Разработка тиристорного преобразователя
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: Преобразовательная техника
“Проектирование тиристорного преобразователя”
Выполнил:
студент группы
ПЭ-932
Башмаков А. В.
Работу принял:
преподаватель
Пономаренко А. И.
СТАВРОПОЛЬ
1997
СОДЕРЖАНИЕ
СТР.
ВВЕДЕНИЕ ...................................... 2
1. Задание .................................... 3
2. Аналитический обзор ........................ 4
Силовая часть преобразователя .......... 4
Системы фазового управления ............ 29
Устройства защиты преобразователя ...... 41
Датчики тока ........................... 47
Разработка электрической принципиальной
схемы преобразователя ...................... 56
Расчет и выбор элементов схемы ............. 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................... 67
ЛИТЕРАТУРА .................................... 68
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые выпрямительные агрегаты нашли широкое применение в различных областях промышленности, на железнодорожном транспорте, судах самолетах и т. д. Они используются для питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности; для питания системы электропривода двигателей постоянного тока различного назначения и мощности; для возбуждения крупных электрических генераторов; для тяговых подстанций и магистральных электровозов переменного тока и для удовлетворения многих других потребностей народного хозяйства.
Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. В то же время значительная часть электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Это связано с тем, что часть потребителей может работать только на постоянном токе. Другая часть потребителей имеет на постоянном токе лучшие характеристики и параметры.
Для преобразования переменного тока в постоянный в настоящее время почти исключительно применяются полупроводниковые преобразователи электрической энергии - выпрямители.
Значительный прогресс в преобразовательной технике связан с созданием силовых полупроводниковых вентилей. Высокие электрические параметры, малые габариты и масса, простота конструкции и обслуживания, высокая эксплуатационная надежность полупроводниковых вентилей позволяют широко использовать их в схемах преобразования переменного тока в постоянный.
Возможности преобразователей существенно расширяются с разработкой и использованием тиристоров. Тиристроные выпрямители обеспечивают глубокое изменение выходных параметров в любом требуемом диапазоне; обладают высоким быстродействием и точностью автоматического регулирования; позволяют переводить преобразователь в инверторный режим и тем самым обеспечивать рекуперацию электроэнергии в сеть.
Указанные качества тиристорных преобразователей делают их весьма перспективными устройствами для питания систем электроприводов постоянного тока с плавным регулирование частоты варения в широком диапазоне, для возбуждения крупных электрических генераторов и других целей.
1. Задание
Разработать тиристорный преобразователь, обеспечивающий питание обмотки возбуждения двигателя постоянного тока или синхронной машины, мощность, отдаваемая в нагрузку Pд = 5 кВт, номинальное выпрямленное напряжение Udном = 235 В, напряжение питающей сети Uc = 215 В. Индуктивность нагрузки равна Ld = 0.25 Гн. Преобразователь должен обеспечивать минимальные низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения, а также содержать защиту от перегрева силовых вентилей.
ЛИТЕРАТУРА
Методические указания к лабораторным работам. Исследование СИФУ интегрирующего типа. По курсу ”преобразовательная техника”. Составитель: А. И. Пономаренко. Рецензент: П. М. Рыбаков.
Методические указания к лабораторным работам. Исследование СИФУ вертикального типа. По курсу “преобразовательная техника”. Составитель: А. И. Пономаренко. Рецензент: П. М. Рыбаков.
Полупроводниковые выпрямители/ Беркович Е. И., Ковалев В. Н., Ковалев Ф. И. И др.; Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. - 2-е изд., переработ. М.: Энергия, 1978.
Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А. В. Баюшков, А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1984.
Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник/ И. В. Новаченко, В. М. Петухов, И. П. Блудов, А. В. Юровский. - М.: КУбК-а, 1996.
Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/М. И. Богданович, И. Н. Грель, С. А. Дубина и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, Полымя. 1996.
Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. Пособие для приборостроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1991.
Аналоговые интегральные схемы: Справочник/А. Л. Булычев, В. И. Галкин, В. А. Прохоренко. - 2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 1994.
Резисторы, конденсаторы, коммутационные устройства РЭА: Справочник/Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок - Мн.: Беларусь, 1994.
Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова, и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981.
Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры: Справочник/ В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, В. М. Петухов. - М.: Радио и связь, 1987.
Силовые полупроводниковые приборы: Справочник/ О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недешовин. - 2 изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1985.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных работ спроектирован тиристорный преобразователь, обеспечивающий мощность нагрузки равную 5 кВт, номинальное выпрямленное напряжение Udном = 235 В и минимальные низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения. В построенной схеме присутствует защита силовых вентилей от перегрева.
2. Аналитический обзор
2.1 Силовая часть преобразователя
Выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, показанной на рис. 1. Силовой трансформатор 1 служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Трансформатор одновременно электрически разделяет питающую сеть и сеть нагрузки. Блок вентилей 2 осуществляют функцию выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр 3 является звеном, уменьшающим пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки 4. В случае управляемого выпрямителя в структуру схемы входит еще блок 5, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования. Для защиты самого выпрямителя от повреждения в аварийных режимах в его схему входит еще система защиты и сигнализации 6.
Рис. 1. Структурная схема выпрямителя
Полупроводниковые выпрямители могут быть классифицированы по следующим основным признакам.
По входной мощности: установки малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой мощности.
По числу фаз источника питания: выпрямители однофазного тока; выпрямители трехфазного тока.
По возможности регулирования: неуправляемые выпрямители; управляемые выпрямители.
Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора схемы выпрямления, типа применяемых вентилей и метода расчета параметров элементов схемы.
Приведем описание и краткую характеристику существующих схем выпрямления переменного тока.
1. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора (рис. 2)
Основная область применения этой схемы установки малой мощности, где требуются минимальные потери напряжения в выпрямительной установке, она не реализуема без среднего отвода трансформатора.
Рис. 2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним выводом трансформатора
Работа схемы на чисто активную нагрузку (ключ К замкнут) представлена на временных диаграммах рис. 3
Рис. 3. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активную нагрузку
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2m - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 4
Рис. 4. Регулировочная характеристика при работе однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активную нагрузку
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
, где
U2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток, максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль соответственно равны:
, , , где
Kf - коэффициент формы тока в вентиле
Мощность первичной обмотки трансформатора равна:
; где
U1ф - действующее значение фазного напряжения первичной обмотки трансформатора,
I1н - номинальный действующий ток первичной обмотки трансформатора,
- номинальная мощность выпрямленного тока,
- коэффициент трансформации трансформатора.
Мощность двух вторичных обмоток равна:
; где
I2н - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
Расчетная мощность трансформатора Sт равна:
Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) приведена на временных диаграммах рис. 5.
Рис. 5. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности
Вывод регулировочной характеристики выпрямителя при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности):
; где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2m - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 6.
Рис. 6. Регулировочная характеристика однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток может быть определен как
.
Мощность первичной обмотки трансформатора равна:
; где
I1н - номинальный действующий ток первичной обмотки трансформатора,
- номинальная мощность выпрямленного тока,
Мощность двух вторичных обмоток равна:
; где
I2н - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
Расчетная мощность трансформатора Sт равна:
.
Однофазная мостовая схема (рис. 7)
Основная область применения - установки малой мощности, но иногда применяется и в установках большой мощности.
Рис. 7. Однофазная мостовая схема симметричная (а), несимметричная схема 1 (б), несимметричная схема 2 (в)
Работа всех симметричных и несимметричных однофазных мостовых схем приведенных на рис. 7 при активной нагрузке (ключ К замкнут) одинакова и представлена временными диаграммами рис. 8.
Рис. 8. Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы на активную нагрузку
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2m - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 9
Рис. 9. Регулировочная характеристика однофазной мостовой схемы при работе на активную нагрузку
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
, где
U2ф - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток, максимальные средний и действующий токи через вентиль соответственно равны:
, , .
Расчетная мощность трансформатора Sт равна:
, где
- номинальная активная мощность выпрямленного тока,
I2н - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
Работа симметричного однофазного мостового выпрямителя (рис. 7а) на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) при индуктивности нагрузки равной бесконечности представлена на временных диаграммах рис. 10
Рис. 10. Временные диаграммы работы симметричной однофазной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Вывод регулировочной характеристики выпрямителя при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности):
; где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2m - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 11.
Рис. 11. Регулировочная характеристика однофазной симметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку
Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет
, где
U2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:
.
Средний выпрямленный ток, максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль соответственно равны
, , , где
Kf - коэффициент формы тока в вентиле.
Расчетная мощность трансформатора Sт равна:
, где
- номинальная мощность выпрямленного тока.
Рассмотрим работу несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7б) на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) при индуктивности нагрузки равной бесконечности. Временные диаграммы работы схемы показаны на рис. 12
Рис. 12. Временные диаграммы работы несимметричной мостовой схемы (рис. 7б) на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2m - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 13
Рис. 13. Регулировочная характеристика несимметричной однофазной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку
Работа несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7в) на активно-индуктивную нагрузку показана на временных диаграммах рис. 14, индуктивность нагрузки равна бесконечности.
Рис. 14. Временные диаграммы работы несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7в) на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2m - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид аналогичный предыдущей схемы рис. 13.
Исходя из временных диаграмм рис. 12 и рис. 14 можно сказать, что схема приведенная на рис. 7б обладает преимуществом по сравнению со схемой рис. 7в, так как среднее значение тока через все вентили в схеме рис. 7б имеют одинаковое значение, в то время как неуправляемые вентили в схеме рис. 7в находятся под большей нагрузкой по сравнению с неуправляемыми.
Средний и действующий токи через управляемые вентили в схеме рис. 7в равны:
; .
Для неуправляемых вентилей
; .
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
.
Трехфазная схема со средней точкой (рис. 15)
Трехфазная схема со средней точкой используется в установках средней мощности. Недостатком данной схемы является наличие однополярного подмагничивания сердечника трансформатора из-за наличия постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора.
Рис. 15. Трехфазная схема со средней точкой
Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 16
Рис. 16. Временные диаграммы работы трехфазной схемы со средней точкой на активную нагрузку: режим непрерывных токов 0°ЈaЈ30°(а), режим прерывистых токов 30°ЈaЈ150°(б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме непрерывных токов (РНТ) (0°ЈaЈ30°):
, где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2mф - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 17а
Рис. 17. Регулировочная характеристика для трехфазного выпрямителя со средней точкой при работе на активную нагрузку: в режиме РНТ (а), в режиме РПТ (б)
Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме прерывистых токов (РПТ) (30°ЈaЈ150°):
,где
m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,
U2mф - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда
, тогда
.
Полученная регулировочная характеристика имеет вид рис. 17б.
Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:
, где
U2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом: