Тиристоры курсовая работа

Титульник.docx

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет заочного обучения
Кафедра электромеханических систем и электроснабжения
по дисциплине « Силовая электроника »
Тема проекта «Тиристорный преобразователь постоянного тока»
Расчетно-пояснительная записка
подпись дата инициалы фамилия

Чертеж шелякин.cdw

Расчет тиристорного
Схема электрическая принципиальная

Шелякин ПЗ КП.docx

Техническое задание 3
Принцип действия схемы силового блока 6
Выбор силовых тиристоров 9
Расчет параметров силового трансформатора и уравнительных реакторов 12
Построение внешних и регулировочной характеристик ТП 14
Внешняя характеристика 14
Регулировочная характеристика 17
Список используемой литературы 20
Максимальное выпрямление напряжения Ud = 340 В.
Вид нагрузки – двигатель постоянного тока (якорная обмотка).
Номинальная мощность Pd = 100 кВт.
Напряжение управления Uy = 15 В.
Примечание для однофазных напряжений сети: Uсф = 220 В для трехфазных Uсф = 380 В.
Тиристорным преобразователем постоянного тока (ТП) является устройство для преобразования переменного тока в постоянный с регулированием по заданному закону выходных параметров (тока и напряжения). Тиристорные преобразователи предназначаются для питания якорных цепей двигателей и их обмоток возбуждения.
Тиристорные преобразователи состоят из следующих основных узлов:
трансформатора или токоограничивающего реактора на стороне переменного тока
выпрямительных блоков
сглаживающих реакторов
элементов системы управления защиты и сигнализации.
Трансформатор осуществляет согласование входного и выходного напряжений преобразователя и (так же как и токоограничивающий реактор) ограничение тока короткого замыкания во входных цепях. Сглаживающие реакторы предназначаются для сглаживания пульсаций выпрямленных напряжения и тока. Реакторы не предусматриваются если индуктивность нагрузки достаточна для ограничения пульсаций в заданных пределах.
Целью курсовой работы является проектирование и расчет управляемого выпрямителя на тиристорах нагрузкой которого является двигатель постоянного тока.
Задачи работы следующие:
Изучить схему силового блока согласно заданию;
Спроектировать управляемый выпрямитель и выбрать силовой трансформатор;
Построить регулировочные характеристики ТП.
Принцип действия схемы силового блока ТП
Согласно схеме 1д задания имеем трехфазный преобразователь нагрузкой которого служит двигатель постоянного тока.
Схема 1д относится к трехфазномым двухполупериодным мостовым преобразователям.
Данная мостовая схема имеет только управляемые вентили следовательно схема является симметричной.
Итого согласно заданию мы имеем трехфазный мостовой симметричный тиристорный преобразователь. Рассмотрим принцип действия схемы.
Тиристорные преобразователи частоты (инверторы) представляют собой устройства преобразующие постоянное или переменное напряжение в переменное заданной частоты. Большинство современных тиристорных инверторов позволяют осуществлять изменение частотной характеристики выходного напряжения в требуемых пределах благодаря чему они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и транспорта например для плавной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей обеспечения необходимого режима электропитания плавильных печей и т.п. Несмотря на то что в последнее время все большее распространение получают преобразователи частоты на IGBT тиристорные инверторы по-прежнему доминируют там где необходимо обеспечить большие мощности (вплоть нескольких мегаватт) с выходным напряжением в десятки киловольт. Именно то что тиристорные преобразователи частоты имеют высокий КПД (до 98%) способны успешно справляться с большими напряжениями и токами а также выдерживать при этом импульсные воздействия и довольно продолжительную нагрузку является их основным достоинством. Ниже приведена блок-схема наиболее типичного современного тиристорного преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.
В выпрямителе (В) входное переменное напряжение выпрямляется и поступает в фильтр (Ф) где оно сглаживается фильтруется после чего опять преобразуется инвертором (И) в переменное которое может регулироваться по таким параметрам как амплитуда и частота.
Схемы выпрямления на тиристорах обеспечивают работу в двух режимах — выпрямительном и инверторном. При работе в инверторном режиме энергия из цепи нагрузки передается в питающую сеть т. е. в противоположном направлении по сравнению с выпрямительным режимом поэтому при инвертировании ток и э. д. с. обмотки трансформатора направлены встречно а при выпрямлении — согласно. Источником тока в режиме инвертирования является э. д. с. нагрузки (машины постоянного тока индуктивности) которая должна превышать напряжение инвертора.
Перевод тиристорного преобразователя из выпрямительного режима в инверторный достигается изменением полярности э. д. с. нагрузки и увеличением угла α выше 2 при индуктивной нагрузке.
Если это не произойдет то закрывающийся тиристор может снова открыться так как к нему прикладывается прямое напряжение. Это приведет к опрокидыванию инвертора при котором возникнет аварийный ток поскольку э. д. с. машины постоянного тока и трансформатора совпадут по направлению.
Силовые схемы тирсторных преобразователей предназначенных для питания якорных цепей двигателей выполняются как в нереверсивном (одна выпрямительная группа тиристоров) так и в реверсивном (две выпрямительные группы) исполнениях. Нереверсивные исполнения тиристорных преобразователей обеспечивающих одностороннюю проводимость позволяют работать в двигательном и генераторном режимах только при одном направлении момента двигателя.
В реверсивных тиристорных преобразователях применяются два основных способа управления вентильными группами — совместный и раздельный. В свою очередь совместное управление выполняется согласованным и несогласованным.
При согласованном управлении отпирающие импульсы на тиристоры подаются на обе группы вентилей таким образом чтобы средние значения выпрямленного напряжения у обеих групп были равны между собой.
Реакторы включают в контур уравнительного тока по одному или по два на группу причем их индуктивность выбирается такой чтобы уравнительный ток не превышал 10% номинального тока нагрузки. При включении токоограничивающих реакторов по два на группу они выполняются насыщающимися при протекании тока нагрузки.
В результате этих работ наметились общие принципиальные основы построения схем преобразователей. Наиболее благоприятной для тиристорных преобразователей признана трехфазная мостовая схема. Разработаны схемы последовательного и параллельного соединения тиристоров и схемы параллельного соединения трехфазных мостов для получения преобразователей мощностью в десятки и сотни квт схемы защиты тиристоров от коммутационных перенапряжений и перенапряжений в питающей сети (лавинные диоды и др.); способы ограничения скорости нарастания анодного тока (повышение Uk анодного трансформатора включение дросселей задержки); разработаны рекомендации по выбору нагрузок вентилей с учетом возможных перегрузок выбору запасов по обратному напряжению прикладываемому к вентилю обеспечивающие надежную работу вентилей в различных режимах.
Накопленные знания и опыт позволяют в настоящее время проектировать тиристорный электропривод малой и средней мощности (до нескольких сотен киловатт) а также создавать уникальные установки тиристорного электропривода большой мощности (до нескольких тысяч киловатт).
Одной из наиболее насущных проблем является создание быстродействующих систем управления электроприводом которые были бы унифицированы и технологичны. Это облегчило бы разработку разнообразных систем электропривода для различных областей промышленности. Тиристорные преобразователи открывают в этом отношении широкие возможности.
Выбор силовых тиристоров.
Выбор силовых тиристоров осуществляется по току и напряжению. Нагрузочная способность тиристоров определяется максимально допустимой температурой которая зависит от значения и формы тока а также условий охлаждения.
Тиристор выбираем следующим образом. При известной схеме выпрямления угле проводимости максимальному значению тока нагрузки и форме тока протекающего через тиристор (с учетом числа параллельно включенных тиристоров).
Iср - среднее значение тока тиристора;
Iмакс – максимальный ток нагрузки; равный
Kа – отношение максимального тока тиристора к среднему (зависит от схемы выпрямления угла проводимости λ и формы тока)
n – число параллельно включенных тиристоров.
Найдем максимальный ток нагрузки
Iмакс = 100 кВт340В = 100000 Вт340В = 2941 А
Основные соотношения для токов симметричной трехфазной мостовой схемы следующие.
Таблица 1 – Параметры мостовых схем
Линейный ток вторичной цепи
По значению тока выбираем предварительно тиристор типа Т – 320 с предельным током Iп = 320 А.
По условию Iп > Iмакс
Для синусоидальной формы тока выбираем λ = 60º
Тогда Ка = Iмакс Iсред = 107 А
Тогда среднее значение тока тиристора:
Тогда действующее значение силы тока:
Iдейст = Кф x Iср (Кф = 277)
Iдейст = 277 x 45 = 125 А
При выборе тиристора по напряжению необходимо исходить из значения напряжения холостого хода преобразователя с учетом того что напряжение питающей сети может повышаться на 10 – 15 %. Максимально допустимое значение напряжения приведенное в паспортных данных Un должно удовлетворять соотношению
Кзи – коэффициент учитывающий возможность возникновения перенаправлении на тиристорах (Кзи =13 – 15);
Кпосл – коэффициент учитывающий неравномерное распределение напряжений при последовательном соединении тиристоров (Кпосл =1);
nпосл – число последовательно соединенных тиристоров;
Uобр.макс – теоретическое значение максимального обратного напряжения на тиристоре для выбранной схемы.
Ud0 = 340 cos0 = 340 В;
Найдем величины таблицы 1.
Uобр.макс= 105 x Ud0
Линейный ток вторичной цепи
Типовая мощность трансформатора
Напряжение вторичной ЭДС находится из выражения
E2ф = KU x KC x Kα x KR x Ud
где KU – коэффициент характеризующий соотношение Edma
KC – коэффициент учитывающий возможное снижение напряжения питающей сети (KC = 105 – 11) ;
Kα - коэффициент учитывающий неполное открывания тиристоров при максимальном управляющем сигнале (Kα = 1 – 115);
KR - коэффициент учитывающий падения напряжения в преобразователе (KR =105)
Ud – требуемое выпрямленное напряжение.
E2ф=135 x 105 x 115 x 105 x 340 = 581 В.
Ed.макс=135 x E2ф = 135 x 581 = 784 В.
Таблица 2 – Вычисленные характеристики
Проверяем тиристор по напряжению:
Для тиристора Т – 320 Uп = 100 – 1600 В > 162 В – условно соблюдается.
Выбираем тиристор Т – 320. Данные тиристора сводим в таблицу 3.
Таблица 3 – Данные тиристора Т – 320.
Напряжение переключения
Прямое падение напряжения
Отпирающее напряжение
Расчет параметров силового трансформатора и уравнительных реакторов
Для выбора трансформатора расчетными параметрами являются следующие:
E2ф – напряжение во вторичной обмотке;
I2ф и I1ф – ток вторичной и первичной обмоток соответственно;
Ктр – коэффициент трансформации;
Sт – типовая мощность трансформатора.
В разделе 4 вычислялась уже часть основных расчетных соотношений.
Ток во вторичной обмотке трансформатора
Ki2 – коэффициент учитывающий отношение токов I2Id
I2ф = 11 x 1 x 2941 = 3235 А
Необходимый коэффициент трансформации вычисляется из выражения:
Ток в первичной обмотке:
Типовая мощность трансформатора равна
Для определения индуктивного и активного сопротивления обмоток трансформатора принимаем значение потерь короткого замыкания:
Pкз = 0025 x 1045 = 26 кВт
а напряжение короткого замыкания
Uкз = (55 - 10)% x E2ф
Uкз = 007 x 581 = 4067 В
Находим активное и индуктивное сопротивление обмоток
где m – число фаз вторичной обмотки
Активное сопротивление
Полное сопротивление
Реактивное сопротивление
Индуктивность фазы трансформатора приведенная ко вторичной обмотке
Построение внешней и регулировочной характеристик ТП
1Внешняя характеристика
Внешняя характеристика имеет вид Ud = f(Id).
При работе ТП на нагрузку содержащую в общем случае источник против ЭДС активное сопротивление и индуктивность уравнение внешней характеристики Ud = f(Id) представляется в виде:
Ud = Ed0 x cosα - Uв
Ed0 – действующее значение ЭДС преобразователя при α = 0;
Uв – падение напряжения на тиристорах;
– частота падающей сети;
– индуктивность и фазы анодной цепи;
α – угол регулирования вентиля;
y – угол коммутации.
Угол коммутации можно определить из следующего выражения:
cosα – cos x (y - α) =
Xф – реактивное сопротивление
U2ф – действующее значение напряжения
Распишем соотношение:
сos60 – сos x (y + 60) =
сos60 – сos x (y + 60) = 0507
– cos x (y + 60) = 0507
– cos x (y + 60) = 0507 – 05
cos x (y + 60) = - 0007
y + 60 = arcos x (-0007)
Угол коммутации равен у = 304
у = 304 > 83 упрощенную форму не принимаем.
Ud = 784 x cosα – 09 x (6 x 50 x 000232 + 000134 x (1 – ))
Ud = 784 x cosα – 09 x (300 x 000366 x 0832) x
Ud = 784 x cosα – 0822
Ud0 = Ud0cosα = 340cos0 = 340
Внешняя характеристика вычислится как:
Действующее значение ЭДС преобразователя при α = 0
Ed0 = 784cos0 = 7841 = 784 В
При α = 60 получаем:
Ud = 784cos60 – 0822
Ud = 784cos0 – 0822
При α = 90 получаем:
Ud = 784cos90 – 0822
Строим зависимость в MS Excel:
Рис 1. – Внешняя характеристика
Таблица 4 – Построение внешних характеристик
2Регулировочная характеристика
Регулировочная характеристика имеет вид Ed = f(α).
В общем случае регулировочная характеристика ТП определяется выражением для режимов непрерывного тока (кривая 1)
Для режимов прерывистого тока (кривая 2)
На кривой 1 представлены регулировочные характеристики ТП без нагрузки а на кривой 2 – для режима непрерывного тока.
Построим данные соотношения
Ed = 784 x = 784 – 784sin()
Ed() = 784 – 784sin()
Рис. 2 – Регулировочная характеристика
Таблица 5 – Построение регулировочной характеристики
В ходе курсовой работы спроектирован тиристорный преобразователь на тиристоре Т – 320 со следующими характеристиками:
- максимальный ток нагрузки – Imax = 320 А
- коэффициент трансформации – Ктр = 062
- типовая мощность трансформатора – Sт = 1045 кВт
- мощность короткого замыкания равна – Pкз = 26 кВт
- полное сопротивление - Z2ф = 073 Ом
- индуктивность фазы трансформатора – Lф = 232 мГн
В целом данный преобразователь является более мощным большой КПД преобразователь пригоден для преобразования больших токов.
Список используемой литературы
Забродин Ю. С. Промышленная электроника. – Изд-во: Алынс - книга 2008 г. - 496с.
Тиристоры и зарубежные аналоги. Справочник. Черепанов В.П. Хрулев А. К. Изд-во: М.:.ИП РадиоСофт 2001 г. - 512 с.
Чебовский О. Г. Моисеев Л. Г. Силовые полупроводниковые приборы (Справочник) - М.: Энерния 1985 г. – 512 с.
Гельман М. А. и др. Преобразовательная техника. - Изд-во: Челябинск Изд. Центр ЮУрЧУ 2009 г. – 425 с.