Расчет режимов работы выпрямителя

Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

"НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Институт - Энергетический

Направление - Электроэнергетика

Кафедра - ЭПП

РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

"Силовые преобразователи в электроснабжении"

Студент гр.9А83 Казаков Н.А.

Преподаватель (профессор) Лукутин Б.В.

Томск - 2011

Содержание

 

Введение

1. Структурная схема системы фазового управления

2. Расчет рабочего номинального режима выпрямителя и расчет для заданного α

3. Расчет номинального рабочего режима α = 0

4. Построение временных диаграмм работы выпрямителя по расчетным данным и графическое определение пульсации выпрямленного напряжения при α = 0˚

5. Расчет и построение регулировочной и внешних характеристик выпрямителя для режима номинальной нагрузки

6. Расчет коэффициентов преобразования выпрямителя

7. Расчет гармонического состава и коэффициентов искажения синусоидальности фазных токов и напряжений выпрямителя для номинального режима при α = 0

8. Расчет баланса мощностей выпрямителя при α = 0

9. Выбор вентилей выпрямителя и расчет их теплового режима

10. Расчет силового фильтра

Заключение

Список литературы

Введение

Трёхфазный выпрямитель - устройство, применяемое для получения постоянного тока из трёхфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского. Цель курсовой работы - рассмотреть характерные режимы работы одного из простейших и часто встречающихся преобразователей электрической энергии - трехфазного мостового выпрямителя.

Трехфазный выпрямитель может использоваться для питания якорных цепей двигателей постоянного тока в электроприводах станков и других машин, а также может использоваться в качестве регулятора напряжения в цепях с активной или активно-индуктивной нагрузкой

При выполнении курсовой работы необходимо закрепить теоретические знания практическим выполнением расчетов рабочих режимов управляемого выпрямителя, выбором силовых вентилей и анализом их температурного режима, расчетом искажений токов и напряжений питающей сети и выбором фильтрокомпенсирующих устройств. Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволяет глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии.

1. Структурная схема системы фазовго управления

Наиболее распространенным способом регулирования углов включения тиристорами является вертикальное управление. Принцип вертикального управления заключается в сравнении синхронизирующего напряжения пилообразной формы с управляющим напряжением. Синхронизирующее напряжение формируется синхронно и синфазно с сетевым напряжением выпрямителя. В результате точка сравнения синхронизирующего U_с и управляющего U_у сигналов определяет соответствующее значение угла управления тиристором.

На рисунке обозначены: ГПН - генератор пилообразного напряжения;

К - компаратор;

ФИ - формирователь импульса;

У - усилитель.

Аналогичные каналы управления имеются и в фазах В, С.

Рис.1. Блок - схема фазового управления вентилями фазы А выпрямителя

2. Расчет рабочего номинального режима выпрямителя и расчет для заданного α

Номинальный режим выпрямителя характеризуется номинальной нагрузкой и углом управления вентилями a=0. С изменением a происходит регулировка выходного напряжения, и режим работы выпрямителя изменяется.

Рис.2. Расчетная схема выпрямителя

Анализ физических процессов и энергетических соотношений в схемах выпрямления переменного тока проводится при следующих общепринятых допущениях.

. ЭДС питающего трансформатора составляют трехфазную симметричную систему:

. Нагрузка выпрямителя имеет индуктивный характер, и ток нагрузки I_d идеально сглажен.

выпрямитель электроэнергия трехфазный мостовой

3. Фазное сопротивление трансформатора Х_ф принимается постоянным во всех режимах работы. Активным сопротивлением фазы пренебрегаем ввиду его малости.

. Вентили представляются идеальными ключами, срабатывающими, когда напряжения на аноде и катоде равны.

В работе выпрямителя можно выделить два режима, отличающиеся количеством одновременно работающих вентилей.

. Внекоммутационный - в работе участвуют два вентиля и, соответственно, две фазы питающего трансформатора.

. Коммутационный режим - в работе участвуют под действием ЭДС самоиндукции индуктивности Х_ф три и более фаз и, соответственно три и большее количество вентилей. В этом режиме происходит коммутация тока из одной фазы в другую. При нормальной загрузке выпрямителя в коммутационном процессе одновременно участвуют три фазы, и длительность коммутации не превышает g £ 60^о.

Рис.3. Эпюры токов и напряжений трехфазного мостового выпрямителя, работающего с углом управления терристором α

Угол коммутации управляемого выпрямителя для рассматриваемого случая может быть определен по формуле

где a - угол управления вентилями.

Величина выпрямленного напряжения:

.

Определение интегральных энергетических характеристик выпрямителя позволяет ввести коэффициенты преобразования схемы по току, напряжению, мощности. Обычно, эти коэффициенты определяются для линеаризованной кривой фазного тока, которая принимается трапецеидальной. Тогда действующее значение фазного тока трансформатора, питающего выпрямитель равно:

а коэффициент преобразования схемы выпрямления по току:

Данный коэффициент при принятых допущениях не зависит от угла управления a. С ростом угла коммутации g численное значение К_I уменьшается.

Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению равен:

Зная коэффициенты преобразования выпрямителя по току и напряжению, можно определить коэффициент использования мощности питающего трансформатора:

Расчет режима работы выпрямителя целесообразно осуществлять методом последовательных итераций до получения заданной погрешности сходимости численных величин выпрямленных тока, напряжения и угла коммутации g. Итерации продолжаются до тех пор, пока значение параметров (например, угла g) на предыдущем и последующем этапах расчета будут отличаться на величину, определяющую погрешность вычислений, например 5 %.

3. Расчет номинального рабочего режима α = 0

Принимаем g = 0, тогда

Таблица 1

Ud1	2,339 (о. е.)
Id1	0,97 (о. е.)
	24,21˚

Принимаем g =24,21˚, тогда

Таблица 2

Ud2	2,236 (о. е.)
Id2	0,931 (о. е.)
	23,65˚

Принимаем g =23,65˚, тогда

Таблица 3

Ud32,2409 (о. е.)
Id3	0,9337 (о. е.)
	23,63˚

Принимаем g =23,63˚, тогда подсчитаем погрешность между предыдущим и последующим этапами подсчета , окончательно принимаем g =23,63˚.

Тогда действующее значение фазного тока трансформатора, питающего выпрямитель равно

Коэффициент преобразования схемы выпрямления по току:

Коэффициент преобразования мостового выпрямителя по напряжению равен:

.

Коэффициент использования мощности питающего трансформатора:

4. Построение временных диаграмм работы выпрямителя по расчетным данным и графическое определение пульсации выпрямленного напряжения при α = 0˚

Используя расчетное значение g=23,63˚ и известные параметры напряжения питающей сети и тока нагрузки выпрямителя, строятся в масштабе временные диаграммы напряжения в нагрузке выпрямителя:

Рис.4. Выпрямленное напряжение и напряжение сети

По графикам определяем величину пульсации максимальную и минимальную:

5. Расчет и построение регулировочной и внешних характеристик выпрямителя для режима номинальной нагрузки

Изложенная выше методика расчета режимов работы выпрямителя позволяет рассчитать его регулировочную характеристику по выражению

Для этого необходимо задаться несколькими значениями углов управления a, для каждого из которых повторяется расчет соответствующего режима и определяется графическая зависимость U_d = f (a), E_m = const, R_н = const.

Расчёт режима работы при угле управления не равным 0, вычисления будут аналогичны предыдущему. Расчёты сведём в табл.4:

Таблица 4

α, град.	Итерация	g, град.	Ud, о. е.	Id, о. е.	I, о. е. КIКUКP
10	1	0	2,3036	0,959	0,6938	0,7892	0,474	0,8911
	2	26,02	2,097	0,874
	3	25,001	2,109	0,87
20	1	0	2, 198	0,9158	0,611	0,7892	0,5377	0,7855
	2	30,97	1,835	0,764
	3	29,42	1,8598	0,775
30	1	0	2,0257	0,844	0,4911	0,7892	0,6696	0,6307
	2	37,79	1,4549	0,606
	3	35,74	1,4934	0,622
40	1	0	1,7918	0,7466	0,3403	0,7892	0,966	0,437
	2	45,65	0,9846	0,4103
	3	43,18	1,0348	0,4312
50	1	0	1,5035	0,6265	0,1721	0,7892	1,9105	0,2211
	2	54,09	0,467	0, 1946
	3	51,295	0,5234	0,2181

Таблица 5

α	0	10	20	30	40	50
Ud	2,2309	2,097	1,835	1,4549	0,9846	0,467

Рис.5. Регулировочная характеристика

Внешние характеристики U_d=f (I_d) при a=const легко определяются выражением  Данное выражение справедливо для нормального двух-трехвентильного режима работы выпрямителя, т.е. для значений угла коммутации . Значение тока нагрузки, при котором выпрямитель перейдёт в аварийный трёх-четырёх вентильный режим работы при угле коммутации =60°, следовательно, внешняя характеристика выпрямителя нормального режима при =0 ограничивается значением тока I_dmax, при котором = ().

Расчеты сведены в табл.6.

Таблица 6

, град. Id, о. е. Ud, о. е.
0	0	2,3391
	5,567	1,7543
10	0	2,3036
	5,567	1,5518
20	0	2, 198
	5,567	1,3021
30	0	2,0257
	5,567	1,0129
40	0	1,7918
	5,567	0,6928
50	0	1,5035
	5,567	0,3518
60	0	1,695
	5,567	0

Рис.6. Внешняя характеристика

6. Расчет коэффициентов преобразования выпрямителя

Значения коэффициентов преобразования для нескольких значений a, берём из предыдущего раздела работы. Построим графическую зависимость К_U, К_I, К_р = f (a).

Таблица 7

a	Ki	Ku	Kp
0	0,7892	0,446	0,946
10	0,7892	0,474	0,8911
20	0,7892	0,5377	0,7855
30	0,7892	0,6696	0,6307
40	0,7892	0,966	0,437
50	0,7892	1,9105	0,2211

Рис.7 Зависимость К_U, К_I, К_р = f (a)

Фазовый сдвиг первой гармоники фазного тока выпрямителя относительно ЭДС приближенно определяется как φ₁ = a + g/2. Задаваясь значениями a и имея из предыдущих расчетов значения угла коммутации g для заданных a отыскиваем зависимость cos₁ = f (a).

Расчеты сведем в табл.8:

Таблица 8

a	0	10	20	30	40	50
сosф1	0,978	0,919	0,814	0,657	0,377	0,224

Рис.8 Графическая зависимость cos (φ) = f (α)

7. Расчет гармонического состава и коэффициентов искажения синусоидальности фазных токов и напряжений выпрямителя для номинального режима при α = 0

Задание состоит в определении коэффициента гармоник напряжения сети, питающей управляемый выпрямитель. Исходными данными служат параметры номинального режима выпрямителя, рассчитанные в пункте №3.

Определение степени искажения кривой напряжения осуществляется по известному гармоническому спектру несинусоидального, в частности, трапецеидального, тока, потребляемого вентильной нагрузкой. При принятых допущениях кривая фазного тока трехфазного мостового выпрямителя представляет собой криволинейную трапецию. При пренебрежении активным сопротивлением фазы, закон изменения тока на интервале коммутации представляет собой синусоидальную зависимость. Достаточно простое математическое описание кривой фазного тока позволяет получить аналитические зависимости его гармонического состава

где I_кm - амплитудное значение к-ой гармоники, к = 1, 5, 7, 11, 13, 17,.;

Коэффициенты

Амплитудное значение основной гармоники тока трансформатора имеет вид

Угол сдвига фаз между ЭДС и основной гармоникой тока трансформатора определяется соотношением

.

Степень искажения формы тока определяется коэффициентом гармоник по току

,

где I_кm - амплитуды высших гармоник; I_1m - амплитуда первой гармоники фазного тока.

Несинусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению

,

где U_кm - амплитуды высших гармоник напряжения, U_1m - амплитуда первой гармоники напряжения.

Стандарты на качество напряжения устанавливают величину К_ГU в сетях 0,38 кВ до 12%.

Искажения сетевого напряжения вентильной нагрузкой возникают за счет падения напряжений на внутреннем сопротивлении сети. Для количественной оценки искажений выпрямитель в электрической системе обычно рассматривается как генератор гармоник тока. Источник суммарного тока всех гармоник I_к нагружен на эквивалентное сопротивление питающей сети Z_фк =r_ф+jк·хф, реактивная составляющая которой зависит от частоты. Тогда ток к-ой гармоники в питающей сети создает падение напряжения

Суммарное напряжение от высших гармоник в сети можно определить, используя принцип наложения, предварительно рассчитав падение напряжения от каждой гармоники тока. Определив содержание высших гармоник в напряжении питающей сети, находим коэффициент гармоник К_ГU. Как правило, расчет ведется для гармоник не выше к=13, так как амплитуды токов и напряжений более высоких порядков относительно малы. Кроме того, эквивалентное сопротивление питающей сети существенно уменьшается за счет влияния емкостей кабеля и другого оборудования.

Исходными данными для расчета являются параметры номинального режима, рассчитанные в предыдущем пункте. Основным параметром для расчета I_кm является величина угла коммутации при известных значениях E_m, a, x_ф. Активное сопротивление сети принимается равным 0,1x_ф=r_ф.

Расчет начинается с определения гармонического состава фазного тока сети, питающей выпрямитель. Далее, по известному спектру тока определяем падение напряжения на сопротивлении сети от каждой гармоники тока и находится К_ГU.

Таблица 9

Номер гармоники, к	Кк1	Кк2	Zфк	Umк =Iкm Zфк
1	-	-	1,022	0,110	0,11
5	0,00678	0,00333	0,0272	0,55	0,014
7	0,00107	0,00153	0,0193	0,77	0,0148
11	0,00133	0,000083	0,0121	1,21	0,0146
13	0,00112	0,0000035	0,0102	1,43	0,0145

Примечание: (g =23,63˚ g =0,412 рад)

Пример расчёта для гармоник

1-ая гармоника:

Угол сдвига фаз между ЭДС и основной гармоникой тока трансформатора определяется соотношением:

Амплитудное значение основной гармоники тока трансформатора:

Активное сопротивление сети принимается равным

| 0,1х_ф | = | r_ф |.

Эквивалентное сопротивление питающей сети, реактивная составляющая которой зависит от частоты:

Ток к - ой гармоники в питающей сети создает падение напряжения:

5-ая гармоника:

Коэффициенты:

Амплитудное значение к - ой гармоники находится:

Степень искажения формы тока определяется коэффициентом гармоник по току:

Несинусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению:

Стандарты на качество напряжения устанавливают величину К_ГU в сетях 0,38 кВ до 12%.

8. Расчет баланса мощностей выпрямителя при α = 0

Полная мощность, потребляемая выпрямителем складывается из активной мощности первой гармоники Р₁, реактивной мощности Q₁ и мощности искажений N:

Выразив действующие значения токов и напряжений через коэффициенты гармоник и первую гармоническую составляющую, получим:

Активная и реактивная мощность первых гармонических составляющих

Соответственно, мощность искажений определится как

9. Выбор вентилей выпрямителя и расчет их теплового режима

Расчет условий работы вентилей выпрямителя следует проводить для режима максимальной нагрузки при a = 0.

Исходными данными для расчета являются заданный ток нагрузки и режим работы выпрямителя. Расчет производится в именованных единицах.

Определим  по следующему выражению

где К_u - коэффициент преобразования схемы по напряжению.

По известному току I_d определяются среднее I_ср и действующее значение тока вентиля

,

Коэффициенты амплитуды К_а=3 и формы К_ф=1,73 определяются по справочнику [1, табл.3-4].

По среднему значению тока I_ср предварительно выбирается тиристор [1] и, соответственно, его параметры: пороговое напряжение U₀ динамическое сопротивление R_d установившиеся и переходные тепловые сопротивления при выбранных условиях охлаждения. Предпочтительным способом для охлаждения является естественное воздушное охлаждение.

Определим повторяющееся напряжение - это максимально допустимое мгновенное значение напряжения, прикладываемого к полупроводниковому прибору в обратном или прямом закрытом направлении. Повторяющееся напряжение является функцией схемы вентильного преобразователя и напряжения питающей сети. Исходя из известного питающего напряжения, выбирается класс тиристора

Применяем тиристор 11 класса с рабочим напряжением 880 В.

Условия выбора тиристора I_н> I_ср= 266,67 (А)

выбираем низкочастотный тиристор нелавинного типа Т500 со следующими номинальными параметрами:

Пороговое напряжение U₀=1,3 (В)

Динамическое сопротивление R_д= (Ом)

Установившееся тепловое сопротивление в статике R_т=0,274 (˚С/Вт)

Максимально допустимая температура структуры

Определяем потери, состоящие из основных и дополнительных:

Дополнительные потери при частоте питающего напряжения менее 400 Гц составляют 2-5% и в расчете не учитываются.

Предпочтительным способом охлаждения является естественное воздушное охлаждение.

Определяется температура полупроводниковой структуры прибора при известной температуре окружающей среды _с=20 ^оС

Подсчитанное значение  сравнивается с максимально допустимой температурой для данного полупроводникового прибора 144,14>125˚С, что свидетельствует о не приемлемости тиристора.

Следовательно подбираем тиристор не лавинного типа с водяным охлаждением ТВ630.

Пороговое напряжение U₀=1,17 (В)

Динамическое сопротивление R_д= (Ом)

Установившееся тепловое сопротивление при расходе воды 1л/мин R_т=0,081 (˚С/Вт)

Максимально допустимая температура структуры

Определяется температура полупроводниковой структуры прибора при известной температуре окружающей среды _с=20 ^оС

Периодичность включения нагрузки

Время подключения нагрузки, равное времени паузы:

Определяем из справочника [1, стр.235] переходные тепловые сопротивления при выбранных условиях охлаждения соответствующим отрезкам времени по приведенным зависимостям:

Проводится проверка теплового режима при повторно-кратковременном режиме работы. Температура _р-n определяется для длинной серии импульсов мощности потерь Р по выражению:

Подсчитанное значение  сравнивается с максимально допустимой температурой для данного полупроводникового прибора (49,78˚<125˚С), что свидетельствует о приемлемости тиристора.

10. Расчет силового фильтра

Расчет ведется в именованных единицах, для чего относительные значения гармоник фазных токов выражаются в Амперах. Действующее значение фазного тока определяется по заданному току I_d и подсчитанному значению К_I. Гармонические составляющие фазных токов в именованных единицах находятся по известному из предыдущих расчетов процентному содержанию высших гармоник в кривой тока:

Последовательность расчета элементов фильтра:

. Определяется мощность батареи конденсаторов на фазу

Q_к = 1,3 U_фд × I_кд

где U_фд - действующее значение фазного напряжения [В], I_кд - действующее значение тока к-ой гармоники [А].

. Учитывается уменьшение реактивной мощности конденсаторов при уменьшении сетевого напряжения. Учет производится с помощью коэффициента b_к, значения которого для 5,7 гармоник принимаются 0,83-0,82; для 11, 13 гармоник - 0,77-0,765. Тогда Q_ф = b_k Q_к.

. Выбираются стандартные конденсаторы, ориентируясь по расчетной мощности.

. Определяем требуемое значение индуктивного сопротивления дросселя. Сопротивление выбранного конденсатора х_к емкостью С на к-ой гармонике определяется по формуле

Тогда индуктивность дросселя получим из соотношения

Соответствующие расчеты проводятся для 5, 7, 11, 13 гармонических составляющих питающего напряжения:

Пример расчёта параметров фильтра для 5-ой гармоники

Выбираем конденсатор типа КМ - 0,23-5-3, типовая мощность которого равна 5,4 кВАр, типовая ёмкость равна С=220 (мкФ).

Для систематизации расчёта параметров фильтров для различных гармоник составим соответствующую таблицу 10.

Таблица 10. Расчетные данные силового фильтра

№ гармоники	5	7	11	13
Значение Qk (кВАр)	7,943	5,43	3,53	2,98
Значение β	0,83	0,83	0,77	0,77
Значение Qф (кВАр)	6,601	4,68	2,72	2,29
Тип конденсатора	КМ 0.23-7-3	КМ 0.23-5-3	КМ 0.23-5-3	КМ 0.23-5-3
Ном. напряжение (В)	400	230	230	230
Типовая емкость (мкф)	420	220	220	220
Тип. мощность (кВАр)	9,0	5,4	5,4	5,4
Пред. напряжение (В)	430	250	250	250
Xk = Xl (Ом)	4,55	3,23	2,07	1,75
L (мГн)	14,5	10,3	6,6	5,6

Заключение

Цель, поставленная в курсовой работе была выполнена - были изучены режимы работы выпрямителя при различных углах управления и углах коммутации. Также были построены регулировочная и внешние характеристики выпрямителя. Графически внешние характеристики для нормального двух-трехвентильного режима работы выпрямителя при разных α представляют собой семейство прямых, параллельных друг другу.

При выборе силовых вентилей был произведён анализ его теплового режима, этот параметр является критерием работоспособности полупроводниковых приборов.

Несинусоидальность тока, потребляемого выпрямителем, вызывает искажение формы напряжения сети соизмеримой мощности. Степень искажения напряжения оценивается коэффициентом гармоник по напряжению, для данного выпрямителя К_ГU = 2,22%<12%.

Для подавления высших гармоник тока был произведён расчёт и выбор фильтрокомпенсирующих устройств.

Расчет коэффициента использования мощности питающего трансформатора и потерь электроэнергии при выпрямлении переменного тока позволили глубже изучить эффективность процесса преобразования энергии.

Список литературы

1. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю. В. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. - М. Энергия, 1975.

. Лукутин Б.В. Расчет режимов работы выпрямителя. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов ЭЛТИ направления 140200 по курсу "Силовые преобразователи в электроснабжении". - Томск: Изд. ТПУ, 2006. - 28 с.

. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Силовые преобразователи в электроснабжении. - Томск: Изд. ТПУ, 2006. - 144с.