Выбор вентилей управляемого выпрямителя

ГОУ ВПО

ДВГУПС

 

 

 

 

 

Кафедра «Электроснабжение

транспорта»

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему «Выбор вентилей управляемого выпрямителя».

 

 

КР 190401.65                                                   633гр.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Назаров А.В

                                                       Проверил: Клочков М. И.

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Хабаровск

2010г

Содержание:

1.Объём курсовой работы....................................................................3

2.Исходные данные..............................................................................4

3.Расчёт аварийных режимов управляемого выпрямителя..............5

3.1.Подготовка исходных данных.......................................................5

3.2.Короткое замыкание на шинах  выпрямленного напряжения.....7

3.3.Короткое замыкание при пробое  тиристорного плеча................8

3.4.Проверка тиристоров по току  рабочего режима..........................8

4.Определение последовательно  включённых тиристоров...............9

5.Определение общего количества тиристоров................................10

6.Определение параметров резисторов  и конденсаторов................10

7.Графическая часть    ........................................................................11

8.Индивидуальное задание………………………………………….12

9. Список литературы………………………………………………13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Объем курсовой работы

 

1. Вычертить однолинейную  и расчетную схемы.

2. Провести 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 соединенных 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 и .

9. Построить временную  диаграмму открытых состояний  тиристорных плеч при и .

10. Вычертить в масштабе  временную диаграмму формирования  обратных напряжения на закрытом тиристорном плече при и .

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

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

 

 

2. Исходные данные

 

1.1. Параметры короткого замыкания на первичных шинах подстанции:

Напряжение короткого  замыкания                                                                 Uс = 110 кВ;

Мощность короткого замыкания                                                                    Sкз =  920000 кВА;

 

1.2. Параметры понизительного  трансформатора:                               

Мощность                                                                                                          Sт1 = 25000 кВА;

Напряжение                                                                                                       Uт1 = 110 /35 кВ;

Напряжение короткого  замыкания (к.з.)                                                        Uк% = 10,3 %;

Мощность короткого замыкания                                                                    ΔРк1 = 121 кВт;                                                                 

Мощность холостого хода                                                                               Рхх = 37 кВт;

Количество трансформаторов                                                                         Nв = 2;

 

1.3. Колебания напряжения  питающей цепи                                                 Кс% = ±7;

 

1.4. Схема выпрямителя с  уравнительным реактором 

 

1.5. Количество выпрямителей                                                                       Nв = 2;

 

1.6. Параметры выпрямителя:   

Мощность                                                                                                          Р = 9500 кВт;

Номинальный ток                                                                                             Id = 3000 А;

 

1.7. Выпрямленное напряжение                                                                     Udном = 4150 В;

 

1.8. Параметры преобразовательного  трансформатора:   

Мощность                                                                                                          Рт = 11200 кВт;      

Первичное напряжение                                                                                    U₁ = 35 кВ;

Напряжение короткого  замыкания (к.з.)                                                        Uкз = 7.8%;

Мощность короткого замыкания                                                                    ΔРк2 = 103 кВт;

Мощность холостого хода                                                                               Рхх = 25 кВт;

Количество                                                                                                        N2 =  2;

 

1.9. Отношение величины коммутационного (повторяющегося) перенапряжения к максимальному обратному                                                                                                      Кγ = 1,3;

 

1.10. Отношение амплитуды  неповторяющегося перенапряжения  к U_do        Kuн = 2,6;

 

1.11. Охлаждение тиристоров  воздушное 

 

1.12. Коэффициент перегрузки                                                                       Кпер = 1,37;

        Температура  охлаждающего воздуха                                                     Та = 34◦С;

 

 

 

 

 

3. Расчет аварийных режимов управляемого выпрямителя.

 

3.1.Подготовка исходных данных.

    Исходными данными  являются паспортные параметры  установленного на подстанции  основного оборудования и характеристики питающей сети. Наиболее тяжёлыми аварийными режимами полупроводникового выпрямителя является короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения и пробой вентилей, что в итоге тоже приводит к короткому замыканию.

     При анализе  аварийных процессов обычно принимаются  следующие допущения:

• При расчетах токов к.з. вентили принимаются идеальными и падением напряжения в них принебригаем;
• Все активные и индуктивные сопротивления линейны;
• Трёхфазная питающая сеть имеет синусоидальное и симметричное напряжение;
• Намагничивающий ток трансформатора не учитывается;
• Авария в преобразователе возникает при установившемся режиме питающей сети;
• Активным сопротивлением питающей сети принебригаем;
• Индуктивность в цепи выпрямленного тока равна бесконечности.

    Развитие аварии  в выпрямителе при указанных  допущениях определяется параметрами  цепи переменного тока приведёнными к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата.

    При заданной  мощности короткого замыкания  в питающей сети индуктивное  сопротивление от источника до  места подключения подстанции  определяется по формуле

 

 

где  К_Т1 – коэффициент трансформации понизительного трансформатора;

К_Т2 – коэффициент трансформации трансформатора выпрямителя;

Uс – линейное напряжение питающей сети, кВ;

Sкз – мощность короткого замыкания, кВА.

 

Найдем коэффициенты трансформации  по следующим формулам

 

Тогда

 

Индуктивное сопротивление  фазы понизительного трансформатора, приведенное к напряжению вторичной обмотки, трансформатора выпрямительного агрегата, найдётся по выражению:

 

 

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:

 

 

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:

 

где      N₁ - количество понизительных трансформаторов на подстанции;

     N₂ - количество трансформаторов выпрямительных агрегатов.

 

Активное сопротивление  в цепи переменного тока преобразователя  определяется по выражению:

 

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

                        к напряжению вторичной обмотки трансформатора выпрямителя, Ом;

            R’a₂ - то же для трансформатора выпрямителя, Ом.

Значение R’_a1 определяется по выражению:

 

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 R’a₂ определяется по аналогичной формуле:

 

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

 

Тогда по выражению (5):

 

 

 

 

      3.2. Короткое замыкание на шинах выпрямленного напряжения.

Для расчёта принимается  наиболее тяжёлый режим развития аварии. Под нагрузкой находятся все трансформаторы и выпрямители. Короткое замыкание (рис. 5) 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 :

 

 

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

 

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

Определяя по графику значение Кt, получаем: Кt =2,2, при R_a/X_a=0,01915/0,25=0,076.

 

 

Максимальное значение тока тиристорного плеча включенного по схеме с уравнительным реактором составляет:

 

где  N_B - количество находящихся в работе выпрямителей.

 

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

 

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

                 К_Н  = 0,9.

Паспортный ударный неповторяющийся  ток тиристора, 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).

 

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

Выбираем тип тиристора Т-630. I_T уд. пасп=14,3 кА.

 

Принимаем а=2, тогда

 

 

3.3.Короткое замыкание при пробое тиристорного плеча.

При пробое одного из тиристорных плеч выпрямителя (рис. 6) 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.

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:

 

где           

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

 

здесь          U_2ф - действующее номинальное значение фазного напряжения вторичной обмотки

                              трансформатора выпрямителя, кВ;

               К_С - коэффициент, учитывающий повышение напряжения в питающей сети:

 

где - заданное значение отклонения напряжения питающей сети, %.

Значения  и определяются по выражениям (4) и (5) где следует принять N₂ =2.

 

 

 

 

 

 

 

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).

 

Принимаем а=2, тогда

 

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

 

 

 

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

 

                К_ПЕР - коэффициент допустимой длительной перегрузки;

               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:

 

где    U_Т0 – пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии, U_Т0=1,35 В;

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

         Z_Т – динамическое сопротивление тиристора, Z_T  = 0,5 10^-3Ом;

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

        Та – температура охлаждающего воздуха, Та=34⁰С

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

               тиристора и соответствующего  типа охладителя, (тип охладителя- О353-150):

 

где составляющие R являются паспортными параметрами отдельных участков стока тепла, от полупроводниковой структуры в охлаждающую среду =0,026; =0,005; =0,095.

 

Тогда

 

 

 

Тогда "а"=3.

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”= 3.

 

4.Определение 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:

 

где        U_пл.мах – максимальное значение обратного напряжения, воздействующего на вентиль- ное 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} = 1800В.

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

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

 

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

                              номинальном напряжении сети, U_bmax =2,09*4150=8673,5 B;

                 kγ  –      коэффициент, показывающий отношение величины коммутационного      

                               перенапряжения к максимальному  обратному напряжению, kγ = 1,3;

                 К_с – колебание напряжения в сети, К_с = 7%

 

Тогда:

 

Принимаем b=10.

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, В

           k_UН   –   коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения, k_UН = 2,6;

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

          U_Тнеп – паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора, U_Тнеп=1,2*1800В.

 

 

 

Принимаем

 

 

5.  Определение общего количества тиристоров

 

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

 

 

 

6. Определение параметров резисторов и конденсаторов.

 

6.1. 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 за      данном     

                       преобразователе, В;

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

 

 

Мощность  шунтирующего резистора определяется по выражению: 

 

где         К_а – коэффициент амплитуды.

 

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.

Исходя  из опыта проектирования и эксплуатации полупроводниковых выпрямителей тяговых  подстанций, параметры демпфирующей цепочки выбираем

 

 

Мощность  резистора демпфирующего устройства выбираем

 

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение:

 

По итогу расчетов выбираем тип резистора ПЭ-50, конденсатора МБГП-1500

 

 

 

7. Графическая часть.

7.1.Однолинейная и расчетная схемы (Приложение 1)

7.2. Временные диаграммы  (Приложение 2)

Нахождение величин для  построения временных диаграмм.

При α=0

 

При α=10

 

 

 

8.Индивидальное  задание

Рассчитать и построить  внешнюю характеристику.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.Список литературы

1. Балабанов В.Н. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине Электронная и преобразовательная техника: "Выбор вентилей для управляемого выпрямителя", Хабаровск, ХабИИЖТ, 1987 год.
2. Бурков А.Т. “Электронная техника и преобразователи”: Учеб. для ВУЗов ж.-д. транспорта - М.:Транспорт, 1999 год.