Курсовая работа (т): Зависимый преобразователь переменного напряжения в постоянное

Зависимый преобразователь переменного напряжения в постоянное

Курсовая работа

по дисциплине

«Судовые энергетические полупроводниковые преобразователи»

на тему: «Зависимый преобразователь переменного напряжения в постоянное»

Содержание

. Введение

. Состав управляемого выпрямителя

. Разработка принципиальной схемы силовой части

. Расчёт параметров и выбор оборудования

.1 Выбор силового трансформатора

.2 Расчёт силового трансформатора

.3 Выбор вентилей

.4 Выбор автоматических выключателей и расчёт RC - цепей

.5 Расчёт параметров выходного фильтра

. Разработка принципиальной схемы системы управления

.1 Расчет диапазона регулирования угла управления тиристором

.2 Функциональная схема и принцип работы

.3 Принципиальная схема СУ

.4 Расчет и выбор элементов схемы СУ

.5Временные диаграммы

.6 Принципиальная схема СУ

. Спецификация элементов

Заключение

Список литературы

преобразователь выпрямитель тиристор

Технические данные

Основные:

напряжения на входе UBX = 380 B

диапазон изменения напряжения ΔUВХ = (-5;+10) %

число фаз m=3

частота f = 50Гц

тип силовой схемы Мостовая не симметричная

максимальное выпрямленное напряжение Ud max= 300 В

диапазон изменения выпрямленного напряжения ΔUd = 70 %

максимальный выпрямленный ток Id max = 100 A

минимальный выпрямленный ток Id min = 10 A

Дополнительные:

преимущественный технико-экономический показатель:

экономичность в производстве.

1. Введение

Преобразовательные устройства служат для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное, постоянного напряжения (тока) в переменное, переменного напряжения (тока) одной частоты в переменное напряжение (ток) другой частоты, низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение и т. д. В преобразовательных устройствах используются средства, осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками преобразовательных устройств являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и другие энергетические характеристики.

Преимущества полупроводниковых преобразовательных устройств по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации. Кроме преобразования и регулирования тока и напряжения такие установки обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.

Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразовательные устройства получают широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

В настоящее время силовые полупроводниковые преобразовательные устройства широко используют в цветной металлургии и химической промышленности, на железнодорожном и городском электротранспорте, для питания контактных сетей горнорудного и других видов промышленного транспорта; в черной металлургии, энергетике, станкостроении; в различных отраслях промышленности для электроприводов кранов и экскаваторов, возбуждения электрических машин, зарядки аккумуляторов, питания гальванических ванн; в сварочных аппаратах, агрегатах бесперебойного питания, для высоковольтных линий электропередачи постоянного тока, питания светотехнических приборов; в качестве бесконтактной коммутирующей и регулирующей аппаратуры и т. п.

Преобразовательная техника является одним из наиболее эффективных направлений электротехники. Широкое внедрение силовых полупроводниковых устройств в различные отрасли промышленности способствует дальнейшему техническому прогрессу.

Основными видами преобразователей электрической энергии являются:

а) выпрямители, преобразующие мощность переменного тока в мощность постоянного тока;

б) инверторы, преобразующие мощность постоянного тока в мощность переменного тока;

в) преобразователи частоты, преобразующие мощность переменного тока одной частоты в мощность переменного тока другой частоты;

г) импульсные преобразователи постоянного или переменного тока, преобразующие постоянный или переменный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения;

д) преобразователи числа фаз, преобразующие мощность переменного тока с одним числом фаз в мощность переменного тока е другим числом фаз;

е) преобразователи формы кривой, преобразующие, например, постоянный или переменный ток в короткие импульсы.

Следует отметить, что некоторые виды преобразователей применяют в сочетании с другими, например преобразователи частоты и числа фаз; при этом изменяется еще и величина напряжения переменного тока.

В последнее время для анализа процессов в преобразовательных устройствах все шире обращаются к ЭВМ, что позволяет производить точный расчет и оптимизацию схем.

2. Состав управляемого выпрямителя

Функциональная схема управляемого выпрямителя (рис. 1), состоит из 2-х частей - силовой и информационной. Силовая часть осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное и содержит:

и 5 - коммутационные аппараты для подключения к сети переменного тока и к нагрузке;

- трансформатор, предназначен для понижения сетевого напряжения до уровня примерно равного максимальному напряжению на выходе выпрямителя, кроме того трансформатор служит для электрического разделения цепей преобразователя от сети;

- блок вентилей, является главной частью выпрямителя, обеспечивает выпрямление трёхфазного переменного тока путём подключения вторичного напряжения силового трансформатора в определённые моменты периода к цепи постоянного тока;

-выходной фильтр, предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;

К информационной части относится система управления и регулирования (СУР), предназначена для генерирования и формирования управляющих импульсов определённой формы и длительности, распределения их по фазам и изменения момента их подачи на управляющие электроды вентилей; так же в состав выпрямителя входят и другие устройства и блоки - питания (БП), защиты (ЭЗ), сигнализации (БС) и диагностики (БД).

Кроме перечисленных устройств в состав выпрямительного агрегата входит система охлаждения , предназначенная для обеспечения требуемого теплового режима полупроводниковых вентилей, а также некоторые другие элементы функционального назначения , связанные с конкретными условиями работы выпрямителя.

3. Разработка принципиальной схемы силовой части

Силовая часть состоит из силового трансформатора, вентильного блока, элементов защиты (коммутационных аппаратов) и сглаживающего фильтра.

Выбираем трёхфазную мостовую несимметричную схему выпрямления, к выходу которой будет подключаться активная нагрузка. Мостовой выпрямитель состоит из трёхфазного трансформатора с обмотками, соединёнными по схеме «звезда - звезда», обеспечивающего развязку выпрямителя с сетью и согласование напряжений; блока вентилей VS1,VS3, VS5 (управляемые вентили - тиристоры) и VD2, VD4, VD6 (неуправляемые вентили - диоды). Вентили, пропускающие ток попарно (VS1 и VD2, VS3 и VD4, VS5 и VD6) соединены между собой и нагрузкой последовательно (рис. 2).

Рис.2 Мостовой трёхфазный выпрямитель.

Для защиты от токов короткого замыкания служат автоматические выключатели, выполненные в одном корпусе с коммутирующими аппаратами. Для защиты вентилей от перенапряжений в момент коммутации применяются защитные RC - цепочки (рис. 3). Для сглаживания выпрямленного напряжения применяется LC - фильтр (рис. 4).

Рис. 3 Тиристор с защитными RC - цепями Рис. 4 Сглаживающий Г - образный LC - фильтр

4. Расчёт параметров и выбор оборудования

.1 Выбор силового трансформатора

Выбор силового трансформатора производится по типовой мощности, напряжению первичной обмотки, току и напряжению вторичной обмотки. Эти параметры определяются по соответствующим параметрам нагрузки Ud, Id max, Uвх.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

где ΔUx = (0,05 ÷ 0,2) (В) - коэффициент, учитывающий падение напряжения на индуктивности трансформатора;

ΔU = 2 (В) - падение напряжения на открытых вентилях для трёхфазной мостовой схемы;

ΔUс = 0,1 (В) - относительное изменение входного напряжения (10%)

ΔUd = 300 - выпрямленное напряжение.

Принимая во внимание изменение напряжения сети:

αmin = (5 ÷ 10)0 - минимальный угол управления.

Типовая мощность трансформатора:

.

Кроме того, необходимо предусмотреть запас мощности на подмагничивание сердечника трансформатора, а также общий запас по мощности. По этому  принимаем:

.

По полученным данным выбираем трансформатор с номинальной мощностью 63 кВА (ГОСТ 9680-77), имеющий по ГОСТ 12022-76 следующие параметры:

Полная мощность: S = 63 (кВА);

Класс напряжения 10 (кВ);

Частота питающей сети: f = 50 (Гц);

Число фаз: m = 3;

Напряжение обмотки высокого напряжения (ВН): U1 = 380(В);

Напряжение обмотки низкого напряжения (НН): U2 = 317.583 (В);

Напряжение короткого замыкания: Uк = 4.5 (%);

Потери короткого замыкания: Pк = 1280 (Вт);

Ток холостого хода: i0 = 2.8 (%);

Потери холостого хода: Рх = 240 (Вт).

Трансформатор сухой, с естественным воздушным охлаждением.

.2 Расчёт силового трансформатора

Определение основных электрических величин.

Мощность одной фазы:  .

Мощность обмоток одного стержня: ,

где с = 3 число стержней магнитной системы.

Номинальный ток обмотки ВН:

.

Номинальный ток обмотки НН: .

Коэффициент трансформации: .

Расчёт основных геометрических размеров.

Трансформатор имеет трёхфазный стержневой сердечник, собираемый в переплёт из пластин электротехнической холоднокатонной анизотропной тонколистовой стали марки 3405 по ГОСТ 21427.1-83. Толщина стали - 0.30 мм, стыки косые. В сечении стержня 6 ступеней, в сечении ярма 5 ступеней.

Изоляционные расстояния (табл. 4.15., 4.16., (1)):

Ширина канала между обмоткой НН и стержнемa01 = 14 (мм);

Размер канала между обмотками НН и ВНа12 = 15 (мм);

Радиальный размер канала между обмотками ВН и ННа22 = 10 (мм);

Расстояние от краёв обмотки до ярма сверху и снизуl01 = 30 (мм);

Изоляция между обмоткой НН и стержнем δ01 = 2,5 (мм);

Изоляция между обмотками НН и ВН  δ12 = 2,5 (мм).

Ширина приведённого канала рассеяния трансформатора:

,

где ;= 0,76 - коэффициент, выбираемый в зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН и потерь короткого замыкания (табл. 3.3., (1)).

ар = 1,5 + 2,14 = 3,64 (см) = 0,0364 (м).

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

 (%).

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

 (%).

Индукция в стержне (по табл. 2.4., (1)):

= 1,58 (Тл)

Коэффициент усиления ярма:

я = 1,02.

Индукция в ярме:

 (Тл).

Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня, kc зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали и вида между листовой изоляции. Общий коэффициент заполнения равен:

= kкр · kз = 0,917 · 0,955 = 0,874 , гдекр = 0,917 - коэффициент заполнения круга (табл. 2.6. (1));з = 0,955 - коэффициент заполнения (междулистовая изоляция, жаростойкое покрытие с однократной лакировкой) (табл. 2.2. (1)).

Удельные потери в стали 3405 при частоте 50 Гц и индукции 1,58 Тл определяем по таблице 8.10. (1);

рс = 1.112 (Вт/кг) - потери в стержне;

ря = 1.074 (Вт/кг) - потери в ярме.

Удельную намагничивающую мощность определяем по таблице 8.17. (1);= 1.449 (ВА/кг) - в стержне;я = 1.383 (ВА/кг) - в ярме.

По таблице 3.12. (1) определим значение коэффициента β, который определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора:

β = 1,8.

Для выбранного β рассчитаем основные размеры трансформатора. Определим диаметр стержня:

 ,

здесь kp - коэффициент Роговского.

Ближайшее значение из нормализованной шкалы диаметров (с. 87 (1)):= 0,125 (м).

Средний диаметр канала между обмотками:= a · d = 1,65· 0,125 = 0,206 (м),

где a - коэффициент, зависящий от мощности и класса напряжения, от принятого уровня потерь короткого замыкания и металла обмоток; для трансформаторов мощностью 10 - 160 кВА с применением холоднокатанной стали, с медными обмотками (с. 123 (1)):= 1,65.

Высота обмотки трансформатора:

.

Высота стержня трансформатора:= l + 2 · l01 = 0,36 + 2 · 0,03 = 0,42 (м).

Расстояние между осями стержней:

с = d12 + a12 + b · d + a22 = 0.206 + 0.015 + 0.55 · 0.125 + 0.010 = 0.299 (м),

где b = 0.55 - коэффициент для трансформаторов мощностью до 100 кВА (табл. 3.5 (1)).

Расчёт обмотки низшего напряжения (НН).

Активное сечение стержня

Пс = kз · Пфс = 0,955 · 0,01123 = 0.0107 (м2 ), где

Пфс = 0,01123 (м2 )- полная площадь сечения стержня ступенчатой формы для диаметра d = 0,125 м по табл. 8.6. (1).

Электродвижущая сила одного витка:в = 4,44 · f · Bc · Пс = 4,44 · 50 · 1,58 · 0.0107 = 3,753 (В)

Число витков обмотки НН на фазу:

 (витка),

округлим до целого: ω2 = 85 (витков).

Действительное напряжение одного витка:

.

Действительная индукция в стержне:

 (Тл.)

Средняя плотность тока в обмотках:

 (А/мм2 );

д = 0,97 - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, потери в отводах и других металлических конструкциях от гистерезиса и вихревых токов (табл. 3.6. (1)).

Выбираем конструкцию однослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода ПСДК.

Число витков в одном слое:

ωсл = ω2 = 85 (витков).

Ориентировочный осевой размер витка (высота витка):

Ориентировочное сечение витка обмотки НН:

 (мм2).

По полученным значениям hв1 и Пнн’ по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов подбираем провода (табл. 5.3. (1)). Выбираем прямоугольные медные провода с параметрами:

а = 3.55 (мм) ; b = 11.2 (мм) - размеры шин без изоляции;

а` = 4.05 (мм) ; b` = 11.7 (мм) - размеры шин с изоляцией;

Пнн = 39.2 (мм2 )- сечение витка.