Министерство  образования Российской Федерации 
 

Вятский государственный университет 
 

Кафедра «Электропривод и автоматизация  
промышленных установок» 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

по дисциплине

«Преобразовательная техника» 

«Тиристорный преобразователь

постоянного тока» 
 

Вариант 24.5 
 
 
 

Выполнил   студент          

                                                                                      
 

Руководитель  проекта:    

                                                                                    

  
 

       

Киров,  2004

Содержание 

Введение

 

     Тиристорные преобразователи служат  для преобразования переменного  напряжения или тока в постоянное, постоянного напряжения или тока в переменное. Основными характеристиками ТП являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и другие энергетические характеристики.

     В вентильном электроприводе  постоянного тока широкое распространение  получили реверсивные преобразователи. 

       В реверсивных тиристорных электроприводах наибольшее распространение получила встречно-паралельная схема соединения вентильных групп, так как она имеет ряд преимуществ перед другими схемами: во-первых, содержит простой двухобмоточный трансформатор, который может быть применен как в реверсивном, так и в нереверсивном электроприводе, и имеет наименьшую типовую мощность по сравнению с трансформаторами в других схемах; во-вторых, может питаться непосредственно от трехфазной сети через анодные токоограничивающие реакторы; в-третьих позволяет унифицировать конструкцию реверсивного и нереверсивного электропривода.

     Достоинства полупроводниковых  преобразовательных устройств, к  которым относится и тиристорные  преобразователи постоянного тока, по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации. Кроме преобразования и регулирования тока и напряжения обеспечивается бесконтактная коммутация токов в силовых цепях.

     Совершенствование силовых полупроводниковых  приборов и оптимальное сочетание  их параметров с режимами преобразователя  при его проектировании, использование  эффективных методов исследования  преобразователей способствуют  разработке преобразовательных устройств с высокими технико-экономическими показателями. 

Задание

 

I. Расчетная часть

     Рассчитать параметры и выбрать  элементы тиристорного преобразователя  (трансформатор, вентили, сглаживающий  дроссель, защитную аппаратуру), привести полную электрическую схему преобразователя с подробным описанием ее работы и назначения всех элементов. 

II. Графическая  часть

     В соответствии с параметрами  выбранных элементов схемы преобразователя  рассчитать и построить:

1.Регулировочные  характеристики системы управления ТП:

E _d =f (a), U _d =f (a), a = f (U _У), E _d = f (U _У), где

E _d , U _d – соответственно ЭДС и напряжение на выходных зажимах ТП;

U _У – напряжение управления, подаваемое на входные клеммы ТП;

a - угол регулирования, определяющий момент отпирания вентилей;

2.Внешние  характеристики тиристорного преобразователя  для следующих значений ЭДС  на двигателе: ±E _ДН; ±0.75×E _ДН; ±0.5×E _ДН; ±0.25×E _ДН; E _ДН = 0,

где E _ДН – номинальное значение ЭДС на обмотке якоря двигателя;

3.Границу  прерывистого режима работы преобразователя и совмещенные временные диаграммы кривых e _d (u), i×R _Д (u), E _d (u), i (u) для трех случаев (номинальный, граничный и прерывистый токи) при a = const, где u = w_С×t ;

4.Зависимость  полной мощности и ее составляющих, коэффициента мощности от напряжения или скорости при выпрямленных токах I _d = 0.5×I _ДН  и I _d = I _ДН;

5.Временные  диаграммы кривой выпрямленной  ЭДС на выходе преобразователя  при значениях напряжения U _ДН ; 0.5×U _ДН ; U _Д = 0 и напряжения на якоре электродвигателя для U _Д = U _ДН при E _Д = E _ДН ;

6.Выбрать  структурную схему системы управления  преобразователем, описать назначение  блоков системы управления, и  их взаимодействие в структуре,  привести временные диаграммы,  поясняющие принцип работы СУ  ТП.

Исходные  данные

 

1.Совместно-согласованная схема тиристорного преобразователя с раздельным способом управления его преобразовательными группами (ПГ) /рис.1.1/

2.Основные  параметры электродвигателя П-72:

Номинальная частота вращения, n_ном:   750 об/мин.

Номинальная мощность:     11 кВт.

Номинальное напряжение,  U _dn:    110 В.

Номинальный ток, I _dn:     123 А.

Максимальная  частота вращения:   1500 об/мин.

КПД двигателя:      81%.

3. Тип нагрузки: обмотка якоря ДПТ.

4. Параметры питающей сети:

Частота питающей сети, Гц:   f = 50       W_c = 2πf = 314

Напряжение  питающей сети, В:    U _c = 380 В

Предел  изменения напряжения в сети ∆U_С , %: ∆U_С = 5%

5. Параметры  регулирования:

  Колебания напряжения сети ∆U_С , %:   ∆U_С = ± 10%

  Допустимая  амплитуда пульсации тока якоря, А:

  I_{П. ДОП} = (2…10%) %   I _dn, I _dn = 123А, I_{П. ДОП} = 2,46А.

  Допустимая  величина уравнительного тока, А:

  I _УР = 0,1 * I _dn = 12,3А

6. Параметры  схемы:

  Коэффициент схемы:      К_СХ = 2,34.

  Число фаз выпремления:     m = 3.

  Число пульсаций:      p = 6. 

Рис.1.1. Схема тиристорного преобразователя

1.Расчет  силовой схемы  тиристорного преобразователя 

 

     Выбор всех элементов ТП производится  в предположении, что нагрузка  на валу электродвигателя не  зависит от направления его  вращения. В этом случае каждая  ПГ в ТП работает совершенно одинаково, следовательно, расчет можно проводить только для одной группы.

1.1.Расчет мощности и выбор силового трансформатора

     Для согласования заданной величины выпрямленного напряжения питающей сети и ограничения скорости тока в тиристорах ТП используется силовые трансформаторы. 

,        (1.1)

где

  E_н – номинальное значение ЭДС электродвигателя;

  E_н=U_ДН-I_ДН*R_Я

  U_ДН – номинальное напряжение на якоре электродвигателя;

  I_ДН – номинальный ток электродвигателя;

  I_ДН – номинальное значение выпрямленного тока преобразователя;

  R_Я – активное сопротивление двигателя с учетом сопротивления якоря, компенсационной обмотки и добавочных полюсов, приведенное к рабочей температуре 80⁰С;

  

  Ориентировочные значения сопротивления обмотки  якоря определяется следующей формулой:

  

  a _min – минимальный угол регулирования ТП (a _min = 15 эл.град.);

  DU_В – падение напряжения на тиристоре, орентировочно на предварительном этапе расчета принять ∆U_В = 1,2В.

  а_в – коэффициент зависящий от схемы выпрямления; а_в=2

  d, С_Т, b – расчетные коэффициенты

  d = 0,0043, С_Т = 0,0052, b = 0,0025

К_сет – коэффициент, учитывающий индуктивностя сети переменного тока; К_сет = 1,4. 
 
 
 

  l_н %, DP_Н% – напряжение короткого замыкания и потери в меди трансформатора; l_н % = 7%, DP_Н% = 2%.

  K₁ – коэффициент перегрузки двигателя по току (K₁ = I _dmax /I _dn =370/123=3);

  I _dmax – максимальный ток электродвигателя;

  R_S - суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока(обмотка силового трансформатора, реакторов, полное сопротивление якорной цепи электродвигателя, динамическое сопротивление тиристоров и т.п.);

  R_S= R_ТР+ R_dц+ R_р+ nR_дин

  где т – число тиристоров, последовательно обтекаемых током;

  R_дин – динамическое сопротивление тиристоров проводящем состоянии (при подстановки этого значения учитывается общее число последовательно соединяемых вентилей в цепи нагрузки в проектируемой схеме преобразователя).

  Величина  I_dн R_Σ на этапе предварительного расчета может быть принято равной (0,1…0,2) U_дн;

  I_dн * R_Σ = 0,15*110=16,5

В

 В 

Величина  требуемого фазного напряжения на вторичной  стороне силового трансформатора для  мостовых схем ТП определяется соотношением:

 

В

Расчетная мощность трансформатора определяется по формуле

Где K_n – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления K_n=1,045

S=1.045*151.15*123=19428.06=20кВа

В соответствии с расчетными значениями S=20кВа и U_2ф=65В, выбираем трансформатор серии ТСП 25/0,7

Номинальные данные трансформатора ТСП 25/0,7

S_ном = 29кВа    ∆Р_к,з = 1300Вт

U_л = 380В     ∆Р_х,х = 170Вт

U_2ф = 75В     e_кз% = 5,4%

I_2ф = 128,9А     I_xx = 6.3A

Определим линейное напряжение вторичной обмотки  трансформатора

В

Определим максимальное значение выпрямленной ЭДС Уd0 для трехфазной мостовой схемы выпрямления при l=0

В

Найдем  полное сопротивление фазы трансформатора, приведенное на вторичной обмотке:

I_2Л – линейный ток вторичной обмотки

Активное  сопротивление фазы трансформатора

  

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора

Индуктивность фазы трансформатора, Гн

Где f_c – частота питающей сети,  F _c =50Гц

1.2.Расчет индуктивности и выбор токоограничивающего реактора.

Так как в схеме отсутствуют токоограничивающие реакторы, то их выбор не производят.

1.3.Выбор силовых тиристоров.

Выбор тиристора по напряжению и его  класс осуществляются на основании следующей расчетной формулы: 

 

Где К_дн – коэффициент равномерности деления напряжения по последовательно соединенным тиристорам (при N=1, К_дн =1, при N>2, К_дн=0.8); К_дн=0.8

N- число последовательно соединненых тиристоров в схеме эквивалентного вентиля; N=2

Ψ_nw – коэффициент нагрузки, значение Ψ_nw предварительно принимается Ψ=0,5-0,6 затем проверяется после выбора тиристора, 

Где U_WM – наибольшее рабочее напряжение на тиристоре для данной схемы;

U_2Л, U_2Ф – соответственно линейное и фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора;

Расчетное значение U_{обр.мах} округляется до сотен, полученное число делится на 100 вольт, результат деления это класс тиристора. 
 

 

Выбираем тиристор Т2-320-3

I_{ос,ср мах} =  320А

T_к = 85°С

U_об.мах =  300В

1.4.Выбор реакторов для ограничения уравнительных токов при согласованном управлении преобразовательными группами.

Требуемая индуктивность уравнительного реактора, исходя из задонного допустимого  значения уравнительного тока может быть определена из соотношения: 

 

Где U_2М =U_2Ф.М – амплитуда фазного напряжения для трехфазной встречно-паралельной схеме, для трехфазной и шестифазной нулевой перекрестной схемы:

U_2М =U_2Л.М – амплитудалинейного напряжения для трехфазноймостовой перекрестной схемы:

I_ур – действующее значение уравнительного тока в большинстве случаев его можно принять равным 10% от номинального тока электродвигателя:

К_д – коэффициент действующего значения I_ур, определяемый видом преобразователя и диапозоном изменения угла регулирования α.

Величина  К_д определяется на основании кривых (рис 2.8) в методическом пособияи. 

I_ур = 10% I_dн = 12,3А

U_2М = 75В

W_С = 2πf_С = 2*3,14*50 = 314

К_д = 0,38 

 

Выбираем  реактор ФРОС 250/0,5

I_н = 250A

L = 6.5Гн

R = 0,018 Ом

1.5.Расчет индуктивности и выбор сглаживающего дросселя.

Величина  индуктивности дросселя зависит  от его назначения, силовой схемы  преобразователя, расположения дросселей  в схеме.

Сглаживающий  дроссель (СД) включается последовательно с якорем двигателя, и его индуктивность выбирается из следующих условий.

а) сглаживание  пульсаций выпрямительного тока до требуемой величины обеспечивающей удовлетворительную коммутацию двигателя;

б) обеспечение  непрерывного выпрямленного токапри минимальной нагрузке на валу двигателя (исключая реверсивные преобразования с совместным управлением).

Индуктивность сглаживающего дросселя находится  по уравнению: 

Где L_кр – критическая индуктивность, обеспечивающая выполнение вышеперечисленных условий, Гн;

L_я – индуктивность якоря двигателя, Гн. 

β – эпирический коэффициент, для компенсированных машин β=0,1- 0,25, для некомпенсированных β=0,6;

β=0,6;

р –  число пар полюсов;

U_н, I_n, ω_н - номинальное значение напряжений, тока, частоты вращения двигателя; 

n_н – номинальная скорость вращения, об/мин 

L_Ф – индуктивность питающей фазы трансформатора или сетевого реактора с учетом индуктивности питающей сети.

Критическая индуктивность обеспечивающаявыполнение первого условия находится по уравнению; 

 

Где Е_dm – амплитуда основной гармонической выпрямительной ЭДС.

 

- амплитуда основной гармонической ЭДС в функции угла α, для реверсивных электроприводов Е_dm обычно определяется при α=90°(наибольшее амплитудное значение); 

 

m – число фаз, m=6

ab – коэффициент схемы; ab=2.

- допустимое действующее значение основной гармоники переменной состовляющей выпрямленного тока, обычно 2-15%, меньшее значение берется для двигателей большой мощности, для которыхусловия коммутации обычно напряженные, для двигателей малой и средней мощности целесообразно увеличить до 8-15%, так как токое увеличение,не сказываясь существенно на коммутации двигателя, снижает габариты сглаживающего дросселя. =12% 

Для ликвидации режима прерывистого тока на холостом ходу двигателя I_яхх необходимо обеспечить превышение тока холостого хода двигателя над граничное-непрерывным значением тока I_сгр преобразователя.

Критическая индуктивность, обеспечивающая выполнение второго условия, находится по уравнению: 

 

Где α  – угол регулирования, при котором двигатель работает стоком I_яхх и заданной скоростью ω_зад;

КФ –  постоянная двигателя при Ф=Ф_Н=const? Bc;

R_я80⁰_с – сопротивление якорной цепи двигателя с учетом компенсационной обмотки и добавочных полюсов;

I_яхх- ток холостого хода двигателя можно определить:

η –  КПД машины.

ω_зад – минимальная по заданию частота вращения вала машины.

R_э – эквивалентное активное сопротивление преобразователя,

R_э=X_d(К_схπ/Р)=0.03297(2*3.14/4)=0.021 Ом

Где X_d – приведенное по вторичной цепи индуктивное сопротивление фазы трансформатора.

X_d = ω_сL_ф/К_сх=314*0.00021/2=0.03297 Ом

ω_с – угловая частота питающей сети.

Ксх = ab=2

L_тр – индуктивность трансформатора, приведенная к цепи выпрямленного тока.

α=79.35⁰ 

 

Из двух значений критической индуктивности  выбираем большее; выбираем L_кр2=0.001422098 Гн и подставляем в уравнение:

L_cd=L_KPL_я-abL_ф=0.001422098-0.00171-2 0.00021=-0.00070 Гн

Так как  значение L_cd получилось отрицательное, следовательно дросселя не существует, т.к. L_cd отрицательное. То данная схема уже обеспечивает сглаживающую пульсацию тока. 
 

1.6.Расчет  и выбор элементов защиты тиристорного преобразователя от токов короткого замыкания и перенапряжений 
 

Большенство промышленных ТП снабжено быстродействующей  защитой, которая при коротком замыкании  блокирует или сдвигает к границе  инверторного режима управляющие импульсы до включения очередного по порядку включения тиристора. Поэтому при внешних и внутренних к.з. в этих ТП аварийные токи протекают по двум плечам трехфазной мостовой схемы и двум фазам вторичной обмотки трансформатора, т.е. имеет место двухфазное к.з. трансформатора.

Амплитуда и продолжительность протекания аварийного тока при отпирание тиристоров в передающей группе РТП с раздельным управлением и при нарушении соотношения α₁+α₂≥180⁰  в РТП с совместным управлением не превосходят их значений при внешнем к.з.

При внешних  к.з. расчет токов ведется в предположении, что угол регулирования ТП  α =0, при этом токи к.з. максимальны.

Для нахождения ударного тока глухого внешнего к.з. (к.з. на зажимах ТП до СД) вначале  находится амплитуда базового тока к.з.:

Где U_2мф – амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора при х.х.;

Х_2n  V_2n – приведенные к вторичной стороне реактивные и активные сопротивления одной фазы трансформатора.

Находим ударный ток глухого внешнего к.з.

Iуд=I_к.м * I_уд^*

I_уд^* находят по графику в зависимости от ctg φ_к

I_уд^*=1,25А

I_уд=1100*1,25=1375А

Интеграл  предельной нагрузки при глухом внешнем  к.з. определяется по формуле: