Часть i задачи расчетно-графической работы и краткие сведения из теории

Задачей расчетно-графической работы является освоение студентами методики расчета и построения энергетических характеристик силовых полупроводниковых преобразователей и оценки влияния их на качество электроэнергии в сети питания автономной судовой электроэнергетической системы.

В качестве расчетной рассматривается схема трехфазного мостового преобразователя на тиристорах, используемого для судового вентильного электропривода постоянного тока. Источником электроэнергии переменного тока для полупроводникового преобразователя служит синхронный генератор GS, подключаемый к выпрямителю VST через согласующий трансформатор TV. Схема приведена на рис.1

Рис.1. Схема вентильного электропривода постоянного тока

Работая над заданием, студенты закрепляют теоретические знания практическим выполнением расчетов рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей, построением внешних характеристик выпрямителя и определением искажения напряжения на шинах Ш сети питания с учетом мощности и параметров генератора.

Определение коэффициента мощности и расчет добавочных потерь методом, впервые предложенным автором, позволяют глубже изучить процессы в функционировании судовых ЭЭС при использовании в них статической преобразовательной техники.

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