курсач эл техника. пояснительная записка 2005 год эл техника. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя
![]()
|
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.К. Москалец Группа ЭС – 205 Руководитель Ю.П. Васильев Нормоконтроль Ю.П. Васильев Санкт-Петербург 2005 СодержаниеВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ.В курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме (трвеугольник-треугольник) 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. В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители. Схема шестипульсового мостового управляемого выпрямителя ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис.1 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТД Рис.1 2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА.Номинальный и перегрузочный режимы принимаются исходя из рекомендаций. Параметры номинального режима по току определяются по заданию. Кратность в процентах от номинального тока, длительность перегрузок и цикличность должны соответствовать требованиям к тяговым выпрямителям (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 СППи пренебрежении сопротивлениями питающей сети. Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода вычисляется по формуле: ![]() где ![]() ![]() Udo=825+0.1*825 ![]() Максимальное значение напряжения в контактной сети, В ![]() Номинальный угол управления (, рад) высчитывается по формуле ![]() ![]() Линейное напряжение вторичной обмотки вычисляется по следующей формуле: ![]() U2= ![]() ![]() ![]() Максимальное обратное напряжение на плече преобразователя, В ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент трансформации трансформатора для схемы треугольник-треугольник вычисляется: ![]() ![]() ![]() Среднее значение тока плеча в номинальном режиме, А ![]() ![]() ![]() Эффективное значение тока плеча в номинальном режиме, А ![]() ![]() ![]() Эффективное значение линейного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А ![]() ![]() ![]() Эффективное значение фазного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А ![]() ![]() ![]() Эффективное значение фазного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А ![]() I1fn=1319.933/8.929 ![]() Эффективное значение линейного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А ![]() I1fn=1319.933/8.929 ![]() Расчетная мощность трансформатора, Вт ![]() ![]() 2.1 Выбор прототипа преобразовательного трансформатора и расчет его сопротивлений.Выбран трансформатор соответствующий требованиям проекта. ТМНПВ-5000/10 ![]() ![]() uk = 9,6% - напряжение короткого замыкания коммутации, %. Активное приведенное сопротивление фазы трансформатора ![]() ![]() ![]() Индуктивное приведенное сопротивление фазы трансформатора ![]() ![]() ![]() Эквивалентное анодное индуктивное сопротивление, Ом ![]() ![]() ![]() Эквивалентное анодное активное сопротивление, Ом ![]() ![]() 3. Расчет токов в аварийных режимахАварийным режимом является короткое замыкание в полюсах выпрямительного моста. Начало развитии короткого замыкания совпадает с моментом окончания очередной коммутации. Это обусловлено тем, что в момент окончания коммутации в схеме происходят наибольшие коммутационные перенапряжения. Режим предшествующий короткому замыканию – нормальный. На рис. 2 представлена схема возможных коротких замыканий трёхфазного мостового преобразователя, а на рис. 3 представлена расчётная схема замещения. Схема возможных коротких замыканий трехфазного мостового преобразователя. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() А ВС U ![]() I ![]() S ![]() ![]() ТП U ![]() I ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() К1 ![]() V ![]() ![]() ![]() ![]() U ![]() ![]() V ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТД Рис. 2 Расчётная схема замещения при коротком замыкании на шинах трёхфазного мостового преобразователя, одно плечо. ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() еа еb еc ![]() ![]() ![]() ![]() L ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Rа Rb Rc V ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() VD4 VD6 VD2 Рис.3 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() τ=La/Ra=( ![]() τ=(0.0326/(2*50*π))/0.006=0.0017c Угол сдвига периодической составляющей тока короткого замыкания, Рад ![]() Амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания, А ![]() Временная диаграмма тока короткого замыкания представлена на рис.4 ![]() Рис.4 Максимальное значение тока короткого замыкания, А Ток короткого замыкания определяется по формуле ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() 4. ВЫБОР ТИПА Диода И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.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: режим длительной нагрузки ![]() режим рабочий перегрузки ![]() ![]() 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 диодД253-1600 с охладителем О153-150. ![]() максимальное обратное напряжениеURRM= ![]() ![]() предельный ток диода ![]() 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 ![]() Расчет предельного тока по формуле нагрузочной способности: ![]() где: ![]() ![]() охлаждающая среда, ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Ом ![]() Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В соответствии с расчетом на ЭВМ примем x=0.6 ![]() На основании сравнения расчета для номинального режима ![]() ![]() ![]() ![]() 4.1. Разработка соединения схемы плеча преобразователя.Число последовательных СПП определяется из соотношения: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Для равномерного деления напряжения применяют активные ( ![]() Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Мощность резистора определяется по формуле, Вт: ![]() где: ![]() ![]() Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение: ![]() где: ![]() ![]() 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: ![]() ![]() Потеря напряжения на активных сопротивлениях: ![]() где: ![]() ![]() Потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() Уравнение внешней характеристики имеет вид: ![]() графическое изображение представлено на рис.5 ![]() Рис.5 ![]() Ом Наличие индуктивных сопротивлений на стороне переменного тока преобразователя приводит к появлению интервала коммутации, который называется углом коммутации ![]() ![]() Далее исследуется форма тока на коммутационном интервале. Ток коммутации определятся по формуле: ![]() Ток плеча, входящего в работу ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Графические результаты расчетов представлены на Рис. 6 ![]() 0 3.6 ![]() ![]() Рис. 6 Зависимость токов плеч от ![]() Если известна мощность на стороне выпрямленного тока, то для определения полной мощности преобразователя необходимо знать коэффициент мощности: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Полученный график зависимостей представлен на Рис.7 ![]() Рис.7 Зависимость коэффициента мощности от тока 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКСуммарные активные потери в схеме преобразователя определяются по формуле: ![]() где: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Суммарные потери мощности: ![]() Графическое отображение полученных величин представлено на Рис8. ![]() Рис. 8 Зависимость суммарных активных потерь в схеме преобразователя от тока ![]() Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется по формуле: ![]() ![]() Зависимость КПД от тока Id представлены на Рис. 9 ![]() Рис.9 Зависимость КПД от тока Зависимость температуры полупроводниковой структуры от тока Id представлены на Рис. 10 ![]() ![]() ![]() Рис.10 Зависимость температуры полупроводниковой структуры от тока Id ЗАКЛЮЧЕНИЕВ курсовом проекте был произведен расчет преобразовательного полупроводникового агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Рассчитаны основные величины, характеризующие качество получаемой энергии, произведен гармонический анализ. Построены временные диаграммы напряжений и токов, а также получены основные характеристики тягового полупроводникового шестипульсового преобразователя. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.- д. трансп. – М.: Транспорт, 1999. – 464с. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.2 / Под ред. К.М. Марквардта. – М.: Транспорт, 1981. – 392с. Методическое указание к курсовому проекту. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя. А.Т. Бурков, А.П. Самонин. Санкт-Петербург 2001. |