Федеральное Агентство Железнодорожного Транспорта
Иркутский Государственный Университет
Путей Сообщения
Кафедра: Электроснабжение Железнодорожного Транспорта
Дисциплина:
“Электронная техника и преобразователи”
Дипломная Работа
Расчет параметров выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме
Выполнил: Исполнев Н.Н
Проверил: преп.
Ушаков В.А.
Иркутск 2013 г
Содержание
1.Задание
2.Требуется
3. Выбор типа вентилей
4. Расчёт проектных параметров трансформатора
5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча
6. Расчёт числа последовательно включенных вентилей
7. Расчёт характеристик преобразователя
8. Схемы плеча выпрямителя и инвертора из последовательно- параллельно включенных вентилей
9. Модель схемы инвертирования
10. Модель схемы выпрямления
1. Задание
Трёхфазный мостовой выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) питается от сети с номинальным напряжением UС=U1Л и заданными пределами колебания этого напряжения %UС Известна мощность короткого замыкания SКЗ, характеризующая реактанс связи точки подключения ВИП и шин бесконечной мощности энергосистемы.
Заданы следующие параметры и соотношения для ВИП:
Напряжение короткого замыкания трансформатора UК%;
Среднее значение выпрямленного напряжения и тока в номинальном режиме (Udн, Idн);
Соотношение числа витков вентильных обмоток инвертора и выпрямителя Ки=U2и/U2в;
коэффициенты повторяющихся и неповторяющихся перенапряжений Кп, Кнп.
Номинальные мощности выпрямителя и инвертора одинаковы S1в=S1и.
2. Требуется
Рассчитать проектные параметры трансформатора и выбрать его по стандартной шкале мощностей.
Выбрать типы вентилей с воздушным охлаждение для выпрямителя и инвертора и, варьируя класс вентилей К, рассчитать параметры вентильных плеч, обеспечивающих номинальный режим и устойчивость к перенапряжениям заданной величины и токам аварийных режимов выпрямителя и инвертора.
Определить наиболее дешёвый комплект вентилей.
Рассчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединённых вентилей и выбрать схему выравнивания токов в параллельных ветвях вентильных плеч соответственно для выпрямителя и инвертора. Нарисовать схему вентильного плеча.
Выполнить расчёты и построение внешней характеристики выпрямителя, внешних и ограничительной характеристики инвертора, коэффициентов мощности выпрямителя и инвертора.
Построить временные диаграммы фазных напряжений вентильных обмоток выпрямителя и инвертора с отображением коммутационных процессов, диаграммы токов в этих обмотках, мгновенных значений выпрямленного напряжения и напряжения инвертора, напряжения на одном из вентилей. Построить векторные диаграммы напряжения и первой гармоники сетевого тока для выпрямительного и инверторного напряжений.
Схема выпрямительно-инверторного преобразователя
3. Выбор типа вентилей
Используя данные таблицы подстановок и построенные по данным таблицы диаграммы, выберем тип и класс неуправляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели при разных значениях скорости охлаждающего воздуха (12,6 м/сек).
Наилучшие технико-экономические показатели выпрямителя для неуправляемого вентиля типа В8-200, обеспечиваются при скорости охлаждающего воздуха 12 и 6 м/сек. По диаграммам определяем тип неуправляемого вентиля: В8-200, при скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек. Стоимость плеча: 445 руб., число вентилей плеча: 14. По таблицам для В8-200 выберем класс
|
СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯ |
ЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯ |
|||
|
Класс |
В8-200 |
В8-200 |
||
|
42 |
14 |
14 |
||
|
Минимальная стоимость плеча |
445 |
Минимальное число вентилей плеча |
14 |
Используя данные таблицы подстановок и построенные по данным таблицы диаграммы, выберем тип и класс неуправляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели инвертора при выбранном значении скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек:
По диаграммам определяем тип управляемого вентиля: выберем тиристор типа Т-500, стоимостью1703 руб., т.к. количество вентилей Т-500 равно 30.
По таблицам для Т-500 выберем класс :
|
СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА |
ЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА |
|||
|
Класс |
Т-500 |
Т-500 |
||
|
16 |
30 |
|||
|
Минимальная стоимость плеча |
1702,8 |
Минимальное число вентилей плеча |
30 |
Для выпрямителя:
Тип неуправляемого вентиля: В8-200
Iуд=7100,0 А
Iо max=40,0 мА
Uo=1,1 B
Rд=0,00121 Ом
Скорость потока охлаждения воздухом V = 6 м/с:
Rт, град.С/Вт 2 0,35
(допустимое превышение температуры) 1 100
= 169
Для инвертора:
Тип управляемого вентиля: Т-500
Iуд=7700,0 А
Iо max=50,0 мA
Uo=1,3 B
Rд=0,000500 Ом
Rт, град.С/Вт 0,10
(допустимое превышение температуры) 85
= 432
Параметры ВИП и сети:
Udн=3300 В
Idн=3000 А
Кп=Uком/Uвmax =1,65
Колебания напряжения сети % от Uc=5
Номинальное напряжения сети Uc=10 кВ
Uк% (напр.к.з. трансформ.)=11
Кнп=Uнп/Uвmax = 2,4
Sкз=425 мВА
Ки=U2и/U2в =1,25
=arccos(U2в/U2и)=36,9 эл. гр
4. Расчёт проектных параметров трансформатора
Выпрямитель:
Udo=Udн/(1-0,5Uк%/100)
где Udн – среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке
Uк% – напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора
Udo== 3492,1 В
Расчетная мощность выпрямителя.
Pdo=Udo·Idн
где Idн – номинальный ток выпрямителя;
Pdo=3492,1 ·3000=10476,2кВт
Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.
U2в=Udo/2,34=3492,1/2,34=1492,3В.
Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.
I2в=0,816·Idн=0,816·3000=2449,5 А
Расчётная мощность вентильной обмотки
S2= 1,05·Pdo=1,05·10476,2=11000 кВА
Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в выпрямительном режиме.
КтВ=Uc/(1,73·U2в)
где Uc – номинальное напряжение сети – 10 кВ
КтВ =10000/(1,73·1492,3) = 3,87
Действующее значение номинального тока сетевой обмотки
I1н= I2н/Kтb=2449,5 /3,87=633, А
Номинальная мощность сетевой обмотки.
S1=1,05·Pdo=1,05·10476,2=11000 кВА
Типовая мощность трансформатора.
Sт=S1=S2=1,05·Pdo=1,05·10476,2=11000 кВА
Инвертор:
Номинальный ток инвертора.
Iин=I2н/Kи
где Idн – номинальный ток выпрямителя
Ки=1,25
Iин=2449,5/1,25=2400 А
Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.
U2и=U2в·Kи=1492,3·1,25=1865,4В
Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.
I2и=I2в/Kи=2449,5/1,25=1959,6 А
Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в инверторном режиме.
Кти=Kтв/Kи=13,9/1,25=3,1
I1н=I2и/KтиY=1959,6/3,1=633,1 А
5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча
Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В8-200.
Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т-500.
Выпрямитель:
Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя.
где Sкз – мощность короткого замыкания на шинах питающей сети
Активное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя
где =0,006·S1н
Амплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекающего через вентильное плечо выпрямителя
Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя
iудв=1,2· Im=1,2·25504=30605 А
Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.
Nпар1 = (Idн/3)·Кн/Iп (расчёт по току плеча)
где Кн=1,15
Nпар1 = (3000/3)·1,15/169 = округляем до 7
Принимаем 7 вентилей.
Nпар2 = Кн·iудв/Iуд (расчёт по току iудв)
где Iуд – ударный ток вентиля
Nпар2 = 1,15·30605/7100 = округляем до 5
Принимаем 5 вентилей.
По расчётам принимаем максимальное значение параллельных вентилей, а именно – 7.
Выберем максимальное значение:
Nпар.max=7
Инвертор:
Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора
Xаи = Xaв·(Ки)2=·1,252=Ом
Активное сопротивление фазы и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертора
Rаи = Rав(Ки)2=·1,252= Ом
Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.
Nпар1 = (Iин/3)·Кн/Iп (расчёт по току плеча)
Nпар1 = (3000/3)·1,15/169= округляем до 3
Принимаем – 3.
Xd = 6,28 Ом
Rd = 0,016 Ом
Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя
Nпар2 = Кн·iудп /Iуд (расчёт по току iудп)
Nпар2 = 1,15·16285/7100=3
Из двух вычислений выбираем число вентилей – 3
Выберем максимальное значение: Nпар.max=3
6. Расчёт числа последовательно включенных вентилей.
Выпрямитель:
Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу.
Uвmax=1,045·Udo=0,523·3492,1=3649 В
Расчётный класс вентильного плеча
Введём выбранный нами класс неуправляемых вентилей К для выпрямителя: класс 42, , стоимость вентиля(вводится автоматически): 28,5
Повторяющееся напряжение
Uп=100·К
где К – класс неуправляемого вентиля
Uп=100·42 = 4200 В
Неповторяющееся напряжение
Uнп=116·К=116·42=4872 В
Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече
Nпосл1 = Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кп/Uп
где Uс% – колебания напряжения сети
Nпосл1=1,15·(1+5/100)·3649·1,65/4200 = округляем до 2
Nпосл2=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кнп/Uнп
Nпосл2=1,15(1+5/100)·3649·2,4/4872= округляем до 2
Nпосл.max=2
По результатам расчёта получаем 2 последовательно включенных вентилей в плече.
Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя
Выбранный тип вентиля: В8-200
Общее число вентилей плеча: 14
Стоимость плеча(+10% для нелавинных вентилей): 397,3
Стоимость плеча с охладителями: 444,9
Инвертор.
Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу
Uвmax=4562 B
Выбранный класс вентиля K=16
Введём выбранный нами класс управляемых вентилей К для инвертора: 16
Повторяющееся напряжение Uп = 1600 В
Неповторяющееся напряжение Uнп (для нелавинных) = 1776 В
Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече
Nпосл1=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кп/Uп+1
Nпосл1=1,15·(1+5/100)·4562·1,65/1600+1 = округляем до 7
Nпосл2=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кнп/Uнп+1 (32)
Nпосл2=1,25·(1+5/100)·4562·2,25/1776+1 = округляем до 10
Nпосл.max = 10
Выбираем 10 последовательно включенных вентилей.
Расчет числа вентилей в инверторе
Общее число вентилей плеча: 30
Стоимость плеча с охладителями: 1702,8
7. Расчёт характеристик преобразователя
трансформатор преобразователь вентиль выпрямитель
Расчёт внешней характеристики выпрямителя.
Внешняя характеристика выпрямителя Ud=f(Id) определяется по двум точкам Ud0 и Udн и строится в первом квадранте.
Udo=Udн/(1-0,5·Udн%/100)= 3492,1В
Idн=3000 А; Udн=3300 В.
Расчёт внешней характеристики инвертора.
Внешняя характеристика инвертора Uи=f(Iи) может быть построена по двум точкам: Uи0 при Iи=0 и Uин при Iи=Iин.
Естественная внешняя характеристика инвертора при постоянстве угла опережения имеет прямолинейный возрастающий характер и строится во втором квадранте совместно с внешней характеристикой выпрямителя:
Искусственная стабилизированная характеристика Uи=Uи0=const формируется путём автоматического увеличения угла опережения в с ростом тока инвертора и проводится горизонтально на уровне Uи0=Ud0.
Ограничительная характеристика инвертора.
Ограничительная характеристика определяет в точках пересечения с внешними характеристиками границы устойчивой работы инвертора по условию опрокидывания и является прямолинейной падающей. Для её построения используются две точки характеристики:
Uог(при Iи=0)=Uио·Ки·=3492,1·1,25·cos 36,9=4298,8В.
Uог(при Iи=Iин)= Uио*Ки(cos-0,5Uк%/100)= 3492,1·1,25(cos-0,5·11/100)=4058,7В
Углы коммутации ВИП (эл.град.)
Выпрямителя:
=arccos(1-2·I·Xав/2,45·U2в)
При Id=0,5·Idн =arccos(1-3000·0,0825/2,45·1492,3)=21,2 эл.град
При Id=Idн =arccos(1-2·3000·0,0825/2,45·1492,3)=30,2 эл.град
Инвертора:
cos() – cos = Iи·Xаи/2,45·U2и
при Iи=0,5·Iин = 7,1 эл.град
при Iи=Iин = 16,2 эл.град
Коэффициенты мощности ВИП
Выпрямителя:
·cos(/2), =0,955
При Id=0,5·Idн = 0,955·сos(0,5·21,2)=0,939
При Id=Idн = 0,955·сos(0,5·30,2)=0,922
Инвертора:
cos(/2) , =0,955
При Iи=0,5·Iин =0,955·cos(36,9-0,5·7,1)=0,798
При Iи=Iин =0,988·cos(36,9-0,5·16,2)=0,837
Максимальные токи инвертора:
При работе инвертора по естественной характеристике:
При =const
Iи1max=100/(Uк%)·Iин·(1-cos)=100/(11)·2400·(1-cos36,9)=4032,2 А
При работе инвертора по искусственной характеристике:
При Uи=Uио=Udо
Iи2max =100/(0,5· Uк%)·Iин·(1-cos)=100/(0,5·11)·2400·(1-cos36,9)=8064,3А
Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения
Выпрямитель на вентилях – В8-200
Шунтирующее сопротивление
RШ=(Nпосл·Uп-Uвmax)/(Nпосл-1)·Nпар·Iomax·0,001=(2·4200-3649)/(2-1)·7·40·0,001 =16967Ом
Мощность резистора RШ
P=Iomax·0,001·Nпар·Uвmax/Nпосл=40·0,001·7·3649/2=510,9 Вт,
где Iomax – максимальный обратный ток вентиля.
Ёмкость шунтирующего конденсатора Cв=Nпар=7 мкФ.
Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора Uc=1,5·Uп=1,5·4200=6300 В.
Rв=1,43 Ом, Rс=0,2 Ом.
Инвертор на тиристорах – Т-500
Шунтирующее сопротивление
RШ=(Nпосл·Uп-Uвmax)/(Nпосл-1)·Nпар·Iomax·0,001=
(10·1600-3649)/(10-1)·3·50·0,001=8473 Ом
Мощность резистора RШ
P=(Iomax·0,001)·Nпар·Uвmax/Nпосл=(50·0,001)·3·4562/10=68,4 Вт,
Ёмкость шунтирующего конденсатора Cв=Nпар=3 мкФ.
Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора Uc=1,5·Uп=1,5·1600=2400 В.
Rв=10/Nпарmax=10/3=3,33 Ом, Rс=0,2 Ом.
8.Схемы плеча выпрямителя и инвертора из последовательно-параллельно включенных вентилей
Плечо выпрямителя
Плечо инвертора
9. Модель схемы инвертирования
Шестипульсовая схема инвертирования, смоделированная в среде пакета Matlab.
Настройка схемы
Настройка источника Настройка трансформатора
Настройка нагрузки
Настройка константы
Настройка блока Step
Осциллограмма токов и напряжений до и после опрокидывания инвертора
Нормальный режим:
Осциллограмма токов и напряжений в режиме инвертирования
Режим опрокидывания:
При опрокидывании инвертора на его зажимах возникает переменное напряжение, равное линейному напряжению вентильных обмоток трансформатора (синусоида зеленого цвета).
10. Модель схемы выпрямления
Шестипульсовая схема выпрямления, смоделированная в среде пакета Matlab
Выпрямитель
Настройка схемы:
Настройка источника
Настройка трансформатора
Настройка нагрузки
Осциллограмма токов и напряжений в нормальном режиме и при коротком замыкании на зажимах выпрямителя в момент времени 0.2 сек.
Нормальный режим работы выпрямителя
Аварийный режим – К.З. на зажимах выпрямителя
