Проектирование тягового полупроводникового преобразователя

Выполнил студент А.К. Москалец

Группа ЭС – 205

Руководитель Ю.П. Васильев

Нормоконтроль Ю.П. Васильев

Санкт-Петербург

Содержание

Содержание. 2

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ. 3

2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА. 5

2.1 Выбор прототипа преобразовательного трансформатора и расчет его сопротивлений. 7

3. Расчет токов в аварийных режимах. 8

4. ВЫБОР ТИПА Диода И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. 11

4.1. Разработка соединения схемы плеча преобразователя. 16

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ. 18

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.. 22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 25

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 26

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ.

В курсовом проекте, производится расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Преобразователь собран по шестипульсовой схеме (трвеугольник-треугольник) преобразования и состоит из преобразовательного трансформатора и трехфазного мостового выпрямителя (рис.1).

Мостовая схема обладает рядом достоинств, по сравнению с нулевой схемой с уравнительным реактором. Прежде всего у мостовой схемы более высокий коэффициент использования мощности трансформатора – 0,95 против 0,8. Конструкция трансформатора значительно упрощается, так как отпадает необходимость в двух вторичных обмотках. Отпадает необходимость и в самом уравнительном реакторе.

В системах электроснабжения железных дорог, метрополитена, и городского электротранспорта, достаточно широко распространены шестипульсовые мостовые выпрямители.

Схема шестипульсового мостового управляемого выпрямителя

Рис.1

ТД

Рис.1

2. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКОВ И МОЩНОСТИ. ВЫБОР ТРАНСФОРМАТОРА.

Номинальный и перегрузочный режимы принимаются исходя из рекомендаций. Параметры номинального режима по току определяются по заданию. Кратность в процентах от номинального тока, длительность перегрузок и цикличность должны соответствовать требованиям к тяговым выпрямителям (ГОСТ 2329-70):

125% в течении 15 минут 1 раз в 2 часа: 3500 A

150% в течении 2 минут 1 раз в 1 час: 4200 A

200% в течении 10 секунд 1 раз в 2 мин: 7000 A

Предварительно производится расчет для номинального режима при идеальных СПП и пренебрежении сопротивлениями питающей сети.

Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода вычисляется по формуле:

,

где - потери выпрямленного напряжения на коммутацию, 10% от

Udo=825+0.1*825

^В

Максимальное значение напряжения в контактной сети, В

- метро.

Номинальный угол управления (, рад) высчитывается по формуле

Линейное напряжение вторичной обмотки вычисляется по следующей формуле:

U2= *1.1*Udн= *1.1*825

^В

Максимальное обратное напряжение на плече преобразователя, В

= *671.986

^В

Коэффициент трансформации трансформатора для схемы треугольник-треугольник вычисляется:

=6000/671.986=8.929

Среднее значение тока плеча в номинальном режиме, А

=2800/3=933.333A

^А

Эффективное значение тока плеча в номинальном режиме, А

^А

Эффективное значение линейного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А

^А

Эффективное значение фазного тока вторичной обмотки в номинальном режиме, А

^А

Эффективное значение фазного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А

I1fn=1319.933/8.929

^А

Эффективное значение линейного тока первичной обмотки в номинальном режиме, А

I1fn=1319.933/8.929

^А

Расчетная мощность трансформатора, Вт

2.1 Выбор прототипа преобразовательного трансформатора и расчет его сопротивлений.

Выбран трансформатор соответствующий требованиям проекта.

ТМНПВ-5000/10

- типовая мощность преобразовательного трансформатора, Вт;

- мощность короткого замыкания, Вт;

u_k = 9,6% - напряжение короткого замыкания коммутации, %.

Активное приведенное сопротивление фазы трансформатора

^Ом

Индуктивное приведенное сопротивление фазы трансформатора

^Ом

Эквивалентное анодное индуктивное сопротивление, Ом

^Ом

Эквивалентное анодное активное сопротивление, Ом

3. Расчет токов в аварийных режимах

Аварийным режимом является короткое замыкание в полюсах выпрямительного моста.

Начало развитии короткого замыкания совпадает с моментом окончания очередной коммутации. Это обусловлено тем, что в момент окончания коммутации в схеме происходят наибольшие коммутационные перенапряжения. Режим предшествующий короткому замыканию – нормальный.

На рис. 2 представлена схема возможных коротких замыканий трёхфазного мостового преобразователя, а на рис. 3 представлена расчётная схема замещения.

Схема возможных коротких замыканий трехфазного мостового преобразователя.

А В С

U_1ф

I₁

S₁

ТП

U_2ф

I₂

К1

VD4 VD1

К2 VD6 VD3

UZ

VD2 VD5 Id

+

I_G

К3 Ld

К4

ТД

Рис. 2

Расчётная схема замещения при коротком замыкании на шинах трёхфазного мостового преобразователя, одно плечо.

е_а е_b е_c

L_а L_b L_c

R_а R_b R_c

VD1 VD3 VD5

VD4 VD6 VD2

Рис.3

угол коммутации выпрямителя.

=36.099/57.3=0.63рад

- постоянная времени, с

= 50 - частота питающей сети, Гц

- круговая частота питающей сети, с^-1

τ = La/Ra=( / ω)/ Ra

τ=(0.0326/(2*50* π))/0.006=0.0017c

Угол сдвига периодической составляющей тока короткого замыкания, Рад

Амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания, А

Временная диаграмма тока короткого замыкания представлена на рис.4

Рис.4

Максимальное значение тока короткого замыкания, А

Ток короткого замыкания определяется по формуле

где амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;

фазовый угол сдвига между кривыми напряжения и тока;

угол коммутации выпрямителя.

4. ВЫБОР ТИПА Диода И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

Выбор диода производиться по двум параметрам:

предельный ток диода

максимальное обратное повторяющееся напряжение

Так как СПП имеют низкую перегрузочную способность, то при расчете необходимо рассмотреть три режима работы тягового преобразователя:

режим длительной нагрузки

режим рабочий перегрузки но не чаще чем через каждые

режим аварийной перегрузки

В расчете определяем число параллельных (а) СПП для перечисленных выше режимов, а затем принимаем наибольшее из них и округляют его до большего целого числа, если дробная часть превышает 0,1.

A

На основании выше указанных значений, выбираем для расчета диод Д253-1600 с охладителем О153-150.

Характеристики диода:

максимальное обратное напряжение U_RRM=

предельный ток диода

пороговое напряжение

дифференциальное сопротивление Ом

тепловое сопротивление структура-контур

тепловое сопротивление корпус-охладитель

тепловое сопротивление охладитель – окружающая среда при естественном охлаждении и температуре воздуха

максимальная допустимая температура полупроводниковой структуры

наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов

переходное тепловое сопротивление за время соответствующее эквивалентному прямоугольному импульсу мощности (t=6мс)

переходное тепловое сопротивление переход корпус за время τ=6 мс (соответствует 120 эл. град.)

переходное тепловое сопротивление переход корпус за период Т=20 мс

Расчет предельного тока по формуле нагрузочной способности:

где: - установившееся тепловое сопротивление цепи полупроводниковая структура -

охлаждающая среда,

- температура окружающей среды, 25 ;

- коэффициент формы тока, .

Ом

Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения:

где: - ток плеча преобразователя для соответствующего режима его работы (в режиме длительной нагрузки , в режиме кратковременной перегрузки для режима аварийной перегрузки ток плеча принимается равным амплитуде тока короткого замыкания), А;

- предельный ток диода, А;

- коэффициент нагрузки или коэффициент использования приборов по току в зависимости от длительной перегрузки:

- коэффициент, учитывающий снижение предельного тока из-за повышенной температуры охлаждающей среды, если не оговорены условия охлаждения, то

- коэффициент перегрузки в различных режимах;

- среднее значение тока перегрузки. В режиме длительной нагрузки этот ток равен предельному току.

- коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях.

Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с:

где: - одно из значений температуры структуры при кратности нагрузки , предшествовавшей режиму перегрузки, обычно принимается по условиям эксплуатации

– коэффициент скважности импульсов прямого тока;

- одно из значений потерь мощности:

В соответствии с расчетом на ЭВМ примем x=0.6

На основании сравнения расчета для номинального режима , режима рабочей перегрузки и аварийного режима , округляем значения до целых и принимаем максимальное число параллельных ветвей

4.1. Разработка соединения схемы плеча преобразователя.

Число последовательных СПП определяется из соотношения:

где: - максимальное обратное напряжение на плече преобразователя в номинальном режиме, В;

- неповторяющееся импульсное напряжение, В;

- коэффициент неравномерности распределения напряжения, в расчетах принимается равным 1,1;

- кратность перенапряжений, принимаем равным 1,7…1,8 для тяговых преобразователей.

Для равномерного деления напряжения применяют активные () и емкостные (С) и смешанные (КС) цепи, включаемые параллельно СПП рис.3.

Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:

где: - число последовательных приборов;

- наибольшее допустимое мгновенное напряжение для одного СПП данного класса (повторяющееся напряжение), В;

- наибольшее мгновенное обратное напряжение на плече, В;

- наибольший повторяющийся импульсный обратный ток СПП, А.

^Ом

Мощность резистора определяется по формуле, Вт:

где: - эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.

^Вт

Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:

где: - наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.

^Кл

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ.

Дата добавления: 2015-11-16