Трехфазный мостовой преобразователь

Тольяттинский Государственный Университет

Электротехнический факультет

Кафедра «Промышленная электроника»

Пояснительная записка

к курсовому проекту

«Трёхфазный мостовой преобразователь»

Студент: Моторин С.К.

Группа: Э - 406

Преподаватель: Бар В.И.

Тольятти 2003

Содержание

Введение

1. Анализ состояния, перспектив проектирования и разработки статических преобразователей средней мощности

2. Разработка структурной и принципиальной схем преобразователя

3. Расчёт токов и напряжений.

4. Расчёт семейства внешних характеристик

5. Расчёт сглаживающего фильтра выпрямителя при активной нагрузке. Выбор емкостей. Расчет сглаживающего дросселя

6. Электромагнитный расчет трансформатора

7. Выбор и расчет устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений

8. Описание работы схемы управления

Заключение

Литература

Введение

В настоящее время в промышленных устройствах очень часто возникает необходимость получения постоянного тока из переменного тока. Данную функцию выполняют выпрямители. Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.

Целью настоящей работы является расчёт трехфазного управляемого выпрямителя, преобразующего входное напряжение до необходимой выходной величины с заданным коэффициентом пульсаций и величиной выходного тока, за счёт использования трансформатора напряжения, соответствующей вентильной выпрямительной схемы, фильтра гармонических составляющих выходного напряжения и системы защиты от перегрузок и коротких замыканий.

1. Анализ состояния, перспектив проектирования и разработки статических преобразователей средней мощности

На сегодняшний день существуют различные выпрямительные схемы статических преобразователей мощности. Разделение в основном идет на однофазные и трехфазные выпрямители, а также на неуправляемые и управляемые.

Неуправляемые выпрямители строятся на основе полупроводниковых диодов. Данные устройства не позволяют регулировать мощность, выделяемую в нагрузке. Управляемые выпрямители в качестве вентилей используют тиристоры. Применение данных полупроводниковых приборов позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

Трехфазные выпрямители используются при средних и больших мощностях. Применение трехфазных выпрямителей позволяет создать равномерную нагрузку на все три фазы сети; уменьшить пульсации выпрямленного напряжения; уменьшить расчетную мощность трансформатора, а также повысить коэффициент мощности.

Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя (схема Миткевича) изображена на рис. 1.1. Она обладает невысокими энергетическими характеристиками. Частота пульсаций выпрямленного напряжения в три раза больше частоты питающего напряжения; установленная мощность трансформатора должна быть на 35% больше мощности в нагрузке, что значительно увеличивает его габариты; стержни магнитопровода трансформатора подмагничиваются в процессе работы выпрямителя. Наибольшее распространение получила схема трехфазного двухполупериодного мостового выпрямителя, представленная на рис. 1.2 (схема Ларионова). Данная схема обладает лучшими энергетическими показателями: частота пульсаций выпрямленного напряжения в шесть раз больше частоты питающего напряжения, что значительно снижает массогабаритные и стоимостные показатели фильтрующих устройств; установленная мощность трансформатора всего на 5% больше мощности в нагрузке; отсутствует подмагничивание стержней магнитопровода трансформатора.

В табл. 1.1 приведены сравнительные характеристики выпрямителей различных типов, где: q0 - коэффициент пульсаций, Ia - среднее значение тока вентиля, Id - среднее значение выходного тока выпрямителя, Uобр - амплитуда обратного напряжения на вентилях, Ud - среднее значение выходного напряжения выпрямителя, ST - расчётная мощность трансформатора, Pd - значение мощности на нагрузке, N – минимальное число вентилей, m – пульсность напряжения.

Таблица 1.1

Основные характеристики выпрямителей

Таким образом, наибольшее применение нашла мостовая схема Ларионова, содержащая выпрямительный мост из шести вентилей.

2. Разработка структурной и принципиальной схем преобразователя

Основными элементами преобразователя являются трансформатор и вентили. Основное требование, предъявляемое к полупроводниковым преобразователям, в том числе и к выпрямителям - это надёжность, поэтому ввиду чувствительности приборов к перегрузкам, коротким замыканиям, перенапряжениям в схеме необходимо предусмотреть быстродействующие системы защиты. Необходимо выдерживать заданные параметры на выходе преобразователя. Для этого в схему включаются фильтры, датчики и системы сравнения выходных параметров преобразователей с заданными, и управления полупроводниковыми приборами. Согласно вышесказанному, составили структурную (рис. 2.1.) и принципиальную (рис. 2.2.) схемы полупроводникового выпрямителя.

3. Расчет токов и напряжений

3.1. Расчет токов и напряжений выпрямителя.

3.1.1 Выбрали минимальное значение угла управления aмин=10є.

3.1.2 Определили номинальное и максимальное значения угла управления:

aном=arccos(K1·cos aмин)=arccos(0,9·cos 10є)=27,585є (3.1)

aмакс=arccos(K1·)=arccos(0,9·)=36,317є (3.2)

где 0,9; (3.3)

1,1; (3.4)

где Uc=220 В – напряжение сети, из задания;

DUс=22 В – колебание напряжения сети 10%, из задания.

3.1.4 Рассчитали среднее значение выпрямленного тока в относительных единицах:

0,409. (3.5)

3.1.5 Вычислили значение выпрямленного напряжения холостого хода (ЭДС выпрямителя):

58,462 В, (3.6)

где Uн=32 В – напряжение на нагрузке из задания;

DUd – суммарное падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя и активном сопротивлении тиристора; предварительно приняли DUd=6 В.

3.1.6 Определили амплитудное значение фазной ЭДС на вторичной обмотке трансформатора (соединение обмоток «звезда-звезда»):

35,346 В. (3.7)

3.1.7 Рассчитали индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора и угол коммутации:

0,018 Ом, (3.8)

где Id=Iн=800 А – номинальное значение выпрямленного тока;

(3.9)

Повторили вычисления по пунктам 3.1.3 - 3.1.7 для значений =0,8; 0,75; 0,7; 0,60; 0,55; 0,50. Все полученные результаты занесли в табл.3.1.

Таблица 3.1

Промежуточные результаты расчета выпрямителя

По результатам расчетов таблицы 3.1, сделали следующие выводы: для уменьшения тока короткого замыкания Id.кз и уменьшения полной мощности трансформатора S, приняли значение выпрямленного напряжения в относительных единицах равным =0,65. Дальнейший расчет ведется для выбранных параметров.

3.1.8 Нашли наибольший выпрямленный ток короткого замыкания:

1963 А (3.10)

3.1.9 Определили ортогональные составляющие первой гармоники вторичного тока в относительных единицах:

0,207 (3.11)

(3.12)

0,314. (3.13)

3.1.10 Рассчитали действующее значение тока первой гармоники вторичной обмотки трансформатора (базисное значение тока):

612,947 А. (3.14)

3.1.11 Нашли действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора, соединенных «звездой»:

617,781 А. (3.15)

3.1.12 Определили коэффициент трансформации трансформатора:

5,082. (3.16)

3.1.13 Рассчитали действующее значение тока в первичных обмотках трансформатора, соединенных «звездой»:

121,562 А. (3.17)

3.1.14 Вычислили полную мощность трансформатора:

46,32 кВ·А. (3.18)

3.1.15 Определили угол сдвига первой гармоники входного тока относительно фазной ЭДС:

0,848 рад. (3.19)

3.1.16 Рассчитали активную мощность на входе выпрямителя:

30,4 кВ·А. (3.20)

3.1.17 Нашли коэффициент мощности выпрямителя:

K=P/S=30,4/46,32=0,656. (3.21)

3.1.18 Рассчитали среднее значение анодного тока:

Iа.ср=Id/3=800/3=266,666 А. (3.22)

3.1.19 Определили максимальное значение анодного тока:

Iаm=Id=700 А. (3.23)

3.1.20 Вычислили действующее значение анодного тока:

436,837 А. (3.24)

3.1.21 Определили скорость спадания анодного тока в момент выключения вентиля:

-1541А/с. (3.25)

3.1.22 Рассчитали анодное напряжение в момент включения вентиля:

23,349 В. (3.26)

3.1.23 Нашли анодное напряжение в момент выключения вентиля:

55,737 В. (3.27)

3.1.24 Определили максимальное значение обратного анодного напряжения:

– 61,22 В. (3.28)

3.1.25 Нашли действующее значение n-й гармоники выпрямленного напряжения (a>0; Id>0; g≤60є):

(3.29)

где -0,097; (3.30)

-0,017; (3.31)

n – номер гармоники выпрямленного напряжения, приняли n=6.

Аналогичные вычисления провели и для n=12,18. При этом получили:

Ud (12)=3,583 В; Ud (18)=2,992 В.

3.1.26 Определили действующее значение первой гармоники анодного напряжения:

. (3.32)

3.1.27 Рассчитали действующее значение n-й (n=6k±1) гармоники анодного напряжения:

, (3.33)

где 0,152; (3.34)

0,243 (3.35)

Аналогичные вычисления провели и для n=7. При этом получили следующий результат: Ua (7)=3,969 В.

3.1.28 Нашли действующее значение n-й (n=3k) гармоник анодного напряжения:

, (3.36)

где 0,061; (3.37)

0,394 (3.38)

Аналогичные вычисления провели и для n=6. При этом получили следующий результат: Ua (6)=2,062 В.

3.2 Выбор тиристоров и охладителей

Выбор тиристоров осуществляется на основе следующих найденных расчетным путем величин:

- средний ток, протекающего через прибор Iа.ср=266,667 А,

- максимальное значение обратного анодного напряжения Uam=61,22 В,

- анодное напряжение в момент выключения вентиля 55,737 В,

- скорость спадания анодного тока в момент выключения вентиля

-1541 А/с.

Исходя из этих условий из справочника [2] с учетом 5%-го допуска требуемых разбросов параметров выбрали тиристоры Т-133-400 со следующими эксплуатационными параметрами:

- максимально допустимое напряжение в открытом состоянии 300 – 1600 В

- максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 400 А

4. Расчет семейства внешних характеристик

4.1 Режимы работы выпрямителя

В работе трехфазного мостового выпрямителя можно выделить три режима работы: режим 2-3 (ток попеременно пропускают два или три вентиля); режим 3 (ток пропускают всегда три вентиля); режим 3-4 (ток попеременно пропускают три или четыре вентиля). С увеличением выпрямленного тока Id или индуктивного сопротивления xg при заданном напряжении питания Uпит, один режим работы выпрямителя переходит в другой. Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость выпрямленного напряжения Ud от выпрямленного тока Id.

4.2 Внешние характеристики режима работы 2-3

Внешними характеристиками Ud=f(Id) для режима 2-3 являются прямые линии, следовательно, каждую из них можно построить по двум точкам. Для построения первой точки (a=0°) примем Id=0, тогда вторая координата опишется уравнением:

. (4.1)

Для построения второй точки каждой характеристики примем в относительных единицах . Тогда в абсолютных единицах:

0,2Ч1954 = 390,8 А, (4.2)

где Iбаз=1954 А – базисное значение тока, равное току короткого замыкания при угле a=30°.

Семейство внешних характеристик выпрямителя при его работе в режиме 2-3 описывается уравнением:

. (4.3)

Воспользовавшись уравнением (4.3), рассчитали координаты точек при различных углах управления a для номинального параметра Edном. Результаты свели в табл.4.1.

Таблица 4.1

Внешние характеристики режима 2-3

4.3 Внешние характеристики режима 3

Для a=0° граничной между режимами 2-3 и 3 является точка А, для которой координаты определяются так:

(4.4)

(4.5)

Для a=30° граничной между режимами 3 и 3-4 является точка В, для которой координаты определяются так:

(4.6)

(4.7)

Промежуточные точки участка А-В внешней характеристики выпрямителя в режиме 3 описывается уравнением:

. (4.8)

Угол управления a для режима 3 является вынужденным и изменяется от 0° до 30°. Угол коммутации остается постоянным и равным 60°.

Участок границы между режимами 2-3 и 3-4 для токов Id>IdгрВ­ описывается тем же уравнением, что и участок А-В внешней характеристики. Максимальное значение тока при Ud=0:

. (4.9)

Задаваясь значениями тока Id в диапазоне 846,1ЈIdЈ1692,2 найдем по формуле (4.8) значения Ud. Результаты свели в табл.4.2.

Таблица 4.2

Внешние характеристики режима 3

4.4 Внешние характеристики режима работы 3-4

Режим работы 3-4 наступает при углах управления a ≥ 30є.

Рассчитаем характеристики углов управления, равных 30є и 45є по двум точкам. Для a=30є координаты точек:

- первая (точка В): Id=1400 A, Ud=28,67 В;

- вторая (на оси Id – точка КЗ): Id=1954 А, Ud=0 В.

Для a=45є координаты точек, по которым будет построена прямая: режим 3 заканчивается, когда g№60є. При этом условии ток:

(4.10)

Напряжение Ud=13,07 В нашли по формуле (4.8). Вторая точка находится на оси Id, поэтому Ud=0. Ток в относительных единицах:

. (4.11)

По формуле (4.2) нашли значение Id=1887,56 А.

По основе данных пунктов 4.2-4.4, включающих табл.4.1-4.2, построили семейство внешних характеристик выпрямителя, которое изображено на рис.4.1. Здесь А – граничная точка режимов 2-3 и 3; B – граничная точка режимов 3 и 3-4.

Графики кривых и постоянной составляющих выпрямленного напряжения представлены на рис. 4.2.

Семейство внешних характеристик выпрямителя.

Рис4.1.

График кривых и постоянной составляющих выпрямленного напряжения.

Рис. 4.2.

5. Расчет сглаживающего фильтра выпрямителя при активной нагрузке

Первой гармоникой источника питания является гармоника напряжения питания при f(1)=50 Гц. Частота основной гармоники выпрямленного напряжения в 6 раз больше: f(6).

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения будем использовать индуктивно-емкостной фильтр с последовательным включением выпрямительного моста и дросселей фильтра, и параллельным включением конденсатора нагрузки (рис.2.2).

5.1.1 Рассчитали коэффициент пульсации на выходе выпрямителя (на входе сглаживающего фильтра):

; (5.1)

; (5.2)

. (5.3)

5.1.2 Коэффициент пульсации на выходе согласно заданию Кп(6)=0,024%. Дальнейший расчет проведем по 6-ой гармонике.

5.1.3 Рассчитали минимальную индуктивность сглаживающего фильтра:

Гн. (5.4)

где m=6 – номер гармоники выпрямленного напряжения;

w – круговая частота:

w=2·p·f=2·3,14·50=314 с-1, (5.5)

где f=50 Гц – частота сети.

Приняли Lф=2 мкГн.

5.1.4 Определили коэффициент фильтрации:

, (5.6)

где КП=0,024 % – коэффициент пульсаций, согласно заданию.

5.1.5 Нашли емкость конденсатора фильтра:

27,597 Ф. (5.7)

5.1.6 Корректировка величин индуктивности и емкости фильтра.

Величина емкости слишком большая, поэтому выбрали емкость конденсатора фильтра Сф=51Ч10-3 Ф. Пересчитали индуктивность сглаживающего дросселя:

Гн. (5.8)

Определили индуктивность дросселей:

Гн. (5.9)

5.1.7 Амплитуда основной гармоники тока:

(5.10)

5.1.8 Выбор типа конденсатора.

В качестве конденсатора С7 (рис.2.2) сглаживающего фильтра выбрали из справочника [3] конденсатор К50-18 емкостью 51 мФ (согласно ряда Е24) и номинальным напряжением Uном= 82 В.

5.2 Расчет сглаживающего дросселя

Сглаживающий дроссель предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. По обмотке дросселя протекают переменная и постоянная составляющие выпрямленного тока. Постоянная составляющая создает поток вынужденного намагничивания сердечника дросселя. Индуктивность дросселя зависит от величины этого магнитного потока. Чтобы ослабить эту зависимость, в сердечнике делают немагнитные зазоры (рис. 5.1). Для расчета сглаживающего дросселя предварительно задались следующими параметрами:

коэффициент заполнения окна магнитопровода: Kм=0,25;

коэффициент, характеризующий отношение высоты окна магнитопровода к ширине окна: K1=b/a=4;

коэффициент, характеризующий отношение магнитного сопротивления зазора к магнитному сопротивлению стали: K2=10;

плотность тока в обмотке: jd=3·106 А/м2;

число витков обмотки дросселя: W=25;

относительная динамическая магнитная проницаемость стали: m*=700.

5.2.1 Длина немагнитного зазора:

16,3 мм. (5.11)

5.2.2 Площадь поперечного сечения:

. (5.12)

5.2.3 Размеры сечения окна магнитопровода:

0,082 м = 82 мм; (5.13)

b=4·a=4·0,082=0,328 м; (5.14)

5.2.4 Размеры сечения сердечника:

0,188 м = 188 мм. (5.15)

5.2.5 Сечение меди в проводе:

м2. (5.16)

5.2.6 Средняя длина витка обмотки:

1,439 м. (5.17)

5.2.7 Активное сопротивление обмотки:

2,564·10-3 Ом. (5.18)

5.2.8 Падение напряжения на активном сопротивлении обмотки:

DUа=2·Id·R=2·800·2,564·10-3=4,102 В. (5.19)

5.2.9 Потери в меди обмотки дросселя:

DP=Id·DUа =800·4,102 = 1,641 кВт (5.20)

5.3 Тепловой расчет сглаживающего дросселя

В связи с большим током дросселя приняли водяное охлаждение.

5.3.1 Количество охлаждающей воды для одного дросселя:

1,313·10-5 м3/с, (5.21)

где Т2 – температура воды на выходе; приняли Т2=50 єС;

Т1 – температура воды на входе; приняли Т1=20 єС.

5.3.2 Площадь сечения отверстия охлаждающей трубки:

6,564·10-6 м2 (5.22)

где v – скорость потока воды; приняли v=2 м/с.

Выбрали трубки с прямоугольным отверстием, имеющую размеры 0,37ґ0,24 см2.

5.3.3 Проверка на турбулентность

Гидравлический эквивалент диаметра:

2,574·10-3 м, (5.23)

где F – периметр трубки.

Рассчитали критерий Рейнольдса:

7800, (5.24)

где m* - кинематическая вязкость воды при средней температуре

Тср=(Т1+Т2)/2=35 єС.

Так как Re=7800>2300, то движение воды турбулентное.

5.3.4 Коэффициент сопротивления шероховатости:

0,092, (5.25)

где k=3 – коэффициент шероховатости.

5.3.5 Длина трубки одного дросселя:

l=lср.в·W=1,439·25=35,986 м. (5.26)

5.3.6 Перепад давления:

3,774·106 Н/м2 (5.27)

5.3.7 Рассчитали превышение температуры по формуле:

(5.28)

Повышение температуры ts=tc+t=20+25=45° составляет меньше допустимой температуры класса изоляции «А»: t=105°С, что соответствует требованиям эксплуатации.

6. Электромагнитный расчет трансформатора

6.1 Основные электрические параметры трансформатора были рассчитаны в п.п. 3.1.6 и 3.1.9-3.1.16 (полная мощность S, действующие значения фазных токов первичных I1 и вторичных обмоток I2 и т.д.).

Выбрали двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система такого трехфазного трансформатора с обмотками.

В качестве магнитной системы выбираем трёхфазную шихтованную магнитную систему, схематически изображенную на рис.6.1, из холоднокатаной стали марки 3404 толщиной 0.35 мм. Провод обмотки сделан из алюминия. Обмотки соединены по схеме ''звезда-звезда''.

6.2 По табл. 1.9 [4] определили потери и напряжение короткого замыкания для рассчитанной полной мощности трансформатора (S=46,32 кВЧА). Получили PК= 2000 Вт, UК%= 5 %. Рассчитали реактивную составляющую напряжения короткого замыкания по формуле:

(6.1)

6.3 По табл.2.2 [4] определили коэффициент заполнения kЗ, по табл. 2.4 [4] определили индукцию в стержнях трансформатора B, по табл.2.5 [4] определили коэффициент заполнения площади круга kКР, по табл.3.3 [4] определили коэффициент приведённой ширины k, по табл.3.12 [4] определили значение коэффициента β, по табл.4.5 [4] определили минимальное изоляционное расстояние a12.

Получили B= 1.575 Тл, kЗ= 0.965, kКР= 0.915, k= 0.787, β= 1.4, a12= 0.009 м. Приняли коэффициент приведения идеального поля рассеивания к реальному kР= 0.95. Рассчитали диаметр стержня по формуле:

(6.2)

6.4 Рассчитали средний диаметр канала между обмотками по формуле:

, (6.3)

где а – коэффициент; по табл. 3.4 приняли a = 1,45.

6.5 Рассчитали радиальный размер обмотки низкого напряжения:

, (6.4)

где k1 – коэффициент; принимаем k1= 1.1.

6.6 Рассчитали высоту обмотки по формуле:

(6.5)

6.7 Рассчитали активное сечение стержня:

(6.6)

6.8 Рассчитали количество витков первичных и вторичных обмоток по формуле:

(6.7)

(6.8)

6.9 Рассчитали сечение проводов первичных и вторичных обмоток.

(6.9)

, (6.10)

где jd – плотность тока в обмотке; принимаем jd= 3Ч106 А/м2;

7. Выбор и расчет устройств защиты от аварийных токов и перенапряжений

Для защиты преобразователя от аварийных токов и перенапряжений использовали два вида устройств: автоматический выключатель QF1 и плавкие предохранители FU1-FU7 (рис.2.2).

7.1 Выбор автоматического выключателя

Автоматический выключатель включается в цепь первичных обмоток силового трансформатора. Выбор выключателя осуществляется из условий напряжения питания преобразователя (Uп=220 В), частоты питающей сети (f=50 Гц), действующего значения входного тока (I1ф=215,6 А), а также из условия отношения пускового тока к номинальному (Iпуск/Iн=2,5). Исходя из этих условий, выбрали из справочника [5]