Проектирование тиристорного выпрямительного агрегата
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА
ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО КУРСУ « СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ »
студента 4-го курса заочного отделения
направления подготовки бакалавров
Специальность: Электроэнергетика и Электротехника
Автор |
Русаков М.Г. |
Название работы |
||
Проектирование тиристорного выпрямительного
агрегата. | ||
Принял |
| |
Нестеров С.А. | ||
Работа принята |
«__» _______ 2014 г. |
|
Оценка |
САРАНСК 2014 г.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА
ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УТВЕРЖДАЮ
С.А. Нестеров
подпись, инициалы, фамилия
_______
дата
ЗАДАНИЕ
на выполнение курсовой работы
студенту Русакову Максиму Геннадьевичу
4-го_курса, 401 группы, специальности 13.03.02
Место выполнения работы МГУ им. Н. П. Огарёва, ФЭТ
1 |
Проектирование тиристорного
выпрямительного агрегата . |
2 |
Ud = 230В; Id = 315A; B(%) = 2; Охлаждение естественное. |
Преподаватель |
Нестеров С.А. | |
Задание к исполнению принял |
1 Введение |
2 |
2 Исходные данные |
5 |
3 Определение предварительных данных |
6 |
4 Расчёт реактора |
8 |
5 Расчёт вентилей |
12 |
6 Уточняющий расчёт |
15 |
7 Выводы |
18 |
Список использованной литературы |
19 |
Управляемые (регулируемые) выпрямители.
Регулируемыми выпрямителями называются преобразовательные устройства, совмещающие функцию выпрямления переменного напряжения с регулированием (или стабилизацией) напряжения на нагрузке. Простейшие схемы регулируемых выпрямителей образуются из соответствующих схем нерегулируемых выпрямителей при полной или частичной замене полупроводниковых выпрямительных диодов тиристорами.
При больших мощностях нагрузки и напряжениях более 100В на выходе выпрямителя наиболее эффективной схемой является схема трехфазного регулируемого выпрямителя, обладающего высокой экономичностью и сравнительно небольшими массогабаритными показателями сглаживающего фильтра, приведена на рис. 1. Мостовая схема на рис. 1, содержит три тиристора с объединенными катодами и тиристора с объединенными анодами . На схеме указаны все основные токи и напряжения в выпрямителе.
Рис. 1. Трехфазная
мостовая схема выпрямления (схема Ларионова).
Помимо всего прочего перечислим основные расчётные соотношения для данной схемы используемые в этом расчёте.
–коэффициент преобразования по напряжению([1] ст113),
а также обратная величина ≈ 0.43 коэффициент фазной э.д.с. [4],
коэффициент преобразования по току ([1] ст112),
– пульсность произведение числа фаз на число выпрямляемых полупериодов ([1] ст73),
Где : - фазность трансформатора выпрямителя,
- полупериодность,
- коэффициент пульсаций при угле регулирования , где- номер гармоники в выпрямленном напряжении по отношению к периоду сетевого напряжения , а - номер гармоники в выпрямленном напряжении по отношению к его периоду. В нашем случае находим пульсацию основной гармоники т.е =1 ([1] ст154. [4] ст44 ) , откуда
- коэффициент пульсаций основной гармоники при угле регулирования ,где основная гармоника является шестой гармоникой по отношению к периоду сетевого напряжения.
- средневыпрямленное напряжение при угле регулирования ,
- средневыпрямленное напряжение при угле регулирования ([4] ст31),
–обобщённое уравнение внешний
характеристики учитывающие потери
напряжения в трансформаторе вентилях
и фильтре. Где дифференциальное
сопротивление
вентиля, активное сопротивление
фильтра (реактора), пороговое напряжение на вентиле
(U(ТО) ) , активные сопротивления обмоток
трансформатора приведённые к
вторичной стороне, эквивалентное
внутренние квазиактивное сопротивление
зависящее от анодного сопротивления
трансформатора и определяющие
потери напряжения при коммутации
([1] ст126),
- коэффициент обратного напряжение
на вентиле ([1] ст112),
– средние значение анодного тока вентиля, где - коэффициент амплитуды ([1] ст94),
– действующие значение анодного тока вентиля , где - коэффициент формы при , ([1] ст 94),
– максимальное значение тока вентиля ([1] ст112), ,
угол коммутации возникающей в схеме с реальными элементами из за наличия индуктивности рассеяния трансформатора ([1] ст 194).
Временные диаграммы токов и напряжений в схеме регулируемого с трехфазного выпрямителя при активно – индуктивной нагрузке приведём на рис.2.
Рис.2
Диаграммы токов и напряжений при
а < π/3 и (La≠0, Ld = ص, ra = 0).
Как видно из рис. 2 в фазных напряжениях в моменты коммутаций появляются провалы и выбросы. На диаграммах видны провалы и
выбросы в фазных и линейных вторичных напряжениях при синусоидаль-
ных первичных напряжениях. Также при наличии индуктивности рассеяния трансформатора помимо угла регулирования- α появляется угол коммутации -ϒ
Определим первичные данные.
Так как в задании дан большой ток нагрузки Id = 315 А и достаточно большое напряжение на нагрузке Ud = 230 В при частоте 50 Гц , то выбираем трёхфазную мостовую схему . Дополнительно задаемся температурой окружающей среды Та = 20 оС и кратностью перегрузки вентилей не меньше 3* Id за время срабатывания защиты в 20 мс больше.
Для обеспечения заданного коэффициента пульсаций β(%) = 2 применим индуктивный фильтр.
Расчёт выпрямителя будем производить в два этапа . На первом этапе определяем предварительный угол регулирования для стабилизации напряжения, выходные напряжения с трансформатора. Задаемся анодным сопротивлением трансформатора, определяем предварительную индуктивность реактора. Рассчитываем реактор взяв его индуктивность с некоторым запасом из-за увеличения пульсирующего напряжения в связи с дополнительным углом коммутации . Рассчитываем вентильный блок взяв параметры вентилей с некоторым запасом по мощности . Проверяем вентили на выдерживания перегрузки .
На втором этапе производим уточняющий расчёт выходных напряжений с трансформатора с учётом потерь напряжения на реальных элементах выпрямителя, уточняем класс вентилей и угол регулирования, определяем требуемую индуктивность реактора для удержания коэффициента пульсаций не ниже заданной , а также находим КПД выпрямителя.
Исходными для проектирования являются следующие данные:
- схема выпрямления – трёхфазная мостовая;
- выпрямленное напряжение - Ud = 230 В;
- ток нагрузки - Id = 315 А;
- частота питающей сети - 50 Гц;
- величина коэффициента пульсаций β(%) = 2
- охлаждение естественное;
- температура окружающей среды - Та = 20 оС;
- кратность
перегрузки – 3.
3 Определим предварительные данные
- Определяем изменение угла регулирования α тиристора при изменении сетевого напряжении для поддержания в нагрузке постоянного напряжения.
Колебание напряжения в сети может достигать . Тогда минимально возможное действующие фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора должно быть: при минимальном угле открытия α=0.
Максимальное фазное напряжение тогда будет на 20% больше минимального:
. Напряжения ( , ) подлежат коррекции с учётом потерь напряжения на реальных элементах.
Средневыпрямленное напряжение на нагрузке с учётом угла регулирования:
где
откуда
тогда угол регулирования :
- Определим индуктивность реактора.
- коэффициент пульсаций задан не хуже 0.02 (2%)
Откуда: - амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного тока , являющиеся в шестипульсном выпрямителе шестой гармоникой по отношению к частоте напряжения питающей сети. Эта гармоника тока определяется через шестую гармонику в выпрямленном напряжении сети.
Амплитуда шестой гармоники напряжения определяется :
При самом наихудшем варианте когда напряжение возрастёт с минимума до максимума .
Амплитуда шестой гармоники будет:
Oбщее индуктивное сопротивление контура выпрямленного тока:
Откуда общая индуктивность:
В этом значении имеется доля удвоенной анодной индуктивности ( индуктивности рассеивания ) трансформатора которая неизвестна.
Задаемся анодной индуктивностью трансформатора и индуктивностью реактора .
Принимаем анодную индуктивность тогда анодное сопротивление составит . Учтём это анодное сопротивление при расчёте трансформатора.
С учётом анодной индуктивности определим индуктивность сглаживающего реактора.
Тогда .
Индуктивность подлежит коррекции с появлением угла коммутации ϒ амплитуда шестой гармоники увеличится и индуктивность придётся взять больше Зададимся с запасом индуктивностью для лучшего сглаживания пульсаций.
- Определяем предварительные параметры работы трансформатора.
- действующие значение тока во вторичной обмотке трансформаторе.
– минимально возможное действующее фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора , оно подлежит исправлению с учётом потерь напряжения на реальных элементах.
Анодное сопротивление трансформатора полученное ранее , где напряжение короткого замыкания будет определятся из выражения , откуда при заданных первичных напряжениях .
- Определяем предварительно класс вентиля.
Определим
предварительное максимальное
обратное напряжение на вентиле
, в дальнейшем уточним это значение
:
Определяем значение повторяющегося импульсного напряжения U’RM на вентиле:
U’RM = KР * U’WM =2*
где КР =2 коэффициент запаса по напряжению для тиристора выбирается из условия КР = 1.6.…2 .
По величине URM , округленной до сотен вольт в большую сторону, определяем предварительно класс вентиля по напряжению :
К’Н = U’RM / 100 ; К’Н = /100 ≈6.
Исходные данные:
-ток нагрузки - Id = 315 А
-индуктивность реактора - Гн
-амплитуда тока переменной составляющей -
Выбираем марку стали 3411 с толщиной ленты ГОСТ 21427.1-83 частота гармоники . Задаемся величиной B0 = 0.7Т- индукцией от постоянной составляющей тока из условия B0 = (0,55–0,7) Т и величиной Bmэ= 0.55 Т — амплитуды эквивалентных синусоид индукции от переменной составляющей тока.
Берем значения коэффициентов n, x и kL из табл. 1 [6], где коэффициент n учитывает падение магнитного потенциала в стали магнитопровода , принимаем его n = 0.015, x — потокосцепление обмотки с шунтирующим потоком принимаем его x = 0.07 , kL — изменение индуктивности реактора при наличии в обмотке постоянной составляющей тока принимаем его kL = 1.
Вычисляем
по выражению величину
где
Определяем
отношение
где
— коэффициент
заполнения; Sст — активное сечение сердечника.
Можно принимать kст = 0,91 при толщине ленты (листа) 0,27
мм, тогда отношение
.
Задаёмся длинной зазора в сердечнике lзаз =25 мм и по графику (см. рис. 3) определяем геометрическое сечение сердечника S’ст. В нашем случае
Затем определяем активное сечение сердечника c учётом коэффициента заполнения : Изготавливаем сердечник из резаной ленты с шириной b = 90 мм ГОСТ 21427.1-83. Получаем толщину сердечника . Сердечник изготавливаем из ленты путём накрутки её на деревянный каркас с последующим проклеиванием и разрезанием на две половины П- образной формы . Предусматриваем зазоры между наружней частью сердечника и внутренней поверхностью обмотки по 1.5 мм ( ) для соединительной скобы сердечника изготовленной из немагнитного материала.
Находим число витков:
Рассчитаем обмотку.
На сердечнике расположем две катушки с равным количеством витков т.е
Определяем сечение обмоточного провода принимая плотность тока = 2.4 А/мм2 (при естественном охлаждении ).
- поперечное сечение обмоточного провода.
Выберем обмоточный провод ПСДКТ прямоугольного сечения обмотку будем производить в два провода сечением , где коэффициент учитывающий закругление углов. Удвоенная толщина изоляции провода по сторонам А-а (0.45) , В-в (0.38). Сечение изолированного провода .
Отношение высоты обмотки к толщине должно быть: или где В - ширина провода, А- толщина провода , - количество витков в слое N – количество слоев обмотки. Чтобы выдержать это отношение зададим , тогда слоев . Отношение выдерживается . Определим высоту катушки с учётом коэффициента заполнения по высоте .
В качестве изоляционного материала между сердечником и внутренней поверхностью обмотки используем электротехнический картон ЭВТ-0,50—12 ГОСТ 282-4—86 толщиной 0.5мм и шириной 12 мм (ширина рулона и размеры листов картона устанавливаются по согласованию с потребителем). Толщина изоляции между сердечником и катушкой выбирается (1 ÷ 2) мм. Принимаем толщину изоляции т.е четыре витка электротехнического картона.
Рассчитаем толщину катушки с учётом коэффициента заполнения по толщине.
.
Определяем среднюю длину витка катушки (средний периметр катушки): .
Определим активное сопротивление одной обмотки:
. Где активное сопротивление всех обмоток
Где удельное сопротивление меди.
Определим массу меди обмоток по выражению :
где - плотность меди.
Рассчитаем сердечник.
Определим высоту окна:
где
расстояние от катушки до ярма магнитопровода.
Определим ширину окна:
, где расстояние между наружними поверхностями катушек , а коэффициент вспучивания катушки.
Определим количество витков электротехнической стальной ленты на деревянный каркас размера т.е ( 8.9×13.4 ) где
ширина плотна ленточной пилы.
Определим массу стали.
Где: - плотность стали , а средняя линия сердечника.
Проверим условие: , условие выполняется .
После распила магнитопровода каждой стержень П – образной половины укоротить на 1/4 длины воздушного зазора т.е 25/4 мм .
Приведём эскиз получившегося реактора на рис.4.
Рис.4. Эскиз реактора
Итого в реакторе используется П- образный ленточный магнитопровод cечением и размером окна Для утолщения сечения провода навивку проводят виток поверх витка - два слоя , последний третий слой - виток параллельно витку . Воздушный зазор делаем с двух сторон шириной 25/2 мм. Для соединения половин магнитопровода используем скобу толщиной 1.5мм из немагнитного материала.
- Определяем среднее значение тока через вентиль:
,
- действующее значение анодного тока
вентиля:
,
Выбираем тиристор таблеточного исполнения Т143-500 для которого максимальный ток IFAVm при использовании типового охладителя О243-150 и естественного охлаждения при температуре окружающей среды Ta = 40oC (см. стр. 208 [2] (приложение 1)) равен IFAVm =180A и классы по напряжению с 4 ÷16.
По справочным материалам (стр. 205-208 [2] (приложение 1) ) определяем параметры выбранного вентиля, которые потребуются для дальнейших расчетов:
U(ТО) = 1,1 В пороговое напряжения на переходе ;
r(T) = 0,57 мОм дифференциальное сопротивление ;
Rthjc = 0,034 оС/Вт тепловое сопротивление переход – корпус ;
Tjm = 125 оС максимальная температура p-n перехода .
- Рассчитываем температуру p-n перехода вентиля в установившемся режиме.
Для начала определяем мощность основных потерь в вентиле от переменной и постоянной составляющих тока по формуле:
PAV = U(TO) IAV + r(T) К ,
Где - коэффициент формы взятый из справочной литературы (стр .110 . [ 3 ] (приложение 2) рис .4.19) коэффициент формы взят из кривой для угла опережения выключения и угле проводимости где угол запас угла делается больше на неизвестную величину угла коммутации. Принимаем тогда
=2.5
Найдём полную мощность потерь учитывающих дополнительные потери прямого и обратного тока утечки по формуле:
Ptot = Кдоп PAV .
Где Кдоп = 1,1 коэффициент дополнительных потерь выбирается из условия ( 1.03….1.1) .
Рассчитываем температуру p-n перехода вентиля в установившемся режиме.
Поскольку выпрямитель питается от сети
с частотой менее 400 Гц, то расчет
температуры производим по формуле:
Где - температура охлаждающей окружающей среды ;
-тепловое сопротивление переход – корпус ;
-тепловое сопротивление корпус –охладитель;
-тепловое сопротивление охладитель – среда ( стр.386 [2] приложение 1).
Поскольку Tj < Tjm ,то выбранный тиристор подходит для работы в данной схеме . Запас по температуре можно определить по формуле:
что не превышает условие (Tjm - Tj ≤ 50oC) экономической обусловленности.
- Рассчитаем максимально допустимую мощность ,которую может рассеять вентиль и которая исходит из максимальной предельной температуры перехода и температуры охлаждающей среды по формуле:
Где: - тепловое сопротивление переход – среда т.е.
- Рассчитываем величину предельного тока вентиля исходя из максимально допустимой мощности , которую может рассеять вентиль:
=
= = 173.46 А.
- Рассчитываем максимально допустимое время перегрузки.
Для начала определяем ток перегрузки
по формуле:
Iпер = Kпер IAV ; .
Где : Kпер - кратность перегрузки , в нашем случае Kпер =3
Определим мощность основных потерь перегрузки от переменной и постоянной составляющих тока по формуле:
PAVпер = U(TO) Iпер + К r(T)
Полная мощность основных потерь перегрузки с учетом потери на прямой и обратный ток утечки по формуле :
Рпер = Кдоп PAVпер
Определим приращение мощности потерь по формуле:
= Рпер - Ptot
=
Рассчитываем величину переходного теплового сопротивления:
По графику зависимости переходного теплового сопротивления переход-среда (стр. 215 [2] рис 11.48 в (приложение1)) определяем время перегрузки, которое получилось значительно больше минимально допустимого tпер > 20 мс для срабатывания защиты. Таким образом выбранный вентиль подходит для длительной работы в номинальном режиме и при перегрузке не выйдет из строя раньше, чем успеет сработать защита.
6 Произведём уточняющий расчёт вентильного блока с учётом реальных параметров.
- Определяем основные параметры работы трансформатора с учётом потерь напряжения .
Из обобщённого уравнения внешней характеристики
определяем выходное напряжение с трансформатора при минимальном напряжении сети т.е при минимальном угле регулирования без учёта потерь напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора.
Откуда минимальное напряжение с трансформатора без учёта потерь на активных сопротивлениях обмоток.
Максимальное фазное напряжение тогда будет на 20% больше минимального:
Где номинальное напряжение вторичной обмотки трансформатора
- Уточним класс вентиля.
Определим максимальное обратное напряжение на вентиле :
Определяем значение повторяющегося импульсного напряжения URM на вентиле:
URM = KР * UWM =2*
где КР =2 коэффициент запаса по напряжению для тиристора выбирается из условия КР = 1.6.…2 .
По величине URM , округленной до сотен вольт в большую сторону, определяем предварительно класс вентиля по напряжению :
КН = URM / 100 ; КН =
- Уточним угол регулирования с учётом нового значения .
Тогда:
тогда угол регулирования :
- Уточним индуктивность реактора.
Определим угол коммутации по формуле:
Амплитуда шестой гармоники напряжения с учётом угла коммутации определяется :
При самом наихудшем варианте когда напряжение возрастёт с минимума до максимума .
Амплитуда шестой гармоники будет:
Oбщее индуктивное сопротивление контура выпрямленного тока:
Откуда общая индуктивность:
Как видно индуктивность реактора выбрана верно и пульсации не превысят заданных.
- Подсчитаем КПД выпрямителя без учёта потерь в трансформаторе.
Определим мощность нагрузки .
Определим
мощность потерь в вентильном
блоке .
, где полная мощность потерь в одном вентиле.
Определим мощность потерь в фильтре
Определим суммарные потери .
Подсчитаем КПД выпрямителя по формуле:
т.е 98.3 %
7 Выводы
При выполнении курсовой работы был разработан симметричный трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель . В ходе разработки были определены основные параметры схемы, номиналы элементов, а также был рассчитан сглаживающий дроссель. Расчёт трансформатора выпрямителя в данную курсовую работу не входит.
Параметры расчетов отвечают требованиям задания курсовой работы.
Список использованной литературы
- Основы силовой электроники: Учеб. Пособие. Изд. 2-е, исп. и доп.- Новосибирск: Изд-во
НГТУ , 2003.-664 с.
– ( Серия « учебники НГТУ » ) - Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О.Г.Чебовский, Л.Г.Моисеев, Р.П.Недошивин. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с., ил..
- Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И.Абрамович и др. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 432 с., ил..
- Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. – М .: Высшая школа, 1980.- 424 с.,ил.
- Методическое пособие по курсовому проектированию по дисциплине « Электрические и электронные аппараты » на тему проектирование «силового трёхфазного трансформатора» МГУ им. Н. П. Огарёва Саранск 2014.
- Силовая электроника : Методические указания и контрольные задания. МГУ им. Н. П. Огарёва Саранск 2014.