Преобразовательная техника - Алтайский государственный

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический
университет им. И.И. Ползунова»
Стальная М.И., Черемисин П.С.
Преобразовательная техника
Методические указания к выполнению курсового проекта для
студентов энергетических специальностей
Барнаул 2010
УДК 621.314.632(075.5)
Стальная М.И., Черемисин П.С.
Преобразовательная техника Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов энергетических специальностей– Барнаул:
АлтГТУ, 2010. - 19 с.
Рассмотрено и одобрено
на заседании кафедры АЭП и ЭТ
Протокол № 14 от 17 2010 г.
2
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые преобразователи электрической энергии – выпрямители и инверторы – нашли широкое применение в различных областях
промышленности, на железнодорожном транспорте, судах, самолетах и т.д.
Они используются для электропитания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности, для электропитания систем электроприводов постоянного тока различного назначения и мощности, для возбуждения крупных электрических генераторов, для тяговых подстанций и
электроприводов переменного тока, а также для удовлетворения многих других потребителей народного хозяйства.
Поэтому для закрепления теоретического материала, прочитанного в
курсе ”Преобразовательная техника”, предлагается студентам выполнить
курсовой проект, в котором студенты должны будут (по вариантам) произвести расчет преобразовательного устройства (выпрямителя). Нарисовать
внешнюю, регулировочную и нагрузочную характеристику, описать принцип
работы преобразователей, как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. Рассчитать параметры надежности рассматриваемого преобразователя
без резервирования и с резервированием, дать схему защиты рассматриваемого преобразователя, и сделать выводы и рекомендации по результатам
проделанной работы.
Желаем успехов при вдумчивом и творческом выполнении этого курсового проекта.
3
Задание на проектирование:
1. Привести вариант задания.
2. Привести силовую схему с реверсом.
3. Рассчитать мощность и параметры питающего трансформатора с учетом
потерь.
4. Рассчитать тиристоры в ТП (по I,U).
5. Выбрать тиристоры.
6. Рассчитать емкостный фильтр.
7. Рассчитать внешнюю и нагрузочную регулировочные характеристики ТП и
величину выпрямленного напряжения при заданном угле регулирования.
8. Нарисовать регулировочные характеристики.
9. Дать осциллограммы напряжений при заданном угле регулирования и при
угле =0.
10. Описать работу ТП в инвертном режиме, дать осциллограмму
11. Разработать и описать схему защиты ТП.
12. Рассчитать надежность ТП с резервированием и без резервирования.
13. Дать выводы и рекомендации о продленной работе.
14. Оформить отчет в соответствии с ГОСТом [14].
Варианты задания
Наименование
А
Б
В
Г
Д
Варианты
1
2
3
4
Тип преобразователя
Способ реверсирования
3-х фазный
нулевой
2-х комплектный
1-фазный
мостовой
Тип нагрузки (тип)
Активный
3-х фазный
мостовой
1 комплектный
Индуктивный
1-фазный
нулевой
2-х комплектный
Индуктивный
Параметры
нагрузки:
а) Idн(А)
б) Udн(В)
Заданный угол
управления
 (эл.град)
Тип резерва

Активный
30
160
110
280
120
400
300
600
30
65
100
80
Холодное
поэлементное
Горячее
общее
Холодное
общее
Теплое общее
4
2 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
2.1 Условные обозначения
Id,Ud – среднее значение выпрямленного тока и напряжение.
Ud0 – максимальное значение выпрямленного напряжения при
угле регулирования =0 на нагрузке.
Uвн, Idн – номинальные значения выпрямленного напряжения и
тока при угле   0.
I1,I2 – ток на первичной и вторичной обмотке трансформатора,
соответственно.
U1, U2- фазное напряжение на первичной и вторичной обмотке
трансформатора, соответственно.
Uобр.max – максимальное (амплитудное) обратное напряжение,
действующее на тиристор.
SТ – расчетная полная мощность трансформатора.
S1 , S2 – соответственно, мощность первичной и вторичной обмотки трансформатора.
КТ - коэффициент трансформации.
Далее приведены основные соотношения для различных схем выпрямления.
2.2 Схема выпрямления – однофазная нулевая
2.2.1 При Rнагр.- const и Lнагр = 0 (активная нагрузка);
α=0°:
U do = 0,9U

2 2
U ;
2
 2
U обр.max = 2 2U 2 ;
U К U ;
Т 2
1
U
d ;
U 
2 2 2
5
U
1
T U ;
2
----------------------------------------------------------------------------------U
I  d ;
d Rd
K

2U
2  1.57 I ;
d
R
d
 2I
d ;
I 
1
2К
Т
I max 
I
I  d;
2
4
-----------------------------------------------------------------------------------P U I ;
d
d d
-----------------------------------------------------------------------------------α>0°:
1  cos
;
Ud= U
d0
2
I
d ;
I max 
1  cos
P
d ;
S  1.89k 
T
ф 1  cos
где kф – коэффициент формы
2I k
d ф
I 
;
1
2К
Т
I k
d ф
I 
.
2
2
2.2.2
При L нагр= (активно-индуктивная нагрузка):
α=0° (как в пункте 2.2.1, отличия ниже):
I
I  d ;
1 K
T
I max  I ;
d
-------------------------------------------------------------------------------------------α>0° (как в пункте 2.2.1 и 2.2.2, отличия ниже):
U
d
U
d0
6
 cos 
2.3 Схема выпрямления – однофазная мостовая (отличия от предыдущей)
2.3.1 При R – const и L=0 (активная нагрузка)
α=0°:
U d 0 = 0,9U
2

2 2

U ;
2
U обр.max =
2U ;
2
U К U ;
Т 2
1
U
d ;
U 
2 2 2
U
K  1;
T U
2
-----------------------------------------------------------------------------------U
I  d;
d Rd
2U
2  1.57 I ;
d
R
d
I
d ;
I 
1 2 2К
Т
I max 
I
I  d;
2 2 2
--------------------------------------------------------------------------------------------
α>0°:
2.3.2
1  cos
U =U
;
d
d0
2
2I k
d ф
I 
.
2
2
При L нагр= (активно-индуктивная нагрузка):
U
d
 cos 
d0
I max  I
d
U
7
2.4 Схема выпрямления – трехфазная нулевая
2.4.1 При R – const и L=0 (активная нагрузка):
α=0°:
3 6
 1,17U 
U
2 2 2
d0
U обр.max = 6 U ;
2
--------------------------------------------------------------------------------------------------α>0°:
U
при угле направления =030° (для индуктивной нагрузки).
 U  cos 
d
d0
при угле направления 30° (только активная нагрузка).
U



1  cos( 6  ) 
U U 
;
d
d0
3



2.4.2 При L нагр= (активно-индуктивная нагрузка):
2I
d;
2
I 

1 K
K 3
T
T
I
1
I 
I ;
2
3 d
2.5 Схема выпрямления – трехфазная мостовая
2.5.1 При Rнагр – const и Lнагр = 0 (активная нагрузка)
α=0°:
3 6
U  2,34U 
U
d
2 2π 2
U обр.max = 3  2 U 2 ;
-----------------------------------------------------------------------α>0°:
8
при угле регулирования =060 эл.град.
 U  cos  ;
d
d0
при угле регулирования 060 эл.град.
U



U  U 1  cos(   ) ;
d
d0 
3

2.5.2 При L нагр= (активно-индуктивная нагрузка):
α>0°:
U  U  cos  ;
d
d0
I max  I
d
2
I 
I ;
2
3 d
I
I  2 ;
1 K
T
2.6. Расчет мощности трансформатора и активных потерь
Расчетное значение требуемой мощности трансформатора желательно
увеличить на величину потерь от первой гармоники
,
где коэффициент 1,1 учитывает потери от гармоник больше первой.
По расчетным значениям
и
выбирается тип трансформатора с
его номинальными паспортными данными:
,
,
,
, вес и
т.п. Расчетную мощность трансформатора нетрудно найти, используя показатели табл.1, при этом
.
Замечание. При отсутствии в каталогах трехобмоточного трансформатора с параметрами обмоток, близкими к требуемым, допускается выбор
ближайшего по мощности трансформатора с одной вторичной обмоткой,
причем требуемая расчетная мощность
увеличивается на 30%. После вы-
бора трансформатора производится расчет активного
сопротивлений:
;
;
.
9
и индуктивного
Таблица 1. Показатели выпрямительных схем
10
2.7 Расчет емкостного фильтра
Простейшим фильтром является конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Если сопротивление нагрузки значительно больше емкостного сопротивления конденсатора для основной гармоники, то можно считать, что переменная составляющая тока вентиля равна току конденсатора, а
постоянная составляющая – току нагрузки.
Рис.1. Схема выпрямителя (а) и графики токов и напряжений (б)
На рис.1,а приведена двухполупериодная мостовая схема с конденсатором, а на рис.1,б – соответствующие ей кривые токов и напряжений.
Как видно из рис.1,б в промежутке (01-01’) включены вентили 1 и 3 и
конденсатор заряжается. Одновременно трансформатор пропускает ток через
сопротивление
. В промежутке (01’-02) вентили 1 и 3 остаются включен-
ными и через сопротивление
пропускает ток как трансформатор, так и
конденсатор. В промежутке (02-04) все вентили закрыты и приемник энергии
питается только от конденсатора. В точке (04) включаются вентили 2 и 4, и
повторяется тот же процесс, что и первом полупериоде.
11
Если постоянная времени
довольно большая, напряжение
падает
сравнительно медленно и в начале нового периода (точка 03) имеет определенное положительное значение. В промежутке (03-04)
, поэтому оче-
редные вентили закрыты. В точке (04) вентили 2-4 начинают пропускать ток
и все процессы повторяются. Запаздывание включения вентилей в промежутках (0-01) и (03-04) на угол
вызвано наличием остаточного напряжения
конденсатора (обычно принимается φ=0,2).
Угол запаздывания
,
где
(1)
– действующее значение напряжения вторичной обмотки транс-
форматора;
– остаточное напряжение конденсатора в момент включения
очередных вентилей.
С увеличением емкости конденсатора
та напряжения
лей
и
возрастают, экспонен-
поднимается вверх и продолжительность включения венти-
уменьшается. Кривая выпрямленного напряжения ясно показывает
назначение конденсатора. Заряжаясь в промежутке (01-01’), конденсатор в
течение остальной части полупериода разряжается на сопротивление
, чем
обеспечивается непрерывность выпрямленного тока. Кривая выпрямленного
напряжения приближается к прямой линии, что увеличивает ее постоянную
составляющую.
В промежутке (02-04) через сопротивление
ток пропускает лишь
конденсатор, напряжение которого
(2)
где
– остаточное напряжение конденсатора в точке (02).
Определим емкость конденсатора, если известно (или задано) соотношение
.
12
Подставив в формулу (2) значение
, для двухполупериодной
схемы находим
(3)
Так как
,а
, выражение (3) принимает вид
(4)
Из последнего выражения получим
,
или
(5)
Заменив угол
углом
или
, выражения (4) и (5) можно
использовать для трехфазной нулевой или трехфазной мостовой схем выпрямления. Выбирая соотношение
, из выражения (5) определяем емкость
конденсатора.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы равна
.
Постоянная составляющая выпрямленного тока
,
а его амплитуда
.
13
В двухполупериодных схемах, когда параллельно приемнику энергии
включен конденсатор, амплитуда обратного напряжения такая же, как и при
чисто активной нагрузке.
Пример
,
,
,
.
Величина емкости по выражению (5):
:
;
:
;
:
.
3 ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ
РАСЧЕТЕ И НАДЕЖНОСТИ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
3.1 Основные обозначения
P - вероятность безотказной работы нерезервированной схемы.
0
0 - интенсивность отказов нерезервированной схемы.
Т0 – среднее время безотказной работы нерезервированной схемы.
Как известно надежность объекта определяется одновременно несколькими параметрами. Для полупроводниковых приборов (неремонтируемых)
это будут: Р – вероятность безотказной работы в функции времени; Т- среднее время безотказной работы; 0 – интенсивность отказов одного элемента;
n – число элементов.
14
Тогда для основной полупроводниковой нерезервируемой системы состоящей из равнонадежных элементов правомерны следующие аналитические выражения:
P е
0
 λ nt
0 ;
1
,
λ n
0
где λ - интенсивность отказов одного элемента.
0
T
t – время, в течении которого определяется параметр P .
0
Как известно, надежность системы можно повысить, используя различные виды резервирования, представленные на рис. 1.
Рис. 1
3.2 Резервирование
3.2.1 Холодное резервирование:
а) при холодном общей резервировании
 λ n m (λ0  n t)i
P
P
 е 0 t 
;
общ
ь1
i!
i0
(замещением),
б) при поэлементном холодном резервировании (замещением,
N
P
 П P (t)  P (t)  P (t)......P (t) ,
общ 1 0
01
02
0N
где P01 P02 ......P0 N - вероятность безотказной работы каждого
элемента зарезервированного m-раз по способу замещения, т.е.
15
 λ t m (λ0  n t)i
P P
е 0  
01 ь1
i!
i0
в) при равнонадежности всех узлов поэлементное резервирова-
ние рассчитывается как,
i
 х nt  m (λ0  n t) 
P
 е 0  

общ
i!
i  0



г) Холодное резервирование с дробной кратностью
Скользящее поэлементное резервирование с дробной кратноλ t
m
 C
 Pi mni (1  t 0 )i
стью, P
общ i0 (i,mn)
где C
число сочетаний из i элементов по m-n раз, т.е.
(i,mn)
а!
а 
Cв,
а в! (а в! )
“m” вида должно быть n.
3.2.2 Горячее резервирование
При горячем резервировании с общей кратностью,
m 1
P  1  (1  Pi ) i
3.2.3 Теплое общее резервирование,
P  1  (λ  nt)m1
0
1 m 1
T

λ i0 i  1
0n
Пример частичного выполнения курсового проекта
Исходные данные: Вариант Аi, Бi, Вi, Гi, Дi
Тип преобразователя
Способ реверсирования
Тип нагрузки
Параметры выпрямленного напряжения при α  0 :
Угол управления в электрических
градусах
Тип резерва
3х фазный мостовой
 (2х комплектный)
активная
U
 70 B ,
I  110 A
H
d0
30
Холодное общее
16
1. Силовая схема двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя
Реверсивные тиристорные преобразователи содержат два комплекта
выпрямительных групп, каждая из которых проводит ток в одном направлении.
2. Расчёт мощности и параметров питающего трансформатора
Зная действующее значение напряжения на нагрузке при угле регули 70 B ), определим действующее значение напряжения
рования α  0 ( U
d0
во вторичных обмотках трансформатора, выразив из формулы для схемы
U
70
 2.34 U , U  d 0 
 29.9 B .
"трёхфазная мостовая", U
2
d0
2 2.34 2.34
Зная напряжение первичных обмоток трансформатора U1  220B , опреU
220
 7.4 .
делим коэффициент трансформации, kTP  1 
U
29.9
2
Перейдём к расчёту мощности трансформатора. Для активной нагрузки
полная мощность трансформатора равна:
S
 1.05 P  1.05 U I  1.05 70  110  8085 BA .
TP
d0
d0 H
Рассчитаем токи в первичных и вторичных обмотках:
I
89,8
2
2
I  2 
 12,1 A
I 
I 
110  89,8 A ;
1 k
2
7,4
3 H
3
TP
Имеем следующие значения:
S  8085 BA; K
 7.4; I  12.1 A; I  89.8 A;U  220 B;U  29.9 B
TP
1
2
1
2
17
3. Расчёт тиристоров в тиристорном преобразователе:[12]
- Расчет по напряжению,
U
U
 3 2 U  3 2  29.9  73.2  100 В
об .MAX
лин .MAX
2
I
110
- Расчёт по току, I  H 
 36.7 A
3
3
4 Выбрать тиристоры [7]
Выбираем тиристоры низкочастотный силовой Т131-40 со следующими параметрами:
Параметр
Значение
Iоткр.мах
40 А
Iзакр.мах
5 мА
Iвкл
150 мА
Iупр.имп
2,1 мА
Iу.от
100 мА
Uоткр.мах
1,75 В
Uзакр.мах
100 В
Uу.от
3,5 В
5. Расчёт регулировочной характеристики U  f(α) , и выпрямленного
d
напряжения при заданном угле регулирования  (30 электрических градусов)
Общая формула:
U  U cos( α) , при 0  α 60
d
d0
Рассчитаем значение напряжения на нагрузке при заданном угле регулирования.
U  U cos( α)  70 cos 30  60.6 B .
d
d0
18
6. Регулировочная характеристика:
Для расчёта регулировочной характеристики использовались формулы:
U  U cos( α)  70 cos( α) , при 0    60 ,
d
d0
U  U 1  cos(60  α)  701  cos(60  α) , при 60    120
d
d0
7. Осциллограмма при заданном угле регулирования α(30) и при α 0
Осциллограмма при α 0
Осциллограмма при α 30
19
8. Описание работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме
Схема
20
Циклограмма работы устройства в инверторном режиме
Описание работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме:
На самом деле, нагрузкой служит двигатель. В прямом режиме он работает и потребляет энергию из сети. Этот режим называется – работа тиристорного преобразователя на нагрузку с противо-ЭДС, и на нём мы останавливаться не будем. Когда же двигатель нужно затормозить, то выгоднее всего
использовать рекуперативное торможение, то есть с отдачей энергии в сеть.
Этот режим называется инверторным о нём подробнее. Двигатель включают
на другой комплект тиристоров, который уже направлен не встречно ЭДС
двигателя, а по ней. И происходит следующее, в те моменты, когда ЭДС двигателя больше напряжения сети по модулю, происходит открытие тиристоров в отрицательный для них полупериод напряжения и двигатель питает
сеть, до тех пор, пока напряжение в сети не сравняется с ЭДС двигателя – в
этот момент напряжение сети закроет тиристор. Очевидно, что при
α  120 эл .град., время отдачи энергии максимальное, следовательно, тор21
мозной момент двигателя также максимален. Увеличивая угол регулирования, можем уменьшать тормозной момент.
Это краткое описание. Вам надо дать развернутое описание с использование номеров тиристоров последовательной включаемых в работу. Использовать материал из списка литературы [11].
Аналогично в других фазах.
Основные условия, при которых возможен инверторный режим:
1. Плюс ЭДС двигателя Е должен быть подан на аноды тиристоров, для
чего нужно осуществить переключение якоря двигателя с помощью реверсора либо иметь вторую группу тиристоров, работающую на противоположное
направление тока;
2. ЭДС<Um сети. (В противном случае тиристоры после открытия не
будут закрываться, и в итоге будем иметь короткое замыкание за время менее
0,05 с);
3. α  120 эл .град. (Поскольку инверторный режим осуществляется в
отрицательный полу период питающего напряжения).
9. Расчет надежности[5]
Произведем расчет вероятности безотказной работы (ВБР) [2]:
Вероятность безотказной работы – вероятность того, что время исправной работы элемента будет больше некоторого заданного времени.
При расчете примем следующие упрощения:
1) отказы элементов являются событиями случайными и независимыми;
2) отказ любого одного элемента ведет к отказу системы;
3) все элементы в смысле надежности равноценны.
Для нахождения ВБР необходимо знать интенсивность отказов.
Интенсивность отказов – отношение числа отказавших образцов аппаратуры в единицу времени к среднему числу образцов, исправно работающих
22
в данный отрезок времени при условии, что отказавшие образцы не восстанавливаются и не заменяются исправными.
λ(t) 
n(t)
,
N ср Δt
где n(t) – число отказавших образцов в интервале времени от
t-∆t/2 до t+∆t/2;
∆t – интервал времени;
N=(Ni+Ni+1)/2 – среднее число исправно работающих образцов в интервале ∆t;
Ni – число исправно работающих образцов в начале интервала ∆t;
Ni+1 – число исправно работающих образцов в конце интервала ∆t.
Интенсивность отказов тиристоров λ  0,2  103
1
[2], при этом ВБР
час
системы будет равна:
λ t
Pc (t)  piN (t)  e c ,
где λс=N λi;
λi, λс – интенсивность отказа элемента и системы соответственно;
N – число элементов системы;
pi(t),Pc(t) – вероятность безотказной работы элемента и системы в течении времени t.
В нашем случае N=12; λi =0,2*10-3 1/час; тогда:
3
Pc (t)  e 2,410 t
покажем это на графике: (привести график).
Графики вероятности безотказной работы
Для схемы с холодным общим резервированием ВБР системы рассчитывается по следующей формуле:
 λ t m (λi t)i
,
Pc (t)  e 0 
i!
i1
где λ0=N*λi – интенсивность отказов не резервированной системы;
λi – интенсивность отказа i – го элемента;
m – кратность резерва;
23
Рс – ВБР системы с резервированием.
Для нашего случая λi=0,2*10-3 1/час и ВБР системы равно:
i
3 t m (λi t)

2,4

10
Pc (t)  e

i1 i!
График вероятности безотказной работы
ЛИТЕРАТУРА
1. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Т.1,2,3 М-Л Госэнергоиздат 1956 г - 528 с
2. Размадзе И.М. Преобразовательные схемы и системы. Высшая школа
1967г – 527 с.
3. Солодухо Я.Ю., Белявский Р.Э. и др. Тиристорный электропривод постоянного тока. М. Энергия 1971 г – 104 с.
4. Аптер Э.Н., Жемеров И.И. и др. Мощные тиристорные выпрямители для
электроприводов постоянного тока. М. Энергия, 1975 г – 210 с.
5. Половко А.М. Основы теории надежности. М. Наука 1964 г – 446 с.
6. Глух Е.М., Зеленов В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей.
М. Энергия, 1970, - 152 с.
7. Чебовский Л.Г., Моисеев и др. Справочник ”Силовые полупроводниковые приборы”. М. Энергия, 1976 г. – 437 с.
8. Ковалев Ф.И., Мосткова Г.П. Полупроводниковые выпрямители. М.
Энергия, 1978 г – 447 с.
24
9. Половко А.М. Основы теории надежности. М.Наука, 1984 г- 446 с.
10. Радченко Т.Б. Стальная М.И. Преобразовательная техника. Методические указания к выполнению курсовых проектов для студентов специальности 180400./ Барнаул. АлтГТУ, 2004 г. с. 20
11. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.
12. Ланген А.М. Расчет мощности трансформатора выпрямительной установки// Электричество. 1999. No 10.
13. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.
14. ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и
правила оформления.
25
Стальная М.И., Черемисин П.С.
Преобразовательная техника
Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов энергетических специальностей
26