Расчёт силовых схем тиристорного преобразователя

1.1 Краткая характеристика ТП, используемых в электромеханике.

Одним из основных видов регулируемых электромеханических систем являются системы с электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения.

Для питания якорных цепей, обмоток возбуждения и генераторов в них используются полупроводниковые преобразователи напряжения, построенные в основном на базе тиристоров.

Базовые типы преобразователей по принципу действия подразделяют на: 1) широтно-импульсные преобразователи (ШИП), обеспечивающие преобразование постоянного напряжения питания в постоянное регулируемое напряжение на выходе; 2) управляемые выпрямители (УВ) предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное регулируемое напряжение на выходе. Частным случаем УВ является неуправляемый выпрямитель (В); 3) ведомые сетью (зависимые) и автономные инверторы (АИ), служащие для преобразования постоянного напряжения питания в в переменное напряжение на выходе с регулируемым значением и регулируемой частотой; 4) непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), преобразующие переменное напряжение в переменное напряжение на выходе с регулируемым значением и регулируемой частотой. Различные типы преобразователей обладают одним общим признаком – все они управляют потоком энергии посредством включения и выключения вентильных электронных элементов. Часто преобразователи классифицируют по виду коммутации, различая при этом преобразователи с естественной и принудительной коммутацией.

Функциональная схема ТП представлена на рис.1

Рис.1 Функциональная схема ТП

Входной координатой ТП является напряжение управления Uу, а выходной – выпрямленная ЭДС, определяемая как среднее на интервале проводимости значение в установившемся режиме Е_d и в переходных процессах e_d. Входной блок Б1 преобразует напряжение U_у в угол открывания тиристоров α, а выходной блок Б2 преобразует угол α в ЭДС ТП. Блок Б1 представляет собой систему импульсно-фазового управления (СИФУ), а блок Б2 – вентильную группу, состоящую из комплекта тиристоров, предназначенных для определённого направления тока нагрузки. На выходную координату ТП оказывает влияние возмущающее воздействие – ток нагрузки I_d, который через функциональный блок нагрузки БН поступает на вход блока Б2. Влияние I_d на E_d проявляется только в режиме прерывистых токов. В режиме непрерывных токов ЭДС ТП является функцией только угла управления (открывания).

ТП подразделяются на однофазные и трёхфазные, причём выбор соответствующей схемы зависит от числа фаз питающей сети, мощности привода, допустимых пульсаций напряжения, необходимости изменения направления вращения и рекуперации энергии в сеть.

В свою очередь, в трёхфазных реверсивных управляемых ТП используют различные принципы управления комплектами тиристоров. Так при раздельном управлении управляющие импульсы подаются только на один из тиристорных комплектов, который в данный момент должен проводить ток. На второй комплект импульсы не подаются и он не работает – «закрыт». При совместном управлении управляющие импульсы подаются одновременно на оба комплекта тиристоров и в этом случае для обеспечения синхронной работы тиристоров в схему устанавливаются уравнительные реакторы.

1.2. Расчёт основных параметров и выбор преобразовательного трансформатора.

Для согласования заданной величины выпрямленного напряжения питающей сети и ограничения скорости изменения тока в тиристорах используются преобразовательные трансформаторы, которые выбираются в зависимости от силовой схемы преобразователя, расчётных значений мощности, тока, вторичного напряжения, а также напряжения питающей сети.

Номинальный ток преобразователя I_dном совпадает с номинальным током электродвигателя I_{д ном.}, поскольку I_d = I_д:

I_{д ном.} = Р_{д ном.} / U_{д ном.} η, где

-Р_{д ном.} – номинальная мощность электродвигателя.

- U_{д ном.} – номинальное напряжение на якоре электродвигателя.

- η = 0,8 – 0,9 – коэффициент полезного действия электродвигателя.

Структурная схема преобразования напряжения приведена на рисунке 2, где U_сф – фазное напряжение сети; К_{тр. н} - коэффициент трансформации по напряжению; Е_2ф – фазное напряжение вторичной обмотки преобразовательного трансформатора; К_{сх. н.} – коэффициент схемы по напряжению; Е_d0 – ЭДС на выходе преобразователя при нулевом значении угла управления α.

С целью компенсации падения напряжения в цепях трансформатора и собственно тиристорного преобразователя величина К_{сх. н.} · Е_2ф. = Е_{d 0} должна быть не менее чем на 10 – 15% больше номинального напряжения на якоре электродвигателя U_д.ном.

Величина фазного напряжения во вторичной обмотке трансформатора при соединении её в звезду равняется:

Е_2ф = U₂ /

Значения мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора определяются по максимальной расчётной мощности на стороне выпрямленного напряжения из уравнения, вида:

S₁ = S₂ = К_{сх. н.} Е_d0 I_{d ном.}, где

- К_{сх. н.} – коэффициент схемы по мощности.

Действующее значение тока вторичной обмотки определим из уравнения:

I₂ = К_{сх. т.} I_{д. ном.}, где

- К_{сх. т} – коэффициент схемы по току.

Затем выбираем преобразовательный трансформатор и его основные паспортные данные заносим в таблицу.

1.3. Определение тока короткого замыкания и времени его действия.

Расчёт проведём по эквивалентной схеме для одной фазы на стороне выпрямленного напряжения для номинального режима.

Эффективное значение установившегося тока короткого замыкания определим по формуле:

I_кз = Е_2ф / (Z_c + Z_тр), где

- Z_c и Z_тр. – соответственно сопротивления внешней сети и трансформатора, которые можно определить из выражений, вида:

Z_c = ; Z_тр. = ., где

- U_к – напряжение короткого замыкания в относительных единицах;

- S_тр – мощность трансформатора.

Рассчитаем амплитудное значение тока короткого замыкания по следующим формулам

I_{кз а} = ; I_{кз а} = .

Первая формула используется в случае, если время срабатывания защиты не превышает 10 мс, а вторая - когда время срабатывания защиты 10 мс и более. Соотношение величин I_{кз а} / I_{д ном.} позволяет предварительно определить устройства защиты от токов короткого замыкания. Если это соотношение лежит в пределах ≥ 12, то можно применять быстродействующие плавкие предохранители (БПЛ).

1.4. Выбор тиристоров.

Тиристоры выбираются с учётом рекомендуемого рабочего напряжения схемы преобразователя, возможного повторяющегося напряжения и неповторяющегося (случайного) перенапряжения. Для выбора класса вентилей по напряжению используют формулу:

U_кл. = К_п К_н К_{сх. обр.} Е_2ф., где

- К_п = 1,25; К_н = 1,5 – коэффициенты, учитывающие повторяющиеся и кратковременные перенапряжения на вентилях;

- К_{сх. обр.} – коэффициент схемы, характеризующий величину максимального обратного напряжения на ключе.

Для выбора тиристора по току необходимо определить максимальное значение тока, проходящего через тиристор по формуле:

I_кл. = (К_I · I_{д ном.}) / 3, где

- К_I = 3 – коэффициент перегрузки электродвигателя по току.

В соответствии с полученными расчётными данными выбираем тиристор и сводим в таблицу его паспортные характеристики.

1.5. Выбор сглаживающего реактора.

В электроприводах используются однофазные сглаживающие реакторы, включаемые в сеть постоянного тока, а величина необходимой индуктивности определяется в зависимости от схемы преобразователя и допустимого значения пульсаций тока из соотношения:

L_∑ = , где

- I_п – относительное значение амплитуды пульсирующего тока, определяемое видом преобразователя и и заданным диапазоном изменения выпрямленного напряжения;

- m ₂ - эквивалентное число фаз тиристорного преобразователя.

Требуемая величина индуктивности сглаживающего реактора определяется, исходя из имеющейся индуктивности цепи выпрямленного тока по формуле:

L_с.р. = L_∑ – n L_тр. – L_я.д., где

- n – число фазных обмоток трансформатора, находящихся в цепи выпрямленного тока;

- L_{я д} = 9,4 · 10 ^-3 Гн – индуктивность цепи якоря электродвигателя.

- L_тр. – индуктивность фазы преобразовательного трансформатора, приведённая к вторичной обмотке и равная:

L_тр. = .

1.6. Расчёт и выбор элементов защиты ТП от токов короткого

замыкания и перенапряжений.

Наиболее широкое распространение в качестве защитных элементов полупроводниковых преобразователей от короткого замыкания нашли быстродействующие плавкие предохранители, устанавливаемые в цепи каждого полупроводникового прибора. Они выбираются, как правило, по полному интегралу отключения W_пр.. При этом надёжная защита обеспечивается, если полный интеграл отключения меньше допустимого защитного показателя самого прибора W_п, т.е. с учётом коэффициента запаса к = 1,2 – 1,5, условие надёжной защиты запишется в виде:

W ≤ W_п / к

Выбираем быстродействующие плавкие предохранители и заносим их паспортные данные в таблицу.

При внутренних повреждениях преобразователя условие надёжной защиты полупроводниковых приборов запишется в виде

W_пр / N² ≤ W_п / к,

При параллельном включении вентилей аварийный ток, который течёт через предохранитель, установленный в цепи повреждённого прибора будет в N раз больше тока в цепи каждого из неповреждённых приборов.

В этом случае минимальное число параллельно включённых приборов, при которых обеспечивается надёжная защита при внутренних повреждениях можно определить, как:

N ≥ .

Для устранения перенапряжений, возникающих, особенно в моменты выключения приборов используются RC – цепочки, включаемые параллельно приборам.

Ёмкость RC – цепочек определим по формуле:

С = , где

- I_RRM – повторяющийся импульсный обратный ток;

- I_{TRM –} максимально допустимый средний ток в открытом состоянии;

- U_DRM – повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии.

Сопротивление R защитной цепочки определим, воспользовавшись законом Ома:

R = U_DRM / I_RRM.

Выбираем ближайшие по номиналу конденсатор и сопротивление.

Для определения фактической величины фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора Е_2ф необходимо рассчитать падение напряжения на всех элементах преобразователя и проверить выполнение следующего условия:

Е_2ф ≥ Е_dm / К_{сх. н}, где

- Е_dm = - требуемая ЭДС на выходе вентильного преобразователя.

- К_с = 0,9 – коэффициент, определяющий возможные колебания напряжения в питающей сети;

- α_min = 5⁰ – минимальный угол регулирования;

- Е_{д ном.} = U_{д ном.} – I_{д ном.} R_яц - ЭДС электродвигателя при его работе в номинальном режиме.

- R_яц = R_я + R_{д. п.} – полное сопротивление якорной цепи электродвигателя (якоря и дополнительных полюсов: R_я = 0,_22Ом; R_{д п} = 0,15 Ом;)

- R_∑ = R_{тр. +} R_р + R_я.ц. + R_{дин. в} – суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (обмоток преобразовательного трансформатора, реакторов, якорной цепи, динамического сопротивления тиристоров R_{дин. в} = 3, 36 Мом;

- R_к = (m₂ · x_a) / 2 π – коммутационное сопротивление;

- x_a = L_тр ω – приведённое к вторичной цепи индуктивное сопротивление фазы преобразовательного трансформатора;

- Δ U_в – падение напряжения на тиристоре;

- А – коэффициент, характеризующий наклон нагрузочной характеристики преобразователя от влияния коммутации вентилей;

- R_тр. = Р _кз / 3 I²_2ном. - сопротивление обмоток трансформатора.

Если приведённое выше условие не выполняется, то необходимо рассчитать фактический коэффициент перегрузки двигателя по току К_1ф, который может обеспечить тиристорный преобразователь при номинальном напряжении на электродвигателе, причём величина К_1ф должна быть больше чем 1,1.

2. Построение характеристик тиристорного преобразователя и

Дата добавления: 2015-07-11