Электрооборудование промышленности (стр. 13 )

7.2. Курсовая работа.

Основу современного промышленного электрооборудования составляет регулируемый электропривод с управляемыми полупроводниковыми преобразователями электроэнергии и системами управления, оптимально приспособленными по энергетическим и технологическим показателям. Настоящая курсовая работа посвящена проектированию и расчету управляемых полупроводниковых преобразователей для электроприводов постоянного и переменного тока.

Выполнение и оформление курсовой работы осуществляется в соответствии с требованиями, установленными государственными стандартами и нормами ЕСКД. В начале расчетно-пояснительной записки помещается титульный лист, выполненный по приведенному образцу. За титульным листом помещается задание и лист с содержанием записки, состоящий из перечня всех разделов с указанием соответствующих страниц. В конце записки проводится библиографический список литературы с указанием фамилии автора, его инициалов, названия работы, города издательства, года издания. При оценке курсовой работы особое внимание уделяется обоснованию принятых решений, а также оформлению работы. Ниже приведены задания к курсовому проекту и методика их выполнения.

Задание 1

1. Спроектировать управляемый выпрямитель (УВ) для электропитания двигателя постоянного тока тиристорного электропривода. Технические данные электродвигателя даются в табл П1

2. Построить регулировочную характеристику выпрямителя.

3. Вычислить минимальное αМИН и максимальное αМАКС значения углов включения тиристоров, которые должна сформировать СИФУ для стабилизации выходного напряжения УВ Udα на уровне 0,7Ud при нестабильном фазовом напряжении вентильной обмотки U2Ф, изменяющемся от U2Ф. МИН = ξП ∙U2 НОМ до U2Ф. МАКС = ξМ∙ U2 НОМ. Потери напряжения в фазах УВ не учитывать.

4. Вычертить кривые мгновенных значений фазных напряжений u2ф. мин и u2ф. макс (-π/2 ≤ ωt ≤ +5π/2, масштаб 30 эл. градусов в 1 см. или π/6 рад. в1 см.) и напряжения udα на выходе тиристорной группы при минимальном U2Ф. МИН и максимальном U2Ф. МАКС значениях фазного напряжения. Отметить уровень 0,7 Udα и значения углов αМИН и αМАКС.

5. Вычислить наибольшую мощность потерь в тиристорах за счет прохождения прямого тока и коэффициент использования вентильных обмоток трансформатора.

Электрическая принципиальная схема силовой части УВ

Вариант схемы приведен на рис. 7.1 и содержит следующие функциональные узлы и аппараты:

- входной согласующий трансформатор ТV;

- автоматический выключатель QF;

- силовые предохранители FU;

- контактор КМ;

- блок силовых полупроводниковых приборов UZ;

- дроссель L;

- приборы индикации тока и напряжения на выходе устройства RS;

- органы контроля и управления устройства; SB

- блоки системы управления преобразователем U;

- блоки источника питания системы управления G;

- входные и выходные зажимы силовых цепей X1, Х2.

Трехфазное напряжение питания Uc=380 В, fc=50 Гц, через входные клеммы подается на разъединитель, предназначенный для предотвращения подачи напряжения на установку при наладке, профилактических осмотрах, с целью обеспечения видимого разрыва электрической цепи. При включении разъединителя напряжение подается на согласующий трансформатор (схема соединения звезда-звезда), осуществляющий гальваническое разделение и согласование напряжения сети с входным напряжением выпрямителя. При замыкании автоматического выключателя, установленного для защиты питающих сетей и цепей нагрузки от токов короткого замыкания и тепловой защиты от длительной перегрузки, напряжение через предохранители подается на входные клеммы силового контактора. Силовой контактор предназначен для автоматического и дистанционного включения установки на нагрузку и отключения вторичных цепей. При включении силового контактора и подачи управляющих выходных импульсов СИФУ на силовые полупроводниковые приборы за счет регулирования электрического угла открытия тиристоров происходит регулируемое преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Преобразователь выполнен по трехфазной, полностью управляемой тиристорной мостовой схеме, что позволяет при работе на электрическую машину постоянного тока получать как выпрямительный, так и инверторный режим работы, или потреблять и отдавать энергию в сеть, обеспечить как двигательный, так и генераторный режим работы двигателя. Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепь нагрузки включен дроссель. Устройство позволяет регулировать напряжение в пределах 0 – Ud. Так как номинальное напряжение катушки контактора, цепей управления преобразователя и источников питания U=220 В, то для обеспечения такого уровня напряжения предусмотрен нулевой провод РЕ. Для сигнализации наличия напряжения включения и отключения преобразователя на нагрузку в схеме установки предусмотрены сигнальные индикаторы HL.

В состав трехфазного мостового тиристорного преобразователя (рис.7.1) входят две группы тиристоров – катодная VS1, VS3, VS5 и анодная VS2, VS4, VS6, трансформатор и система импульсно-фазового управления СИФУ. Система вырабатывает импульсы управления тиристорами с заданной фазой по отношению к напряжению сети. Тиристоры в каждой группе открываются с интервалом 2π/m (m=6). Углы открытия тиристоров в обеих группах отсчитываются от моментов естественного включения, соответствующие моменту равенства фазных или линейных ЭДС. Ток в преобразователе всегда протекает по двум тиристорам, принадлежащим к различным вентильным группам, и по двум обмоткам трансформатора.

Поэтому при открывании тиристора в фазе а импульсом, поступающим от СИФУ в момент Ue+α (где Ue – угол естественного включения неуправляемого преобразователя) необходимо также подать импульс управления на VS6 фазы в. ЭДС в цепи нагрузки е2d становится равной линейной ЭДС е2аb=ea– eb В режиме непрерывного тока в момент открывания очередного тиристора ток еще продолжает протекать через ранее открытый тиристор. Время, в течение которого ток переходит с одного тиристора на другой, называется интервалом коммутации γ.

Необходимость одновременного открывания двух тиристоров, принадлежащих разным группам, требует наличия широких импульсов управления (λу > 60°) или сдвоенных узких импульсов, сдвинутых друг от друга на 60°. Выпрямленное напряжение ud описывается кривой линейного напряжения. Пульсации кривой соответствуют шестикратной частоте по отношению к частоте переменного тока (m=6). Длительность протекания тока в каждом тиристоре равна γ+2π/З. Среднее значение тока IVS=Id/3. При больших углах управления (α>90°) тиристор до подачи импульса управления должен выдерживать без преждевременного открытия максимальное значение прямого напряжения, а после его закрытия максимальное значение обратного напряжения и начальный скачок обратного напряжения.

Обратное напряжение определяется линейным напряжением, так как в непроводящую часть периода неработающие тиристоры присоединены к двум фазам трансформатора через работающие. Ток во вторичной обмотке трансформатора переменный и равен сумме токов тиристоров, присоединенных к данной фазе. Поток вынужденного намагничивания в магнитопроводе не возникает, поскольку по вторичным обмоткам, расположенным на разных стержнях, всегда протекают противоположные по направлению и равные по величине токи.

Порядок расчета УВ.

Включает определение параметров и типовой мощности преобразователь-

ного трансформатора, выбор типа вентилей, расчет индуктивности сглаживающего реактора, выбор электрических аппаратов и защитных устройств.

Расчет параметров преобразовательного трансформатора

Проводится по заданным параметрам сети переменного тока UC = 380 В; f1 = 50 Гц, напряжению Ud , мощности РН и к. п.д. двигателя постоянного тока. Теоретическое значение напряжения U2Ф* вентильной обмотки трансформато - ра соответствует выражению

U2Ф*= kU∙ Ud , (7.1)

где kU – коэффициент характеризующий соотношение напряжений U2ф/Ud в идеальном выпрямителе, приведен в табл.7.2. С учетом необходимых запасов напряжение вентильной обмотки

U2Ф= kc∙k∙α·kr· U2Ф* (7.2)

Коэффициент запаса kс=1,05 – 1,1 учитывает возможное снижение напряжения сети на 5 – 10 % от Uс. ном .

Коэффициент kα =1,05 – 1,1 учитывает неполное открывание тиристоров. Коэффициент k r= 1,05 – 1,1 учитывает падение напряжения в обмотках трансформатора и в тиристорах.

Расчетное действующее значение тока вторичной обмотки определяют по формуле

I2ф.расч = kI∙ki∙Id, (7.3)

где

Id = (7.4)

где, в свою очередь, РН – номинальная мощность двигателя постоянного тока; η– его к. п.д.

Коэффициент схемы kI (табл.7.2) характеризует отношение токов I2ф/Id в идеальном выпрямителе, коэффициент ki учитывает отклонение формы анодного тока тиристоров от прямоугольной и согласно экспериментальным данным составляет 1,05 – 1,1.

Действующее значение тока вентильной обмотки

I1ф. расч =I2ф. расч/kтр, (7.5)

где kтр – коэффициент трансформации трансформатора

kтр = W1/W2=0,95U1ф/U2ф. (7.6)

Расчетная типовая мощность трансформатора, кВА,

, (7.7)

где коэффициент ks – коэффициент схемы (табл.7.2), характеризующий соотношение мощностей S/Ud∙Id для идеального выпрямителя с нагрузкой на противоЭДС.

На основании расчетных данных (I1ф. расч, I2ф. расч , U2, Sтр) выбирается по справочнику преобразовательный трансформатор трансформатор.

Таблица 7.2

Значения расчетных коэффициентов

Наименование схемы выпрямления	Коэффициенты
kU= U2ф/Ud0	KI= I2ф/Id	kS= Sтр/ (Ud0∙Id)	kUобр= Uобр.макс/Ud0	kф= Iв. дейст/Iв. ср	Iср/Iдейст
Однофазная двухполупериодная (нулевая)	1,11	0,707	1,34	3,14	1,41	0,5
Однофазная мостовая	1,11	0,707	1,11	1,57	1,41	0,5
Трехфазная нулевая	0,855	0,577	1,35	2,09	1,73	0,33
Трехфазная мостовая	0,427	0,817	1,05	1,05	1,73	0,33

Выбор вентилей

Производится по предельному значению тока, протекающего через прибор, и максимальному значению обратного напряжения с учетом условий охлаждения тиристора и отличия формы тока от полусинусоиды.

В трехфазных схемах тиристорных преобразователей при работе на якорь двигателя или на обмотку возбуждения со значительной индуктивностью силовой цепи, ток, протекающий через тиристоры, имеет форму близкую к прямоугольной, а угол проводимости λ составляет 120 °. В этом случае действующее значение тока Iд=1,73Id/3.

Среднее значение прямого тока тиристора в заданной схеме управления определяется по формуле:

(7.8)

Коэффициент kз. I = (2 – 2,5) – коэффициент запаса по току, учитывает кратность пускового тока; mT – число фаз преобразовательного силового трансформатора.

Коэффициент kохл – коэффициент, учитывает интенсивность охлаждения силового тиристора (kохл = 1,0 при принудительном и kохл = 0,33 – 0,35 при естественном воздушном охлаждении со стандартным радиатором, соответствующим данному типу полупроводникового прибора).

Расчетное значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к тиристорам вычисляется по формуле

, (7.9)

где kз. U = (1,4 – 1,6) – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети и периодические выбросы Uобр, обусловленные процессом коммутации вентилей; kUo6p (табл.7.2.) – коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений Uобр. макс/Ud0 для принятой схемы выпрямления; Ud0= U2ф/kU – напряжение на выходе преобразователя при α = 0.

По полученным данным выбираются силовые тиристоры, имеющие параметры:

ITAN ≥ Iср. расч; UDRM, URRM ≥ Uобр. расч (7.10)

Выбор сглаживающего реактора

Производится из условий обеспечения непрерывности тока двигателя во всем диапазоне нагрузок от Id. мин до Id. ном и изменении угла регулирования от αмин до α = 90° , а также ограничения пульсаций выпрямленного тока id до (0,03 – 0,05)Id. ном, которые ухудшают процессы коммутации на коллекторе двигателя и увеличивают потери, и, соответственно нагрев двигателя.

С достаточной для инженерных расчетов точностью требуемая суммарная индуктивность якорной цепи преобразователь – двигатель, равная Ld = Lдв + Lтр + Lcp может быть определена по формуле:

, (7.11)

где Ud1m – действующее значение 1-й гармоники выпрямленного напряжения;

Id мин – минимальный ток нагрузки преобразователя, принимаемый равным (3 – 5)% от Id. ном;

m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период частоты напряжения сети.

Действующее значение 1-й гармоники выпрямленного напряжения Ud1m при предельном угле регулирования α = 90° для соответствующего значения числа пульсаций m определяется по известному значению Ud0 (m=2, Ud1m/Ud0 = 0,93; m=3, Ud1m/Ud0 = 0,52; m=6, Ud1m/Ud0 = 0,26).

Необходимая индуктивность сглаживающего реактора будет равна:

Lс. р= Ld. необх – (Lдв + Lтр), (7.12)

где Lдв = Lя. д + Lд. п – индуктивность якоря и дополнительных полюсов двигателя постоянного тока, определяется по таблице П1

,

Lтр = xT/2πf1 – индуктивность фазы трансформатора, приведенная к контуру двигателя, приближенно можно определить по зависимости

, (7.13)

где uk % – напряжение короткого замыкания трансформатора (uk% = (3-6)%), ωс = 2πfс – угловая частота первой гармоники напряжения сети при f1=50 Гц.

Если Lтр в (7.13) получилось меньше или равно нулю, то применять реактор в схеме (рис. 6.1) нет необходимости, т. к. сумма индуктивности Lдв + Lтр достаточна для обеспечения непрерывности тока двигателя

Выбор электрических аппаратов и защитных устройств.

Для обеспечения защитных функций, контроля, дистанционного управления, видимого разрыва силовых цепей применяют коммутационные электрические аппараты.

В рассматриваемом примере в качестве коммутационных аппаратов использованы: разъединитель, автоматический выключатель, быстродействующие предохранители, контактор, методика выбора рассматривается в дисциплине "Электрические и электронные аппараты".Параметры выбранных аппаратов, преобразовательного трансформатора, силовых транзисторов, шунта RS и индикаторных приборов PV и PA отразить в табл.7.3.

Табл.7.3

Характеристики аппаратной и элементной базы

№п/п	Обозначение	Наименование аппарата,элемента (тип)	Кол-во, шт	Электрические параметры	Конструкционные параметры	Диапазон температур, ОС.
Габаритные размеры, мм H·B∙L	Масса, кг	Коэффициент нагрузки, kН
UН,В	IН,А
1	TV	Силовой трансформатор(тип, мощность)	1
2	VS	Силовые тиристоры (тип) с охладителями (тип)	6
3	QF	Автоматический выключатель (тип)	1
4	KM	Контактор (тип)	1
5	FU	Предохранитель(тип)	3
6	RS	Шунт калиброванный (тип, кл. точн.)	1
7	PA	Амперметр щитовой ( тип, кл. точн.)	1
8	PV	Вольметр щитовой ( тип, кл. точн.)	1