расчет силового выпрямителя. Расчет силового выпрямителя_3 (1). Расчет силового выпрямителя

• Название: Расчет силового выпрямителя
• Анкор: расчет силового выпрямителя
• Дата: 04.05.2022
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: Расчет силового выпрямителя_3 (1).docx
• Тип: Документы; #511539
• страница: 2 из 4

2 РАСЧЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО ТРАНСПОРТА

2.1 Исходные данные для расчета

Номинальное значение выпрямленного напряжения ‒ , В.

Номинальный ток нагрузки выпрямителя ‒ , А

Напряжение питающей сети переменного тока ‒ U_c, В .

Мощность короткого замыкания питающей сети ‒ S_к, МВА

Напряжение короткого замыкания трансформатора ‒ u_к, %

Коэффициент технологической перегрузки выпрямителя по току ‒ к_п.

Коэффициент повторяющейся перегрузки выпрямителя по напряжению ‒ к_р.

Коэффициент неповторяющейся перегрузки выпрямителя по напряжению ‒ к_н.

Схема выпрямителя.

Конструктивное исполнение диодов, используемых в выпрямителе.

Температура окружающей среды – Т_а,°С.


2.2 Содержание работы

Вычертить упрощенную схему выпрямителя при работе на активную нагрузку и описать его принцип действия, указать достоинства и недостатки.

Рассчитать величины напряжений на основных элементах схемы.

Найти токи в цепях выпрямителя.

Определить мощность трансформатора и уравнительного реактора (если он есть в схеме).

Рассчитать параметры диодов в номинальном и аварийном режимах, выбрать марку диодов.

Вычертить принципиальную схему выпрямительного агрегата.

2.3 Оформление пояснительной записки

Расчетно-пояснительная записка должна содержать анализ электромагнитных процессов в заданной схеме выпрямителя, а также расчеты и обос­нования для выбора трансформатора, уравнительного реактора и диодов вентильного плеча.

Формулы записать в буквенном виде с расшифровкой всех параметров, входящих в них, а затем подставлять цифры и выполнять расчет.

На чертеже показать принципиальную схему преобразователя и дать перечень элементов цепи.

Текстовую часть пояснительной записки оформлять на бумаге формата А4.

2.4 Описание принципа действия выпрямителя

Выполнение курсовой работы следует начать с рассмотрения принципа действия заданного выпрямителя. С этой целью необходимо изобразить уп­рощенную принципиальную схему установки. На схеме привести обозначе­ния выводов вторичных обмоток вентильного трансформатора, нумерацию вентилей, направления и наименования напряжений и токов. Условные обо­значения должны быть едины во всей работе и соответствовать ГОСТу.

Изображение схемы следует дополнить описанием принципа работы: как соединены обмотки вентильного трансформатора и какую систему напря­жений они формируют; какие и когда открыты вентили; если в схеме есть уравнительный реактор, то указать его назначение и отметить особеннос­ти работы такой схемы при малых нагрузках.

Завершается описание принципа действия заданной схемы построением в одном временном масштабе графиков иллюстрирующих работу выпрямителя на активную нагрузку. Эту часть работы выполнять в такой последовательности:

а) нарисовать временну́ю зависимость мгновенного напряжения на вентильных обмотках трансформатора;

б) показать временные диаграммы токов в диодах;

в) построить кривые токов вторичных обмоток трансформатора;

г) изобразить ток первичной обмотки трансформатора;

д) сформировать кривые обратного напряжения на диодах;

е) вычертить кривую выпрямленного напряжения;

ж) построить кривую тока на выходе выпрямителя.

2.5 Сравнительная характеристика схемы выпрямителя

Рассмотрев принцип действия заданной схемы, следует сравнить ее с подобными по свойствам (одинаковое число пульсов напряжения). Необхо­димо отметить достоинства и недостатки заданной схемы. Сравнительный анализ проводить по максимальному и среднему току вентильного плеча в номинальном режиме, по максимальному обратному напряжению на плече и типовой мощности трансформатора.
2.6 Расчет напряжений на элементах схемы выпрямителя

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя при холостом хо­де

где среднее значение выпрямленного напряжения, В, при номиналь­ном токе нагрузки, берется из исходных данных; А - коэффициент внеш­ней характеристики, зависящий от схемы выпрямителя, выбирается по таблице1; ‒ напряжение короткого замыкания вентильного трансформатора, берется из исходных данных.

Полученное значение напряжения на выходе выпрямителя в режиме холо­стого хода округляем в большую сторону с одновременным увеличением на 1-5 %, чтобы компенсировать потери напряжения в ошиновке, вентилях, защитной аппаратуре и т.д.

Действующее значение напряжения на фазе вентильной обмотки транс­форматора определяется с учетом свойств конкретной схемы



где ‒ коэффициент, числовое значение которого зависит от схемы выпрямителя, выбирается из таблицы 1.

Коэффициент трансформации вентильного трансформатора при соединении первичной и вторичной обмоток звездой



где ‒ напряжение питающей сети, В, берется из исходных данных.

Для трехфазных трансформаторов, у которых вторичная обмотка соединена треугольником, и для однофазных трансформаторов коэффициент исключается.

Максимальное обратное напряжение на вентильном плече выпрямителя



где ‒ коэффициент, числовое значение которого зависит от свойств схемы, выбирается из таблицы 1.

Максимальное напряжение на уравнительном реакторе сложных шестипульсовых схем выпрямителя



Максимальное напряжение на уравнительном реакторе сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления



Для расчета и построения внешней характеристики использовать выражение


где ‒ среднее значение напряжения на выходе выпрямителя при холостом ходе, В; ‒ текущее значение тока нагрузки, А, задается в пределах от 0 до 1,5 ; ‒ номинальное значение тока нагрузки выпрямителя, А, берется из исходных данных.

2.7 Расчет токов на элементах схемы выпрямителя

Среднее значение тока вентильного плеча при номинальном токе нагру­зки



где – коэффициент, числовое значение которого выбирается по таблице1. Из этой же таблицы определяются и коэффициенты – .

Максимальное значение тока вентильного плеча в номинальном режиме



где к₄ – коэффициент, зависящий от свойств схемы выпрямителя.

Действующее значение тока вторичной обмотки вентильного трансформатора в номинальном режиме



где – коэффициент, зависящий от свойств схемы выпрямителя.

Действующее значение тока первичной обмотки вентильного трансформатора в номинальном режиме работы



где – коэффициент, зависящий от свойств схемы выпрямителя; – коэффициент трансформации трансформатора, определяется по формуле (3).

2.8 Выбор вентильного трансформатора

Условная мощность выпрямителя , Вт,



Типовая мощность вентильного трансформатора, кВ·A ,



где – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя.

После расчета мощности вентильного трансформатора следует по спра­вочнику подобрать типовой трансформатор. Мощность этого трансфор­матора должна быть равна или несколько больше значения, рассчитанного по выражению (13). Ряд номинальных значений мощностей трансформаторов, выпускаемых промышленностью, приведен в приложении А.

2.9 Выбор вентилей выпрямителя

Полупроводниковые вентили по свойствам структур бывают двух видов: простые и лавинные. В свою очередь простые и лавинные вентили по зна­чениям максимально допустимого среднего прямого тока делятся на типы, а по значениям повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состо­янии - на классы. По конструктивному исполнению корпуса вентили могут быть штыревыми или таблеточными. Вид вентиля, используемого в расчетно-графической работе, задается в исходных данных.

Необходимо выбрать диоды по допустимому среднему току и повторяющемуся импульсному обратному напряжению.

Наиболее ответственным является выбор по допустимому среднему току вентилей. Исходным является величина среднего тока вентильного плеча, рассчитанная выше, и значение максимально допустимого среднего тока диода. Под этим значением подразумевается среднее за период значение прямого тока, протекающего через прибор в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180°, когда в установившемся тепловом режиме температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода - максимально допустимой [4].

В случае применения вентилей в схеме с отличной от 180° продолжи­тельностью проводящего состояния, иной формой тока и иной системой ох­лаждения максимально допустимый средний ток отличается от паспортного значения и его необходимо уточнять. Если максимально допустимый ток диода меньше тока вентильного плеча, то диоды в плече включаются параллельно. При выборе диодов следует учитывать, что чем меньше величина допустимого тока вентиля, тем больше чи­сло параллельных ветвей в плече и тем сложнее наладка и эксплуатация установки. На практике стараются выбирать такие диоды, чтобы число па­раллельных ветвей не превышало 10.

Способность диода выдерживать некоторое обратное напряжение без пробоя характеризуется классом. Первый класс позволяет работать диодам до 100 В, второй – до 200 В, третий – до 300 В и т.д. Выбор класса вентиля основан на сравнении максимального напряжения на вентильном плече, рассчитанного выше, с допустимым напряжением для выбранной марки вентиля, определяемым его классом. Для надежной работы выпрямительного агрегата допустимое напряжение должно превышать напряжение на вентильном плече на 15 – 20%.

Выбор диода по среднему току начинается с определения числа параллельных ветвей вентильного плеча в номинальном режиме работы. На дан­ном этапе расчета из справочника на полупроводниковые вентили [4] вы­бираем силовой выпрямительный диод, средний ток I_FAVmкоторого находится в пределах 0,2 I_в.ср < I_FAVm < 1,3 I_в.ср. Для выбранного диода выписываем следующие предельно допустимые и характеризующие параметры:

I_FAVm – максимально допустимый средний прямой ток, А;

I_RRM – повторяющийся импульсный обратный ток, мА;

U_RRM – повторяющееся импульсное обратное напряжение, В;

U_RWM – импульсное рабочее обратное напряжение, В;

U_RSM – импульсное неповторяющееся обратное напряжение, В;

I_FSM – ударный неповторяющийся прямой ток, кА;

U_FM – импульсное прямое напряжение, В;

U_TO – пороговое напряжение, В;

– дифференциальное прямое сопротивление, Ом;

T_jm – максимальная эффективная эквивалентная температура p-n перехода, °С;

R_thjc – тепловое сопротивление (переход-корпус), °С/Вт;

Z_(th)tjc – переходное тепловое сопротивление (переход-корпус), °С/Вт;

Z_(th)tja – переходное тепловое сопротивление (переход-среда), °С/Вт;

R_thch –тепловое сопротивление корпус-контактная поверхность охладителя, °С/Вт;

Дополнительно из справочника необходимо выбрать подходящий охладитель и выписать:

R_thha–тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда, °С/Вт;

Z_(th)tha – переходное тепловое сопротивление охладитель-окружающая среда, °С/Вт.

Тепловое сопротивление переход-среда для выбранного диода

R_thja = R_thjc + R_thch + R_thha, (14)

где R_thjc – тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт; R_thch – тепловое сопротивление корпус диода-контактная поверхность охладителя, °С/Вт;

R_thha – тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя-окружающая среда, °С/Вт.

Сопротивления R_thjc и R_thch берутся из справочных данных на диод. Если информация о R_thchотсутствует, то для вентилей штыревой конструкции можно брать R_thch = 0,04...0,05 °С/Вт, а для таблеточных – R_thch = 0,01... 0,02 °С /Вт.

Тепловое сопротивление R_thhaприведено в справочных данных на выбранный охладитель.

Максимально допустимый средний ток диода при заданных условиях работы


где – пороговое напряжение диода, В; T_jm – максимальная эффектив­ная эквивалентная температура р-n-перехода, °С; – температура окружающей среды, °С; – дифференциальное прямое сопротивление диода, Ом; – коэффициент формы кривой тока вентиля, зависящий от характера нагрузки и схемы выпрямителя. При прямоугольной форме тока (индук­тивность сглаживающего реактора выпрямителя велика) значение в за­висимости от угла проводимости диода определяется из таблицы 2.
Т а б л и ц а 2 ‒ Значение к_ф в за­висимости от угла проводимости диода

λ, град	180	120	90	60	30
кф	1,41	1,73	2	2,45	3,46

Число параллельных ветвей вентильного плеча при заданных условиях работы диодов



Ток одного вентиля в номинальном режиме работы выпрямителя


где средний ток вентильного плеча выпрямителя, А, определяется по формуле (8).

Мощность потерь в вентиле от тока предварительной нагрузки



где пороговое напряжение диода, В, берется из справочника; к_ф – коэффициент формы тока вентиля, выбираемый из таблицы 2; – дифференциальное прямое сопротивление диода, Ом.

Температура нагрева полупроводниковой структуры диода от тока пред­варительной нагрузки



где температура окружающей среды, °С, берется из исходных данных;

тепловое сопротивление переход-среда, °С/Вт, рассчитанное по формуле (14).

Допустимый прямой ток перегрузки вентиля



где – дифференциальное прямое сопротивление диода, Ом; – поро­говое напряжение вентиля, В, берется из справочника; T_jm – максимально допустимая температура полупроводниковой структуры, °С, берется из справочника; T_j – температура нагрева полупроводниковой структуры током предварительной нагрузки, °С, рассчитывается по формуле (19); – мощность потерь в диоде от тока предварительной нагрузки, Вт, рассчитывается по формуле (18); – переходное тепловое сопротивление р-п-переход-среда, °С/Вт, выбирается из справочника; – переходное тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт, находится по справочнику.

Число параллельных ветвей вентильного плеча преобразователя для режима перегрузки,



где – коэффициент технологической перегрузки, приведен в исходных данных;

– максимальный ток вентильного плеча, А, определяется по формуле (9);

– допустимый прямой ток перегрузки диода, А, получен по выражению (20).

Ударный ток короткого замыкания выпрямителя, кА,


где – действующее значение номинального тока вторичной обмотки вентильного трансформатора, А, рассчитывается по формуле (10); S_тн – но­минальная полная мощность вентильного трансформатора, кВA, выбранного в п. 7.3; S_к – мощность короткого замыкания сети, MBA, берется из исходных данных.

Число параллельных ветвей вентильного плеча выпрямителя, способных выдержать ударный ток короткого замыкания,



где – максимально допустимый неповторяющийся ток диода, кА, выби­рается из справочных данных.

Для окончательного выбора числа параллельных ветвей в плече выпря­мителя, рассчитанные значения _н, _п и _к округляем до целого числа в большую сторону и сравниваем между собой. За число параллельных ветвей а принимаем большее из сравниваемых значений.

Число последовательно соединенных диодов в вентильном плече выпря­мителя, работающего в номинальном режиме,



где U_в.макс – максимальное обратное напряжение на вентильном плече выпрямителя, В, определяется по выражению (4); – допустимое повторяющееся обратное напряжение, выдерживаемое диодом, В, берется из справочных данных на вентиль. Если нет значения в справочнике, то можно взять , где – допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение диода, В, приводимое в справочнике.

Количество последовательно соединенных вентилей в плече, определяе­мое по повторяющемуся коммутационному перенапряжению,



где U_в.макс – максимальное обратное напряжение на вентильном плече вы­прямителя, В, рассчитывается по формуле (4); – коэффициент повторя­ющейся перегрузки по напряжению, приводится в исходных данных; – допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение диода, В, бе­рется из справочника.

Число последовательно соединенных диодов, рассчитанное по неповто­ряющемуся перенапряжению,



где – напряжение выпрямителя в номинальном режиме, В, берется из исходных данных; – коэффициент неповторяющейся перегрузки выпрямителя по напряжению, приводится в исходных для расчета данных; – неповторяющееся обратное напряжение, выдерживаемое диодом, В, берется из паспортных данных. Если в справочнике отсутствует значение , то можно принять

,
где – повторяющееся импульсное обратное напряжение, выдерживаемое диодом, В, (берется из справочника [4]).

Округляем в сторону увеличения до целого значения , , и за число последовательно соединенных диодов выбираем большую из трех величин.

Рассчитав значения и ,следует решить задачу по равномерному распределению токов в параллельно соединенных ветвях вентильного плеча и по равномерному распределению напряжения на последовательно соединенных диодах.

При последовательном соединении диодов обратное напряжение на них распределяется неравномерно вследствие разброса значений внутреннего сопротивления. С ростом температуры неравномерность может увеличиваться.

Для устранения этого явления параллельно каждому диоду подключаются одинаковые резисторы. Сопротивление этих резисторов, кОм,



где – допустимое повторяющееся импульсное обратное напряжение, В, определяется из справочника; а – число параллельных ветвей в вентильном плече; – повторяющийся импульсный обратный ток, мА, берется из справочных данных на диод.

Равномерное распределение тока по параллельно соединенным ветвям достигается путем подбора вентилей с одинаковым значением прямого нап­ряжения.