Параметры выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Иркутский государственный университет путей

Сообщения

Кафедра: “ЭЖТ”

Дисциплина:

“Электронная техника и преобразователи”

Курсовая работа

Расчет параметров выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме

Выполнил:

ст. гр. ЭНС-06-1-2

Черепанов А. В.

Проверил:

преподаватель кафедры

Ушаков В. А.

Иркутск 2008 г.

Оглавление

1.Задание. 3

2.Требуется. 5

3. Выбор типа вентилей. 6

4. Расчет проектных параметров трансформатора. 10

4.1 Выпрямитель: 10

4.2. Инвертор. 11

5. Расчет числа параллельно включенных вентилей плеча. 12

5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320. 12

5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-250. 12

5.3. Выпрямитель. 12

5.4. Инвертор: 13

6.Расчет числа последовательно включенных вентилей. 14

6.1 Выпрямитель. 14

6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя. 14

6.3. Инвертор. 15

6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече. 15

7.Расчет характеристик преобразователя. 16

7.1. Расчет внешней характеристики выпрямителя. 16

7.2. Расчет внешней характеристики инвертора. 16

7.3. Ограничительная характеристика инвертора. 16

7.4 Углы коммутации мостового ВИП (эл. град.) 16

7.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП.. 17

7.6 Максимальные токи инвертора: 17

8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения. 18

8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320. 18

8.2. Инвертор на нелавинных вентилях.: Т9-250. 18

9. Выбор схемы выравнивания тока в параллельно включенных ветвях вентильного плеча. 19

10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB.. 20

10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания. 20

1.Задание

Трехфазный мостовой выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) питается от сети с номинальным напряжением Uс=U1л и заданными пределами колебания этого напряжения %Uс. Известна мощность короткого замыкания Sкз, характеризующая реактанс связи точки подключения ВИП и шин бесконечной мощности энергосистемы.

Заданы следующие параметры и соотношения для ВИП:

– Напряжение короткого замыкания трансформатора Uк%;

– Среднее значение выпрямленного напряжения и тока в номинальном режиме (Udн, Idн);

– Соотношение числа витков вентильных обмоток инвертора и выпрямителя Ки=U2и/U2в;

– коэффициенты повторяющихся и неповторяющихся перенапряжений Кп, Кнп.

Номинальные мощности выпрямителя и инвертора одинаковы S1в=S1и.

Схема ВИП

2.Требуется

Расчитать проектные параметры трансформатора и выбрать его по стандартной шкале мощностей.

Выбрать типы вентилей с воздушным охлаждение для выпрямителя и инвертора и, варьируя класс вентилей К, расчитать параметры вентильных плеч, обеспечивающих номинальный режим и устойчивость к перенапряжениям заданой величины и токам аварийных режимов выпрямителя и инвертора.

Определить наиболее дешевый комплект вентилей.

Расчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединенных вентилей и выбрать схему выравнивания токов в паралельных ветвях вентильных плеч соответственно для выпрямителя и инвертора. Нарисовать схему вентильного плеча.

Выполнить расчеты и построение внешней характеристики выпрямителя, внешних и ограничительной характеристики инвертора, коэффициентов мощности выпрямителя и инвертора.

Построить временные диаграммы фазных напряжений вентильных обмоток выпрямителя и инвертора с отображением коммутационных процессов, диаграммы токов в этих обмотках, мгновенных значений выпрямленного напряжения и напряжения инвертора, напряжения на одном из вентилей. Построить векторные диаграммы напряжения и первой гармоники сетевого тока для выпрямительного и инверторного напряжений.

3. Выбор типа вентилей

Используя данные таблицы подстановок и построенные на данных таблицы диаграммы, выберем тип и класс неуправляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели при разных значениях скорости охлаждающего воздуха (12; 6 и 0 м/сек).

Наилучшие технико-экономические показатели выпрямителя для неуправляемого вентиля типа В2-320 обеспечиваются при скорости охлаждающего воздуха 12 и 6 м/сек. По диаграммам определяем тип неуправляемого вентиля: В2-320, при скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек. Стоимость плеча: 418 руб., число вентилей плеча:1. По таблицам для В2-320 выберем класс и индекс:

СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯ
КлассВ2-320КлассВ2-320
61671670
71465760
81367855
91271950
1011581045
1110561140
129391235
139591335
148351430
168651630
187451825
207702025
226362220
246562420
266752620
285212815
305363015
325533215
345683415
365823615
385973815
406124015
424184210

Минимальная стоимость

Плеча

418

Минимальное количество

Вентилей плеча

10

Для В2-320 класс: 32, стоимость плеча 332 руб., число вентилей 9.

Используя данные таблицы подстановок и построенные на данных таблицы диаграммы, выберем тип и класс управляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели инвертора при выбранном значении скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек.

По диаграмме определяем тип управляемого вентиля: Т153-800, стоимостью 2470 руб., количество вентилей Т153-800 равно 22. Стоимость плеча Т9-250 меньше стоимости Т153-800, но количество вентилей Т9-250 равно 50

По таблицам для Т153-800 выберем класс и индекс:

СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРАЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА
КлассТ9-250КлассТ9-250
61000006100000
71000007100000
81000008100000
91000009100000
102661,121028
112620,4751126
122556,841224
132470,2151322
Минимальная стоимость плеча2470,215Минимальное число вентилей плеча22

Для вентиля Т153-800 класс: 13, стоимость плеча 2470,215 руб., число вентилей плеча 22.

Для выпрямителя:

Тип неуправляемого вентиля: В2-320

Iуд = 7200,0 А

Iо max = 20,0 мА

Uo = 1,1 B

Rд = 0,00078 Ом

Скорость потока охлаждения воздухом V = 6 м/с:

Rт, град. С/Вт 2 0,21

(допуст. прев. темп.) 1 100

= 274 А

Для инвертора:

Тип управляемого вентиля: Т453-800

Iуд = 17500,0 А

Iо max = 50,0 мA

Uo = 1,2 B

Rд = 0,000340 Ом

Rт, град. С/Вт 0,1

(допуст. прев. темп.) 85

=501,5 А

Параметры ВИП и сети:

Udн = 3300 В

Idн = 3000 А

Кп = Uком /Uвmax

Кп = 1,65

Колебания напряжения сети % от Uc = 5

Номинальное напряжения сети Uc, кВ = 10

Uк % (напр. к.з. трансформ.) = 11

Кнп = Uнп /Uвmax = 2,4

Sкз = 425 мВА

Ки = U2и /U2в = 1,25

= arccos(U2в /U2и ) = 36,9 эл. гр

4. Расчет проектных параметров трансформатора 4.1 Выпрямитель:

Udo = Udн /(1-0,5-Uк %/100) (1)

Где Udн – среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке

Uк % – напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора

Udo = = 3492,1 В

Расчетная мощность выпрямителя.

Pdo = Udo -Idн (2)

Где Idн – номинальный ток выпрямителя;

Pdo = 3492,1-3000 = 10476,2 кВт

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

U2в = Udo /2,34 (3)

U2в = 3492,1/2,34 = 1492,3 B

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

I2в = 0,816-Idн (4)

I2в = 0,816-3000 = 2449,5 А

Расчетная мощность вентильной обмотки

S2 = 1,05-Pdо (5)

S2 = 1,05-10476,2 = 11000 кВА

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в выпрямительном режиме.

Ктв = Uc /(1,73-U2в ) (6)

Где Uc – номинальное напряжение сети – 110 кВ

Ктв = 10000/(1,73-1492,3) = 3,87

I1н = I2н /Kтв (7)

I1н = 2449,5/3,87= 633,1 A

Номинальная мощность сетевой обмотки.

S1н = 1,05-Pdo (8)

S1н = 1,05-10479,2 = 11000 кВА

Типовая мощность трансформатора.

Sт = S1 = S2 = 1,05-Pdo (9)

Sт = 1,05-10479,2 = 11000 кВА

4.2. Инвертор

Номинальный ток инвертора.

Iин = Idн /Kи (10)

Где Idн – номинальный ток выпрямителя

Ки -1,25

Iин = 3000/1,25 = 2400 А

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

U2и = U2в -Kи (11)

U2и = 1492,3-1,25 = 1865,4 В

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

I2и = I2в /Kи (12)

I2и = 2449,5 /1,25 = 1959,6 А

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в инверторном режиме.

Кти = Kтв /Kи (13)

Кти = 3,1

I1н = I2и /Kти (14)

I1н = 1959,6/3,1 = 633,1 А

5. Расчет числа параллельно включенных вентилей плеча 5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320 \ 5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-250 5.3. Выпрямитель

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети приведенное к напряжению вентильной обмотки выпрямителя. Расчет числа параллельно включенных вентилей мостовой схемы ВИП

(15)

Где Sкз – мощность короткого замыкания на шинах питающей сети

= 0,0825 Ом

Активное сопротивление фазы трансформатора и сети приведенное к напряжению вентильной обмотки выпрямителя

(16)

Где =0,006-S1н.

= 0, 0060 Ом

Амплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекающего через вентильное плечо выпрямителя

(17)

= 25504 А

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

I удв = Куд -Im (18)

Где Куд – ударный коэффициент – 1,2

I удв = 1,2-25504 = 30605 A

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

По току плеча.

Nпар1 = (Idн /3) -Кн /Iп (19)

Где Кн – 1,15

Nпар1 = (3000/3) -1,15/274 = 4,89; округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По i удв.

Nпар2 = Кн -i удв /Iуд (20)

Где Iуд – ударный ток вентиля

Nпар2 = 1,15-30605/7200 = 4,89; округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По расчетам принимаем максимальное значение параллельных вентилей, а именно – 5.

Выберем максимальное значение:

Nпар. max = 5

5.4. Инвертор:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети, приведенное к напряжению вентильной обмотки инвертора

Xаи = Xaв – (Ки )2 (21)

Xаи = 0,0825- (1,25) = 0,129 Ом

Активное сопротивление фазы и сети, приведенное к напряжению вентильной обмотки инвертора

Rаи = Rав – (Ки )2 (22)

Rаи = 0,0060- (1,25)2 = 0,0094 Ом

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

Расчет по току плеча

Nпар1 = (Iин /3) -Кн /Iп (23)

Nпар1 = (2400/3) -1,15/501,5 = 1,84 округляем до 2

Принимаем – 2.

Xd = 6,28 Ом

Rd = 0,016 Ом

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

(24)

= 16285,0 А

Расчет по току i удп.

Nпар2 = Кн -i удп /Iуд (25)

Nпар2 = 1,15-16285,0/17500= 1,51 округляем до 2

Из двух вычислений выбираем число вентилей – 2

Выберем максимальное значение:

Nпар. max = 2

6.Расчет числа последовательно включенных вентилей 6.1 Выпрямитель

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу. Расчет числа последовательно включенных вентилей мостового ВИП

Uвmax = 1,045-Udo (26)

Uвmax = 1,045-3492,1= 3649 B

Расчетный класс вентильного плеча

(27)

Kр = 1,65-3649/100 =61

Введем выбранный нами класс неуправляемых вентилей К для выпрямителя: класс 42, стоимость вентиля: 30,0

Повторяющееся напряжение

Uп = 100-К

Где К – класс неуправляемого вентиля

Uп = 100-42 = 4200 В

Неповторяющееся напряжение

Uнп = 116-К (28)

Uнп = 116-42 = 4872 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

Nпосл1 = Кн -(1+Uc %/100)-Uвmax -Кп /Uп +1(29)

Где Uс % – колебания напряжения сети

Nпосл1 = 1,15- (1+5/100) -3649-1,65/4200+1 = 1,7 округляем до 2

Nпосл2 =Кн -(1+Uc %/100)-Uвmax -Кнп /Uнп (30)

Nпосл2 =1,15- (1+5/100) -3649-2,4/4872+1 = 1,71 округляем до 2

Nпосл. max = 2

По результатам расчета получаем 6 последовательно включенных вентилей в плече.

6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя

Выбранный тип вентиля: В2-320

Общее число вентилей плеча: 10

Стоимость плеча(+10% для нелавинных вентилей): 330,0

Стоимость плеча с охладителями: 418,0

6.3. Инвертор

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу:

Uвmax = 4562 B

Расчетный класс вентильного плеча

Kр : 76

Введем выбранный нами класс управляемых вентилей К для инвертора: 16

Повторяющееся напряжение

Uп =1300 В

Неповторяющееся напряжение

Uнп (для нелавинных) = 1443 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

Nпосл1 =Кн -(1+Uc %/100)-Uвmax -Кп /Uп +1 (31)

Nпосл1 =1,15- (1+5/100) -4562-1,3/1600+1 = 7,8 округляем до 8

Nпосл2 =Кн -(1+Uc %/100)-Uвmax -Кнп /Uнп +1 (32)

Nпосл2 =1,15- (1+5/100) -4562-2,4/1443 +1= 10,953округляем до 11

Nпосл. max =11

Выбираем 11 последовательно включенных вентилей.

6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече

Общее число вентилей плеча: 22

Стоимость плеча с охладителями: 2470,27.Расчет характеристик преобразователя

7.1. Расчет внешней характеристики выпрямителя

Udo = Udн /(1- 0,5-Udн %/100) =3492,1 В, при Id =0;

Udн = 3300 В, при Idн = 3000 А.

7.2. Расчет внешней характеристики инвертора

Среднее значение напряжения инвертора при холостом ходе с заданным углом опережения бета

Uио =2,34-U2и /Ки (33)

Uио =2,34-1865,4/1,25 = 3492,3 В

Угол опережения инвертора

(U2в /U2и ) (34)

(1/1,25)-/180= 36,9 эл. гр.

Среднее значение напряжения инвертора с заданным углом опережения бета

(35)

Uин = 3492,3-1,25- (cos(36,9)+0,5-0,11) = 3732,1 В

7.3. Ограничительная характеристика инвертора

Uог (при Iи = 0) = Uио -Ки -cos (36)

Uог = 3492,3-1,25-cos = 4298,8 В

Где – угол запаса

Uог (при Iи = Iин ) = Uио -Ки (cos-0,5-Uк %/100) (37)

Uог (при Iи = Iин ) = 3997,0 В

7.4 Углы коммутации мостового ВИП (эл. град.)

Выпрямителя:

= arccos (1-2I-Xав /2,45-U2в ) (38)

При Id = 0,5-Idн

= arccos (1-3000-0,0825/2,45-1492,3) = 21,2

При Id = Idн

= arccos (1-2*3000-0,0825/2,45-1492,3) = 30,2

Инвертора:

Cos() – cos = Iи -Xаи /2,45-U2и (39)

ПриIи = 0,5-Iин

Cos() – cos=7,1

ПриIи = Iин

Cos() – cos=16,2

7.5 Коэффициенты мощности мостового ВИП

Выпрямителя:

Cos(/2) (40)

= 0,955

При Id = 0,5-Idн

= 0,955-сos(0,5-21,02-/180) = 0,939

При Id = Idн

= 0,955-сos(0,5-30,2-/180) = 0,922

Инвертора: -cos(/2) (41)

=0,955

При Iи = 0,5-Iин

= 0,955-cos((36,9-0,5-7,1) –/180) = 0,798

При Iи = Iин

= 0,955-cos((36,9-0,5-16,2) –/180) = 0,837

7.6 Максимальные токи инвертора:

Iи max =(100/0,5-Uк %)-Iин -(cos-cos) (42)

При работе инвертора по естественной характеристике:

При = const

Iи1max =(100/0,5*11) -2400- (cos-cos) = 4032,2 А

При работе инвертора по искусственной характеристике:

При Uи = Uио = Udо

Iи2max =(100/0,5-11) -2400- (cos-cos) = 8064,3 А

8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения 8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320

Шунтирующее сопротивление

Rш = (Nпосл -Uп – Uв max )/((Nпосл – 1) -Nпар -Iо max -0,001) (43)

Где Iо max – максимальный обратный ток вентиля

Rш = (2-4200-3649)/(1-5-20-0,001) = 47508 Ом

Мощность резистора Rш

P = (Iо max -0,001-Nпар -Uв max )/Nпосл (44)

P = 20-0,001-3-3688/3 = 182,5 Вт

Емкость шунтирующего конденсатора

Св = Nпар = 5 мкФ

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора Uc =1,5-Uп (45) Uc =1,5-3200 =6300 B

Rв = 2,0 Ом

Rc = 0,2 Ом

8.2. Инвертор на нелавинных вентилях.: Т9-250

Шунтирующий сопротивление

Rш = (Nпосл -Uп – Uв max )/((Nпосл – 1) -Nпар -Iо max -0,001) (46)

Rш = (11-1300-4562)/(10-2-50-0,001) =9738 Ом

Мощность шунтирующего резистора

P = (Iо max -0,001-Nпар -Uв max )/Nпосл (47)

P = 50-0,001-2-4562/9 = 41,5 Вт

Емкость шунтирующего конденсатора

Св = Nпар = 2 мкФ

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора

Uc =1,5-Uп (48)

Uc = 1,5-1600 =1950 B

Rв = 5,0 Ом

Rc = 0,2 Ом

9. Выбор схемы выравнивания тока в параллельно включенных ветвях вентильного плеча

Так как число параллельных ветвей не превышает 6, следовательно, будет применена схема включения “замкнутая кольцевая”

10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB 10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...

Зараз ви читаєте: Параметры выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме