Расчет управляемого выпрямителя для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода

 

 

Кафедра «ЭТ»

Специальность "Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Расчет управляемого выпрямителя  для  электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода»

по дисциплине:  Электрооборудование промышленности

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Шифр работы: КП 140610-1013-20

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                 Руководитель работы 

                                                                                                                                          

               (ФИО)

                                                                                                                      

     (подпись, дата)

                                                                                                                 Разработал студент

                                                                                                                  

      (группа, ФИО)

                                                                                                                      

          (подпись, дата)

                                                                                                                      

 

                                                                                                                Оценка ________________

 

 

 

 

 

 

 

2014г.

 

  Техническое задание и исходные данные на проектирование.

 

  1. Спроектировать управляемый выпрямитель (УВ) для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Вычертить принципиальную электрическую схему УВ с соблюдением правил выполнения типовых электрических схем. Технические данные электродвигателя даются в табл.7.5. [2]
  2. Построить регулировочную характеристику выпрямителя.
  3. Вычислить минимальное и максимальное значения углов      включения тиристоров, которые должна сформировать СИФУ для    стабилизации выходного напряжения УВ на уровне при    нестабильном фазовом напряжении вентильной обмотки изменяющемся от   до . Потери напряжения в фазах УВ не учитывать.
  4. Вычертить кривые мгновенных значений фазных напряжений и       и напряжения на выхода тиристорной группы при минимальном и максимальном значениях фазного напряжения. Отметить уровень и значения углов и .

 

Технические данные двигателей постоянного тока серии 2П

 

№

    

Тип двигателя

          

20

440

28

2ПО200L

89

1,3

3000

0,75

1,1


Обозначения, принятые в таблице с исходными данными:

 -номинальное напряжение УВ на стороне постоянного тока, равное номинальному напряжению двигателя постоянного тока;

 – номинальная  мощность двигателя;

 – номинальная  частота вращения;

 – индуктивность  якорной цепи двигателя;

 и – коэффициенты, характеризующие отклонение действующего значения фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора от номинального значения;

h– коэффициент полезного действия электродвигателя;

2ПО200L – тип двигателя.

         

Лист

2

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

  Аннотация

 

        В данной курсовой работе рассмотрены  и рассчитаны управляемый выпрямитель (УВ) для электротехнического комплекса и системы. Выбраны схемы УВ и ПЧ для данного варианта задания. В работе представлены: регулировочная характеристика,  кривые мгновенных значений фазных напряжений и напряжений на выходе тиристорной группы  (для минимального и максимального углов отпирания).

В данной работе использовано: 21 стр., 4 рис, 1 приложение.

 

         

Лист

3

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата


 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………...5

  1. РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
    1. Выбор рациональной схемы управляемого выпрямителя и силовая часть электропривода…………………………………………………………………….6
    2. Расчет и выбор преобразовательного трансформатора…………………………7
    3. Выбор тиристоров…………………………………………………………………9
    4. Выбор охладителя………………………………………………………………..11
    5. Выбор сглаживающего реактора…………………………………...…………...12
    6. Описание работы схемы УВ……………………………………………………..14

    1. Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет и ….............16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………...19

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………...20

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………………………..21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цель и задача проекта и пути решения этой задачи.

 

Целью курсовой работы является выбор схемы и расчет УВ. Для регулируемого электропривода постоянного тока. Частота вращения двигателя регулируется как известно двумя способами:

  1. Понижением напряжения на якорной обмотке при этом частота вращения уменьшается
  2. Полюсное регулирование, путем уменьшения напряжения на обмотке возбуждения, при этом частота вращения увеличивается за номинальную.

В курсовой работе проводится расчет управляемого выпрямителя для якорного регулирования скорости.

 

 

         

Лист

5

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

        

  1. РАСЧЕТ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ТИРИСТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

    1. Выбор рациональной схемы управляемого выпрямителя и силовая часть электропривода

 

     Рациональная схема управляемого  выпрямителя выбирается по выходной  мощности выпрямителя

                                                                                    (1.1)

                                кВт

 

        где – мощность двигателя;

       – коэффициент полезного действия (КПД);

Если кВт рационален выпрямитель по трёх фазной нулевой схеме.

Если кВт по трёхфазной мостовой.

В данном варианте кВт значит, выбираем трёхфазную мостовую схему.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Схема УВ трехфазная мостовая 

 

         

Лист

6

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

 

    1. Расчет и выбор преобразовательного трансформатора TV

 

     Теоретическое значение  напряжения вентильной обмотки  трансформатора

 

                                                                    (1.2)

 

 

где - коэффициент, характеризующий соотношение напряжений в идеальном выпрямителе, приведен в табл.7.2. [2]

 

     Необходимые запасы  напряжения вентильной обмотки

 

                                                           (1.3)

 

 

коэффициент запаса , учитывает возможное снижение напряжения сети на 5-10% от .;

коэффициент , учитывает неполное открывание тиристоров;

коэффициент , учитывает падение напряжения в обмотках трансформатора и в тиристорах;

 

Рассчитываем ток двигателя по формуле

 

                                                                                  (1.4)

где   - номинальная мощность двигателя постоянного тока, - его к.п.д;

 

 

 

 Расчетное действующее значение  тока вторичной обмотки определяют  по формуле

                                                                (1.5)

 

 

Коэффициент схемы (табл. 7.2 [2]), характеризует отношение токов                                                       в идеальном выпрямителе, коэффициент учитывает отклонение формы

           

Лист

7

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

анодного тока тиристоров от прямоугольной и согласно экспериментальным данным составляет 1,05-1,1.

 

Действующее значение тока вентильной обмотки

 

                                                                       (1.6)

 

 

где -коэффициент трансформации трансформатора

Коэффициент трансформации трансформатора

 

                                                                 (1.7)

 

 

 

Расчетная типовая мощность трансформатора

 

                                      (1.8)

 

 

где коэффициент - коэффициент схемы (табл. 7.2 [2]), характеризующий соотношение мощностей для идеального выпрямителя с нагрузкой на противоЭДС.

 

На основании расчетных данных выбираем по справочнику [1]  преобразовательный трансформатор ТСЗМ-40-74.ОМ5, трёхфазный, сухой, охлаждение естественное воздушное, каплезащищённый, морской.

 

=40 кВА, , , габариты: L*B*H=683*610*680 мм, масса m=268 кг.

 

           

Лист

8

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

 

    1. Выбор тиристоров

 

Среднее значение прямого тока тиристора (VS1,VS2,VS3,VS4,VS5,VS6 на схеме) (Рис.1) в заданной схеме управления определяется по формуле:

 

                                                              (1.9)

 

 

 

где: - коэффициент запаса по току, учитывает кратность пускового тока;

- число фаз  преобразовательного силового трансформатора;

- коэффициент, учитывает  интенсивность охлаждения силового  тиристора ( - 1,0 при принудительном и - 0,33-0,35 при естественном воздушном охлаждении со стандартным радиатором, соответствующим данному типу полупроводникового прибора).

 

 

Рассчитываем напряжение на выходе преобразователя при по формуле

 

                                                                      (1.10)

 

  B

Расчетное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к тиристорам, вычисляется по формуле

 

                                                (1.11)

 

 

где: - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы , обусловленные процессом коммутации вентилей;

([2]табл.7.2) - коэффициент  обратного напряжения, равный отношению  напряжений  для принятой схемы выпрямителя;

           

Лист

9

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

По полученным данным выбираем силовой тиристор, имеющий параметры

 

                             (1.12)

 

   

Выбираем силовой тиристор [2] табл. П3

Т123-250 средний, прямой, ток , импульсное повторяющееся прямое и обратное напряжение 1000 В (10 класс).

           

Лист

10

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

    1. Выбор охладителя

 

Максимально допустимое переходное сопротивление охладитель – окружающая среда , ,

 

                                           (1.13)

 

где – температура охлаждающего воздуха, 45–50 ; – температура теплопроводящей пластины, 85 ([2] табл. П3);

 – суммарная  рассеиваемая мощность, Вт; – термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины модуля, .

 

Находим  суммарную рассеиваемую мощность

 

                                                            (1.14)

 

 

 

где - пороговое напряжение тиристора ([2] табл. П3);

 

Находим термическое переходное сопротивление корпус–поверхность теплопроводящей пластины

 

                                               (1.15)

 

 

Подставляем найденные значения в формулу (1.13) и находим максимально допустимое переходное сопротивление охладитель – окружающая среда

 

 

Выбираем охладитель производства австрийской компании Dau  серии BF тип 02  [3].    Ширина 30,5 мм; количество ребер 8; толщина ребра 0,8мм; расстояние между ребер 3,50 мм; температурное сопротивление

           

Лист

11

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

   

    1. Выбор сглаживающего реактора

 

       Действующее значение первой  гармоники выпрямительного напряжения  при предельном угле регулирования  для соответствующего значения числа пульсаций определяется по известному значению ,

 

                          (1.16)

 

 

 

Требуемая суммарная индуктивность якорной цепи преобразователь – двигатель определяем по формуле:

 

                                                             (1.17)

 

 

где - минимальный ток нагрузки преобразователя, принимаемый равный от .

- число пульсаций выпрямленного  напряжения за период частоты  напряжения сети.

- угловая частота первой гармоники напряжения сети при

 

Индуктивность фазы трансформатора, приведенная к контуру двигателя, приближенно можно определить по зависимости

 

                                                                 (1.18)

 

 

 

где - напряжение короткого замыкания трансформатора ;

           

Лист

12

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

        

Если в (1.18) получилась меньше или равна нулю, то применять реактор в схеме нет необходимости, т.к. сумма индуктивности достаточна для обеспечения непрерывности тока двигателя.

Необходимая индуктивность сглаживающего реактора

 

                                               (1.19)

 

 

где - индуктивность якоря и дополнительных полюсов двигателя постоянного тока, определяется по таблице 7.5 [2]

 

Выбираем сглаживающий реактор по следующим данным:

индуктивность , ток у реактора .

 

Выбираем реактор СРОС-400/0,5О4

С - сглаживающий;

Р - реактор;

О - однофазный;

С – сухой (охлаждение естественное воздушное при открытом исполнении);

 

 

           

Лист

13

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

    1. Описание работы схемы УВ.

 

Схема приведена в Приложении 1

На схеме:

- входной  согласующий трансформатор ТV;

- автоматический выключатель QF;

- силовые предохранители FU;

- контактор КМ;

- блок силовых полупроводниковых  приборов UZ;

- дроссель L;

- приборы индикации тока и  напряжения на выходе устройства RS;

- органы контроля и управления  устройства SB;

- блоки системы управления преобразователем U;

- блоки источника питания системы  управления G;

- входные и выходные зажимы  силовых цепей X1, Х2.

Трехфазное напряжение питания Uc=380 В промышленной частоты f=50 Гц, через входные клеммы подается на разъединитель, предназначенный для предотвращения подачи напряжения на установку при наладке, профилактических осмотрах с целью обеспечения видимого разрыва электрической цепи. При включении разъединителя напряжение подается на согласующий трансформатор (схема соединения звезда-звезда), осуществляющий гальваническое разделение и согласование напряжения сети с входным напряжением выпрямителя. При замыкании автоматического выключателя, установленного для защиты питающих сетей и цепей нагрузки от токов короткого замыкания и тепловой защиты от длительной перегрузки, напряжение через предохранители подается на входные клеммы силового контактора. Силовой контактор предназначен для автоматического и дистанционного включения установки на нагрузку и отключения вторичных цепей. При включении силового контактора и подачи управляющих выходных импульсов СИФУ на силовые полупроводниковые приборы за счет регулирования электрического угла открытия тиристоров происходит регулируемое преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Преобразователь выполнен по трехфазной, полностью управляемой тиристорной мостовой схеме, что позволяет при работе на электрическую машину постоянного тока получать как выпрямительный, так и инверторный режим работы или потреблять и отдавать энергию в сеть, обеспечить как двигательный, так и генераторный режим работы двигателя. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепь нагрузки включен дроссель. Устройство позволяет регулировать напряжение в пределах 0 – Ud. Так как номинальное напряжение катушки контактора, цепей управления преобразователя и источников питания U=220 В, то для обеспечения такого уровня напряжения предусмотрен нулевой провод РЕ. Для сигнализации наличия напряжения включения и отключения преобразователя на нагрузку в схеме установки предусмотрены сигнальные индикаторы HL.

           

Лист

14

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

        

В состав трехфазного мостового тиристорного преобразователя (Приложение 1) входят две группы тиристоров – катодная VS1, VS3, VS5 и анодная VS2, VS4, VS6, трансформатор и система импульсно-фазового управления СИФУ. Система вырабатывает импульсы управления тиристорами с заданной фазой по отношению к напряжению сети. Тиристоры в каждой группе открываются с интервалом 2π/m (m=6). Углы открытия тиристоров в обеих группах отсчитываются от моментов естественного включения, соответствующих моменту равенства фазных или линейных ЭДС. Ток в преобразователе всегда протекает по двум тиристорам, принадлежащим к различным вентильным группам, и по двум обмоткам трансформатора.

Поэтому при открывании тиристора в фазе а импульсом, поступающим от СИФУ в момент Ue+α (где Ue – угол естественного включения неуправляемого преобразователя) необходимо также подать импульс управления на VS6 фазы в. ЭДС в цепи нагрузки е2d становится равной линейной ЭДС е2аb=ea– eb. В режиме непрерывного тока в момент открывания очередного тиристора ток еще продолжает протекать через ранее открытый тиристор. Время, в течение которого ток переходит с одного тиристора на другой, называется интервалом коммутации γ.

Необходимость одновременного открывания двух тиристоров, принадлежащих разным группам, требует наличия широких импульсов управления (λу > 60°) или сдвоенных узких импульсов, сдвинутых друг от друга на 60°. Выпрямленное напряжение ud описывается кривой линейного напряжения. Пульсации кривой соответствуют шестикратной частоте по отношению к частоте переменного тока (m=6). Длительность протекания тока в каждом тиристоре равна γ+2π/3. Среднее значение тока IVS=Id/3. При больших углах управления (α>90°) тиристор до подачи импульса управления должен выдерживать без преждевременного открытия максимальное значение прямого напряжения, а после его закрытия максимальное значение обратного напряжения и начальный скачок обратного напряжения.

Обратное напряжение определяется линейным напряжением, так как в непроводящую часть периода неработающие тиристоры присоединены к двум фазам трансформатора через работающие. Ток во вторичной обмотке трансформатора переменный и равен сумме токов тиристоров, присоединенных к данной фазе. Поток вынужденного намагничивания в магнитопроводе не возникает, поскольку по вторичным обмоткам, расположенным на разных стержнях, всегда протекают противоположные по направлению и равные по величине токи.

           

Лист

15

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

    1. Регулировочная характеристика выпрямителя. Расчет   и 

 

                                                                  (1.20)

Т.к. выходной ток выпрямителя, с активно–индуктивной нагрузкой, непрерывный (отсутствуют безтоковые паузы)

 

                                                                       (1.21)

 

 

где для трёхфазной мостовой схемы, для трех фазной нулевой схемы.

 

                

           
   

466,09

380,56

269,1

0


 

 

 

 

                                                   (1.22)

где                                                                     (1.23)

 

 

                

           
   

349,57

285,42

201,83

0


 

 

 

 

                                                 (1.24)

где                                                                   (1.25)

 

 

           

Лист

16

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

   

       

 

 

 

 

 

           
   

512,7

418,62

296,01

0


 

           

Лист

17

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

Строим кривые мгновенных значений фазных и на выходе тиристорной группы при

 

 

 

Строим кривые мгновенных значений фазных и на выходе тиристорной группы при

           

Лист

18

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данном курсовом проекте рассчитан УВ  для функциональной электрической схемы асинхронного ЭП с ПЧ и электрической принципиальной схемы УВ. Рассчитаны все основные параметры и выбраны все необходимые элементы схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           

Лист

19

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

    БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Электротехнический справочник: В 4 т. Т2. Электротехнические изделия и устройства/ Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г.Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 2003. 518 с.
  2. Ковалёв Ю.З., Кузнецов Е.М. Электрооборудование промышленности: Учеб. пособие. Омск: Издательство ОмГТУ, 2010. 163 с.
  3. Справочник «Охладители воздушных систем для п/п приборов компании Dau»: [Электронный ресурс] //Симмитрон/публикации/радиаторы Dau, URL: http://www.symmetron.ru/articles.shtml (Дата обращения: 10.12.2013)
  4. Чебовский О.Г. Моисеев Л.Г. Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 512 с.
  5. Методические указания по применению государственных стандартов в курсовом и дипломном проектировании / В.К.Грунин – Омск, Изд. ОмГТУ, 2002. 38 с.

 

 

 

           

Лист

20

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

             

           

Лист

21

         

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата


 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Расчет управляемого выпрямителя для электродвигателя постоянного тока тиристорного электропривода