Выбор вентилей управляемого выпрямителя. 5

 

ГОУ ВПО

Дальневосточный государственный

университет путей сообщения

 

 

 

 

 

 

 

 

  Кафедра: «Электроснабжение

транспорта»

 

 

 

 

 

Курсовой проект

на тему: «Выбор вентилей для управляемого выпрямителя»

 

190401.65             631

 

 

 

 

 

                                                                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                 Выполнила: Дертун Е.Ю.

                                                                                Проверил: Клочков М.И.

 

 

 

 

 

 

                                                                    Хабаровск

2009

 

 

Содержание.

 

 

Введение

Объем курсовой работы.

1. Расчет аварийных режимов управляемого выпрямителя.

                1.1. Подготовка исходных данных.

                1.2. Короткое замыкание на шинах  выпрямленного напряжения.

                1.3. Короткое замыкание при пробое  тиристорного плеча.

                1.4. Проверка тиристоров по току  рабочего режима.

2. Определение количества последовательно включенных тиристоров.

3. Определение общего количества тиристоров.

4. Определение параметров резисторов и конденсаторов.

               4.1 Равномерное распределение прямого  тока в тиристорах.

               4.2. Равномерное распределение обратного напряжения.

7. Оформление  графической части  работы.

8. Индивидуальное задание.

9. Функциональная схема СУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Для питания  приемников постоянного тока, например, коллекторных тяговых двигателей, используют выпрямительные агрегаты, электроснабжение которых осуществляется от энергосистем. Они являются промежуточным звеном между источниками и приемниками электроэнергии.

Выпрямительные  агрегаты представляют собой устройства, объединенные для совместного преобразования переменного тока в постоянный, точнее в ток постоянного направления, но пульсирующий с той или иной частотой в допустимых пределах.

Для анализа  работы выпрямителей пользуются схемами  выпрямления, показывающими соединение полупроводниковых приборов с вентильной обмоткой трансформатора.

В зависимости от применяемых вентилей — диодов или тиристоров — выпрямители  подразделяют на неуправляемые и  управляемые. В состав последних дополнительно входит система управления тиристорами (СУ).

Вентили, как неуправляемые, так  и управляемые, выполняют функции коммутирующих аппаратов, переключающих поочередно в течение каждого периода питание приемников постоянного тока от соответствующих обмоток фаз трансформатора. Благодаря этим переключениям и односторонней проводимости тока в вентилях через приемник проходит ток постоянного направления.

Процесс переключения вентилями фаз  переменною тока к приемнику постоянного тока называют коммутацией вентильных токов. При числе фаз и присоединенных к ним анодами либо катодами вентилей равном т = q за период происходит q коммутаций.

Схемы выпрямления различают простые  и сложные с нулевым выводом  и мостовые.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 тиристора.

4.  Определить число последовательно  включенных тиристоров в вентильном  плече. 

5.  Определить число параллельно включенных тиристоров в вентильном плече.

6.  Рассчитать общее количество  тиристоров в выпрямителях.

7.  Определить параметры резисторов  и конденсаторов в тиристорном  плече, необходимые для равномерного  распределения прямого тока и обратного напряжения.

8.   Построить диаграммы очередности  подачи управляющих импульсов  на тиристорные плечи при  a = 0 и a = 5 ⁰

9.   Построить диаграммы открытых  состояний тиристорных плеч при  a = 0 и a = 5 ⁰.

10. Построить временную диаграмму  формирования обратного напряжения на тиристорном плече при  a = 0 и a = 5 ⁰.

11. Построить временную диаграмму  тока к.з. при пробое вентильного  плеча выпрямителя 

при a = 0.

12. Изобразить принципиальную схему  тиристориого плеча с обозначением  всех элементов. 

13. Индивидуальное задание: Рассчитать и построить с использованием ПК спектр гармоник кривой сетевого тока.

14. Составить функциональную схему  СУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РАСЧЁТ АВАРИЙНЫХ  РЕЖИМОВ 

УПРАВЛЯЕМОГО  ВЫПРЯМИТЕЛЯ.

1.1. 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 U_2ф ) определяется по формуле:

,  Ом      (1)

где  К_Т1 – коэффициент трансформации понизительного трансформатора;

К_Т2 – коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя;

Uс – линейное напряжение питающей сети, кВ;

Sкз – мощность короткого замыкания, кВА.

Коэффициенты трансформации находятся  по следующим формулам:

;    

Тогда                           

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора выпрямителя, приведенное к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата, найдется по выражению:

 

, Ом    (2)

где      U_K1% - напряжение короткого замыкания понизительного трансформатора, %;

           U_Ф – напряжение фазы вторичной обмотки понизительного трансформатора, кВ;

           S_T1 – номинальная мощность понизительного трансформатора, кВА.

 

 

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

,  Ом      (3)

где      U_К2% - напряжение короткого замыкания трансформатора выпрямителя, %;

           U_2Ф - напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, кВ;

           S_Т2 - номинальная мощность трансформатора выпрямителя, кВА.

 

 

По данным выражений (1), (2), (3) находится  индуктивное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя:

,      Ом        (4)

 

где      N₁ - количество понизительных трансформаторов на подстанции;

           N₂ - количество трансформаторов выпрямительных агрегатов.

 

 

Активное сопротивление в цепи переменного тока преобразователя  определяется по выражению:

,    Ом           (5)

где       R’_a1   - активное сопротивление фазы понизительного  трансформатора, приведенное

                        к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, Ом;

            Ra₂ - то же для трансформатора выпрямителя, Ом.

 

 

          Значение R’_a1 определяется по выражению:

,    Ом           (6)

где    DP_K1- мощность потерь из опыта короткого замыкания понижающего трансформатора, кВт;

         U_Ф  - напряжение фазы вторичной обмотки понизительного трансформатора, кВ;

         S_Т1 - номинальная мощность понизительного трансформатора, кВА;

         К_Т2 - коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя.

Значение Ra₂ определяется по аналогичной формуле:

,       Ом     (7)

где     DP_K2- мощность потерь из опыта короткого замыкания трансформатора выпрямителя, кВт.

                   - остальные величины использовались  ранее.

Тогда по выражению (5):

 

 

1.2. Короткое замыкание  на шинах выпрямленного напряжения.

Для расчёта принимается наиболее тяжёлый режим развития аварии. Под нагрузкой находятся все трансформаторы и выпрямители. Короткое замыкание (рис. 4) происходит при работе выпрямителя с углом регулирования a=0 , когда ток к.з. 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. проходит по ударной токовой и термической нагрузке. Поскольку в курсовой работе заданы мощные высоковольтные выпрямители, то в них для защиты от токов к.з. плавкие предохранители не предусматриваются и по защитному показателю тиристоры в расчетах не проверяются.

Среднее значение тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения соответственно определится :

,      А        (8)

В этом выражении все величины и  их размерности определены ранее.

Максимальное значение тока к.з. учитывается ударным коэффициентом К_t:

,       А        (9)

где Кt - переходный коэффициент от среднего к максимальному значению, определяется по графику в виде зависимости Кt =¦(R_a/X_a ) /1, рис. 1 , приложения 1.

Определяя по графику значение Кt, получаем: Кt =2,41

Максимальное значение тока тиристорного плеча в мостовой схеме составляет:

,            А           (10)

где  N_B - количество находящихся в работе выпрямителей (см. задание).

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

,             А             (11)

где       К_Н - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по тиристорам,

                    К_Н  = 0,9.

Паспортный ударный неповторяющийся  ток тиристора, взятый из /1, приложение 2/, должен быть больше тока, определённого по выражению (11). Предварительно выбрав тиристор из условия, что расчетный параметр "а" в плече должен быть близким очередному большему целому числу, подбором найдём (с последующим округлением)

,          (12)

где       I_T уд. ласп. - паспортный ударный неповторяющийся ток через открытый тиристор, А.

Выбираем  тип тиристора Т3-320.Получаем , т.е. Тогда

При взятом типе тиристоров и количестве их в плече  с соблюдением условия (12) обеспечивается динамическая и термическая устойчивость приборов в случае к.з. на шинах выпрямленного напряжения. Заведомо брать большое число "а" не рекомендуется, т.к. это неоправданно усложняет схему и удорожает всю установку.

 

1.3. Короткое  замыкание при пробое тиристорного  плеча.

При пробое одного из тиристорных плеч выпрямителя (рис. 5) возникает внутреннее короткое замыкание, вызывающее динамическую перегрузку оставшихся в работе тиристорных плеч. К повреждению тиристоров наиболее часто приводит резкий скачок обратного напряжения в конце периода коммутации. Авария (пробой) в момент окончания коммутации является наиболее тяжёлой по амплитуде тока к.з., длительности и тепловому воздействию.

Для построения зависимости тока к.з. в функции времени и определения его максимального значения при пробое тиристорного плеча используется методика/3/, где в относительных величинах заданы значения .

Используя /1, рис. 2 приложение 1/ получаем:

В расчёте предполагается пробой в конце периода коммутации при  a = 0, что соответствует наиболее тяжёлому режиму развития внутреннего к.з. в выпрямителе. Система управления оснащена схемой блокирования управляющих импульсов до первой очередной коммутации.

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

,       А       (13) 

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

,      А            (14)

 

Здесь          U_2ф - действующее номинальное значение фазного напряжения вторичной обмотки

                              трансформатора выпрямителя, кВ;

К_С - коэффициент, учитывающий повышение напряжения в питающей сети:   

            

Значения Ха и Ra определяются по выражениям (4), (5) где следует принять N₂=1.

,      

 Значение ударного тока одного  тиристора I_{T УД.} при этом виде к.з. определяется по выражению (11), где параметр "а" выбран из условия устойчивости тиристоров при к.з. на шинах выпрямленного напряжения (12).

 

Расчетное значение I_{T УД} не  превышает паспортного ударного тока тиристора, предварительно выбранного на основе расчета тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения.

 

1.4. 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.

,                    (15)

где           I_П - средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной нагрузке (Id ном) А,

;

                К_ПЕР - коэффициент допустимой длительной перегрузки, из задания, К_ПЕР =1,33;

                I_Tт - предельный средний прямой ток тиристора для заданных условий работы;

               К_Н - коэффициент неравномерности распределения тока по тиристорам, К_Н = 0,9.

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

 

,              (16)

где              U_Т0 – пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии, U_Т0=1,15 В;

                   К_ф – коэффициент формы тока вентильного плеча в заданной схеме выпрямления, К_ф=1,73;

                   Z_Т – динамическое сопротивление тиристора, Z_T  = 1* 10^-3Ом;

                   T_jm – максимально допустимая температура р-n перехода, T_jm=125⁰;

                   Та – температура охлаждающего воздуха, Та=35⁰С

                   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 /1, приложение 2/:

Тогда:

 

 

Из значений, полученных исходя из условий (12), (15) 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. Принимаем “a”= 5.

 

 

2. 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:

,                  (17)

где        U_пл.мах – максимальное значение обратного напряжения, воздействующего на вентильное      

                             плечо в заданной схеме выпрямителя  с учетом бросков и колебаний  напряжения в         

                             сети, В

               U_{Т повт} – паспортное значение допустимого обратного напряжения на тиристоре,

                             U_{Т повт} = 2000В.

               К_HU – коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристором, К_HU = 0,8.

Величина U_{пл. мах} определяется с учетом коммутационных перенапряжений:

,              (18)

где           U_{в мах} – максимум обратного напряжения в заданной схеме выпрямителя при                   

                              номинальном напряжении сети, U_bmax = 1,05U_d = 4200 B;

                 kγ  –      коэффициент, показывающий отношение величины коммутационного      

                               перенапряжения к максимальному  обратному напряжению, kγ = 1,6;

                 К_с – колебание напряжения в сети, К_с = 7%

            

Тогда:

Принимаем .

Количество последовательно включенных тиристоров, определенное на основе повторяющихся  бросков перенапряжения должно быть проверено по условию воздействия неповторяющихся бросков перенапряжения.

где      Ud_ном -   номинальное выпрямленное напряжение,4000 В

 

           k_UН   –   коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения, k_UН = 2,45;

           К_Н. –      коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, К_Н. =0,9

          U_Тнеп – паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора, U_Тнеп=2400В.

 

 

Тогда:

                       

 

3.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВО ТИРИСТОРОВ.

 

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

 

 

 

 

 

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ

И КОНДЕНСАТОРОВ.

 

4.1 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…1,0мм.

 

4.2. Равномерное распределение  обратного напряжения.

Как при параллельном, так и последовательном соединении тиристоров требуется применение дополнительных средств выравнивания прямых и обратных напряжений на закрытых тиристорах. Подбор тиристоров по вольт – амперным характеристикам не может обеспечить равномерного распределения напряжения по цепочке последовательно соединенных тиристоров. Одним из наиболее распространенных способов выравнивания напряжения на закрытых последовательно соединенных тиристорах является шунтирование их активными сопротивлениями. Сопротивление шунтирующего резистора определяется по формуле:

где        в       –   число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече;

            U_{Т повт} – паспортное значение допустимого повторяющегося обратного напряжения на       

                            тиристоре, В;

            U_{пл. мах} – наибольшее обратное напряжение, воздействующее на тиристорное плечо в заданном     

                       преобразователе, В;

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

 

Мощность шунтирующего резистора  определяется по выражению:       

 где         К_а – коэффициент амплитуды,  К_а =0,4…0,5.

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

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

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

            U_{Т повт}, I_об – паспортные параметры тиристоров, соответственно В, мА.

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

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

      Принимаем: R_д=20 Ом, Р_д= 15Вт.

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение

 

5. ОФОРМЛЕНИЕ  ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ.

 

В соответствии с заданием в курсовой работе надлежит построить временные  диаграммы: очерёдности подачи управляющих  импульсов; отображения открытого  состояния тиристорных плеч; формирования обратного напряжения на закрытом тиристорном плече; развития (изменения) тока к.з. до его ликвидации. При построении анализируемые диаграммы будем располагать одну под другой по вертикали в системе одновременного отсчета времени по горизонтали от J = 0 до

J =360 эл. град. Все указанные временные диаграммы связаны с системой напряжений на вторичной обмотке трансформатора выпрямителя. Поэтому диаграммы будем строить под волновой диаграммой фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора выпрямителя с обозначением (по вертикали) временной связи изменения анализируемых кривых с кривыми фазных напряжений.

Также требуется вычертить принципиальную схему тиристорного плеча с обозначением всех элементов. Она представлена на рисунке 3.

 

 

 

Рис. 3. Схема тиристорного плеча.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ  ЗАДАНИЕ. 

 

Целью индивидуального  задания является расчет и построение с помощью ПК спектра гармоник кривой сетевого тока заданной схемы выпрямления.

Расчеты и построения выполняли с помощью программы Microsoft Excel 2007, точность расчета которой достаточно для выполнения данного задания.

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Определяем номера гармоник спектра кривой сетевого тока по формуле:

 

,

где: k – целые положительные числа (1,2, 3….)

р – пульсность. р = 6.

 

Получили номера гармоник: 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19.

 

2. Определяем амплитуду n – го ряда Фурье кривой тока по формуле:

 

, А

где: - количество фаз, =3

- номинальный ток,  =1800А.

- временной угол.

 

3. По полученным данным с помощью программы Microsoft Excel 2007 строим гармоники кривой сетевого тока. По оси Х откладываем угол в радианах с шагом 0,00002 для наиболее точного построения. По оси Y делаем расчет амплитуд гармоник на каждом промежутке времени с помощью формулы:

 

,

где: - фаза колебания.

 

4. Для получения кривой тока суммируем полученные значения  спектра амплитуд кривой тока. Строим кривую сетевого тока. (Рис. 6.)
5. Определяем частоту гармоник сетевого тока по их номерам гармоник.
6. По полученным значениям амплитуд кривой сетевого тока и частотам их гармоник строим спектр кривой сетевого тока. (Рис. 7.)

 

 

 

 

Рис. 6. Сложение гармонических колебаний  тока.

 

 

 

Рис. 7. Спектр гармоник кривой сетевого тока.