Выбор силовой схемы реверсивного тиристорного преобразователя

1. Выбор силовой схемы реверсивного  
тиристорного преобразователя

В зависимости от мощности и назначения электропривода могут  применяться различные силовой схемы реверсивных тиристорных преобразователей [1,4]. Нужно стремиться к применению наиболее простых схем, содержащих минимальное количество вентилей. Однако упрощение схемы обычно приводит к ухудшению ее технических показателей. Поэтому при проектировании обычно принимается компромиссное решение, основанное на технико-экономическом сравнении вариантов.

Все реверсивные преобразователи  делятся на два класса: однокомплектные и двухкомплектные. В настоящее время наиболее распространенными являются двухкомплектные тиристорные преобразователи, выполненные по встречно-параллельной или перекрестной схемам соединения вентильных групп. Вентили в группах могут соединяться по нулевой или мостовой схемам.

В данном курсовом проекте рекомендуется использовать трехфазную мостовую схему преобразователя так как она обладает следующими преимуществами над нулевой:

- при одинаковой фазной ЭДС среднее  значение выпрямленного напряжения в мостовой схеме в два раза больше;

- частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза выше (300 против 150 Гц), а амплитуда пульсаций меньше.

- при одинаковой мощности нагрузки типовая мощность трансформатора меньше, чем для нулевой;

- отсутствует подмагничивание  сердечника трансформатора.

Вентильные группы,  входящие  в  схему реверсивного выпрямителя могут, как указывалось выше, соединяться двумя способами: по перекрестной или встречно-параллельным  схемам [4]. Схемы отличаются количеством вторичных обмоток силового трансформатора. Из-за простой  конструкции  трансформатора в схеме со  встречно-параллельным  соединением следует ей отдавать предпочтение. силовая схема трехфазного мостового реверсивного преобразователя с устройствами коммутации и защиты представлена на  
рис. 1.1. По заданию, в курсовом проекте управление вентильными группами – совместное согласованное. для ограничения возникающих при этом уравнительных токов используются два ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2.

 

 
2. Расчет  и выбор элементов силовой  схемы  
преобразователя

 

2.1. Расчет и  выбор трансформатора

 

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям  тока I_2ф.расч напряжению U_2ф.расч, и типовой мощности S_Т. Напряжение первичной обмотки U_1ф должно соответствовать напряжению питающей сети.

Расчетное значение напряжения U_2ф.расч вторичной обмотки трансформатора, имеющего ТП с нагрузкой в режиме непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой

              (2.1)

где k_u= 0,427 – коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_d0 в идеальном трехфазном мостовом выпрямителе;

k_c=1,1 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;

k_a=1,1 – коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;

k_R=1,05 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и при коммутации;

U_d.ном – номинальное напряжение на выходе преобразователя (принимается равным номинальному напряжению двигателя U_{d ном}= U_ном).

Расчетное значение тока вторичной обмотки

                        (2.2)

где k_I =0,815 – коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_d в идеальной мостовой схеме;

k_i=1,1 – коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;

I_d.ном – значение номинального тока двигателя.

                                (2.3)

где  Р_ном– номинальная мощность электродвигателя;

h_ном - номинальное значение КПД электродвигателя;

U_ном - номинальное напряжение электродвигателя.

Рассчитываем (предварительно) действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

                (2.4)  

где  k^’_тр - расчетный коэффициент трансформации трансформатора.

                                         (2.5)

где U_1ф - фазное напряжение первичной обмотки трансформатора,  
U_1ф =220 В;

k_i1- схемный коэффициент первичного  тока. принимаем k_i1=0,815  [1, табл. 2.1].

мощность первичной обмотки трансформатора

                       (2.6)

где   m₁ - число фаз первичной обмотки, m₁ =3.

мощность вторичной обмотки трансформатора

, (2.7)

где m₂ - число  фаз  вторичной  обмотки  трансформатора, m₂ =3;

I_2.расч - действующее расчетное значение вторичного тока трансформатора;

U_2ф - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора. ориентировочно принимаем U_2ф = U_2ф.расч;

0.5% Р_ном – мощность потребляемая системой управления.

типовая мощность трансформатора

     (2.8)

Трансформатор выбираем из условий:

– номинальное фазное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора должно быть близким к значению U_2ф.расч:  
0.95×U_2ф.расч £ U_2ф.ном £ 1.2×U_2ф.расч;

– ток вторичной обмотки трансформатора должно быть больше или равен I_2.расч: I_2н³ I_2.расч.=86,652

–номинальная мощность трансформатора должна быть больше или равна типовой: S_ном ³ .

трансформатор выбираем по [2, табл.8.5]. Обратите внимание на то, что в справочнике приводятся номинальные значения линейных напряжений обмоток.

Параметры выбранного трансформатора сводим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

 

Параметры трансформатора

Наименование	Обозначение	Значение
Номинальная мощность, кВА	Sном	32
Напряжение вентильной обмотки (линейное), В	U2ном	120
Ток вентильной обмотки, А	I2ном	87
Напряжение сетевой обмотки (линейное), В	U1ном	380
Мощность холостого  хода, Вт	Pхх	330
Мощность короткого  замыкания, Вт	Pкз	1900
Напряжение короткого  замыкания, %	Uкз	5,5
Ток холостого хода, %	Iхх	6

 

Рассчитываем действительный коэффициент трансформации выбранного трансформатора

                          (2.9)

где U_1ф.ном = U_1ном / Ö3,  U_2ф.ном = U_2ном / Ö3 – номинальные значения фазного напряжения первичной и вторичной обмоток.

действительные значения рабочих токов первичной и вторичной обмоток

I₂ = I_2расч,

                                      (2.10)

2.2. Расчет и  выбор тиристоров

 

Тиристоры  выбираются  по  среднему  значению  тока,  протекающему через них и величине обратного напряжения.

При этом должен быть обеспечен достаточный запас  по току и напряжению.

Среднее значение тока тиристора

                      (2.11)

где k_зi=1,6 – коэффициент запаса по току;

k_ох – коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении k_ох=0,35;

k_вэ - коэффициент, принимаем по [1, табл.1.9], =0,333.

Максимальная величина обратного напряжения

                       (2.12)

где k_зU=1,8 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы U_обр, обусловленные процессом коммутации вентилей;

k_Uобр – коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений U_bmax/U_d0, для мостовой схемы выпрямления k_Uобр=1,045;

U_d0 – наибольшее среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя (напряжение условного холостого хода). Для трехфазной мостовой схемы выпрямления U_d0=2.34U_2ф.ном

Условия выбора тиристоров:

– максимальный средний ток тиристоров открытом состоянии  должен быть больше или равен  значению I_а,  I_{ос.ср.max}³ I_а;

– повторяющееся обратное напряжение тиристора должно быть больше или равно значению U_b.тах , U_обр.п ³ U_b.тах.

Из справочника [3] выбираем  марку тиристоров (низкочастотных).

Т161-125-6

Параметры выбранных  тиристоров сводим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Параметры тиристоров

Наименование параметра	Обозна-чение	Значение
Максимальный средний  ток в открытом состоянии, А	Iос.ср.max	150
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В	Uобр.п	600
Ударный ток в открытом состоянии, А	Iос.удр	2500
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/мкс	(duзc/dt)кр	500
Ток удержания, мА	Iуд	250
Импульсное напряжение в открытом состоянии, В	Uос,и	1,75
Отпирающий постоянный ток управления, мА	Iупр	200
Время включения, мкс	tвкл	25
Время выключения, мкс	tвыкл	250
Отпирающее постоянное напряжение, В	Uупр	3,5

 

 

 

2.3. Расчет и выбор уравнительных реакторов

 

В мостовом преобразователе  с совместным управлением присутствуют уравнительные токи.

Для уменьшения уравнительных  токов  в схему вводят 4 насыщающихся или 2 ненасыщающихся уравнительных реактора.

для расчета принимаем схему с двумя  ненасыщающимися уравнительными реакторами (рис.1.1).

Определяем индуктивность  уравнительных реакторов [4, стр.133]

 

                                (2.13)

где k_Д - коэффициент действующего значения уравнительного тока. принимаем по [4, рис.1-158] k_Д =0,62;

U_2ф.max – амплитудное значение фазного напряжения трансформатора,  U_2ф.тax = Ö2× U_2ф.ном,

w - круговая частота сети, w =314 ;

I_ур – действующее значение уравнительного тока

. (2.14)

для схемы выбираем 2 ненасыщающихся уравнительных реактора LR1 и LR2 с рассчитанной индуктивностью.

 

2.4. Расчет и  выбор сглаживающих дросселей

 

Пульсации выпрямленного  напряжения приводят к пульсациям выпрямленного  тока, которые ухудшают коммутацию электродвигателя и увеличивают его нагрев.

Для сглаживания пульсаций  выпрямленного напряжения применяют сглаживающие дроссели.

Определяем индуктивность  сглаживающего дросселя по формуле  [4, стр. 132]

, (2.15)

где k - кратность гармоники. В выходном напряжении преобразователя наибольшую амплитуду имеет первая гармоника, поэтому  принимаем k=1;

p - количество пульсаций за период. Для мостовой схемы p = 6;

p_(1)%- допустимое действующее значение основной гармоники тока, принимаем p_(1)%- =8%;

 - амплитудное значение гармонической составляющей выпрямленного напряжения, определяем по [4,стр.131]

 

  (2.16)

где  a - угол управления тиристорами, a = 30 ;

U_d0 - максимальное среднее значение выпрямленного напряжения, U_d0=2.34× U_2ф.ном=276,822

w - круговая частота сети;

I_d.ном- номинальный выпрямленный ток преобразователя.

Так как индуктивность  выбранного уравнительного  реактора больше  индуктивности  сглаживающего дросселя (L_ур > L_d),  то отказываемся от установки последнего в силовую цепь преобразователя.

Уравнительного реактора будет достаточно для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.