Проектирование реверсивного преобразователя для электропривода постоянного тока

2354.DOCX

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОЙ РАБОТЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Силовая электроника»
Ергина Евгения Сергеевича
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Электрооборудование электропривод и автоматика»
Проектирование реверсивного преобразователя для
электропривода постоянного тока
Расчет параметров электродвигателя 3
Расчет и выбор согласующего трансформатора 4
Расчет и выбор силовых вентилей 6
Расчет и выбор уравнительных реакторов 8
Расчет и выбор сглаживающего реактора 10
Расчет и выбор элементов защиты ВП 11 7.1 Защита от аварийных токов 11
2 Защита от перенапряжений 12
Расчет внешних ограничительных и регулировочных характеристик 14
Расчет электромеханических характеристик привода 16
Расчет энергетических параметров преобразователя 17
Библиографический список 21
Приложение А (обязательное) 22
КР–СЭ-НГТУ-16ЭТУ-000-19
Пояснительная записка к
Задание на курсовой проект состоит в проектировании реверсивного вентильного преобразователя для электропривода постоянного тока выполненного по трехфазной нулевой перекрестной схеме.
Трехфазная нулевая перекрестная схема применяется для питания якорных цепей и обмоток возбуждения двигателей постоянного тока. В силу неравномерной загрузки сети и увеличенной расчетной мощности трансформатора соответственно находят применение в электроприводах малой (до 10 кВт) мощности.
Трехфазная нулевая перекрестная схема содержит:
согласующий трансформатор TV с обмотками соединенными по схеме
два комплекта вентилей (VS1-VS3 и VS4-VS6) обеспечивающие периодическое подключение нагрузки к вторичной обмотке трансформатора и позволяющие менять направление тока в нагрузке;
нагрузку в виде машины постоянного тока M;
уравнительные реакторы ограничивающие значение уравнительного тока;
сглаживающий реактор уменьшающий пульсации тока нагрузки. Параметры проектируемого тиристорного электропривода:
тип схемы – трехфазная нулевая перекрестная;
(кВт) – номинальная мощность;
р = 2 – число пар полюсов;
В) – номинальное напряжение;
номинальная скорость вращения ротора;
компенсационная обмотка отсутствует;
сеть – трехфазная = 380 (В); относительное отклонение напряжения: = 01;
длительность токовой перегрузки преобразователя = 1(с);
управление вентильными группами – совместное;
допустимая относительная величина уравнительного тока = 01;
допустимое относительное действующее значение основной гармоники выходного тока
вентильного преобразователя = 005.
РАСЧЕТ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Номинальный ток якоря:
где номинальная мощность двигателя;
номинальное напряжение двигателя;
номинальный КПД двигателя.
Номинальная угловая скорость вращения ротора:
где номинальная скорость вращения ротора.
Номинальный вращающий момент на валу двигателя:
Сопротивление обмотки якоря двигателя:
РАСЧЕТ И ВЫБОР СОГЛАСУЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА
Согласующий трансформатор необходим для согласования напряжения питающей сети с напряжением нагрузки. Поскольку на начальном этапе рассчитать падения напряжения на отдельных элементах силовой цепи не представляется возможным эти падения напряжения учитывают поправочными коэффициентами.
Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки:
где учитывает возможное снижение напряжения сети;
учитывает коммутацию и асимметрию напряжений;
учитывает падение напряжения в вентилях обмотках трансформатора
коэффициент схемы ВП.
Значениеопределяется по следующей формуле:
где = 01 относительное отклонение напряжения питающей сети.
Подставляя все значения в (2.1) и получим :
Наибольшее среднее значение ЭДС преобразователя:
Наибольшая мощность потребляемая нагрузкой:
Расчетная мощность согласующего трансформатора:
где коэффициент схемы ВП.
Коэффициент трансформации:
Действующее значение тока в фазе первичной обмотки согласующего трансформатора:
Действующее значение линейного тока преобразователя:
Трансформатор с необходимыми параметрами и группой соединения обмоток (YYY) отсутствует в промышленных каталогах поэтому необходимо спроектировать и применить специальный трансформатор имеющий следующие параметры (некоторые неизвестные параметры берем близкими к тем которые имеют трансформаторы наиболее близкие по мощности и конфигурации):
схема соединения обмоток:
полная мощность: (Вт)
действующее значение фазного напряжения первичной обмотки:380 (В);
действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки:4608 (В);
коэффициент трансформации: ;
напряжение короткого замыкания: %;
ток холостого хода:11 %;
потери холостого хода: 120 (Вт);
потери короткого замыкания:440 (Вт);
КПД при номинальном режиме работы:956 %.
РАСЧЕТ И ВЫБОР СИЛОВЫХ ВЕНТЕЛЕЙ
Выбор вентилей производят по среднему значению тока протекающего по ним и величине приложенного повторяющегося импульсного напряжения.
Расчетное среднее значение тока вентиля:
где 3 для трехфазной схемы ВП.
Расчетное значение наибольшего повторяющегося импульсного напряжения на вентиле:
Исходя из рассчитанных параметров выбираем тиристор Т132-16-16 и используем естественное охлаждение т.к. номинальный ток нагрузки меньше 300 ампер.
Параметры выбранного тиристора:
наибольший допустимый средний ток в открытом состоянии
наибольшее повторяющееся импульсное напряжение
наибольшее дифференциальное сопротивление
пороговое напряжение
установившееся тепловое сопротивление «переход – среда»
переходное тепловое сопротивление «переход – среда»
при заданной длительности токовой перегрузки (01 с)
температура охлаждающего воздуха
предельно допустимая температура перехода.
Расчет максимально допустимого прямого тока будем вести по уравнениям:
где: коэффициент формы тока;
потери в вентиле при токовой перегрузке;
потери в номинальном режиме.
Подставляя в систему (4.3) все значения найдем
Для надежности работы ВП необходимо чтобы:
Для выбранного тиристора:
Выбранный тиристор обеспечит надежную работу ВП.
РАСЧЕТ И ВЫБОР УРАВНИТЕЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ
Управление вентильными группами трехфазной нулевой перекрестной схемы – только совместное что приводит к возникновению уравнительного тока величину которого необходимо ограничить для защиты вентилей. Для этого в контур протекания уравнительного тока включают уравнительные реакторы.
Суммарная индуктивность контура протекания уравнительного тока:
где наибольшая при согласованном управлении величина
коэффициента действующего значения уравнительного тока;
амплитуда вторичного фазного напряжения;
относительное значение действующего уравнительного тока.
Индуктивность рассеяния фазы согласующего трансформатора:
Требуемая индуктивность уравнительных реакторов:
где число фазных обмоток входящих в контур уравнительного тока.
Значение уравнительного тока:
Используем ненасыщающиеся реакторы поэтому индуктивность каждого из них должна быть равна половине требуемой:
гдеиндуктивность уравнительного реактора.
Активное сопротивление уравнительного реактора должно быть приблизительно равно:
Реактивное сопротивление уравнительного реактора:
Стандартного реактора имеющего такие параметры нет в промышленных каталогах.
Поэтому необходимо спроектировать и применить реактор со следующими параметрами:
номинальное напряжение
активное сопротивление
РАСЧЕТ И ВЫБОР СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА
Для уменьшения пульсаций тока ВП и сужения зоны прерывистых токов в якорную цепь двигателя включают сглаживающий реактор.
Требуемая индуктивность якорной цепи определяется следующим образом:
где амплитуда основной гармоники выходного напряжения ВП;
пульсность выходного напряжения;
допустимое относительное действующее значение основной гармоники
выходного тока преобразователя.
Амплитуда основной гармоники выходного напряжения ВП:
где угол регулирования.
При расчете индуктивности якорной цепи используется номинальный угол регулирования который может быть рассчитан следующим образом:
Подстановкой в (6.2) найдем :
Подстановкой в (6.1) найдем :
Индуктивность обмотки якоря двигателя:
где число пар полюсов двигателя;
коэффициент для двигателей без компенсационной обмотки.
Индуктивность сглаживающего реактора определяем по формуле:
Результат меньше нуля что означает отсутствие необходимости применения сглаживающего реактора в силовой цепи.
РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЩИТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Силовые полупроводниковые вентили имеют очень малую перегрузочную способность
иявляются наименее надежными элементами силовой цепи преобразователя поэтому для продления срока их службы и повышения надежности преобразователя в целом необходимо применение аппаратов защиты от аварийных токов и перенапряжений.
1. ЗАЩИТА ВП ОТ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ
Защита вентильного преобразователя от внутренних коротких замыканий обеспечивается плавкими предохранителями путем согласования их амперсекундных характеристик с амперсекундными характеристиками вентилей. При этом для любого момента
времени допустимый ток вентилядолжен быть больше тока срабатывания защиты :
Значение интеграла может быть определено следующим образом:
гдеударный ток выбранного вентиля при перегрузке
Выбираем плавкий предохранитель UR-690В-АС DIN43653 (код 170M 0159) имеющий параметры:
номинальный ток предохранителя;
интеграл гарантированного плавления.
Данный предохранитель не допустит теплового разрушения вентилей при сверхтоках.
Защита вентильного преобразователя от внешних коротких замыканий и срывах инвертирования обеспечивается автоматическими выключателями установленными в цепях постоянного и переменного токов.
Ток через автоматический выключатель QF1 установленный в цепи первичной обмотки согласующего трансформатора равен току в этой обмотке:
Выбираем автоматический выключатель ВА-04-36 с комбинированным расцепителем:
номинальный ток выключателя;
номинальное напряжение выключателя;
уставка тока срабатывания электромагнитного расцепителя;
уставка тока срабатывания теплового расцепителя.
Ток через автоматический выключатель QF2 установленный в цепи нагрузки равен току нагрузки:
2. ЗАЩИТА ВП ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
При коммутационных и аварийных режимах на вентиль действуют кратковременные периодические и однократные перенапряжения для ограничения которых применяют специальные защитные устройства.
Для защиты вентилей от внешних перенапряжений возникающих при включении и отключении преобразовательного трансформатора применяют вспомогательный диодный выпрямитель нагруженный на RC – контур.
Параметры элементов R1 R2 C1 определяются следующим образом:
Расчетную мощность резисторов определяем по выражениям:
Резисторы серии ТВО стойки к большим импульсным и механическим перегрузкам для защиты от которых в схеме преобразователя выполняется вспомогательный выпрямитель. Тип
ипараметры выбранных резисторов согласно методике расчета обеспечат надежную работу вспомогательного выпрямителя и защиту преобразователя. Конденсаторы серии К75-10 предназначены для работы в цепях постоянного переменного пульсирующего токов и в импульсных режимах что позволяет применить его во вспомогательном выпрямителе.
Выбранный конденсатор рассчитан на работу с напряжением.
Согласно рассчитанным значениям выбираем следующие элементы:
конденсатор К75-10 (
Диоды для вспомогательного выпрямителя VD1-VD6 выбираются по напряжению и максимальному току вспомогательного выпрямителя.
ЭДС вспомогательного выпрямителя:
Ток через диод вспомогательного выпрямителя:
По рассчитанным параметрам выбираем диод В 10-11 (
. Данный диод обеспечит надежную работу вспомогательного
Для защиты вентилей от коммутационных перенапряжений вызванных накоплением носителей в кристалле параллельно вентилям включают защитные последовательные RC – цепочки.
Выбираем параметры элементов защитной цепочки:
Расчетная мощность резистора
Исходя из рассчитанных параметров по [7] и [13] выбираем:
резистор С5-36В100В т39 (
конденсатор К73-16-15 (
Конденсаторы серии К73-16 предназначены для работы в цепях переменного и пульсирующего токов применяются при изготовлении источников электропитания преобразователей электроэнергии контрольно-измерительной аппаратуре и т.д. Согласно расчетам тип и параметры выбранных компонентов обеспечат надежную защиту вентилей от
перенапряжений. Данный конденсатор рассчитан работу навыбранного вентиля.
Принципиальная схема электропривода с аппаратами защиты представлена на рисунке 1.
РАСЧЕТ ВНЕШНИХ ОГРАНИЧИТЕЛЬНЫХ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Среднее значение выходного напряжения преобразователя является функцией двух переменных: тока нагрузки и угла управления α связь между которыми устанавливается следующим образом (без учета падения напряжения на вентилях и активных сопротивлениях силовых цепей):
где приведенное к вторичной обмотке индуктивное
сопротивление рассеяния фазы трансформатора:
Внешние характеристики определяются уравнением (8.1) при постоянных углах (т.е. уравнение (8.1) дает семейство внешних характеристик) а регулировочные определяются тем же уравнением но при постоянных значениях тока (семейство регулировочных характеристик).
Из (8.1) найдем угол управления соответствующий номинальному режиму (при
При работе ВП в инверторном режиме система управления должна ограничивать величину минимального угла инвертирования для предотвращения опрокидывания инвертора. Это ведет к ограничению тока нагрузки в зависимости от величины выходного напряжения преобразователя определяемого ограничительной характеристикой:
где – угловая длительность выключения тиристора;
(эл.град.) – угол учитывающий асимметрию импульсов управления.
Угловую длительность выключения вентиля можно найти следующим образом:
где – предельное время выключения тиристора.
Внешние характеристики преобразователя совмещены с ограничительной и представлены на рисунке 2 при разных значениях угла управления и изменении тока в
пределах: . Регулировочные характеристики строятся по выражению
(8.1) при значениях тока нагрузки и и при изменении угла управления в
пределах: (эл. град.) Регулировочные характеристики представлены на
Минимальное значение угла инвертирования определяемое путем совместного решения уравнений (8.1) и (8.3) с учетом возможного снижения напряжения питающей сети рассчитывается по формуле:
Чтобы построить внешние характеристики задаемся углами управления и значениями тока нагрузки и по (8.1) рассчитываем значения . Так как характеристики линейные то достаточно построить две точки для каждой прямой. Характеристики при разных углах управления параллельно смещаются друг относительно друга.
Для угла управления :
Для угла управленияэлектрических градусов характеристика сместится
параллельно предыдущей и пересечет ось ординат в точке:
Аналогичным образом строятся характеристики для других углов управления и ограничительная характеристика (задаются значения тока нагрузки ).
Регулировочные характеристики получаются из выражения (8.1) при постоянных значениях тока нагрузки и переменном угле управления . Как следует из выражения (8.1) регулировочные характеристики получаются в виде отрезков косинусоид. Ниже приведен пример расчета регулировочной характеристики при .
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Электромеханические характеристики системы «ВП – ДПТ» получаются подстановкой в выражение электромеханической характеристики ДПТ значения выходного напряжения преобразователя:
где – конструктивный коэффициент двигателя;
номинальный магнитный поток двигателя;
суммарное сопротивление цепи нагрузки.
Суммарное сопротивление цепи нагрузки :
Величинанаходится по паспортным данным двигателя:
Электромеханическая характеристика имеет ограничительные линии получающиеся подстановкой в формулу (9.1) значений ограничительной характеристики.
Характеристики построенные при различных углах управления и изменении тока в
пределах:изображены на рисунке 4.
Для построения электромеханических характеристик достаточно двух точек так как
они линейные. Для этого используются значенияи полученные по внешней
характеристике преобразователя при фиксированном угле . Ниже приведен пример расчета электромеханической характеристики привода при угле управления равном номинальному:
Характеристики при других углах управления рассчитываются аналогично и на рисунке смещаются параллельно вышерассчитанной. На рисунке 4 также изображена ограничительная характеристика преобразователя показывающая границы области работы привода.
РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Важнейшими энергетическими показателями вентильного преобразователя являются: полная мощность активная мощность реактивная мощность мощность искажения коэффициент мощности а также КПД – . Относительные значения этих показателей при постоянной величине тока нагрузки рассчитываются следующим образом.
Относительное значение полной мощности:
где: коэффициенты схемы ВП;
Относительное значение активной мощности:
Относительное значение реактивной мощности:
Относительное значение мощности искажения:
Коэффициент мощности преобразователя:
Величина угла коммутации для выражений (10.1) – (10.3) определяется следующим образом:
Подставим в (10.1) – (10.3):
Полученные значения подставим в (10.4) – (10.5):
Точки для построения энергетических характеристик преобразователя получаем при разных принятых значениях угла . Энергетические характеристики изображены на рисунке 5.
КПД преобразователя определяем по формуле:
где суммарные потери в преобразователе.
Суммарные потери в преобразователе складываются из потерь в трансформаторе в уравнительном реакторе в вентилях и цепях защиты:
Определим все слагаемые потери из выражения (10.8).
Потери в трансформаторе:
Потери в уравнительном реакторе:
где число одновременно обтекаемых током нагрузки уравнительных
где: число одновременно обтекаемых током нагрузки вентилей;
потери в одном вентиле при номинальном среднем токе нагрузки;
б) при с учетом формулы (4.1) используем формулу из cистемы (4.3) для расчета
Потери в цепях защиты:
где: – число защитных RC–цепей шунтирующих вентили;
– число вспомогательных выпрямителей.
Подставим найденные значения в выражение (10.8):
Найдем КПД преобразователя:
При построении графика КПД преобразователя использовалось аналитическое выражение (10.7). Расчет точек производился по заданным значениям угловой скорости которые подставлялись в (10.7) .Зависимость КПД преобразователя от скорости ротора при двух значениях (изображена на рисунке 6.
Вданной работе было выполнено проектирование вентильного преобразователя для электропривода постоянного тока подобраны элементная база и аппараты защиты рассчитаны необходимые параметры построены характеристики и временные диаграммы иллюстрирующие работу преобразователя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Автоматические выключатели до 630 А. Выпуск 1. Номенклатурный каталог– М.: Информэлектро 1999 – 32 с.: с табл.
Автоматические выключатели до 630 А. Выпуск 2. Номенклатурный каталог– М.: Информэлектро 1999 – 28 с.: с табл.
Быстродействующие предохранители от 10 до 2000 А [Электронный ресурс]. – СПб:
Забродин Ю. С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа 1982 – 496с.
Методические указания к курсовой работе по дисциплине "Электронные и преобразовательные устройства" для студентов специальностей 180418071808 всех форм обучения.НГТУ. Нижний Новгород 2001 – 26 с.
Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные стабилитроны тиристоры: Справочник А. Б. Гитцевич А. А. Зайцев В. В. Мокряков [и др.] Под ред. А. В. Голомедова.
– М.: Радио и связь 1989 – 528 с.; ил.
Резисторы: Справочник Под ред. И.И. Четверткова – М.: Энергоиздат 1981.
Сглаживающие реакторы. Номенклатурный каталог. – М.: Информэлектро
Силовые полупроводниковые приборы : Справочник O.Г. Чебовский Л.Г. Моисеев Р.П. Недошивин.- 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат 1985. – 400 с. ил.
Справочник по автоматизированному электроприводу Под ред. В.А. Елисеева
А.В. Шинянского. – М.: Энергоатомиздат 1983.
Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами Под ред. В. И. Круповича [и др]. – М.: Энергоиздат 1982.
Трансформаторы трехфазные сухие (класс напряжения до 24 кВ). Трансформаторы сухие специальные. Номенклатурный каталог.- М.: Информэлектро 1998 – 32 с.
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. Справочник Под общ. ред. Г.С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат 1987.

chert123ej.dwg

КП-НГТУ-140604-(04-ЭПА)-02-07
НГТУ ФАЭ кафедра ЭПА
Рисунок А1 - Принципиальная электрическая схема
силовой части преобразователя
Рисунок А2 - Внешние и ограничительные характеристики преобразователя
Рисунок 5 - Регулировочные характеристики
Рисунок 4 - Электромеханические характеристики
системы ВП-двигатель
Рисунок- Энергетические характеристики преобразователя
Рисунок 6 - Диаграмма выходного напряжения
Рисунок 7 - Напряжение на вентиле
Рисунок 9 - Токи вентилей
Рисунок 8 - Линейный ток
потребляемый из сети
Рисунок А.2 - Естественная и искусственная механические характеристики
Рисунок А.3 - Нагрузочная диаграмма
исполнительного механизма
M2(w)- естественная механическая характеристика
ИХ3 - искуственные механические характеристики
Рисунок 6 - Зависимость КПД от угловой скорости вала
Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема силовой части преобразователя
КР-НГТУ-016ЭА-001-19
НГТУ ИНЭЛ гр.16-ЭТУ
КР-СЭ-НГТУ-16ЭТУ-001-19
КР-CЭ-НГТУ-16ЭТУ-001-19
Рисунок 2 - Внешние характеристики ВП
Рисунок 3 - Электромеханические характеристики электропривода
Рисунок 4 - Регулировачные характеристики ВП
Рисунок 6 - Зависимость КПД от угловой скорости электропривода
Рисунок 5 - Энергетические характеристики преобразователя