К выполнению расчетно-графической работы

Морской институт

Кафедра судового электрооборудования

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению расчетно-графической работы

по дисциплине «Силовая электроника и преобразовательная техника»

Тема: «Разработка трехфазного мостового преобразователя для регулируемого электропривода»

для студентов по направлению подготовки

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

по специальности

25.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики

всех форм обучения

Севастополь

УДК 629.12.03(07)

М545

Методические указанияк выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Силовая электроника и преобразовательная техника» для студентов направления подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника и специалистов по специальности 25.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики / для всех форм обучения /Сост., А.К. Пронина, -Севастополь: Изд-во СевГУ, 2017-48 с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам при выполнении расчетно-графической работы по дисциплине «Силовая электроника и преобразовательная техника» Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Судовое электрооборудование», протокол № 7от 29.12 2016 г.

Рецензент: канд. техн., наук, доцент К.П.Путилин.

СОДЕРЖАНИЕ

Часть I ЗАДАЧИ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ И КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ………………………………………………………………………….4

1.Содержание расчетно-графической работы (РГР) 5

2. Элементная база и принцип работы вентильного преобразователя. 8

3. Общие соотношения, характеризующие работу трехфазной мостовой схемы выпрямления ………………………………………………………………………...15

Часть II ПРИМЕР РАСЧЕТА ПО ИСХОДНЫМ ДАННЫМ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 29

2. Расчет нагрузки преобразователя. 31

2.2. Номинальный ток двигателя. 31

3. Выбор трансформатора. 31

3.1. Мощность трансформатора. 31

3.3.Напряжение короткого замыкания трансформатора. 32

4.Определение расчетного тока и выбор вентилей по нагреву и обратному напряжению ………………………………………………………………………..32

5.Расчет параметров схемы замещения трансформатора. 33

6.Расчет режима при номинальной нагрузке и номинальном напряжении. 33

6.1.Выпрямленное напряжение. 33

7.Расчет режима нагрузки при номинальном токе и напряжении. 35

8.Построение внешних характеристик выпрямителя. Определение предельных токов ………………………………………………………………………...36

9.Влияние выпрямителя на питающую сеть для режима номинальной нагрузки. 39

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчетные параметры синхронных генераторов и ДПТ. 41

ПРИЛОЖЕНИЕ ВТаблицы основных параметров и характеристик силовых тиристоров ………………………………………………………………………..43

Приложение С Таблица вариантов. 46

Библиографический список. 47

Содержание расчетно-графической работы (РГР)

Темой РГР является исследование структуры и режимов управляемого выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме и используемого для регулируемого электропривода постоянного тока в судовой электроэнергетической системе (СЭЭС).

Особенностью двигателя постоянного тока, как нагрузки для преобразователя, является независимость выпрямленного тока от выпрямленного напряжения: ток зависит только от нагрузки двигателя.

Содержание РГР

Ø расчет нагрузки для преобразователя, обоснование силовой схемы и выбор вентилей;

Ø анализ работы трехфазной мостовой схемы преобразователя в выпрямительном режиме, ее основные электрические и энергетические соотношения;

Ø расчет и построение схемы замещения преобразователя для судовой электросети с источником в виде эквивалентного синхронного генератора;

Ø анализ влияния преобразователя на качество электроэнергии в судовой сети по показателю несинусоидальности напряжения;

Ø Расчет добавочных потерь в асинхронных потребителях ЭЭС в условиях искажения синусоидальности напряжения в электросети.

В задании указываются следующие данные

Ø схема выпрямления – трехфазная мостовая; выпрямитель- управляемый на тиристорах;

Ø синхронный генератор: тип, мощность, напряжение, КПД (возбуждение независимое, магнитный поток постоянный Ф=const).

Задачи работы

1. расчет мощности нагрузки преобразователя и выбор согласующего трансформатора;

2. анализ работы трехфазного мостового преобразователя в режиме выпрямления, (коммутация вентилей, основные электрические и энергетические соотношения);

3. расчет параметров схемы замещения, приведение их ко вторичному напряжению трансформатора; выбор вентилей; расчет токов в фазах трансформатора: эффективного тока I, тока первой гармоники , коэффициента мощности по эффективному току, коэффициента мощности по первой гармонике, определение коэффициента искажения тока ; расчет режима нормальных нагрузок.

4. построение внешних характеристик преобразователя для различных углов управления при нормальных нагрузках по току, и при перегрузках по току; расчет функции огибающей прямолинейных характеристик в параметрической форме .

5. оценка влияния преобразователя на искажение напряжения на общих шинах питания судовой сети при номинальной нагрузке преобразователя; оценка и расчета тока высших гармоник и фазового тока (по приводимым формулам); определение высших гармоник напряжения и на шинах генератора; расчет коэффициента искажения сети (ГОСТ 32144-2013).

Расчетная схема приведена на рис. 1.

Элементы схемы:

СГ – синхронный генератор, напряжением 380 В, 50 Гц (источник электрической энергии);

TV – трехфазный трансформатор для согласования напряжений источника и выпрямленного напряжения ;

VST – трехфазная мостовая схема преобразователя на тиристорах, работающая в выпрямительном режиме;

ДПТ – двигатель постоянного тока (двигатель вентильного электропривода);

Ld → ∞ - дроссель большой индуктивности, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

Силовые полупроводниковые элементы выпрямительной схемы – тиристоры, или силовые транзисторы. Регулирование вентильного преобразователя заключается в плавном изменении выпрямленного напряжения в диапазоне (0,1-1,0) .

При постоянном токе в обмотке возбуждения ОВ двигателя при Ф=const, достигается плавное и экономичное регулирование скорости двигателя в том же диапазоне 10:1 за счет изменения напряжения, подводимого к якорю машины.

Для изменения направления вращения двигателя может применяться реверс тока в обмотке возбуждения. При необходимости повышения скорости вверх от основной можно использовать уменьшение магнитного потока Ф, создаваемого током возбуждения.

Задаваемые параметры (Приложение А):

Для синхронного генератора (СГ):

– полная номинальная мощность генератора, кВт

– линейное напряжение на выводах генератора, В,

- переходное сопротивление генератора по продольной оси d, задаваемое в относительных единицах при номинальных базисных условиях;

cos φ_нг - номинальный коэффициент мощности генератора (cosφ_нг ≈ 0,8)

Для двигателя постоянного тока ДПТ:

– номинальное напряжение,В.

Р_нд - номинальная мощность (на валу), кВт.

n_нд – номинальная скорость двигателя, об/мин.

η_нд – номинальный КПД, η_нд ≈ 0,9

U_нд – номинальное напряжение двигателя : (U_нд = 220 В, либо U_нд = 440 В)

Последовательность выполнения работы:

1. Выбрать из таблиц синхронный генератор и мощность двигателя (Приложение А), исходя из соотношения Р_нд =(0,25-0,45) .

2. Изобразить схему замещения мостового преобразователя, включаемого в трехфазную сеть через трансформатор, и описать работу преобразователя в режиме выпрямления.

3. Рассчитать номинальную потребляемую мощность и ток двигателя для режима номинальной нагрузки (при номинальной скорости и номинальном моменте двигателя).

4. Для номинальной мощности двигателя выбрать трансформатор, исходя из условия S_т ≈ 1.05 Р_нд из ряда мощностей; задаться напряжением короткого замыкания и определить необходимый коэффициент трансформации.

5. Определить расчетный ток вентилей (тиристоров) в режиме номинальной нагрузки преобразователя, выбрать вентили (тиристоры) по току и установить класс вентилей по напряжению (Приложение В).

6. Рассчитать параметры схемы замещения всей системы, приведя их к вторичному напряжению трансформатора.

7. Описать работу схемы мостового выпрямителя; для номинального режима загрузки двигателя - определить эффективный ток фазы, первую гармонику тока фазы и коэффициенты мощности.

8. Построить семейство внешних характеристик выпрямителя для диапазона нормальных перегрузок и определить предельные нагрузки по току.

9. Определить коэффициент статизма внешних характеристик преобразователя для режима нормальных нагрузок.

10. Определить влияние преобразователя на сеть по составу высших гармоник напряжения.

Выводы.

Краткие сведения из теории

Процесс коммутации

а) б)

Рис.3.3 Схема замещения трехфазного мостового выпрямителя а); эквивалентная схема при коммутации тока с фазы А на фазу В б)

На рис.3.3, а) изображена схема замещения источника ЭДС и сопротивлений рассеяния , приведенные ко вторичному напряжению трансформатора . В сопротивления , должны быть включены сопротивления рассеяния самого трансформатора .

Рассмотрим процесс коммутации фаз А и В, если отсчитывать время от момента пересечения синусоид фазных ЭДС . Эти ЭДС можно выразить следующим образом ( учетом начала координат в точке 0):

где - амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, т.е. на его выводах . В дальнейшем обозначаем , также полагаем индуктивности фаз . При условии симметрии трансформатора и сети , где

На интервале коммутации токов фаз А и В вентилями VD1 и VD3 схему замещения представим эквивалентной цепью, изображенной на рис.3.3,б).

Момент замыкания ключа К соответствует моменту отпирания вентиля VD3, при этом момента замыкания ключа К процесс можно описать следующей системой уравнений:

Пусть замыкание ключа К происходит при . В этот момент ток в фазе А равен а ток в фазе В равен . Подставляя в первое уравнение (3.2), получим:

Согласно уравнению (3.1)

Покажем справедливость последнего равенства на векторной диаграмме для момента времени t=0, см.рис.3.5.

Используя (3.4) в уравнении (3.3) получим:

Умножим обе части равенства (3.5) на и проинтегрируем (3.5) в интервале от до .

Рис.3.5 Графическое решение уравнения (3.4)

При этом учтем, что при ток , а при ток принимает некоторое текущее значение :

откуда

при этом сопротивления фазы . Соответственно для тока фазы b

Выражения (3.6) и (3.7) справедливы только в интервале коммутации, то есть от до . Уравнения (3.6) и (3.7) показывают, что во время коммутации токи в фазах А и В изменяются во времени по синусоидальному закону, так как . На рис.3.6 зависимости (3.6) и (3.7) изображены графически.

Рис.3.6 Кривая токов в и интервале коммутации

Угол коммутации легко определяется из уравнений (3.6) или (3.7). Так как известно, что при ток , то из(3.6) находим

Так как сопротивления , где известны, то получаем расчетную формулу:

Уравнение (3.9) позволяет найти угол коммутации .

Потенциал положительного полюса во время коммутации, относительно нулевой точки трансформатора, согласно рис.3.4,

Из уравнения (3.3) имеем

и, следовательно,

Так как принято, что то потенциал положительного полюса на интервале коммутации

Выпрямленное напряжение

Мгновенное значение выпрямленного напряжения выпрямителя, соединенного по трехфазной мостовой схеме, равно разности потенциалов положительного и отрицательного полюсов. Среднее значение выпрямленного напряжения такого выпрямителя определяется как разность средних значений потенциалов полюсов. На рис.3.7 жирной линией, лежащей выше оси абсцисс, показан участок кривой, изображающей потенциал положительного полюса. Как видно из рисунка, он в три раза меньше периода фазной ЭДС трансформатора, то есть равен 2 .

Итак, среднее значения выпрямленного напряжения находим интегрированием:

Интеграл в правой части представляет собой площадь, заштрихованную на рис.3.7.

Рис.3.7 Кривая изменения потенциала положительного полюса

Изменяющийся потенциал состоит из двух участков: на участке от до он равен , и на участке от до равен соответственно . Таким образом

Подставляем в (3.13) из (3.1) и учитываем, что:

После интегрирования получим

где – амплитудное значение фазной ЭДС вторичной обмотки трансформатора, в свою очередь , где E – эффективное значение фазной ЭДС вторичной обмотки.

Из этого выражения видно, что наибольшее значение выпрямленное напряжения имеет место при и холостом ходе выпрямителя, так как при из уравнения (3.9) получим , то есть при холостом ходе угол коммутации . Обозначим значение выпрямленного напряжения при этих условиях (при через , тогда

а при нагрузке, когда , из (3.14) получим выражение выпрямленного напряжения

Обратное напряжение

Существенное значение для выбора вентилей схемы выпрямления имеет обратное напряжение.

Под обратным напряжением понимается напряжение анода вентиля относительно его катода в ту часть периода, когда вентиль не пропускает тока, то есть оказывается закрытым. Таким образом, обратное напряжение

где – потенциал анода вентиля и – потенциал его катода, отсчитываемый относительно нейтрали трансформатора.

Если пренебречь прямым падением напряжения в вентиле, то в интервале открытого состояния (пропускания тока) , и следовательно обратное напряжение равно нулю.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления где две группы вентилей: катодная, у которой объединены все катоды, присоединенные к положительному полюсу выпрямителя (для этой группы ), и анодная, у которой все аноды присоединены к отрицательному полюсу (для этой группы вентилей .

Что касается анодов вентилей катодной группы и катодов вентилей анодной группы, то эти электроды соединены с концами соответствующих фаз трансформатора А, В, С, и потенциал их всегда равен потенциалу указанных точек. Следовательно, обратное напряжение на любом из вентилей всегда равно разности между потенциалом одного из полюсов и потенциалом конца соответствующей фазы трансформатора, к которой присоединен рассматриваемый вентиль.

Рассмотрим в качестве примера, как образуется обратное напряжение на вентиле VD1, включенном в схему выпрямления. На рис.3.10,а. изображены синусоиды фазных напряжений такого выпрямителя и жирной линией показана кривая потенциала положительного полюса, относительно нулевой точки трансформатора. К этому полюсу присоединяется катод вентиля VD1. Следовательно, эта кривая является кривой изменения потенциала на катоде вентиля VD1. Анод вентиляVD1 соединен с катодом фазы А, поэтому потенциал конца этой фазы будет равен потенциалу анода вентиля VD1, а разность между потенциалом анода и дает обратное напряжение на вентиле.

Потенциал конца фазы А на рис.3.10 также обведен жирной линией. От точки 0 до точки 7 этот потенциал отрицателен, а от точки7 до точки 8 – положителен. Вентиль VD1 закрывается в точке 0( и открывается вновь в точке 8. Продолжительность интервала существования обратного напряжения на вентиле, как видно из рис.3.10, равна . Потенциал фазы А (потенциал анода вентиля VD1) в интервале, когда через эту фазу не проходит никакого тока или проходит ток , равен ЭДС (так как постоянный ток не вызывает никакого падения напряжения на сопротивлении фазы .

В период коммутации фазы А напряжение на ее обмотке равно , где – ЭДС фазы, коммутирующей с фазой А. На рис.3.10, б изображена кривая обратного напряжения на вентиле VD1, полученная как разность потенциалов . Как видно, на вентиле VD1 в момент запирания возникает скачок обратного напряжения

Наибольшее возможное значение обратного напряжения на вентиле равно, таким образом амплитуде линейного напряжения .

Рис.3.10 Построение кривой обратного напряжения

Часть II ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Автономная электроэнергетическая система с нагрузкой в виде вентильного привода постоянного тока (выбор варианта задания Приложение С)

Исходные данные

ГЕНЕРАТОР:

МСК -625-1500 = 625 кВА;

= 380 В;

=0,85;

= 0,23.

ДВИГАТЕЛЬ:

Д-816 = 150 кВт;

440 В

= 0,9;

= 480 (490) об/мин.

Студент ведет расчет, согласно варианту задания (Приложение А, данные СГ и ДПТ).

Силовая схема и схема замещения системы преобразователя приведены на рисунке 2. Вместо трехфазного трансформатора может быть установлен трехфазный реактор .

а) б)

Рис.2. Схема вентильного электропривода (а) и схема замещения (б) мостового преобразователя

ТРЕБУЕТСЯ

1. По номинальным данным нагрузки определить параметры согласующего трансформатора и выбрать тиристоры для мостовой схемы преобразователя;

2. определить энергетические показатели работы системы в режимах номинальной и половинной нагрузки двигателя и искажение напряжения на выходе генератора

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Библиографический список

1. Чиженко И.М., Руденко В.С.,Сенько В.И. Основы преобразовательной техники: Учебное пособие по специальности «Промышленная электроника». – М.: Высшая школа,1974. - 348с.

2. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. – М.: Энергия, 1985. - 401с.

3. Толстов Ю.Г.Трехфазные силовые полупроводниковые выпрямители/ Мосткова Г.П., Ковалев Ф.И., Издат. АНССР, М.:1963 -170с.

4. Путилин К.П., Максимюк Н.А..Старочкин А.А. Основы корабельной преобразовательной техники:Уч.пособие. Севастополь.1986. -188с.

5. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: учеб.пособие для бакалавров/ Г.С.Зиновьев. – 5-е изд., испр.,перераб. и доп.- М.:изд-во Юрайт, 2015. – 667с.

6. Улащик Н.М. Силовая преобразовательная техника. Конспект лекций. Учебное электронное издание. Минск. 2010. - 91с.

Пронина Анна Константиновна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Морской институт

Кафедра судового электрооборудования

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению расчетно-графической работы

по дисциплине «Силовая электроника и преобразовательная техника»

Тема: «Разработка трехфазного мостового преобразователя для регулируемого электропривода»

для студентов по направлению подготовки

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

по специальности

25.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики

всех форм обучения

Севастополь

УДК 629.12.03(07)

М545

Методические указанияк выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Силовая электроника и преобразовательная техника» для студентов направления подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника и специалистов по специальности 25.05.07 Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики / для всех форм обучения /Сост., А.К. Пронина, -Севастополь: Изд-во СевГУ, 2017-48 с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам при выполнении расчетно-графической работы по дисциплине «Силовая электроника и преобразовательная техника» Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Судовое электрооборудование», протокол № 7от 29.12 2016 г.

Рецензент: канд. техн., наук, доцент К.П.Путилин.

СОДЕРЖАНИЕ

Часть I ЗАДАЧИ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ И КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ………………………………………………………………………….4

1.Содержание расчетно-графической работы (РГР) 5

2. Элементная база и принцип работы вентильного преобразователя. 8

3. Общие соотношения, характеризующие работу трехфазной мостовой схемы выпрямления ………………………………………………………………………...15

Часть II ПРИМЕР РАСЧЕТА ПО ИСХОДНЫМ ДАННЫМ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 29

2. Расчет нагрузки преобразователя. 31

2.2. Номинальный ток двигателя. 31

3. Выбор трансформатора. 31

3.1. Мощность трансформатора. 31

3.3.Напряжение короткого замыкания трансформатора. 32

4.Определение расчетного тока и выбор вентилей по нагреву и обратному напряжению ………………………………………………………………………..32

5.Расчет параметров схемы замещения трансформатора. 33

6.Расчет режима при номинальной нагрузке и номинальном напряжении. 33

6.1.Выпрямленное напряжение. 33

7.Расчет режима нагрузки при номинальном токе и напряжении. 35

8.Построение внешних характеристик выпрямителя. Определение предельных токов ………………………………………………………………………...36

9.Влияние выпрямителя на питающую сеть для режима номинальной нагрузки. 39

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Расчетные параметры синхронных генераторов и ДПТ. 41

ПРИЛОЖЕНИЕ ВТаблицы основных параметров и характеристик силовых тиристоров ………………………………………………………………………..43

Приложение С Таблица вариантов. 46

Библиографический список. 47