курсач эл техника. пояснительная записка 2005 год эл техника. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя

• Название: Проектирование тягового полупроводникового преобразователя
• Анкор: курсач эл техника
• Дата: 13.02.2022
• Размер: 0.59 Mb.
• Имя файла: пояснительная записка 2005 год эл техника.docx
• Тип: Пояснительная записка; #360209

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

Содержание

1. ВЫБОР 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: 3500A

150% в течении 2 минут 1 раз в 1 час: 4200A

200% в течении 10 секунд 1 раз в 2 мин: 7000A

Предварительно производится расчет для номинального режима при идеальных СППи пренебрежении сопротивлениями питающей сети.

Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода вычисляется по формуле:
,

где - потери выпрямленного напряжения на коммутацию, 10% от

Udo=825+0.1*825

^В
Максимальное значение напряжения в контактной сети, В

- метро.

Номинальный угол управления (, рад) высчитывается по формуле




Линейное напряжение вторичной обмотки вычисляется по следующей формуле:



U2= *1.1*Udн= *1.1*825
^В

Максимальное обратное напряжение на плече преобразователя, В



= *671.986
^В
Коэффициент трансформации трансформатора для схемы треугольник-треугольник вычисляется:



=6000/671.986=8.929


Среднее значение тока плеча в номинальном режиме, А



=2800/3=933.333A

^А
Эффективное значение тока плеча в номинальном режиме, А





^А

Эффективное значение линейного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А





^А
Эффективное значение фазного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А





^А

Эффективное значение фазного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А



I1fn=1319.933/8.929

^А
Эффективное значение линейного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А



I1fn=1319.933/8.929

^А

Расчетная мощность трансформатора, Вт

2.1 Выбор прототипа преобразовательного трансформатора и расчет его сопротивлений.

Выбран трансформатор соответствующий требованиям проекта.

ТМНПВ-5000/10

- типовая мощность преобразовательного трансформатора, Вт;

- мощность короткого замыкания, Вт;

u_k = 9,6% - напряжение короткого замыкания коммутации, %.

Активное приведенное сопротивление фазы трансформатора




^Ом
Индуктивное приведенное сопротивление фазы трансформатора




^Ом
Эквивалентное анодное индуктивное сопротивление, Ом




^Ом
Эквивалентное анодное активное сопротивление, Ом

3. Расчет токов в аварийных режимах

Аварийным 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 _1ф

I ₁

S ₁




ТП
U _2ф

I ₂






К1




V D4 VD1

К2 VD6 VD3

U Z




V D2 VD5 Id

+

I_G





К3 Ld

К4



ТД

Рис. 2

Расчётная схема замещения при коротком замыкании на шинах трёхфазного мостового преобразователя, одно плечо.





е_а е_b е_c






L _а L_bL_c






R_а R_b R_c
V D1 VD3 VD5




VD4 VD6 VD2


Рис.3
угол коммутации выпрямителя.





=36.099/57.3=0.63рад

- постоянная времени, с

= 50 - частота питающей сети, Гц

- круговая частота питающей сети, с^-1

τ=La/Ra=( /ω)/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 амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;

фазовый угол сдвига между кривыми напряжения и тока;

угол коммутации выпрямителя.

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 но не чаще чем через каждые

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.

A



На основании выше указанных значений, выбираем для расчета диодД253-1600 с охладителем О153-150.

Характеристики диода:

максимальное обратное напряжениеU_RRM=

предельный ток диода

пороговое напряжение

дифференциальное сопротивление Ом

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: - установившееся тепловое сопротивление цепи полупроводниковая структура -

охлаждающая среда,

- температура окружающей среды, 25 ;

- коэффициент формы тока, .




Ом




Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения:



где: - ток плеча преобразователя для соответствующего режима его работы (в режиме длительной нагрузки , в режиме кратковременной перегрузки для режима аварийной перегрузки ток плеча принимается равным амплитуде тока короткого замыкания), А;

- предельный ток диода, А;

- коэффициент нагрузки или коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительной перегрузки:



- коэффициент, учитывающий снижение предельного тока из-за повышенной температуры охлаждающей среды, если не оговорены условия охлаждения, то

- коэффициент перегрузки в различных режимах;

- среднее значение тока перегрузки. В режиме длительной нагрузки этот ток равен предельному току.

- коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях.

Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с:



где: - одно из значений температуры структуры при кратности нагрузки , предшествовавшей режиму перегрузки, обычно принимается по условиям эксплуатации

– коэффициент скважности импульсов прямого тока;

- одно из значений потерь мощности:



В соответствии с расчетом на ЭВМ примем x=0.6

На основании сравнения расчета для номинального режима , режима рабочей перегрузки и аварийного режима , округляем значения до целых и принимаем максимальное число параллельных ветвей

4.1. Разработка соединения схемы плеча преобразователя.

Число последовательных СПП определяется из соотношения:



где: - максимальное обратное напряжение на плече преобразователя в номинальном режиме, В;

- неповторяющееся импульсное напряжение, В;

- коэффициент неравномерности распределения напряжения, в расчетах принимается равным 1,1;

- кратность перенапряжений, принимаем равным 1,7…1,8 для тяговых преобразователей.



Для равномерного деления напряжения применяют активные ( ) и емкостные (С) и смешанные (КС) цепи, включаемые параллельно СПП рис.3.
Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:



где: - число последовательных приборов;

- наибольшее допустимое мгновенное напряжение для одного СПП данного класса (повторяющееся напряжение), В;

- наибольшее мгновенное обратное напряжение на плече, В;

- наибольший повторяющийся импульсный обратный ток СПП, А.

^Ом

Мощность резистора определяется по формуле, Вт:



где: - эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.

^Вт
Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:



где: - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.

^Кл

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:



^В

Потеря напряжения на активных сопротивлениях:



где: -угол коммутации выпрямителя;

^В

Потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах:



где: - число плеч, одновременно проводящих ток;

- число последовательных СПП в одном плече;



^В

Уравнение внешней характеристики имеет вид:

^В

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 и измеряется в электрических градусах. С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения; полностью сглаженный ток на стороне выпрямленного напряжения; расчеты выполняются при нагрузке не выше нормальной) угол коммутации определяется по выражению:

(37)

Далее исследуется форма тока на коммутационном интервале. Ток коммутации определятся по формуле:

(38)

Ток плеча, входящего в работу , изменяется по закону тока коммутации и при достигается в амплитуде значения . Ток плеча, выходящего из работы , изменяется как и при становится равным нулю. Производится расчет токов плеч при изменении от 0 до .

Графические результаты расчетов представлены на Рис. 6


0 3.6 7.218 36 _{,Эл град}

Рис. 6 Зависимость токов плеч от



Если известна мощность на стороне выпрямленного тока, то для определения полной мощности преобразователя необходимо знать коэффициент мощности:



где: -коэффициент фазового сдвига основной гармонической тока питающей сети;

- коэффициент искажения формы тока первичной сети;

,

- эффективное значение высших гармонических составляющих тока питающей сети;



Полученный график зависимостей представлен на Рис.7



Рис.7 Зависимость коэффициента мощности от тока

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Суммарные активные потери в схеме преобразователя определяются по формуле:



где: - потери в стали преобразовательного трансформатора, равные потерям холостого хода для выбранного трансформатора;

- потери в меди преобразовательного трансформатора, которые определяются потерями короткого замыкания , пропорциональными квадрату отношения выпрямленного тока к номинальному току, т.е.:



- потери в СПП, т.е.:

- число плеч преобразователя одновременно проводящих ток;

-средний ток при

- потери в делителях напряжения и тока, составляющая

- потери в сглаживающем реакторе. Здесь - активное сопротивление обмотки сглаживающего реактора, которое в расчетах можно принять равным (0,01…0,02) Ом;

- потери в устройствах защиты и систем управления, применяются равными 0,2% от ;



Суммарные потери мощности:


Графическое отображение полученных величин представлено на Рис8.



Рис. 8 Зависимость суммарных активных потерь в схеме преобразователя от тока
Вт

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В 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.

1. 
   Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.- д. трансп. – М.: Транспорт, 1999. – 464с.
   
2. 
   Справочник по электроснабжению железных дорог. Т.2 / Под ред. К.М. Марквардта. – М.: Транспорт, 1981. – 392с.
   
3. 
   Методическое указание к курсовому проекту. Проектирование тягового полупроводникового преобразователя. А.Т. Бурков, А.П. Самонин. Санкт-Петербург 2001.