Проектування і розрахунок керованих випрямлячів електричного струму

Міністерство освіти і науки України Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка КУРСОВА РОБОТА

“Проектування і розрахунок керованих випрямлячів

електричного струму”

Зміст

Завдання до курсової роботи

Вступ

1. Розрахункова частина

1.1  Розрахунок силової частини випрямляча

1.2  Розробка СІФК

1.2.1 Розрахунок вихідного каскаду

1.2.2 Розрахунок фазозсувного ланцюга

1.2.2 Розробка нуль-органа

1.2.3 Розрахунок генератора лінійно змінної напруги

1.2.4 Розрахунок компаратора

1.2.5 Розрахунок диференціюючої ланки

1.2.6 Розрахунок одновібратора

Література

Вступ

Випрямлячем називається пристрій призначений для перетворення енергії джерела змінного струму в постійний струм. Необхідність в подібному перетворенні з'являється, коли живлення користувача здійснюється постійним струмом, а джерелом електричної енергії є джерело змінного струму, наприклад промислова мережа частотою 50 Гц.

Принцип випрямлення базується на отриманні за допомогою тиристорної схеми із двополярних напруг однополярних напівхвиль напруги, які після фільтра стають згладженими. При великих потужностях навантаження задачу перетворення електричної енергії змінного струму в постійний струм вирішують за допомогою 3-фазних керованих випрямлячів, виконаних за мостовою схемою (рис.1).

Схема імпульсно-фазового керування забезпечує, подачу відкриваючих імпульсів на тиристори перетворювача і разом з перетворювачем вирішує комплекс задач, пов'язаних з формуванням і регулюванням його вихідної напруги.

Загальними вимогами, що пред'являються до системи керування перетворювачем є:

1) надійність відкривання тиристорів силової схеми в усіх режимах її роботи;

2) плавне (в необхідному діапазоні) регулювання кута а подачі керуючих імпульсів на тиристори;

3) висока завадостійкість і надійність.

 

Рис. 1. Структурна схема керованого трифазного випрямляча

1. РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

1.1 Розрахунок силової частини випрямляча

Проведемо розрахунок потужності на навантаженні:

P_dn=U_dn· I_dn

P_dn=660·800=528 кВА

Знайдемо повну потужність трансформатора (без урахування процесу комутації):

S_t=1,045·P_dn

S_t=1,045·528000=551,76кВА

З умови S_tр/S_t вибираємо трансформатор ТСЗП-630 потужністю 645 кВА з характеристиками:

Stр, кВА	Р0, кВА	Рк, кВА	Uk, %	Mаса,T
645	2,1	6,0	6,2	2,45

Для трифазної мостової схеми В =0,5.

Визначимо номінальну фазову напругу вторинної обмотки трансформатора (при куті регулювання  = 0)

U_dn=U_d0 · [cos  - (B·U_k%)/100]

U_d0 = U_dn/[cos  - (B·U_k%)/100] = 660/(1-0,5·6,2/100) = 681,11B

Визначимо номінальну фазову напругу вторинної обмотки U2н:

U_d0=3··U₂/p=2,34·U2н

U2н= 0,427·U_d0 = 0,427·681,11= 291,07B

Необхідна лінійна напруга U_{2л н} становить:

U_2лн =U2н · =291,07· = 503,55В.

Вибираємо лінійну напругу вторинної обмотки потужного трансформатора з номінального ряду 230В, 460В, 660В, 825В

U_2л = 660В

Звідки фазна напруга становить

U₂ = U_2л/ = 660 / = 381,5В.

Знаходимо U_d0 для вибраного значення фазної напруги вторинної обмотки тр. U₂

U_do = 2,34· U₂ = 2,34·381,5= 892,71В.

За відомими значеннямиU_1л i U₂ (U₂ — напруга не на вторинній обмотці трансформатора, а та, яка використовується для розрахунку випрямляча, що живиться від вторинної обмотки трансформатора), визначимо коефіцієнт трансформації силового трансформатора

n =w1/w2=U1л/U2=6000/381,5=15,72

Фазний діючий струм вторинної обмотки трансформатора за умови, що випрямлений струм ідеально згладжений (L_п), дорівнює:

I₂ = 0,817·I_dn = 0,817·800 = 653,6А.

Діючий струм первинної обмотки трансформатора, пов'язаний зі струмом вторинної обмотки коефіцієнтом трансформації, визначається за формулою

I₁ = (0,817·I_dn)/n =І₂/n = 653,6/15,72= 41,57А.

Потужність первинної обмотки трансформатора S₁, з урахуванням 10%-ної зміни напруги, знаходимо за формулою:

S1=m·1,1·I₁· U₁ =m·1,1·I₁·U_1л=3·1,1·41,57·6000=823,086 кВА.

Потужність вторинної обмотки трансформатора S₂, з урахуванням 10%-ної зміни напруги, знаходимо через добуток значення кількості фаз m, фазної напруги вторинної обмотки трансформатора і струму вторинної обмотки. Звідси:

S₂=m·1,1·U₂·I₂=3·1,1·381,5·653,6=822,84 кВА.

Оскільки S₁ = S₂ = S_Т = 823,086 кВА, що більше від 645 кВА, то обраний трансформатор не задовольняє умовам.Тому підбираємо наступний трансформатор ТСЗП-1000,який має такі характеристики:

Sт,кВА	Р0,кВА	Рк,кВА	Uк,%	Маса,Т
1007	2,6	8,0	6,0	3,5

Перерахуємо величини що зміняться внаслідок зміни Uк:

Ud0=660/(1-0,5·6,0/100)=680,41В

U2н=680,41/2,34=290,77В; U2лн=290,77·=503,03В; Вибираємо U2л=660В;

U2=381,5В;Ud0=892,71В;n=15,72;I2=653,6А;I1=41,57А;S1=S2=823,86кВА.

Отримане значення менше,ніж 1007кВА,тому вибраний трансформатор задовольняє умовам.

Будуємо регулюючу характеристику Ud(a) за формулою(рис.2):

Ud=Ud0 · (cosa-(B·Uk%)/100)

Для напруг Udn і Udn/2 знаходимо наближені значення кутів регулювання

an і an1:

an=arccos(Udн/Ud0+B·Uk%/100)=arccos(660/892,71+0,5·6,0/100)=39,7°

an1=arccos(Udn/2·Ud0+B·Uk/100)=arccos((660/2)·892,71+0,5·6,0/100)=66,44 °

Для знайдених кутів регулювання,а також для кута рівного “0” будуємо

Зовнішні характеристики випрямляча(рис.3).

U_d = U_d0 · cos  - (3· I_d X_a)/π

Регулюючі та зовнішні характеристики будуємо по формулах:

Ud=Ud0 · (cosa-(B·Uk%)/100)

U_d = U_d0 · cos  - (3· I_d· X_a)/π

Коефіцієнт використання трансформатора:

K_вт = P_dн /S_T = 528/823,086= 0,64.

Знайдемо сумарний індуктивний опір розсіювання, приведений до вторинної обмотки трансформатора

Х_а = Uk%·U2/I2 ·100=6,0 ·381,5/653,6·100=0,035 Ом.

Тепер визначимо кути комутації струму випрямляча з формули

cos()-cos(+)=2Id · Х_а /Ö6· U2=2· 800· 0,35/Ö6· 381,5=0,059

При куті регулювання =_n

=arccos(cos(_n) – 0,059)-_n=arccos(cos(39,7°) – 0,059)-39,7=5,03⁰

При куті регулювання =_n1

₁ = arccos(cos(_n1) –0,059) - _n1 =arccos(cos(66,44°) –0,059) –66,44°=3,64°

Знаходимо кут зсуву першої гармоніки для 2-х випадків:

1) при =_n

= _n+/2=39,7 ⁰+5,03°/2 = 42,21°

2) при =_n1

₁= _n1+₁ /2 = 66,44⁰+ 3,64⁰/2 = 68,26⁰.

Коефіцієнт спотворення форми кривої змінного струму, що споживається з мережі (коефіцієнт несинусоїдальності) при L для трифазної мостової схеми дорівнює:

К_с= 3/= 0,955.

Розрахуємо коефіцієнт потужності випрямляча =K_c· cos()

1) при =_n

= 0,955·cos(42,21⁰) = 0,7;

2) при =_n1

₁ = 0,955·cos(68,26⁰) = 0,35.

Розрахуємо І_{а сер}. і U_{зв. maх} для вибору тиристорів.

Обернену максимальну напругу вибираємо з урахування коливань мережі ±10%, а також з урахуванням комутаційних перенапружень. Тому в формулу розрахунку U_{зв. тaх} вводимо коефіцієнт 1,4:

І_{а сер}. ≥ І_а = І_dн /3

U_{зв. max} ≥ 1,05·1,4·Ud0

І_{а сер} ≥ І_а =800/3 = 266,66А

U_{зв. max}≥ (1,05 ·1,4·892,71) =1312,28В.

Виберемо тиристор ТБ353-630-14 :

максимально допустимий середній струм у відкритому стані - І_{а сер} = 630 А, повторююча імпульсна напруга у закритому стані –Uзв.max=1400B.

 

Характеристики тиристора ТБ353-630-14:

Іа. сер. = 630 А

DUa = 2,5 B

Uзв. тах = 1400В

Uк=3 В

Ік = 300 мА

tвкл = 4 мкс

tвикл. = 41 мкс

 

Втрати потужності на вентилях розрахуємо за формулою:

DР_а = ma· DU_a·Ia

де ma– кількість тиристорів у випрямлячі (для даної схеми становить 6);

DU_а – падіння напруги на тиристорах;

І_а – прямий струм тиристора.

DР_а = 6∙2,5∙630 = 9,45 кВт.

Для розрахунку коефіцієнта корисної дії випрямляча, без урахування споживання енергії СІФК, знайдемо його значення для 2-х випадків: при вихідній напрузі U_d =U_dn i U_d =U_dn/2.

Для цього попередньо знаходимо коефіцієнти завантаження для 2-х випадків:

а) =U_d/U_dn= U_dn/U_dn=1,

 = (·P_dn)/ (·P_dn+²·DP_a+ P₀+² · P_k),

де P_dn – номінальна корисна потужність;

DР_а – втрати потужності на вентилях;

Р₀ – втрати у магнітопроводі трансформатора;

Р_к – втрати в обмотках трансформатора.

 = (1·528) / (1·528 + 1·9,45 + 2,6 + 1·8,0) = 0,963.

б) = U_d /U_dn∙2 = 0,5,

 = (0,5·528) /(0,5·528 + 0,25·9,45 + 2,6 + 0,25·8,0) = 0,953.