КП_ПЭС. ПЭС_КП. Расчёт режимов работы трехфазного мостового выпрямителя
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИШЭ Электроэнергетика и электротехника Отделение электроэнергетики и электротехники ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по дисциплине «Силовые преобразователи в электроснабжении» на тему: «РАСЧЁТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ» Выполнил студент гр. 5А7П ____________ Корытов П.Н. (Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.) Руководитель: к.т.н., ст. преподаватель Дмитриенко В.Н. (Ф.И.О.) _____________________ ________________________________ (Оценка руководителя) (Подпись) 18 декабря 2020 г. Томск 2020 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» ЗАДАНИЕ к курсовому проекту «Расчёт режимов работы выпрямителя» по курсу «Силовые преобразователи в электроснабжении» студенту ИШЭ гр. 5А7П Ф.И.О Корытов П.Н. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Схема выпрямления - трехфазная мостовая. Выпрямитель управляемый. Нагрузка активно-индуктивного характера, ток нагрузки идеально сглажен. Параметры схемы в относительных единицах [о. е.]: действующие значение фазовой э.д.с. вторичной обмотки трансформатора Eд = 1 [о. е.]; сопротивление нагрузки rн = 2,36 [о. е.]; индуктивное сопротивление фазы питающего трансформатора хф = 0,13 [о. е.]; действующее значение фазного напряжения трансформатора – 1 [о. е.]; 3. Параметры в именованных единицах: выпрямленное напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора Ud = 220 В; номинальный ток нагрузки выпрямителя, соответствующий расчетному в о.е. Id = 127 А; количество вкл./час в повторно-кратковременном режиме (длительность вкл. и выкл. состояния считать одинаковыми) – 550 вкл./час. Необходимые разделы к выполнению: 1. Составление структурной схемы системы фазного управления выпрямителем. 2. Расчет номинального рабочего режима выпрямителя при угле управления вентилями α = 0. 3. Построение временных диаграмм работы выпрямителя по расчетным данным режима и графическое определение величины пульсаций выпрямленного напряжения при α = 0. 4. Расчет и построение регулировочной и внешних характеристик выпрямителя для режима номинальной нагрузки. 5. Расчет энергетических характеристик выпрямителя: Кu , КI , Кр, cos ϕ2 и определение их зависимостей от α. 6. Расчет гармонического состава и коэффициентов искажения синусоидальности фазных токов и напряжений выпрямителя для номинального режима. 7. Расчет баланса мощностей выпрямителя. 8. Выбор вентилей выпрямителя и проверка их теплового режима. 9. Расчет параметров силового фильтра. Оглавление Введение……………………………………………………………………………..5 Составление структурной схемы системы фазного управления выпрямителя………………………………………………………………………...6 Расчёт номинального режима работы выпрямителя …………………………….7 Расчёт и построение регулировочных внешних характеристик выпрямителя……………………………………………………………………….15 Расчёт коэффициентов преобразования выпрямителя…………………...……..18 Расчёт гармонического состава фазных токов и напряжений выпрямителя……………………………………………………………………….21 Баланс мощностей выпрямителя………………………………………………....27 Выбор вентилей выпрямителя и расчёт их теплового режима……………...….28 Расчёт силового фильтра……………………………………………………….....30 Заключение……….……………………………………………………………..…33 Список литературы………………………………………………………………..34 Введение Целью курсовой работы является освоение основных методов расчета энергетических и эксплуатационных характеристик силовых полупроводниковых преобразователей на примере наиболее характерного устройства - выпрямителя. При выполнении курсовой работы необходимо закрепить теоретические знания практическим выполнением расчетов рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей и анализом их температурного режима, расчетом искажений токов и напряжений питающей сети и выбором фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволяет глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии. Темой курсового проекта является управляемый выпрямитель, выполненный по трехфазной мостовой схеме. Выпрямитель может использоваться для питания якорных цепей двигателей постоянного тока в электроприводах станков и других машин, а также может использоваться в качестве регулятора напряжения в цепях с активной или активно-индуктивной нагрузкой. При выполнении курсовой работы закрепляются теоретические знания практическим выполнением расчетов рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей и анализом их температурного режима, расчетом искажений токов и напряжений питающей сети и выбором фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволяет глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии. Составление структурной схемы системы фазного управления выпрямителя Наиболее распространенным способом регулирования углов включения тиристорами является вертикальное управление. Принцип вертикального управления заключается в сравнении синхронизирующего напряжения пилообразной формы с управляющим напряжением. Синхронизирующее напряжение формируется синхронно и синфазно с сетевым напряжением выпрямителя. Канал управления плечом трехфазного мостового выпрямителя показан на Рис. 1.  Рис. 1. Блок –схема фазового управления вентилями фазы А выпрямителя На рисунке обозначены: ГПН – генератор пилообразного напряжения, К – компаратор, ФИ – формирователь импульса, У – усилитель. Расчёт номинального режима работы выпрямителя при угле управления  Номинальный режим выпрямителя характеризуется номинальной нагрузкой и углом управления вентилями = 0. С изменением происходит регулировка выходного напряжения, и режим работы выпрямителя изменяется.  Рис. 2. Расчетная схема выпрямителя Расчетная схема выпрямителя приведена на рисунке 2. Анализ физических процессов и энергетических соотношений в схемах выпрямления переменного тока проводится при следующих общепринятых допущениях. Э  ДС питающего трансформатора составляют трехфазную симметричную систему: Нагрузка выпрямителя имеет индуктивный характер, и ток нагрузки Id идеально сглажен. Фазное сопротивление трансформатора Хф принимается постоянным во всех режимах работы. Активным сопротивлением фазы пренебрегаем ввиду его малости. Вентили представляются идеальными ключами, срабатывающими, когда напряжения на аноде и катоде равны. В работе выпрямителя можно выделить два режима, отличающиеся количеством одновременно работающих вентилей. Внекоммутационный – в работе участвуют два вентиля и, соответственно, две фазы питающего трансформатора. Коммутационный режим – в работе участвуют под действием ЭДС самоиндукции индуктивности Хф три и более фаз и, соответственно три и большее количество вентилей. В этом режиме происходит коммутация тока из одной фазы в другую. При нормальной загрузке выпрямителя в коммутационном процессе одновременно участвуют три фазы, и длительность коммутации не превышает 60о.  Рис. 3. Эпюры токов и напряжений трехфазного мостового выпрямителя, работающего с углом управления тиристором α Временные диаграммы работы схемы выпрямления в нормальном режиме приведены на рисунке 3. Угол коммутации управляемого выпрямителя для рассматриваемого случая может быть определен по формуле  где - угол управления вентилями. Величина выпрямленного напряжения:  О  пределение интегральных энергетических характеристик выпрямителя позволяет ввести коэффициенты преобразования схемы по току, напряжению, мощности. Обычно, эти коэффициенты определяются для линеаризованной кривой фазного тока, которая принимается трапецеидальной. Тогда действующее значение фазного тока трансформатора, питающего выпрямитель равно: Коэффициент преобразования схемы выпрямления по току:  Данный коэффициент при принятых допущениях не зависит от угла управления . С ростом угла коммутации численное значение КI уменьшается. Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению равен:  Зная коэффициенты преобразования выпрямителя по току и напряжению, можно определить коэффициент использования мощности питающего трансформатора:  Расчет режима работы выпрямителя целесообразно осуществлять методом последовательных итераций до получения заданной погрешности сходимости численных величин выпрямленных тока, напряжения и угла коммутации . Итерации продолжаются до тех пор, пока значение параметров (например, угла ) на предыдущем и последующем этапах расчета будут отличаться на величину, определяющую погрешность вычислений, например 5 %. Расчёт номинального рабочего режима α = 0 Принимаем γ1 = 0º, тогда  ;  .Принимаем γ1 = 26,52º, тогда  ;  .Принимаем γ1 = 25,798º, тогда  ;  .Дальнейшие вычисления сведём в таблицу 1: Таблица 1. Расчёт итераций
Погрешность между 2 и 3 итерацией равна 0,2%, что меньше 5%, принимаем γ = 25,84° или γ = 0,76 рад. Определим остальные параметры и энергетические характеристики выпрямителя. Действующее значение фазного тока трансформатора, питающего выпрямитель:  ;Коэффициент преобразования схемы выпрямления по току:  ;Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению:  ;Коэффициент использования мощности питающего трансформатора:  .Расчёт режима работы при угле управления не равным 0, вычисления будут аналогичные предыдущим. Расчёты сведём в табл. 2. Итерационным методом расчета определили длительность коммутационного процесса γ при углах управления α = 0,10,20,30,50 град., величину выпрямленного напряжения  и ток нагрузки  с минимальной погрешностью вычисления.Таблица 2. Расчёт номинального режима
4. Расчёт и построение регулировочных внешних характеристик выпрямителя. Изложенная выше методика расчета режимов работы выпрямителя позволяет рассчитать его регулировочную характеристику по выражению Для этого необходимо задаться несколькими значениями углов управления α, для каждого из которых повторяется расчет соответствующего режима и определяется графическая зависимость Ud = f() , Em = const, Rн = const. Таблица 3. К расчёту регулировочных характеристик
 Рис. 4. Регулировочная характеристика Ud=f(α) в относительных единица В  нешние характеристики Ud= f(Id) при = const легко определяются выражением: Данное выражение справедливо для нормального двух - трех вентильного режима работы выпрямителя, т.е. для значений угла коммутации  . Значение тока нагрузки, при котором выпрямитель перейдёт в аварийный трёх - четырёх вентильный режим работы при угле коммутации γ = 60°, следовательно, внешняя характеристика выпрямителя нормального режима при α = 0 ограничивается значением тока Idmax, при котором γ = (π / 3).  Таблица 4. К расчёту внешних характеристик
 Рис. 5. Внешние характеристики выпрямителя в относительных единица 5. Расчёт коэффициентов преобразования выпрямителя Значения коэффициентов преобразования для нескольких значений , берём из предыдущего раздела работы. Построим графическую зависимость КU, КI, Кр= f(). Коэффициенты преобразования выпрямителя КU, КI, Кисмогут быть определены по выражениям:  ; ; Таблица 5. Расчетные данные
 Рис. 6. Зависимость КU, КI, Кр = f(α) Фазовый сдвиг первой гармоники фазного тока выпрямителя относительно ЭДС приближенно определяется как φ1 = + /2 . Задаваясь значениями и имея из предыдущих расчетов значения угла коммутации для заданных отыскиваем зависимость cos1 = f().  Таблица 6. К расчёту регулировочных характеристик
 Рис. 7. Регулировочная характеристика выпрямителя 6. Расчёт гармонического состава фазных токов и напряжений выпрямителя Задание состоит в определении коэффициента гармоник напряжения сети, питающей управляемый выпрямитель. Исходными данными служат параметры номинального режима выпрямителя, рассчитанные в предыдущем пункте №3. Определение степени искажения кривой напряжения осуществляется по известному гармоническому спектру несинусоидального, в частности, трапецеидального, тока, потребляемого вентильной нагрузкой. При принятых допущениях кривая фазного тока трехфазного мостового выпрямителя представляет собой криволинейную трапецию. При пренебрежении активным сопротивлением фазы, закон изменения тока на интервале коммутации представляет собой синусоидальную зависимость. Достаточно простое математическое описание кривой фазного тока позволяет получить аналитические зависимости его гармонического состава  где Iкm - амплитудное значение к-ой гармоники, к= 1, 5, 7, 11, 13, 17, ...;  Коэффициенты:  Амплитудное значение основной гармоники тока трансформатора имеет вид:  У  гол сдвига фаз между ЭДС и основной гармоникой тока трансформатора определяется соотношением: Степень искажения формы тока определяется коэффициентом гармоник по току:  где Iкm - амплитуды высших гармоник; I1m - амплитуда первой гармоники фазного тока. Не синусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению:  где Uкm - амплитуды высших гармоник напряжения, U1m - амплитуда первой гармоники напряжения. Стандарты на качество напряжения устанавливают величину КГUв сетях 0,38 кВ до 12%. Искажения сетевого напряжения вентильной нагрузкой возникают за счет падения напряжений на внутреннем сопротивлении сети. Для количественной оценки искажений выпрямитель в электрической системе обычно рассматривается как генератор гармоник тока. Источник суммарного тока всех гармоник Iк нагружен на эквивалентное сопротивление питающей сети Zфк =rф+jк·хф, реактивная составляющая которой зависит от частоты. Тогда ток к-ой гармоники в питающей сети создает падение напряжения  Суммарное напряжение от высших гармоник в сети можно определить, используя принцип наложения, предварительно рассчитав падение напряжения от каждой гармоники тока. Определив содержание высших гармоник в напряжении питающей сети, находим коэффициент гармоник КГU. Как правило, расчет ведется для гармоник не выше к = 13, так как амплитуды токов и напряжений более высоких порядков относительно малы. Кроме того, эквивалентное сопротивление питающей сети существенно уменьшается за счет влияния емкостей кабеля и другого оборудования. Исходными данными для расчета являются параметры номинального режима, рассчитанные в предыдущем пункте. Основным параметром для расчета Iкm является величина угла коммутации при известных значениях Em, , xф. Активное сопротивление сети принимается равным 0,1xф=rф. Расчет начинается с определения гармонического состава фазного тока сети, питающей выпрямитель. Далее, по известному спектру тока определяем падение напряжения на сопротивлении сети от каждой гармоники тока и находится КГU. Пример расчёта для гармоник: 1-ая гармоника: Угол сдвига фаз между ЭДС и основной гармоникой тока трансформатора определяется соотношением:  Амплитудное значение основной гармоники тока трансформатора:  Активное сопротивление сети принимается равным | 0,1хф | = | rф |. Эквивалентное сопротивление питающей сети, реактивная составляющая которой зависит от частоты:  Ток к - ой гармоники в питающей сети создает падение напряжения:  5-ая гармоника: Амплитудное значение к - ой гармоники находится:  где коэффициенты:     Таблица 7. Расчёт гармонического состава
Степень искажения формы тока определяется коэффициентом гармоник по току:  Н  е синусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению: 7. Баланс мощностей выпрямителя Полная мощность, потребляемая выпрямителем, складывается из активной мощности первой гармоники Р1, реактивной мощности Q1 и мощности искажений N:  Выразив действующие значения токов и напряжений через коэффициенты гармоник и первую гармоническую составляющую, получим:   Активная и реактивная мощности первых гармонических составляющих:  Соответственно, мощность искажений определится как:  8. Выбор вентилей выпрямителя и расчёт их теплового режима Расчет условий работы вентилей выпрямителя следует проводить для режима максимальной нагрузки при  = 0.Исходными данными для расчета являются заданный ток нагрузки и режим работы выпрямителя. Расчет производится в именованных единицах. Порядок расчета следующий: 1)По известному току Id определяются среднее Iср и действующее значение тока вентиля:   где Ка = 3 - коэффициент амплитуды, Кф = 1,73 – коэффициент формы определяются по справочнику [1, таблица 3-4]. 2) По среднему значению тока выбирается тиристор и выписываются его главные характеристики: Выбираем тиристор Т151-100 с характеристиками: Пороговое напряжение U0 = 1,15 В; Динамическое сопротивление Rд = 0,0024 Ом; Установившееся тепловое сопротивление Rt = 0,28 град/Вт 3) Рассчитывается величина мощности потерь в тиристоре:  ;4)Определяется температура полупроводниковой структуры прибора при известной температуре окружающей среды Θс = 20°С:  5)Сравнивается подсчитанное значение полупроводниковой структуры с максимальной температурой для выбранного тиристора. В данном случае температура не должна превышать 140 ˚С. Условие выполнено. 6)Проводится проверка теплового режима при повторно-кратковременном режиме работы:  По графику определяем следующие значения: r(τ+1) = 0,425  rT = 0,35  = 0,29  Рис. 8. Переходное тепловое сопротивление переход-корпус Z(th)tjc и переход-среда Z(th)tja при скоростях охлаждающего воздуха 0 м/с (1), 3 м/с (2), 6 м/с (3), 12 м/с (4). 9. Расчет силового фильтра  Рис. 9. Структурная схема включения резонансных фильтров высших гармоник  Последовательность расчета элементов фильтра следующая: Определяется мощность батареи конденсаторов на фазу  Учитывается уменьшение реактивной мощности конденсаторов при уменьшении сетевого напряжения. Учёт проводится с помощью коэффициента β, значения которого для 5, 7 гармоник принимаются равными 0,83-0,82; для 11, 13 гармоник – 0,77-0,765. Тогда:  Расчёты для остальных гармоник производим подобным образом и сводим результаты в Таблицу 7. Таблица 8. Расчёт мощностей батареи конденсаторов
Выбираются стандартные конденсаторы по расчётной мощности. Выбирается конденсатор КМ-0,23-5-3. Таблица 9. Выбор конденсаторов  Определяется требуемое значение индуктивного сопротивления дросселя.  Расчёты для остальных гармоник производим подобным образом и сводим их в Таблицу 9. Таблица 10. Расчёт требуемого значения индуктивного сопротивления дросселя
Заключение Цель, поставленная в курсовой работе была выполнена - были изучены режимы работы выпрямителя при различных углах управления и углах коммутации. Также были построены регулировочная и внешние характеристики выпрямителя. При выборе силовых вентилей был произведён анализ его теплового режима, этот параметр является критерием работоспособности полупроводниковых приборов. Несинусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению. Для подавления высших гармоник тока был произведён расчёт и выбор фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволили глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии. Список литературы 1. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. - М.: Энергия, 1985. 2. Конденсаторы для повышения коэффициента мощности электроустановок переменного тока (косинусные): Промышленные каталоги. - М.: Информэлектро, 2012. 3. Лукутин Б.В. Силовые преобразователи электроэнергии. – Томск: Изд. ТПУ, 1997. 4. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Силовые преобразователи в электроснабжении. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013. 5. Чиженко И.М., Руденко В.С., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники: Учебное пособие для специальности «Промышленная электроника». – М.: Высшая школа, 1974. 6. Расчет и проектирование систем электроснабжения объектов и установок: учебное пособие/А.В. Кабышев, С.Г. Обухов. –Томск: Изд-во ТПУ, 2006 – 248 |
