ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Кафедра «Электроснабжение железных дорог»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЯГОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Выполнил студент А.Е. Гуйдо
Группа ЭС – 005
Руководитель Я. С. Гришин
Нормоконтроль Я. С. Гришин
Санкт-Петербург
2004
ЗАДАНИЕ.
Вариант №17:
Номинальное значение выпрямленного напряжения:
Номинальное значение выпрямленного тока:
Номинальное значение напряжения питающей сети:
Схема соединения обмоток преобразовательного трансформатора:
Вид преобразователя по функциональным свойствам: неуправляемый выпрямитель;
Климатическое исполнение преобразовательной установки: тропическое исполнение.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….…..4
1.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ…………………………….5
2.РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА...…7
3.РАСЧЕТ ТОКОВ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ………………………………………..9
4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ………………………………………………………………………….14
4 1. Выбор типа диода………………………………………………………………………...14
4.2.Разработка соединения схемы плеча преобразователя…………………………………17
5.ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ………………………………………...19
5.1. Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности………………...19
5.2 Исследование коммутации……………………………………………………………….21
6.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (КПД, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ)…………………………………………………………………………………..22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………25
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………………26
ВВЕДЕНИЕ.
В данном курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя.
Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора – 0,95 против 0,8. Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе. Установленная мощность полупроводниковых приборов в обеих схемах одинакова, также во всех шестипульсовых схемах одинаков угол коммутации.
В данное время шестипульсовые мостовые выпрямители уже не удовлетворяют современным требованиям по уровню пульсаций выпрямленного напряжения и по уровню высших гармонических составляющих в кривой потребляемого тока. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют двенадцатипульсовые выпрямители, которым и отдается предпочтение при разработке новых преобразователей. Эти выпрямители имеют также более пологую внешнюю характеристику, меньший угол коммутации, более высокие экономические показатели.
В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, несмотря на это, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ.
В данном курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя (рис.1).
Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора – 0,95 против 0,8. Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе. Установленная мощность полупроводниковых приборов в обеих схемах одинакова, также во всех шестипульсовых схемах одинаков угол коммутации.
В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, несмотря на это, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.
Схема шестипульсового мостового неуправляемого выпрямителя
Рис.1
2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА.
Номинальный и перегрузочный режимы принимаем исходя из следующих рекомендаций. Параметры номинального режима по току определяем из задания. Кратность в процентах от номинального тока, длительность перегрузок и цикличность соответствуют требованиям к тяговым потребителям (ГОСТ 2329-70).
125% в течении 15 минут 1 раз в 2 часа:
150% в течении 2 минут 1 раз в 1 час:
200% в течении 10 секунд 1 раз в 2 мин:
Предварительно производится расчет для номинального режима при идеальных СПП и пренебрежении сопротивлениями питающей сети.
Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода определяется по формуле:
, (1)
где - потеря выпрямленного напряжения на коммутацию, принимается равной 2…3% от .
- номинальное выпрямленное напряжение.
.
.
Исходя из значения среднего выпрямленного напряжения определяем эффективные значения напряжения вторичной обмотки :
(2)
(3)
Средний ток плеча схемы выпрямления :
(4)
где - номинальное значение выпрямленного тока.
Для номинального режима:
Обратное максимальное напряжение плеча схемы выпрямления :
(5)
Эффективное значение тока плеча схемы выпрямления
(6)
Эффективное значение тока вторичной обмотки преобразовательного трансформатора
; (7)
Отсюда следует, что эффективное значение фазного тока вторичной обмотки:
Эффективное значение тока первичной обмотки преобразовательного трансформатора
(8)
где - коэффициент трансформации;
Расчет мощности преобразователя трансформатора при номинальном режиме:
На основании значения расчетной мощности и предназначения преобразователя, осуществляется выбор преобразовательного трансформатора. По расчетам подходит трансформатор типа: ТСЗП – 1600/10. Типовая мощность трансформатора 1515 кВА
, напряжение короткого замыкания , потери: =4кВт
,
Для трёх режимов перегрузки , вычисляются средние и эффективные токи. Результаты расчётов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Средние и эффективные токи в номинальном и утяжелённых режимах
Токи, А |
Режимы | |||
Номинальный |
Перегрузочные | |||
| Id
|
Id
н |
1,25Id
н |
1,5Id
н |
2Id
н |
| Iп
|
500 | 625 | 750 | 1000 |
| I2
л |
1226 | 1532,5 | 1839 | 2452 |
| I2
ф |
1226 | 1532,5 | 1839 | 2452 |
| I1
|
131 | 163,8 | 196,5 | 262 |
3. РАСЧЁТ ТОКОВ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ
Для правильного выбора силовых полупроводниковых приборов
необходимо выполнить расчёты токов короткого замыкания на шинах выпрямленного тока. На рис. 3.1 представлена схема возможных коротких замыканий трёхфазного мостового преобразователя, а на рис. 3.2 представлена расчётная схема замещения.
Схема возможных коротких замыканий трехфазного мостового преобразователя
А В С
U1ф
I1
S1
ТП
U2ф
I2
К1
VD4 VD1
К2 VD6 VD3
UZ
VD2 VD5 Id
- +
К3 Ld
К4
ТД
Рис. 3.1
Расчётная схема замещения при коротком замыкании на шинах трёхфазного мостового преобразователя
еа
еb
еc
Lа
La
La
Rа
Ra
Ra
VD1 VD3 VD5
VD4 VD6 VD2
Рис. 3.2
Эквивалентное анодное активное сопротивление одной фазы, приведённое ко вторичной обмотке, и анодное индуктивное сопротивление определяются соответственно по формулам [1, с.313]
,
где анодное индуктивное сопротивление трансформатора;
индуктивное сопротивление питающей сети.
,
где uk
– напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора, (в процентах).
,
,
.
,
где активное сопротивление, вычисленное из опыта сквозного короткого замыкания;
активное сопротивление питающей сети.
,
где РКЗ
, uk
– соответственно потери и напряжение (в процентах) короткого замыкания преобразовательного трансформатора.
;
;
.
Ток короткого замыкания определяется по формуле
где амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;
фазовый угол сдвига между кривыми напряжения и тока;
угол коммутации выпрямителя.
,
,
,
,
,
,
,
,
Результаты расчёта токов короткого замыкания представлены в табл. 3.1
Таблица 3.1
Значения тока короткого замыкания
| ωt,º
|
i
к , А |
ωt,º
|
i
к , А |
ωt,º
|
i
к , А |
| 0 | -7653,228775 | 144 | 10380,72355 | 288 | -14705,95287 |
| 6 | -6315,124687 | 150 | 9640,645671 | 294 | -14793,83143 |
| 12 | -4928,67503 | 156 | 8778,359639 | 300 | -14732,81892 |
| 18 | -3508,872364 | 162 | 7803,470108 | 306 | -14523,45867 |
| 24 | -2071,076544 | 168 | 6726,813947 | 312 | -14167,92055 |
| 30 | -630,8464196 | 174 | 5560,34152 | 318 | -13669,97716 |
| 36 | 796,2306503 | 180 | 4316,985779 | 324 | -13034,96248 |
| 42 | 2194,709592 | 186 | 3010,520572 | 330 | -12269,71342 |
| 48 | 3549,456856 | 192 | 1655,409753 | 336 | -11382,49492 |
| 54 | 4845,816236 | 198 | 266,6487265 | 342 | -10382,90937 |
| 60 | 6069,769467 | 204 | -1140,399834 | 348 | -9281,79139 |
| 66 | 7208,089828 | 210 | -2550,174286 | 354 | -8091,089125 |
| 72 | 8248,48707 | 216 | -3947,084507 | 360 | -6823,733326 |
| 78 | 9179,742093 | 222 | -5315,682685 | ||
| 84 | 9991,829874 | 228 | -6640,832554 | ||
| 90 | 10676,02933 | 234 | -7907,875223 | ||
| 96 | 11225,01886 | 240 | -9102,789765 | ||
| 102 | 11632,95662 | 246 | -10212,34682 | ||
| 108 | 11895,5445 | 252 | -11224,25353 | ||
| 114 | 12010,07526 | 258 | -12127,28821 | ||
| 120 | 11975,46218 | 264 | -12911,42327 | ||
| 126 | 11792,25101 | 270 | -13567,93509 | ||
| 132 | 11462,61399 | 276 | -14089,49957 | ||
| 138 | 10990,32607 | 282 | -14470,27235 |
По результатам результатов расчёта построен график кривой тока короткого замыкания на рис. 4.1.
Рис. 4.1
4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА
4.1. Выбор типа диода
.
Выбор диода производиться по двум параметрам:
· предельный ток диода
· максимальное обратное повторяющееся напряжение
Так как СПП имеют низкую перегрузочную способность, то при расчете необходимо рассмотреть три режима работы тягового преобразователя:
1) режим длительной нагрузки
2) режим рабочей перегрузки но не чаще чем через каждые
3) режим аварийной перегрузки
В расчете определяем число параллельных (а) СПП для перечисленных выше режимов, а затем принимаем наибольшее из них и округляют его до большего целого числа, если дробная часть превышает 0,1.
На основании выше указанных значений, выбираем для расчета диод Д253-1600 с охладителем О153-150.
Характеристики диода:
· максимальное обратное напряжение
· предельный ток диода
· ударный повторяющийся ток
· пороговое напряжение
· дифференциальное сопротивление
· тепловое сопротивление структура-контур
· тепловое сопротивление корпус-охладитель
· тепловое сопротивление охладитель – окружающая среда при естественном охлаждении и температуре воздуха
· максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры
· наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов
· переходное тепловое сопротивление за время соответствующее эквивалентному прямоугольному импульсу мощности (t=6мс)
· переходное тепловое сопротивление переход корпус за время τ=6 мс (соответствует 120 эл. град.)
· переходное тепловое сопротивление переход корпус за период Т=20 мс
· переходное тепловое сопротивление цепи структура-корпус, за время перегрузки tx=100c
Расчет предельного тока по формуле нагрузочной способности:
(16)
где: - установившееся тепловое сопротивление цепи полупроводниковая структура -
охлаждающая среда,
- температура окружающей среды, ;
- коэффициент формы тока, .
;
Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения:
(17)
где: - ток плеча преобразователя для соответствующего режима его работы (в режиме длительной нагрузки , в режиме кратковременной перегрузки для режима аварийной перегрузки ток плеча принимается равным амплитуде тока короткого замыкания), А;
- предельный ток диода, А;
- коэффициент нагрузки или коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительной перегрузки:
(18)
- коэффициент, учитывающий снижение предельного тока из-за повышенной температуры охлаждающей среды, если не оговорены условия охлаждения, то
- коэффициент перегрузки в различных режимах;
- среднее значение тока перегрузки. В режиме длительной нагрузки этот ток равен предельному току ,который вычисляется по формуле (16). Для режимов рабочей и аварийной перегрузок ток рассчитывается по формулам (19) и (21) соответственно.
- коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях. При проектировании допускают неравномерность распределения тока 10%, что соответствует
,
Округляя до наибольшего, получаем
Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с:
(19)
где: - одно из значений температуры структуры при кратности нагрузки , предшествовавшей режиму перегрузки, обычно принимается по условиям эксплуатации
– коэффициент скважности импульсов прямого тока;
- одно из значений потерь мощности:
(20)
Примем тогда:
В режиме аварийной перегрузки при и времени перегрузки (один полу период при частоте ) ток перегрузки определяется:
(21)
Округляем до наибольшего, получаем
На основании сравнения расчета для номинального режима , режима рабочей перегрузки и аварийного режима принимаем максимальное число параллельных ветвей
4.2. Разработка соединения схемы плеча преобразователя
.
Число последовательных СПП определяется из соотношения:
(22)
где: - максимальное обратное напряжение на плече преобразователя в номинальном режиме, В;
- неповторяющееся импульсное напряжение, В;
- коэффициент неравномерности распределения напряжения, в расчетах принимается равным 1,1;
- кратность перенапряжений, принимаем равным 1,7…1,8 для тяговых преобразователей.
Получаем значение , округляем в большую сторону до целого числа, таким образом получаем
Для равномерного деления напряжения применяют активные (), емкостные (С) и смешанные (RСD) цепи, включаемые параллельно СПП (рис.4.).
Групповое соединение СПП в одном плече преобразователя
Рис.4
Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:
(23)
где: - число последовательных приборов;
- наибольшее допустимое мгновенное напряжение для одного СПП данного класса (повторяющееся напряжение), В;
- наибольшее мгновенное обратное напряжение на плече, В;
- наибольший повторяющийся импульсный обратный ток СПП, А.
Мощность резистора определяется по формуле:
(24)
где: - эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.
Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:
(25)
где: - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ.
5.1. Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности.
Одной из важнейших характеристик, определяющих работу выпрямителя, является его внешняя характеристика, которая представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока .
С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение уменьшается. Потери в преобразователе можно условно разделить на следующие основные составляющие:
· потеря напряжения на коммутации
· потеря напряжения на активных сопротивлениях (в обмотках трансформатора)
· потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах
Потеря напряжения на коммутацию:
(26)
Потеря напряжения на активных сопротивлениях:
(27)
где: -угол коммутации выпрямителя;
(28)
(29)
Потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах:
(30)
где: - число плеч, одновременно проводящих ток;
- число последовательных СПП в одном плече;
(31)
Уравнение внешней характеристики имеет вид:
(32)
При номинальном режиме:
Если известна мощность на стороне выпрямленного тока, то для определения полной мощности преобразователя необходимо знать коэффициент мощности:
(33)
где: -коэффициент фазового сдвига основной гармонической тока питающей сети;
- коэффициент искажения формы тока первичной сети;
, (34)
- эффективное значение высших гармонических составляющих тока питающей сети;
(35)
Фазовый угол сдвига основной гармонической тока питающей сети для неуправляемого выпрямителя:
(36)
для номинального режима:
Результаты расчета коэффициента мощности для различных значений тока приведены в таблице 1.
Таблица 1.
| 0 | 750 | 1500 | 2250 | 3000 | |
| 0,955 | 0,908 | 0,86 | 0,811 | 0,76 |
На основании таблицы строится график зависимости коэффициента мощности от выпрямленного тока (рис.5.1.).
Рис. 5.1
5.2. Исследование коммутации.
Наличие индуктивных сопротивлений на стороне переменного тока преобразователя приводит к появлению интервала коммутации, который называется углом коммутации и измеряется в электрических градусах. С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения; полностью сглаженный ток на стороне выпрямленного напряжения; расчеты выполняются при нагрузке не выше нормальной) угол коммутации определяется по выражению:
(37)
Далее исследуется форма тока на коммутационном интервале. Ток коммутации определятся по формуле:
(38)
Ток плеча, входящего в работу , изменяется по закону тока коммутации и при достигается в амплитуде значения . Ток плеча, выходящего из работы , изменяется как и при становится равным нулю. Производится расчет токов плеч при изменении от 0 до . Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.
Угол коммутации при номинальном режиме:
при ;
Таблица 2.
| Ток | ||||||
| 0 | 37,4 | 149,2 | 411,8 | 914,9 | 1500 | |
| 0 | 37,4 | 149,2 | 411,8 | 914,9 | 1500 | |
| 1500 | 1462,6 | 1350,8 | 1088,2 | 585,1 | 0 |
По данным таблицы строятся зависимости и , приведенные на рис.5.2.
Рис. 5.2
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (КПД, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ)
Суммарные активные потери в схеме преобразователя определяются по формуле:
(39)
где: - потери в стали преобразовательного трансформатора, равные потерям холостого хода для выбранного трансформатора;
- потери в меди преобразовательного трансформатора, которые определяются потерями короткого замыкания , пропорциональными квадрату отношения выпрямленного тока к номинальному току, т.е.:
(40)
- потери в СПП, т.е.:
(41)
- число плеч преобразователя одновременно проводящих ток;
-средний ток диода при
- потери в делителях напряжения и тока, составляющая
- потери в сглаживающем реакторе. Здесь - активное сопротивление обмотки сглаживающего реактора, которое в расчетах можно принять равным (0,01…0,02) Ом
;
- потери в устройствах защиты и систем управления, применяются равными 0,2% от ;
Для номинального режима:
Суммарные потери мощности в преобразователе:
Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется по формуле:
(42)
Результаты расчетов потерь мощности и КПД для остальных режимов сведены в таблицу 3.
Результаты расчетов энергетических характеристик выпрямителя.
Таблица 3.
| I
d , A |
0 | 750 | 1500 | 2250 | 3000 |
| 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | |
| 0 | 4 | 16 | 36 | 64 | |
| 0 | 1,95 | 4,8 | 8,54 | 13,19 | |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | |
| 0 | 5,63 | 22,5 | 50,63 | 90 | |
| 2,22 | 2,22 | 2,22 | 2,22 | 2,22 | |
| 7,22 | 18,8 | 50,52 | 102,4 | 174,4 | |
| 0 | 555,8 | 1111,7 | 1667,5 | 2223,3 | |
| 7,22 | 574,6 | 1162,22 | 1769,9 | 2397,7 | |
| 0 | 0,967 | 0,957 | 0,942 | 0,927 |
По данным таблицы стоятся зависимости а также изменение составляющих потерь от выпрямительного тока . Зависимости приведены на рис.6.1., а изменение составляющих потерь мощности на рис.6.2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В данном курсовом проекте был произведен расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Построены временные диаграммы напряжений и токов, а также характеристики тягового полупроводникового преобразователя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Бурков А.Т
. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.- д. трансп. – М.: Транспорт, 1999. – 464с.
2. Справочник по электроснабжению железных дорог
. Т.2 / Под ред. К.М. Марквардта. – М.: Транспорт, 1981. – 392с.
3. Методическое указание к курсовому проекту
. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя. А.Т. Бурков, А.П. Самонин. Санкт-Петербург 2001.