Проектирование тиристорного преобразователя

Содержание

Введение. 3

1. Технические данные нагрузки. 5

2. Проектирование тиристорного преобразователя. 6

2.1 Выбор схемы тиристорного преобразователя. 7

2.2 Выбор тиристоров. Расчёт силового модуля. 9

2.3 Расчет мощности и выбор силового трансформатора. 10

2.4 Выбор СИФУ.. 14

2.6 Характеристики тиристорного преобразователя. 21

2.7 Энергетические характеристики тир-ного преобразователя. 26

2.8 Защита тиристорного преобразователя. 32

Список используемой литературе. 47

ВВЕДЕНИЕ

2) мгновенная готовность к работе, широкий диапазон температур и длительный срок службы

3) номинальный КПД преобразователя 92-96 %

4) малые весогабаритные показатели: блочная компоновка позволяет сократить требуемые производственные площади, уменьшить капитальные затраты и расходы на установку и эксплуатацию.

Недостатки:

1) пульсации выпрямленного напряжения и тока на выходе тиристорного преобразователя повышают нагрев и ухудшают коммутацию двигателя, что требует установки сглаживающих реакторов.

2) при глубоком регулировании напряжения тиристорный преобразователь имеет низкий коэффициент мощности, что требует разработки и установки специальных компенсирующих устройств.

3) перегрузочная способность тиристорного преобразователя ниже, чем электромашинного.

4) при работе тиристорных преобразователей искажается форма напряжения в сети переменного тока, и возникают помехи.

В настоящее время разработаны различные схемы тиристорных преобразователей и системы регулируемого электропривода на их основе.

По назначению тиристорные преобразователи подразделяются:

- для питания якоря двигателя.

- для питания обмоток возбуждения.

по исполнению тиристорные преобразователи подразделяются:

- нереверсивные;

- реверсивные.

Самой благоприятной для тиристорных преобразователей признана трёхфазная мостовая (шестипульсная) схема выпрямления. На базе трёхфазной мостовой схемы строятся также комбинированные схемы выпрямления, например двенадцатипульсные.

Электропривод постоянного тока на основе тиристорных преобразователей в настоящее время является основным типом промышленного регулируемого электропривода. Это объясняется рядом достоинств этого типа электропривода.

Основные достоинства:

1) высокое быстродействие, которое ограничивается коммутационной способностью двигателя и механической инерционностью привода

Технические условия на разработку

В качестве нагрузки тиристорного преобразователя применён якорь двигателя постоянного тока независимого возбуждения типа Д814, сеть трехфазная переменного тока 380 В, режим работы электропривода – реверсивный.

Таблица 2.1

Технические данные двигателя Д814

№ п/п	Наименование	Ед. изм.	Величина
1.	Номинальная мощность, Рн	кВт
2.	Номинальное напряжение,Uн	В
3.	Номинальный ток якоря, Iн	А
4.	Номинальная скорость вращения, nн	об/мин
5.	Перегрузочная способность	l дв.	2,4
6.	Перегрузка выключающая	l откл.	2,0
7.	Сопротивление обмоток при 20о С ─ якоря, rя ─ добавочных полюсов, rдп ─ обмотки возбуждения rв	Ом Ом Ом	0,0286 0,0178 46,6
8.	Число главных полюсов, 2р	––
9.	Число параллельных ветвей, 2а	––
10.	Момент инерции, J	кгм2	10,25

Проектирование тиристорного преобразователя

2.1 Выбор схемы тиристорного преобразователя

Для заданной мощности P_н = 110 кВт, напряжения U_н =220 В, тока I_н =274 А, перегрузочной способности λотк. = 2,2 наиболее целесообразной схемой выпрямления является трёхфазная мостовая схема с питанием от сети переменного тока 380 В, трансформаторный вариант; преобразователь реверсивный по встречно-параллельной схеме с раздельным управлением вентильными группами.

При определении номинальных значений выпрямленного напряжения и тока необходимо обеспечить:

; , (2.1)

и учесть

. (2.2)

Этим условиям отвечает тиристорный преобразователь со следующими номинальными данными:

;

где -перегрузочная способность тиристорного преобразователя в течение 10 с.

Этим условиям удовлетворяет тиристорный преобразователь из серии

КТЭ – 200/220 – 132 – УХЛ4

КТЭ – комплектный тиристорный электропривод;

274 – номинальный ток;

220 – номинальное напряжение;

1 – однодвигательный;

3 – реверсивный с реверсом тока в якорной цепи;

2 – трансформаторное исполнение;

УХЛ4 – климатическое исполнение – умеренно холодный климат. Силовая схема реверсивного тиристорного преобразователя – трёхфазная мостовая. Схема РТП встречно – параллельная.

На рисунке 2.1 приведена принципиальная схема реверсивного тиристорного преобразователя, работающего на двигатель постоянного тока.

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема реверсивного тиристорного преобразователя, работающего на двигатель постоянного тока.

2.2 Расчёт мощности и выбор силового трансформатора

Максимально расчётное значение выпрямленной ЭДС E_d0 в режиме непрерывного тока

где = 220 В - номинальное значение ЭДС двигателя;

= 274 А - номинальное значение выпрямленного тока преобразователя;

- активное сопротивление двигателя с учётом сопротивления якоря и добавочных полюсов, приведённое к рабочей температуре 80 ˚С

;

α_min =20˚ - минимальный угол регулирования;

= 2 В - падение напряжения на тиристоре;

= 2 - коэффициент зависящий от схемы выпрямления;

- расчётные коэффициенты;

=1,2 - коэффициент, учитывающий индуктивность сети переменного тока;

- напряжение короткого замыкания и потери в меди трансформатора.

- возможные колебания напряжения сети.

Вторичное линейное напряжение трансформатора

Расчётная мощность трансформатора

,

где = 1,045 - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления.

На основании значений расчётной мощности требуемых первичного и вторичного напряжений выбирается трансформатор из серии сухих типа ТСП – 63/0,7 – УХЛ с техническими данными, приведёнными в таблице 2.1.

Технические данные трансформатора ТСП-63/0,7-УХЛ. Табл.2.1

Тип трансформатора	Sн, кВа	Номинальное напряжение	Номинальный ток	ек, %	I0, %	Потери,кВА
U1л,B	U2л,В	Udн,В	I2л,А	Idн,А	Рхх	Ркз
ТСП – 63/0,7-УХЛ							5,2		0,33	1,9

Максимальное значение выпрямленной ЭДС E_d0 при α = 0

где - линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора при соединении в звезду.

Коэффициент трансформации трансформатора

Полное сопротивление фазы трансформатора, приведенной ко вторичной обмотки

Активное сопротивление обмоток трансформатора

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора

Индуктивность трансформатора

2.3 Выбор тиристоров. Расчёт силового модуля

На основании номинальных данных преобразователя и трансформатора необходимо выбрать тиристоры, схему соединения и число вентилей в плече.

Для трёхфазной мостовой схемы выпрямления при I_dн = 274 А и λ_тп. = 2,25 выбираются тиристоры серии Т.

На основании номинальных данных тиристорного преобразователя выбираем тиристор Т16-320. Параметры тиристора приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Параметры тиристора Т16-320

Импульсное напряжение в открытом состоянии, В	2,0
Критическая скорость нарастания напряжения, В/мкс
Максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии, А
Максимально допустимый средний ток в закрытом состоянии, А
Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии, В
Отпирающее постоянное напряжение управления, В
Отпирающий постоянный ток управления, мА
Повторяющийся импульсный обратный ток, мА
Время выключения, мкс
Время обратного восстановления, мкс

Число параллельно включенных тиристоров в плече определяется

где - число фаз питающей сети;

= 320 А - предельный ток выбранного тиристора;

= 0,9 – коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки параллельно включённых тиристоров;

=0,9 – коэффициент, учитывающий неравномерную длительность включения тиристоров;

– коэффициент, учитывающий условия охлаждения тиристоров ( = 0,4 – для естественного охлаждения).

Принимаем необходимое (целое) число параллельно включенных тиристоров в плече .

Число последовательно включенных тиристоров в плече

,

где - максимальное обратное напряжение на тиристоре.

;

- коэффициент запаса по напряжению;

= 400 В – номинальное напряжение тиристора (соответствует классу тиристора).

По результатам расчёта принимается один тиристор в плече.

Так как число параллельно включённых тиристоров принято равным двум, то есть необходимость в установке делителей тока. В тиристорных преобразователях более перспективным является применение для делителей тока индуктивных сопротивлений вместо ферромагнитных реакторов. Индуктивность такого делителя, который называют также индуктивным делителем без магнитной связи, при двух параллельных ветвях определяется следующим образом

где τ – период проводимости вентиля;

Т – период напряжения сети;

∆U – 10% от падения напряжения на тиристоре;

∆I_ср – 10% от номинального тока тиристора.

Вентильная часть реверсивного тиристорного преобразователя представлена на рисунке 2.2. Здесь тиристоры выпрямительных мостов ВМ1 и ВМ2 включены встречно, защищаются от коммутационных перенапряжений общей RC – цепочкой.

Импульсный узел построен на базе импульсного трансформатора Т1, конец вторичной обмотки подсоединён к управляющему электроду и катоду тиристора. Во вторичной обмотке установлен светодиод VD2, определяющий требуемую полярность отпирающего импульса на тиристоре; к концам вторичной обмотки присоединена цепь из параллельно соединённых диода VD1, резистора R1 и конденсатора С1, осуществляющая шунтирование импульса обратной полярности и повышение помехозащищённости цепи управляющего перехода тиристора.

Цепь, состоящая из светодиода СД и резистора R2, сигнализирует о состоянии цепи, управляющий катод – катод тиристора.

Последовательно с первичной обмоткой импульсного трансформатора включена цепь из параллельно соединённых резисторов R3-R5 и конденсатора, осуществляющая ограничение тока короткого замыкания и повышения крутизны переднего фронта импульса.

2.4 Расчёт индуктивности и выбор сглаживающего дросселя

Сглаживающий дроссель включается последовательно с якорем двигателя и его индуктивность рассчитывается следующим образом.

Критическая индуктивность силовой цепи из условия сглаживания пульсаций выпрямленного тока

,

где - принятая величина действующего значения основной гармоники переменной составляющей выпрямленного тока.

Критическая индуктивность силовой цепи из условий ликвидации прерывистого режима на холостом ходу двигателя (принят )

;

;

;

;

Из двух значений критической индуктивности выбирается большее и по уравнению

(2.3)

определяется требуемая индуктивность сглаживающего дросселя.

где

Выбираем сглаживающий дроссель типа ФРОС – 65/0,5УЗ со следующими техническими данными: I_н = 250 А, L_сд = 1,5 мГн для длительной работы со значением выпрямленного напряжения не выше 500 В. Основные габаритные размеры дросселя приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Основные габаритные размеры ФРОС – 65/0,5УЗ

Габаритные размеры, мм	Масса, кг
L	B	H

2.5 Выбор СИФУ

Система импульсно – фазового управления (СИФУ) предназначена для преобразования выходного напряжения системы управления U_у в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования которых смещён относительно моментов естественных открывания тиристоров на угол α, зависящий от значения U_у.

Схема СИФУ электропривода серии КТЭ приведена на рисунке 2.3

На рисунке 2.3 U_R – напряжение с выхода регулятора тока; U₀ – напряжение, соответствующее начальному углу согласования; Uу – напряжение управления на выходе ячейки согласования №122; Uзi – сигнал задания регулятора тока; τi = 0 – сигнал бестоковой паузы; 1А – анодная группа тиристоров моста TM1; 2А – катодная группа тиристоров моста ТМ2; K1-1, K1-2 – ключи запрета импульсов СИФУ мостов ТМ1 и ТМ2 соответственно; К2-1, К2-2 – ключи запрета импульсов ВК мостов ТМ1 и ТМ2 соответственно; №121 – ячейка усилителей № 121; №102 – ячейка фильтров №102; №122 – ячейка согласования №122 ; №123 – ячейка каналов

Рисунок 2.3 – Схема функциональная системы управления реверсивных электроприводов КТЭ

фазового управления №123; №702 – ячейка питания №702; №704 – ячейка питания №704; №700 – ячейка контроля питания №700; №125 – ячейка раздельного управления №125; №118 – ячейка формирователей №118; S120А – блок импульсного устройства S120А; S119В – блок датчиков состояния вентилей S119В.

Ячейка согласования №122 формирует аналоговый сигнал с выхода регулятора тока, величина которого определяет фазу управляющих импульсов, формирующихся в ячейке №123. Здесь же происходит ограничение аналогового сигнала, соответствующее заданию угла регулирования α_max и α_min, а также уставка начального угла согласования (от 60 до 130˚ ). По сигналу системы защиты и сигнализации (СЗС) в ячейке формируется сигнал, соответствующий максимальному углу регулирования.

В ячейке №123 формируются импульсы управления длительностью (0,54 ± 0,1) мс (8 эл. град). Основными элементами данной ячейки являются три гибридные интегральные схемы ДК-I, каждая из которых представляет собой двухканальное фазосмещающее устройство для управления тиристорами каждой фазы.

Система раздельного управления РУ обеспечивает надёжное отключение ранее работающего моста, формирование качественных переходных процессов и устойчивую работу выпрямителя в режиме прерывистых токов во всём диапазоне изменения выпрямленного напряжения. Система раздельного управления реверсивными тиристорными преобразователями состоит из логического переключающего устройства (ЛПУ) и датчиков состояния тиристоров. ЛПУ выполнено в ячейке раздельного управления №125. На вход ЛПУ подаётся сигнал задания по току Uзi с выхода регулятора скорости системы регулирования. При положительной полярности Uзi происходит включение моста ТМ I («Вперёд»), при отрицательной – включается мост ТМ 2 («Назад»)

Для управления тиристорным преобразователем выбирается многоканальная синхронная система с линейным опорным напряжением (пилообразное) и вертикальным принципом управления.

Принцип вертикального управления состоит в том, что на входе формирователя импульсов производится сравнение переменного (опорного) развёртывающего периодического напряжения, синхронного с напряжением сети питания преобразователя, и сигнала управления – регулируемого постоянного напряжения.

Система управления ТП состоит:

- система СИФУ;

- выходных каскадов ВК;

- гальванической развязки ГР;

- системы раздельного управления РУ;

- системы питания;

- системы контроля.

Конструктивно система управления выполнена в виде выемных ячеек, кассет, блоков и плат.

Расчёт фазовых характеристик СИФУ реверсивного тиристорного преобразователя с пилообразным опорным напряжением производится по формуле

, (2.4)

где - начальный угол согласования характеристик, принимается 95˚,

- максимальное значение опорного напряжения СИФУ.

Максимальное значение угла регулирования

,

где γ – угол коммутации при I_dmax,

δ – угол восстановления запирающих свойств тиристора,

,

где - время выключения тиристора T16-320;

∆α = 3° - допустимая асимметрия импульсов.

Угол коммутации

где α_н – номинальный угол, соответствующий номинальному режиму работы двигателя

По приведённому уравнению рассчитаны фазовые характеристики выпрямительных мостов групп «Вперёд» и «Назад», данные расчёта приведены в таблице 2.4. Фазовые характеристики реверсивного тиристорного преобразователя приведены на рисунке 2.4

Таблица 2.4 - Фазовые и регулировочные характеристики СИФУ и реверсивного тиристорного преобразователя.

Группа VSF Инвертор
Uу, В	-10	-8	-6	-4	-2
α1, град
Ed1, В	―	-270	-237	-182	-108	-24

Продолжение таблицы 2.4

Выпрямитель
Uу, В
α1, град
Ed1, В	-24
Группа VSB Выпрямитель
Uу, В	-10	-8	-6	-4	-2
α2 град
Ed2, В	-275	-255	-205	-142	-62
Инвертор
Uу, В
α2 град
Ed2, В						―

Рисунок 2.4– Фазовые характеристики тиристорного преобразователя

2.6 Характеристики тиристорного преобразователя

Расчёт и построение регулировочных и внешних характеристик

При линейном опорном напряжении ЭДС тиристорного преобразователя

,

по которому рассчитаны регулировочные характеристики выпрямительных групп.

Данные расчётов представлены в таблице 2.4, а на рисунке 2.5 – регулировочные характеристики .

Максимальная ЭДС тиристорного преобразователя с точки зрения безопасного инвертирования при α_max = 156˚ составляет

.

Коэффициент усиления тиристорного преобразователя определим по формуле

,

используя зависимость

Рисунок 2.5 – Регулировочные характеристики тиристорного преобразователя

Внешняя характеристика тиристорного преобразователя при α = const (одной выпрямительной группы) в режиме непрерывного тока в соответствии со схемой замещения реверсивного тиристорного преобразователя, представленной на рисунке 2.6, может быть представлена следующим уравнением

где - для мостовой схемы выпрямления;

- активное сопротивление фазы трансформатора;

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора.

Рисунок 2.6 – Схема замещения реверсивного тиристорного преобразователя при работе на якорь двигателя.

При в граничном режиме

.

В прерывистом режиме напряжение и ток определяются по следующим формулам

;

При λ = 0 ( )

При

По приведенным формулам рассчитаны зависимости (табл.2.5) при различных α = 15˚, 30˚, 60˚, 75˚, 90˚, 120˚, 135˚, 160˚, которые представлены на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Внешние характеристики тиристорного преобразователя

Таблица 2.5 - Зависимость

2.7 Энергетические характеристики тиристорного преобразователя

Энергетические характеристики тиристорных преобразователей оцениваются коэффициентом мощности χ и коэффициентом полезного действия η.

Коэффициент мощности χ в самом общем случае может быть определён как отношение активной мощности, потребляемой преобразователем P, к полной мощности S (кажущейся мощности для несинусоидальных токов)

(2.5)

Полная и активная мощности, потребляемые из сети в общем случае несинусоидальных напряжений и токов

(2.6)

(2.7)

где - фазные первичные действующие значения основных гармоник напряжения и тока;

- действующие значения фазных напряжений и тока высших гармоник;

- угол сдвига между векторами основных гармоник фазных напряжений и токов;

- угол сдвига между векторами напряжений и тока высших гармоник.

В случае , что справедливо для мощных сетей, коэффициент искажения по напряжению

(2.8)

а по току

(2.9)

величина, которого для трёхфазного мостового выпрямителя

.

Активная мощность, потребляемая из сети

, (2.10)

где

Коэффициент мощности без учёта процесса коммутации определяется по формуле

(2.11)

Для регулируемого мостового выпрямителя с учётом процесса коммутации ( ) коэффициент мощности определяется по формуле

, (2.12)

где - коэффициент искажения кривой первичного тока с учётом коммутации.

Активная и реактивная мощности по первой гармонике тока

; (2.13)

, (2.14)

где

; (2.15)

. (2.16)

Мощность искажения

(2.17)

Порядок расчёта следующий: определяются следующие величины:

1. Первичный линейный ток (обмотка соединена по схеме треугольника)

2. Первичный фазный ток

3. Первая гармоника первичного фазного тока

. (2.18)

4. Коэффициент искажения по току с учётом коммутации

, (2.19)

где γ – угол коммутации,

(2.20)

Угол регулирования α в расчётах принимается от α_min = 15˚ до α_max = 180˚ - β_min=156˚;

p=6 – число пульсаций выпрямленного тока;

- максимальное значение выпрямленной ЭДС при α = 0;

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора.

5. Полная мощность

(2.21)

6. Активная мощность

. (2.22)

7. Реактивная мощность

. (2.23)

8. Коэффициент мощности

. (2.24)

9. Мощность дисторции

(2.25)

Результаты расчётов зависимостей S, P, Q, D, χ = (α) представлены в таблице 2.6 и на рисунке 2.8.

Таблица 2.6 - Результаты расчёт энергетических характеристик

α, град	S, ВА	P, Вт	Q, ВАр	D, ВА	χ
					0,895
					0,793
					0,638
					0,438
					0,206
		-2487			-0,043
		-16945			-0,292
		-30444			-0,524
		-42108			-0,725
		-51296			-0,883

Рисунок 2.8 – Энергетические характеристики тиристорного преобразователя

Как обычно под КПД подразумевается отношение отдаваемой выпрямителем мощности P_d к потребляемой из сети активной мощности P.

(2.26)

Для случая работы выпрямителя со сглаженным выпрямленным током, при малой величине пульсаций кривой выпрямленного тока , можно считать, что

, (2.27)

где - выпрямленное напряжение на выходе преобразователя;

- номинальный ток двигателя.

Тогда

. (2.28)

Необходимо определить номинальное значение КПД, рассчитать и построить зависимости при , и при . Исходные данные для расчёта: ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Результаты расчётов представлены в таблице.2.7, 2.8.

Примечание. При преобразователь работает в инверторном режиме и .

Таблица 2.7 - Зависимость η = f(I_d) при α_н = 30,8°

Таблица 2.8 - Зависимость η=f (α) при I_d = 128A, I_1ф =70 А.

По результатам расчёта на рисунке 2.9 и 2.10 построены зависимости и .

Рисунок 2.9 - Зависимость тиристорного преобразователя

Рисунок 2.10 - Зависимость тиристорного преобразователя