Выбор вентилей для управляемого выпрямителя

Министерство транспорта и связи Российской Федерации

Федеральное агентство по железнодорожному транспорту

ГОУ ВПО

Дальневосточный Государственный Университет

Путей Сообщения

Кафедра: "Электроснабжение

транспорта"

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине "Электронная и преобразовательная техника"
на тему: "Выбор вентилей для управляемого выпрямителя".

КП . 14020565 . 000-636

Выполнил:

Проверил: Буравлев А. А.

Хабаровск

2007

ОБЪЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ.

1.          Вычертить однолинейную и расчётную схемы.

2.          Произвести расчет токов к.з. при замыкании шин выпрямленного напряжения на землю и пробое вентильного пле­ча.

3.          Выбрать тип тиристоров.

4.          Определить количество параллельно включенных тиристоров в вентильном плече.

5.          Определить количество последовательно включенных тиристоров в вентильном плече.

6.          Рассчитать общее количество  тиристоров в выпрямителях.

7.          Определить параметры резисторов и конденсаторов, необходимых для равномерного расп­ределения по тиристорам прямого тока и обратного напряжения.

8.          Построить временную диаграмму очередности подачи управляющих импульсов на тиристорные плечи при 1 = 5˚ и 2 =21˚.

9.          Построить временную диаграмму открытых состояний тиристорных плеч при  1 и 2.

10.      Вычертить в масштабе временную диаграмму формирования обратного  напряжения на закрытом тиристорном плече при  1 и 2.

11.      Вычертить в масштабе временную диаграмму тока к.з. при пробое вентильного плеча и 1  (выпрямитель под номинальной нагрузкой).

12.      Вычертить принципиальную схему тиристорного плеча с обозначением параметров всех элементов.

СОДЕРЖАНИЕ.

1.  ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

2. РАСЧЁТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

2.1. Подготовка исходных данных

2.2. Короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения

2.3.  Короткое замыкание при пробое тиристорного плеча.

2.4. Проверка тиристоров по току рабочего режима.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ТИРИСТОРОВ.

4.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВО ТИРИСТОРОВ

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ И  КОНДЕНСАТОРОВ.

5.1 Равномерное распределение прямого тока в тиристорах.

5.2. Равномерное распределение обратного напряжения.

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

6.1. Расчитаем угол коммутации

6.2. Расчет тока короткого замыкания.

7.              ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

7.1. Моделирование в Simulink

7.2. Функциональная схема системы управления

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

2. РАСЧЁТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

2.1. Подготовка исходных данных

Исходными данными для расчётов являются паспортные параметры установленного на подстанции основного оборудо­вания и характеристики пинающей сети (прилагаются в зада­нии на курсовую работу). Наиболее тяжёлыми аварийными режимами полупроводникового выпрямителя являются короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения и пробой вен­тилей, что в итоге тоже приводит к короткому замыканию.

При анализе аварийных процессов обычно принимают допущения, которые существенно упрощают расчет и практи­чески не оказывают заметного влияния на точность полу­ченных результатов. В курсовой работе используются следую­щие допущения:

1.      При расчётах токов к.з. вентили принимаются идеа­льными и падением напряжения в них пренебрегаем;

2.      Все активные и индуктивные сопротивления линейны;

3.      Трёхфазная питающая сеть имеет синусоидальное и симметричное напряжение;

4.      Намагничивающий ток трансформатора не учитывается.

5.      Авария в преобразователе возникает при установив­шемся режиме работы питающей сети.

6.      Активным сопротивлением питающей сети пренебрегаем.

7.      Индуктивность в цепи выпрямленного тока равна бесконечности.

Однолинейная и расчетная схемы представлены на рисунках 1 и 2.

Развитие аварии в выпрямителе при указанных допуще­ниях определяется параметрами цепи переменного тока (индуктивным сопротивлением - Ха и активным сопротивлением - Ra) приведёнными к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата.

При заданной мощности короткого замыкания в питающей сети индуктивное сопротивление от источника до места подклю­чения подстанции (с учётом приведения к напряжению U2ф ) определяется по формуле:

,              Ом      (1)

КТ2 – коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя;

Uс – линейное напряжение питающей сети, кВ;

Sкз – мощность короткого замыкания, кВА.

Фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора выпрямителя равно:

Тогда коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора: 

При подстановке полученных значений  в (1) получим

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора выпря­мителя, приведенное к напряжению вторичной обмотки:

,  Ом      (2)

UК2% - напряжение короткого замыкания трансформатора выпрямителя, %;

U2Ф  - напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ; SТ2 - номинальная мощность трансформатора выпрями­теля, кВА.

По данным выражений (1), (2) находится индуктив­ное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя:

,      Ом        (3)

где N2 - количество трансформаторов выпрямительных агрегатов.

Активное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя определяется по выражению:

,    Ом           (4)

где Ra2 – активное сопротивление фазы трансформатора выпрямителя, Ом.

Значение Ra2 определяется по формуле:

,       Ом

где PK2 - мощность потерь из опыта короткого замыкания трансформатора выпрямителя, кВт.

Подставим значения в выражение (4):

2.2. Короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения

Для расчета принимается наиболее тяжёлый режим развития аварии. Под нагрузкой все трансформаторы и выпрямителя. Короткое замыкание происходит при работе выпрямителя с углом регулирования =0, когда ток короткого замыкания достигает максимальных значений. В курсовой работе предполагается, что с возникновением к.з. система управления блокируется и управляющие импульсы на тиристоры не поступают, начиная с очередной по времени коммутации.

Такой ток к.з. можно рассматривать как ударный и если его значение, приходящееся на один тиристор, окажется меньше паспортного ударного тока тиристора, то он при заданном к.з. приходит по ударной токовой и термической нагрузки. Проверку тиристоров по защитному показателю обычно производят при защите преобразователя с помощью плавких предохранителей. Поскольку в курсовой работе заданы мощные высоковольтные выпрямителя, то в них для защиты от токов к.з. плавкие предохранители не предусматриваются и по защитному показателю тиристоры в расчётах не проверяются.

Среднее значение тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения определяется:

,      А        (5)

Так как в выражении (5) все величины и их размерности определены ранее, то

Максимальное значение тока к.з. учитывае­тся ударным коэффициентом К:

,       А

где К - переходный коэффициент от среднего к максималь­ному значению, определяется по графику [1, рис. 1 , приложение 1] в виде зависимости К = .

= = 0,06   определяем по графику значение К : К =2,2

Максимальное значение тока тиристорного плеча в мостовой схеме  составляет:

,       А

  где  NB - количество находящихся в работе выпрямителей.

При включении в вентильном плече "а" параллельных тиристоров максимальный ударный ток короткого замыкания, проходящий через один тиристор, будет равен:

,             А             (6)

где КН - коэффициент, учитывающий неравномерность распре­деления тока по тиристорам, КН  = 0,9.

Паспортный ударный неповторяющийся ток тиристора, взятый из [1, приложение 2], должен быть больше тока, определенного по выражению (6). Предвари­тельно выбрав тиристор из условия, что расчетный параметр "а" в плече должен быть близким очередному большему цело­му числу, подбором найдём (с последующим округлением):

,          (7)

где IT уд. пасп. - паспортный ударный неповторяющийся ток через открытый тиристор, 7500 А.

Из таблицы [1, приложение 2] выберем тиристор типа Т3-320:

Расчетный параметр "а" равен:

           а = 6

Подставляем полученное значение "а"  в уравнение (6):

IТ уд < IT уд пасп  динамическая и термическая устойчивость приборов в случае к.з. на шинах выпрямленного напряжения обеспечивается.

2.3.  Короткое замыкание при пробое тиристорного плеча.

При пробое одного из тиристорных плеч выпрямителя возникает внутреннее короткое замыкание, вызывающее дина­мическую перегрузку оставшихся в работе тиристорных плеч. В расчете предполагается пробой в конце периода коммута­ции при   = 0, что соответствует наиболее тяжелому режиму развития внутреннего к.з. в выпрямителе.

Фактическое значение амплитуды тока к.з. определяе­тся по выражению:

,       А

где Im - значение тока к.з. на выводах вторичной обмотки трансформатора выпрямителя:

,      А            (8)

где U2ф - действующее номинальное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ;

       КС -  коэффициент, учитывающий повышение напряжения в питающей сети:               

= = 1,03

Значения Х'а и R'a определяются по выражениям (3) и (4), где следует принять N2= 1.

Подставим значения Х'а и R'а в (8):

По графику [1, рис. 2 приложение 1], где в относительных величинах заданы значения , определяем : 

Следовательно

Значение ударного тока одного тиристора IT уд. при этом виде к.з. определяется по выражению (6), где параметр "а" выбран из условия устойчивости тиристоров при к.з. на шинах выпрямленного напряжения (7).

Расчетное значение IT уд меньше паспортного ударного тока тиристора, предварительно выбранного на основе расчета тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения.

2.4. Проверка тиристоров по току рабочего режима.

Для принятия окончательного решения по количеству параллельно включенных тиристоров в плече выпрямителя необходимо убедиться в том, что такое плечо будет рабо­тать без перегрузки в длительном рабочем режиме, т.е.

,

где IП        - средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной      

                    нагрузке (Id ном) А;

КПЕР - коэффициент допустимой длительной перегрузки, из задания,   

            КПЕР=1,4;

ITт     - предельный средний прямой ток тиристора для заданных условий

            работы;

КН      - коэффициент неравномерности распределения тока по тиристорам,  

            КН=0,9.

Предельный средний прямой ток тиристора при заданных условиях работы выпрямителя рассчитывается по выражению:

,      А

где UТ0   - пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии;

        Кф    - коэффициент формы тока вентильного плеча в заданной схеме  

                  выпрямления,   Кф = 1,73;

         rТ     - динамическое сопротивление тиристора;

        Tjm     - максимально допустимая температура р-n перехода, Tjm = 125˚;

        Та     - температура охлаждающего воздуха,

         R    - сопротивление стоку тепла от р-n перехода в охлаждающую среду  

                   для выбранного тиристора и соответствующего типа охладителя

                   (тип охладителя-ОА-26):

,     

где составляющие R являются паспортными параметрами отдельных участков стока тепла, от полупроводниковой структуры в охлаждающую среду.

Из таблицы [1, приложение 2] для выбранного типа тиристоров (Т-500) определим необходимые для расчета паспортные параметры:

Rthjc = 0,04 C˚/Вт;              Rthch = 0,01 C˚/Вт;              Rthha = 0,17 C˚/Вт

UT0 = 1,08 В;                          rT = 1,22 ∙ 10 -3 Ом

То предельный средний прямой ток тиристора равен:

Проведем проверку тиристоров по току рабочего режима:

    т.е   а = 4

Из полученных значений "а" выбираем наибольшее, при котором исключаются недопустимые перегрузки тиристоров по току во всех режимах работы выпрямителя и структура вентилей не достигнет предельной температуры при заданных условиях охлаждения.

Следовательно, принимаем “a”= 6.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ТИРИСТОРОВ.

              Количество тиристоров в последовательной цепочке должно быть таково, чтобы при заданном рабочем напряжении сети с учетом возможных отклонений, коммутационных и неповторяющихся перенапряжений, максимальное обратное напряжение на любом тиристоре выпрямителя не превышало бы соответствующего паспортного параметра тиристора. Число последовательно соединенных тиристоров в вентильном плече определяется по выражению:

,                  (9)

где Uпл.мах  - максимальное значение обратного напряжения, воздействующего  

                     на вентильное плечо в заданной схеме выпрямителя с учетом  

                     бросков и колебаний напряжения в сети, В

      UТ повт   - паспортное значение допустимого обратного напряжения на           

                     тиристоре, UТ повт = 2000В.

          КHU  - коэффициент неравномерности распределения напряжения по

                     тиристорам, КHU = 0,8.

Величина Uпл. мах определяется с учетом коммутационных перенапряжений:

,

где Uв мах - максимум обратного напряжения в заданной схеме выпрямителя при             

                   номинальном напряжении сети;

           kγ - коэффициент, показывающий отношение величины

                   коммутационного перенапряжения к максимальному обратному

                   напряжению, kγ = 1,35;

           Кс - колебание напряжения в сети.

Uв max = 1,05 ∙ Ud0 = 1,05 ∙ 3450 = 3622,5   В

Тогда:

Следовательно из выражения (9):

 выбираем .

              Количество последовательно включенных тиристоров должно быть проверено по условию воздействия неповторяющихся бросков перенапряжения.

где Ud ном - номинальное выпрямленное напряжение, В

       kUН   - коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения,

       КН       - коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, КН. = 0,9

      UТнеп - паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора,  

UТ неп =.UТ повт∙(1 + 0,2) = 2000 ∙ 1,2 = 2400   В

Тогда:

   .

Из полученных значений "в" выбираем наибольшее, то есть принимаем в = 5

4.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВО ТИРИСТОРОВ

Количество тиристоров выбранного типа, необходимое для комплектования выпрямителей подстанции, определяется по формуле:

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ И
КОНДЕНСАТОРОВ.

5.1 Равномерное распределение прямого тока в тиристорах.

При параллельном соединении тиристоров для равномерного распределения тока необходимо выбрать их с одинаковыми вольт–амперными характеристиками. Однако, даже с учетом этого требования, подбор не удается осуществить, т.к. с течением времени характеристики изменяются, что приводит к разбалансу токов в тиристорах плеча. Основываясь на обобщении эксплуатационных данных, можно более просто решить распределение токов по тиристорам с помощью резисторов Rс, через которые включаются в узловую точку аноды тиристоров, находящихся в одном ряду вентильного плеча. В выпрямительных агрегатах электрифицированных железных дорог сопротивление резисторов связи принимается равным 1…10 Ом. Изготавливают резисторы из нихромовой  проволоки диаметром 0,6…1,0 мм.

5.2. Равномерное распределение обратного напряжения.

Как при параллельном, так и последовательном соединении тиристоров требуется применение дополнительных средств выравнивания прямых и обратных напряжений на закрытых тиристорах. Одним из наиболее распространенных способов выравнивания напряжения на закрытых последовательно соединенных тиристорах является шунтирование их активными сопротивлениями.

Сопротивление шунтирующего резистора определяется по формуле:

,        Ом

где      в – число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече;

    UТ повт – паспортное значение допустимого повторяющегося обратного напряжения на тиристоре, В;

   Uпл. мах – наибольшее обратное напряжение, воздействующее на тиристорное плечо в заданном преобразователе, В;

       Iоб –    повторяющийся обратный ток в закрытом тиристоре (паспортный параметр), мА;

Мощность шунтирующего резистора определяется по выражению:       

где Ка – коэффициент амплитуды,  Ка =0,45.

              Для исключения возможности попадания бросков перенапряжения на закрытые тиристоры дополнительно, в параллель шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующие цепочки  Rд,Cд.  Значение емкости определяется по формуле:

где ω - угловая частота,  ω = 314   1/с;

      k - коэффициент неравномерности распределения напряжения, k = 0,9;     

     Iоб - паспортные параметры тиристоров, соответственно В, мА.

              Исходя из опыта проектирования и эксплуатации полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций, параметры демпфирующей цепочки рекомендуется выбирать в пределах  Rд = 20…40 Ом, Сд = 0,25…2 мкФ.

         Мощность резистора демпфирующего устройства выбирается в пределах Рд = 10…15Вт

      Принимаем: Rд= 25 Ом, Рд  = 15  Вт.

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

6.1. Расчитаем угол коммутации

6.2. Расчет тока короткого замыкания.

Будем считать, что пробой тиристорного плеча произойдет в конце периода коммутации. Импульсы управления будут блокироваться до очередной коммутации. Произойдет короткое замыкание между фазами A и C через неповрежденный вентель VS2 и поврежденный VS6. Ток короткого замыкания можно определить по следующей зависимости:

,

где Im - значение тока к.з. на выводах вторичной обмотки трансформатора выпрямителя;

ψ – начальная фаза ЭДС в момент короткого замыкания;

φ = arctg(Xa/Ra).

Подставляя значения получаем закон изменения тока к.з.:

7.      ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

7.1. Моделирование в Simulink

Пользуясь средствами MatLab Simulink смоделируем трехфазный мостовой управляемый выпрямитель. Изображенная на рис.7. виртуальная лабораторная установка содержит:

1.      Источник трёхфазного синусоидального напряжения.

2.      Трёхфазный трансформатор (Transformer).

3.      Тиристоры (VS).

4.      Активно-индуктивную нагрузку (R, L).

5.      Измерители мгновенных токов в источнике питания  и нагрузке.

6.      Измеритель мгновенного напряжения на нагрузке.

7.      Систему управления с генератором управляющих импульсов (Synchronized 6-Pulse Generator).

8.      Блоки для измерения тока сети и нагрузки и напряжения на нагрузке (Fourier).

9.      Блок для наблюдения осциллограмм токов и напряжений (Scope).

10. Блоки для измерения токов и напряжений (Display).

Рис. 7 Виртуальная модель трехфазного мостового управляемого выпрямителя.

С помощью блока Scope можно просмотреть осциллограммы токов и напряжений в различных элементах схемы, которые изображены на Рис.8 и

Рис. 9 при угле управления α = 5º и α = 21º соответственно.

4