Выбор согласующего трансформатора и вентилей

1. Примерный порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией

2. Выбор трансформатора

3. Автотрансформатор в двухполупериодных вентильных схемах

1. Примерный порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией

Для проектирования требуются следующие исходные данные:

· напряжение, частота и мощность КЗ в сети переменного тока;

· напряжение на стороне постоянного тока и необходимый диапазон его изменения;

· преобразуемая мощность;

· некоторые дополнительные данные – пульсации выпрямленного тока или напряжения, содержание гармоник тока на стороне переменного тока, коэффициент мощности и т.п.

При проектировании должны быть выполнены следующие расчеты [1, 2]:

· после того как выбрана наиболее подходящая схема преобразователя, определяется действующее значение напряжения вентильной (вторичной) обмотки преобразовательного трансформатора, исходя из требуемого наибольшего значения выпрямленного напряжения;

· вычисляются действующие значения токов в обмотках преобразовательного трансформатора, производится расчет его мощности и выбирается из каталога ближайший по мощности;

Замечание. При некоторых схемах преобразователей в вентильных (вторичных) обмотках преобразовательного трансформатора, например в трехфазной нулевой схеме, протекают токи только в одном направлении, т.е. пульсирующие токи. Это может привести к нарастанию некомпенсированной намагниченности стержней магнитопровода трансформатора. Лучше избегать схем, при использовании которых возможны такие явления. Если же такое решение все-таки необходимо, то должны быть приняты меры по уменьшению неблагоприятного влияния пульсирующей нагрузки, например, следует ввести третичные обмотки и т.п.

· вычисляются действующие и средние значения токов в каждом элементе преобразователя;

· вычисляются напряжения на вентилях преобразователя и по каталогам (фирменным) производится выбор полупроводниковых приборов с полной эксплуатационной информацией;

· определяется коэффициент мощности и содержание высших гармоник тока на стороне переменного тока преобразователя, считая сетевое напряжение синусоидальным;

· коэффициент мощности определяется с учетом содержания высших гармонических тока:

,

где - коэффициент искажения, равный отношению действующего значения тока основной (первой) гармоники к действующему значению всего тока, - угол сдвига фазы основной (первой) гармоники тока относительно напряжения;

· определяется содержание гармоник высших токов и напряжения в цепи постоянного тока (в нагрузке);

· определяется тип фильтра и его параметры;

· определяются параметры защитных устройств и устройств, обеспечивающих заданные режимы работы преобразовательной установки.

2. Выбор трансформатора

Трансформатор на входе вентильного преобразователя – это согласующий элемент, устройство гальванической развязки и дополнительное устройство защиты полупроводниковых приборов [3].

Параметрами, определяющими выбор трансформатора, обычно являются расчетные значения фазных напряжений ( ) и токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора и типовая мощность .

1. Трансформатор, как согласующий элемент, служит для согласования напряжения, подводимого из сети, с напряжением, необходимым для нормальной работы нагрузки.

При определении величины необходимого фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора ( ) возникают трудности, связанные с тем, что в начальной стадии проектирования оказываются неизвестными многие падения напряжения в отдельных элементах преобразователя. В этом случае расчет приходится вести следующим образом. Сначала ориентировочно задаются возможными падениями напряжения в различных элементах преобразователя и определяют необходимое фазное напряжение во вторичной обмотке трансформатора. А затем, после того, как будут выбраны все элементы силовой цепи преобразователя, величина уточняется.

Предварительно вычисляется напряжение на выходе выпрямителя при минимальном значении угла управления или из условия

,

где 1,1 – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения сети на 10%; – ЭДС вращения при номинальной скорости двигателя; – коэффициент, учитывающий допустимые перегрузки по току, из условий коммутации якоря двигателя и – для электроприводов переменного тока; - суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (обмотки трансформатора, дросселей, динамического сопротивления вентилей, сопротивление, учитывающее действие коммутационных процессов в преобразователе и т.п.); предварительно величина может быть принята равной ; – падение напряжения на вентилях.

2. В связи с тем, что в трансформаторе не существует электрической связи между вторичной и первичной обмотками, трансформатор является элементом гальванической развязки сетевого напряжения и напряжения преобразовательного устройства с нагрузкой.

3. Трансформатор на входе вентильного преобразователя обладает собственным активным сопротивлением ( ) и входной индуктивностью ( ), ограничивающей скорость изменения тока в вентилях преобразователя и соответственно токи короткого замыкания на стороне постоянного напряжения.

Определив необходимое значение напряжения на нагрузке , нетрудно найти расчетное значение , соответствующее схеме выпрямления, а зная первичное напряжение , определяется коэффициент трансформации трансформатора

и расчетная мощность трансформатора

.

Мощность выбираемого трансформатора по каталогам должна быть больше или равна расчетной:

.

В литературе часто можно встретить некорректный подход к выбору трансформатора. Наибольшая погрешность появляется в расчетах схем с нулевым выводом [3]. Например, для однофазной двухполупериодной схемы выпрямителя с выводом полагается:

; ; ;

но в этом случае мощность вторичной обмотки больше мощности, забираемой из сети, т.е. , тогда и КПД .

Мощность вторичной обмотки трансформатора ни при каких обстоятельствах не может быть больше мощности первичной обмотки.

В силу тождественности форм кривых токов и напряжений при активной нагрузке действующее значение напряжения определяется точно так же, как и действующее значение тока.

Для однофазной схемы с нулевым выводом

.

Действующее значение напряжения

.

Во время приложения к какой-либо половине обмотки обратного напряжения прямое напряжение на ней равно нулю, тогда

,

где - фазность схемы преобразователя.

Следовательно,

,

т.е. по затратам энергии однофазная мостовая схема и схема с нулевым выводом абсолютно идентичны.

Для активно-индуктивной нагрузки ( ) действующее значение тока и напряжения соответственно равны:

; ,

тогда мощность обмоток

.

Косвенным подтверждением справедливости предлагаемых расчетов может служить баланс мощности. В общем случае с учетом принятых упрощений

,

где – потери от высших гармоник пульсаций напряжения и тока.

Основная доля потерь падает на первую гармонику напряжения . Потери эти чисто активные, они могут быть рассчитаны по следующей формуле:

,

где , – действующие значения первых гармоник пульсаций напряжения и тока; – сопротивление нагрузки; – полные мощности первичной и вторичной обмоток; – выпрямленное напряжение, ток и мощность; - действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Активно-индуктивная нагрузка создает главным образом потери реактивной мощности. Формальное отличие от отражает разницу между действующим и средним значениями напряжения на обмотках трансформатора. В то же время идеализированный ток прямоугольной формы в обмотках или эквивалентная ему сумма гармоник нечетного порядка имеет резко выраженный реактивный характер и создает потери только в питающей сети (в баланс мощности эти потери не входят).

Расчетное значение требуемой мощности трансформатора желательно увеличить на величину потерь от первой гармоники

,

где коэффициент 1,1 учитывает потери от гармоник больше первой.

По расчетным значениям и выбирается тип трансформатора с его номинальными паспортными данными: , , , , вес и т.п.

Расчетную мощность трансформатора нетрудно найти, используя показатели табл.1, при этом

.

Замечание. При отсутствии в каталогах трехобмоточного трансформатора с параметрами обмоток, близкими к требуемым, допускается выбор ближайшего по мощности трансформатора с одной вторичной обмоткой, причем требуемая расчетная мощность увеличивается на 30%. Обычно завод-изготовитель трансформаторов гарантирует изменение напряжения по требованию заказчика при соблюдении постоянства и .

После выбора трансформатора производится расчет активного и индуктивного сопротивлений:

; ; .

Таблица 1. Показатели выпрямительных схем

3. Автотрансформатор в двухполупериодных вентильных схемах

Когда действующее напряжение питающей сети незначительно отличается от напряжения вторичной обмотки , для получения однополупериодных однотактных схем выпрямления более экономично использовать автотрансформаторы.

Рис.1. Схема понижающего автотрансформатора

Рис.2. Схема повышающего автотрансформатора

К зажимам понижающего автотрансформатора подводится напряжение , а на зажимах и получаем напряжение (рис.1). В повышающем автотрансформаторе напряжение подводится к зажимам , а напряжение вторичной обмотки получаем на зажимах и (рис.2).

Для обоих автотрансформаторов коэффициент трансформации

,

где – число витков секции обмотки (или ), – число витков секции обмотки и (или и ).

В понижающем автотрансформаторе , а в повышающем трансформаторе .

В секции обмотки понижающего автотрансформатора протекает первичный ток . В секции обмотки к току добавляется встречный ток , который по величине превышает первичный ток. Поэтому результирующий ток этой обмотки

.

Тот же ток в секции обмотки протекает во втором полупериоде.

Между токами и существует зависимость , поэтому результирующий ток

.

Во втором полупериоде в той же секции протекает первичный ток

.

Когда последовательно с приемником энергии включено большое индуктивное сопротивление ( ), в рабочем полупериоде и действующее значение тока секции обмотки

.

В секциях обмоток и автотрансформатора протекает ток i₁, действующее значение которого

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

.

Напряжение в секциях и пропорционально числу витков, поэтому его действующее значение

.

По приведенным формулам находим расчетную мощность понижающего автотрансформатора:

.

Расчетная мощность повышающего автотрансформатора

.

Замечание. Когда коэффициент трансформации , расчетная мощность автотрансформатора меньше мощности двухобмоточного трансформатора.

4. Дроссели

Если при заданных значениях выпрямленного напряжения требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора близко с напряжением питающей сети , то вместо трансформатора можно установить токоограничивающие реакторы.

Выбор токоограничивающего реактора можно произвести следующим образом. По заданному значению тока нагрузки определяется действующее значение тока, протекающего через токоограничивающий реактор:

.

Далее из каталога (справочника) выбираются вентили с допустимой величиной скорости изменения тока . Индуктивность реактора определится как

,

где – коэффициент запаса.

По расчетным значениям и из каталога выбирается реактор в каждую фазу преобразователя. Входные реакторы не должны насыщаться при токах короткого замыкания.

5. Выбор вентилей (тиристоров)

Высокая надежность работы преобразователя может быть обеспечена лишь при условии учета на стадии проектирования всех специфических особенностей выбираемого прибора при выполнении всех рекомендаций в конкретной схеме [4]. Большая часть приведенных в справочной литературе тиристоров и диодов может обеспечить максимально допустимый ток лишь при наличии охладителей и заданных условий охлаждения. Если используется естественное охлаждение, то допустимый ток через прибор снижается и составляет примерно 35% от максимально допустимого.

При обращении к справочнику или каталогу для выбора диода или тиристора достаточно иметь расчетные величины максимального и среднего значения тока, проходящего через прибор и значения максимального обратного напряжения.

В настоящее время преимущественно используется система так называемых предельных параметров, характеризующих предельные возможности прибора.

Основными параметрами диодов являются:

1. Предельный ток . Это максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через прибор. Значение определяется в однофазной однополупериодной схеме с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, полусинусоидальной форме тока и максимально допустимой температуре структуры. При использовании прибора в других схемах необходимо пересчитывать предельный ток. Необходимость пересчета обусловлена изменением соотношения между средним и действующим значениями тока, протекающего через вентиль в различных схемах, и другими факторами. Обычно для этой цели используются графические зависимости, приводимые в информационных материалах. В информационных материалах приводятся значения предельных токов с учетом влияния охладителя и условий охлаждения.

2. Ток рабочей перегрузки – это ток, характеризующий максимальное значение тока в течение небольшого определенного времени при заданных условиях работы.

3. Ударный ток . Это максимально допустимая амплитуда одиночного импульса тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при заданных условиях работы прибора.

4. Повторяющееся напряжение . Это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к диоду в обратном направлении. Напряжение U_П характеризуется классом прибора.

5. Неповторяющееся напряжение . Это максимально допустимое мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения, прикладываемого к диоду в обратном направлении.

6. Критическая скорость нарастания прямого тока . Это максимально допустимая скорость нарастания прямого тока через прибор.

Кроме предельных параметров, которые должны быть выдержаны при эксплуатации, важными параметрами являются: прямое падение напряжения , обратный ток , и др.

Большинство указанных параметров обычно приводятся в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах – в технических условиях на прибор.

Например, диод с нелавинной характеристикой с водяным охлаждением, второго конструктивного исполнения, на предельный ток 1000 А, с повторяющимся напряжением 600 В обозначается как ВВ2-1000-6.

Часть параметров, которыми характеризуются тиристоры, аналогична параметрам, указанным ранее для диодов.

Поскольку включение тиристора зависит от управляющего тока, то в информационных материалах приводят диаграмму вольтамперных характеристик управляющего электрода. Большинство типов тиристоров включаются токами порядка нескольких сотен миллиампер при напряжении на управляющем электроде, не превышающем 8 В. Длительность отпирающего импульса должна быть больше нескольких десятков микросекунд. Для быстрого и четкого включения тиристора управляющие импульсы должны иметь крутой фронт (порядка единиц микросекунд).

Перенапряжения в диоде могут возникнуть только в обратном направлении, в то время как в управляемом приборе они могут возникнуть в обоих направлениях. В каталогах номинальные напряжения нормируются следующим образом: обратное напряжение – это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемое к тиристору или диоду в обратном направлении; прямое повторяющееся напряжение – это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, периодически прикладываемого к тиристору в прямом направлении; неповторяющиеся напряжения – это максимально допустимые мгновенные значения любого напряжения, нерегулярно прикладываемого к полупроводниковому прибору (грозовые или коммутационные перенапряжения в сети, перенапряжения вследствие отключения тока намагничивания при отключении трансформатора и др.).

Включение управляемых силовых полупроводниковых приборов может привести к быстрому нарастанию тока, особенно если момент включения совпадает с большим значением прямого напряжения. Поскольку скорость увеличения проводящего поперечного сечения тиристора во включающемся полупроводниковом приборе ограничена, местная плотность тока и сопутствующий ей местный нагрев могут сохраняться в допустимых пределах только, благодаря ограничению скорости нарастания тока до значений, нормированных изготовителем. Поэтому индуктивность контура, замыкаемого полупроводниковым прибором, который начинает проводить ток, не должна снижаться ниже предела, определенного этим условием. У большинства преобразователей требуемая индуктивность обеспечивается в первую очередь элементами главной схемы (индуктивностью рассеяния трансформаторов или индуктивностью реакторов на входе схемы), так что никакой другой индуктивности обычно не требуется.

В соответствии с предписанием стандарта в каталогах на полупроводниковые приборы указывается критическая скорость нарастания тока при следующих условиях:

 температура кристалла – максимально допустимая;

 амплитуда нарастающего тока не превышает трехкратного номинального тока;

 прямое напряжение вентиля непосредственно перед включением не превышает 67% повторяющегося прямого напряжения;

 частота повторения включений 50 Гц;

 управляющий импульс удовлетворяет условиям по скорости нарастания тока, амплитуде и длительности, указанным для данного вентиля в каталоге.

Кроме перечисленных выше, в технических условиях на тиристоры обычно указываются дополнительные параметры:

· Время включения – это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения анодного напряжения на тиристоре до 10% начального значения при работе тиристора на активную нагрузку.

· Время выключения (называемое также временем восстановления запирающей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать (не отпираясь) напряжение, прикладываемое в прямом направлении с определенной амплитудой и скоростью нарастания.

· Критическая скорость нарастания прямого напряжения . Это максимально допустимое значение скорости нарастания прямого напряжения при разомкнутой цепи управляющего электрода. Скорость нарастания прямого напряжения не должна превышать значений, нормированных изготовителем, так как в противном случае емкостные токи, появляющиеся в переходах, могут привести к самопроизвольному включению тиристора. Сравнительно медленное включение может привести к большим потерям при включении и повреждению вентиля.

· Ток удержания – это максимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управляющего электрода, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии. Токи удержании необходимо знать для расчета минимальной нагрузки преобразователя, при которой тиристоры находятся с проводящем состоянии.

· Защитный показатель или . Это показатель, характеризующий термодинамическую стойкость прибора при кратковременных перегрузках. Оценка защищенности прибора с помощью характеристики производится путем сравнения ее с аналогичной характеристикой защитного устройства (например, плавкого предохранителя или электромагнитного расцепителя автоматического выключателя и т.п.). Во всех случаях прибора (вентиля) должен быть больше устройства защиты.

В обозначении типа тиристора содержится ряд букв и цифр, например тиристор типа ТВ2-1000-6-121 – это тиристор с водяным охлажденим второго конструктивного исполнения с предельным током 1000 А, повторяющемся напряжением 600 В (6-й класс) с (группа 1), с временем выключения (группа 2) и (группа 1).

Соблюдение вышеперечисленных параметров позволяет использовать преобразователь с безопасной эксплуатацией на сроки более 10 лет непрерывной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по автоматизированному электроприводу/ Под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 616 с.

2. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.

3. Ланген А.М. Расчет мощности трансформатора выпрямительной установки// Электричество. 1999. No 10.

4. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.

Контрольные вопросы

1. При какой нагрузке необходимо выбирать силовой трансформатор?

2. Какими параметрами отличается трансформатор от автотрансформатора и когда какой применять?

3. Назначение входных реакторов в цепи преобразователя?

4. Какие начальные параметры необходимо знать при выборе тиристора?

5. Определить разницу в мощностях согласующих трансформаторов однофазных и трехфазных схем выпрямления, если необходимо иметь и .

Ответ:

4.43 кВА.

6. Определить мощность трансформатора однофазного мостового выпрямителя при активной и активно-индуктивной нагрузке, если в цепи необходимо иметь и .

Ответ:

7.26 кВА, 5.5 кВА.

7. Найти мощность трехфазного трансформатора для мостовой схемы выпрямления, если задано , .

Ответ:

.

8. В однофазной мостовой схеме выпрямления с понижающем напряжением найти мощность автотрансформатора и трансформатора, обеспечивающих цепь с параметрами , .

Ответ:

, .

Лекция No11