КТЭ имеет следующие особенности: косинусоидальное опорное напряжение, шестиканальное устройство фазосмещения для обоих выпрямительных мостов в реверсивных преобразователях, высокочастотное заполнение узких отпирающих импульсов, использование сигналов с трансформаторов переменного тока или датчиков постоянного тока подключенных к шунту в цепи нагрузки и с датчиков закрытого состояния  тиристоров для работы логического переключающего устройства (ЛПУ).

 

Рис. 3.4. Узел формирования опорного напряжения.

Рис. 3.5. Узел фазосмещения.

Как следует из функциональной схемы рис. 3.3. СИФУ состоит из узла формирования опорных напряжений Z, узла фазосмещения АТ и переключающего устройства АВ.

Узел формирования опорных напряжений (рис.3.4.) включает в себя синхронизирующий трехфазный трансформатор с двумя группами вторичных обмоток (СТ), которые можно включать по схемам звезды или треугольника, и ячейку фильтра Z с тремя каналами апериодических фильтров, обеспечивающих фазовый сдвиг на 60^о (240^о при учете инвертирования напряжений операционными усилителями). Амплитуда опорных напряжений после фильтра В.

Узел фазосмещения АТ (рис. 3.5.) формирует шесть последовательностей импульсов для выпрямительного моста VSF (“В”) или для моста VSB (“Н”), которые усиливаются усилителями A-F, A-B.

Узел фазосмещения состоит  из шести компараторов А7.1, А7.2, А8.1, А8.2, А9.1, А9.2 на входе которых сравниваются напряжения управления и соответствующее опорное напряжение .

На один из входов усилителя  А5.1, имеющего коэффициент передачи  равный 1, поступает сигнал управления U_у из системы автоматического регулирования, а на второй вход – напряжение начального согласования U_о, обеспечивающее начальный угол управления при . Постоянная времени цепи обратной связи А5.1 – 0,1 мс. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя А5.2 также равен 1.

Сравнение и опорного напряжения соответствующей фазы ( A_F, B_F или C_F) осуществляется на компараторах А7 - А9, причем на компараторах А7.1 – А9.1 подается , а на компараторы А7.2 – А9.2  - . По переходу сигналов на выходах компараторов А7.1, А8.1, А9.1 из “1” в “0” – формируется напряжение прямоугольной формы группы “вперед” VSF (AS, BS, CS). Из трех сигналов фазосмещения формируется шесть импульсов. Это можно осуществить логической обработкой сигналов  фазосмещения и 180-градусных ограничений, в результате которой получают сигналы фазосмещений также длительностью 180 электрических градусов. При этом по фронту этих сигналов отпираются тиристоры  катодной группы “вперед”, а по спаду – тиристоры анодной группы “вперед”.

По переходу сигналов на выходе компараторов А7.2, А8.2, А9.2 из “1”  в “0” – формируются импульсы группы “назад”. После логической обработки также получают шесть 180–градусных сигналов, по фронту и спаду которых формируются импульсы катодной и анодной группы тиристоров “назад”.

Выбор работающего моста  осуществляется логическим переключающим  устройством АВ в зависимости  от полярности напряжения переключения U_п и абсолютного значения тока нагрузки или состояния тиристоров силового моста. Устройство АВ формирует логические сигналы выбора моста VSF или VSB, переключает полярность задания начального угла U_о и вырабатывает сигнал бестоковой паузы , по которому снимаются импульсы с обоих выпрямительных мостов. Сигнал , появляющийся одновременно с сигналом , но  исчезающий несколько позже, служит для отключения задания тока во время бестоковой паузы. По сигналу срыва импульсов импульсы снимаются с обоих мостов.

Измерение тока производится трансформаторами переменного тока, установленных в фазах силового трансформатора, или датчиками постоянного тока, подключенными к шунту в цепи нагрузки. Оба этих датчика не могут обеспечить достаточно высокую чувствительность измерения тока и поэтому являются «грубыми» датчиками. Для получения быстродействующей системы реверса тока наличие «грубого» датчика необходимо, так как по его команде производится срыв импульсов, что ускоряет спадание тока в выходящей из работы группе.

Кроме измерения тока силовой  цепи в преобразователе производится контроль состояния силовых тиристоров с помощью блока датчика состояния тиристоров, который непосредственно фиксирует моменты запертого состояния всех тиристоров силового моста. По команде этого датчика начинается отсчет  бестоковой паузы (1-2 мс), которая может быть рассчитана на время, необходимое для восстановления запирающих свойств  тиристоров.

В работе схемы АВ принимает  участие  один из «грубых» датчиков и «тонкий» датчик.

Защита осуществляется узлом  АF, который воспринимает нагрузку в цепи переменного тока и в цепи постоянного тока , а также сигнал «Авария», вырабатываемый в схеме управления электроприводом. Узел AF через узел ускоренного отключения A-R отключает автоматический выключатель главной цепи QF, воздействуя на его независимый расцепитесь, снимает сигнал готовности в схеме управления электроприводом и сдвигает управляющие импульсы в инверторную область.

Расчет фазовых характеристик  СИФУ реверсивного тиристорного преобразователя  с синусоидальным опорным напряжением  производится по формуле

где начальный угол согласования характеристик, принимается 95^о;

В – максимальное значение опорного напряжения;

- напряжение смещения.

Максимальное значение угла регулирования 

где g - угол коммутации при ,

      d - угол восстановления запирающих свойств тиристора,

       t_выкл=100 мкс – время выключения тиристора Т123–500;

       Da=3^о – допустимая асимметрия импульсов.

Угол коммутации при 

где - номинальный угол, соответствующий номинальному режиму работы двигателя,

По приведенному уравнению  рассчитаны фазовые характеристики выпрямительных мостов VSF и FSB, данные расчета приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Фазовые и регулировочные характеристики СИФУ и реверсивного СИФУ при 

Uу, В	-8	-7	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6	7	8
	Группа VSF Инвертор                                                                Выпрямитель
a1, град	––	164	146	135	126	118	110	102	95	88	81	73	66	58	48	38	24
Ed1, В		-498	-436	-371	-306	-241	-175	-110	-45	20	85	150	215	280	345	410
	Группа FSB Инвертор                                                                Выпрямитель
a2, град	24	38	48	58	66	73	81	88	95	102	110	118	126	135	146	164	––
Ed2, В		-410	-345	-280	-215	-150	-85	-20	45	110	175	241	306	371	436	498

 

 

Рис. 3.6. Фазовые характеристики реверсивного тиристорного преобразователя

 

3.6. Расчет и построение регулировочных E_d=¦(U_y) и внешних характеристик U_d=¦(I_d) реверсивного тиристорного преобразователя

При синусоидальном опорном  напряжении ЭДС тиристорного преобразователя

по которому рассчитаны регулировочные характеристики выпрямительных групп VSF и VSB. Данные расчета представлены в таблице 3.2., а на рис. 3.7. – регулировочные характеристики E_d=¦(a). Знак «-» принимается для группы «Вперёд».

Максимальная ЭДС тиристорного преобразователя с точки зрения безопасного инвертирования при a_max=163^o составляет

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя определится либо по формуле

либо с использованием регулировочных характеристик E_do=¦(a) рис.3.9

Внешняя характеристика тиристорного преобразователя U_d=¦(I_d) при a=const (одной выпрямительной группы) в режиме непрерывного тока в соответствии со схемой замещения реверсивного тиристорного преобразователя (рис. 3.8.) может быть представлена следующим уравнением:

а_в=2 -  для мостовой схемы выпрямления;

R_р=0,0038 Ом – активное сопротивление фазы реактора;

X_р=0,032 Ом – индуктивное сопротивление фазы реактора.

Рис. 3.7. Регулировочные характеристики реверсивного тиристорного преобразователя.

 

Рис. 3.8. Схема замещения реверсивного тиристорного преобразователя при работе на якорь двигателя.

При в граничном режиме:

В непрерывном режиме напряжение и ток определяются по следующим формулам:

При   l=0 (I_d=0); a£30^о;

а при a³30^о;

По приведенным формулам рассчитаны зависимости  U_d=¦(I_d) (см. табл. 3.3.) при различных a=15^о, 30^о, 60^о, 75^о, 90^о, 105^о, 120^о, 135^о, 160^о, которые представлены на рис. 3.9.

Табл. 3.3.

α, град			15	Idгр, А			11,0
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	0,0	0,4	2,4	7,1	11,0	31,2	69,1
Ud, В	537,4	532,6	528,6	519,2	504,7	495,7	461,8	419,0
α, град			30	Idгр, А			21,2
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	0,7	2,6	6,9	15,2	21,2	49,7	97,8
Ud, В	537,4	520,5	504,6	483,8	458,6	444,4	396,6	342,1
α, град			45	Idгр, А			30,0
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	1,4	4,6	11,0	22,2	30,0	64,7	119,7
Ud, В	519,1	472,9	446,2	415,5	381,2	362,9	304,3	241,9
α, град			60	Idгр, А			36,7
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	2,1	6,3	14,4	27,7	36,7	75,4	133,6
Ud, В	465,4	393,1	357,4	318,8	277,8	256,6	191,3	125,2
α, град			75	Idгр, А			41,0
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	2,6	7,6	16,7	31,3	41,0	80,9	138,3
Ud, В	380,0	286,5	244,3	200,4	155,5	132,8	65,2	0,0
α, град			90	Idгр, А			42,4
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	3,0	8,4	18,0	32,8	42,4	80,9	133,6
Ud, В	268,7	160,3	114,5	68,4	22,6	0,0	-65,2	-125,2
α, град			120	Idгр, А			36,7
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	3,1	8,2	16,7	29,1	36,7	64,7	97,8
Ud, В	0,0	-115,4	-159,1	-200,4	-238,7	-256,6	-304,3	-342,1
α, град			135	Idгр, А			30,0
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	2,8	7,2	14,4	24,2	30,0	49,7	69,1
Ud, В	-139,0	-246,2	-284,3	-318,8	-349,3	-362,9	-396,6	-419,0
α, град			150	Idгр, А			21,2
λ, град	0	25	35	45	55	60	75	90
Id, А	0,0	2,3	5,8	11,0	17,6	21,2	31,2	35,8
Ud, В	-268,7	-360,2	-390,1	-415,5	-436,0	-444,4	-461,8	-467,3

 

 

 

Рис. 3.9. Внешние характеристики тиристорного преобразователя.

3.7 Расчёт энергетических  характеристик

Энергетические  характеристики тиристорных преобразователей оцениваются коэффициентом мощности c и коэффициентом полезного действия .

Коэффициент мощности c в самом общем случае может быть определен как отношение активной мощности, потребляемой преобразователем Р, к полной мощности S (кажущейся мощности для несинусоидальных токов)

   Полная и активная  мощности, потребляемые из сети  в общем случае несинусоидальных  напряжений и токов   S=m∙U_1ф∙I_1ф;

где:   U_1ф(1), I_1ф(1) – фазные первичные действующие значения основных                          

          гармоник напряжения и тока;

         U_1ф(n), I_1ф(n) – действующие значения фазных напряжения и тока      

           высших гармоник;

         j₁₍₁₎ – угол сдвига между векторами основных гармоник фазных

           напряжений и токов;

          j_1(n) – угол сдвига между векторами напряжения и тока высших гармоник.

 В случае ,что справедливо для мощных сетей, коэффициент искажения по напряжению:

а по току:

величина, которого для трехфазного  мостового выпрямителя

Активная мощность, потребляемая из сети

где                                                  

а коэффициент мощности без  учета процесса коммутации определяется по формуле

для регулируемого мостового выпрямителя с учетом процесса коммутации ( <30°) коэффициент мощности определяется по формуле:

Активная и  реактивная мощности по первой гармонике  тока

где

Мощность искажения (дисторции)

Рассчитаем и построим зависимости S, P, Q, D, для

спроектированного тиристорного преобразователя при  изменении  от до в режиме непрерывного тока и условии неизменной гладкой составляющей выпрямленного тока    I_dн=500 A.