Расчет нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО

Заочный факультет

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

Контрольная работа

по дисциплине:

«Элементы автоматизированного электропривода»

на тему: «Расчет нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ»

Выполнил: студент группы 3ЭП-41

Курчев А.А.

Руководитель: доцент

Погуляев М.Н.

Гомель 2012

Содержание

Задание к контрольной работе

. функциональная схема трёхфазного нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ

. Расчет и выбор силового трансформатора для питания тиристорного преобразователя

. Построение внешних характеристик ТП для различных режимов его работы

. Расчет и построение скоростных характеристик ДПТ в режиме прерывистого и непрерывного токов

. Построение характеристик управления ТП при I_d =0, I_d = 0,5×I_d.гр и I_d = I_d. и линейном пилообразном опорном напряжении

. Построение временных диаграмм напряжений и токов в нагрузке

. Теоретический вопрос к контрольной работе

Литература

Задание к контрольной работе

(Вариант 20)

. Рассчитать и построить характеристики нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ в режиме прерывистого и непрерывного токов.

.1. Изобразить функциональную схему трёхфазного нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ.

.2. Рассчитать и выбрать силовой трансформатор для питания тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ.

.3. Рассчитать и построить внешние характеристики тиристорного преобразователя в режиме прерывистого и непрерывного токов при углах управления: α=15^o, α=30^o, α=45^o, α=60^o, α=75^o, α=90^o. Ток нагрузки изменять в пределах от 0 до 1.2∙I_d.ном.

.4. Построить скоростные характеристики ДПТ в режиме прерывистых и непрерывных токов при тех же углах управления α.

1.5. Построить характеристики управления ТП при I_d=0, 0,5I_d.гр и I_d.гр, где значение тока I_d.гр брать при угле управления α=75^o. Форма опорного напряжения - линейная пилообразная, амплитудное значение U_оп.max=12 В.

.6. Рассчитать и построить временные диаграммы напряжения и тока в нагрузке при угле управления α и токе нагрузки I_d, указанных в табл.1.1.

. Ответить на теоретический вопрос.

9.   Влияние дискретности и неполной управляемости на динамические характеристики преобразователя. Полоса пропускания ТП. Структурные схемы и передаточные функции преобразователя.

Таблица 1.1

Исходные данные к расчету нереверсивного мостового ТП

1. функциональная схема трёхфазного нереверсивного мостового тиристорного преобразователя с нагрузкой ДПТ НВ представлена на рис.1.1.

. Расчет и выбор силового трансформатора для питания тиристорного преобразователя

Выбор силового трансформатора производится по расчетным значениям тока I_2.расч, напряжению U_2ф.расч, и типовой мощности S_Т. Напряжение первичной обмотки U_1ф должно соответствовать напряжению питающей сети (380/220 В).

Расчетное значение напряжения U_2ф.расч вторичной обмотки трансформатора, питающего ТП в режиме непрерывных токов, с учетом необходимого запаса на падение напряжения в силовой части, определяется формулой:

где k_u=0,427 - коэффициент, характеризующий отношение напряжений U_2ф/U_d 0 в идеальном трехфазном мостовом выпрямителе;_c=1,1 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения сети;_a=1,1 - коэффициент запаса, учитывающий неполное открытие вентилей при максимальном управляющем сигнале;_R=1,05 - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, в вентилях и при коммутации;_d.ном - номинальное напряжение на выходе преобразователя, равное номинальному напряжению двигателя, U_d.ном= U_ном.

Расчетное значение тока вторичной обмотки:

где k_I= 0,815 - коэффициент схемы, характеризующий отношение токов I_2ф/I_d в идеальной мостовой схеме;_i=1,1 - коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока вентилей от прямоугольной;_d.ном - значение номинального тока двигателя

где Р_ном- номинальная мощность электродвигателя;

 - номинальный КПД электродвигателя;

- номинальное напряжение электродвигателя.

Рассчитываем (предварительно) действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:

где - расчетный коэффициент трансформации трансформатора.

где - фазное напряжение первичной обмотки трансформатора, =220 В;

- схемный коэффициент первичного тока. Для мостовой схемы =0,815. мощность первичной обмотки трансформатора

где -число фаз первичной обмотки, =3.

мощность вторичной обмотки трансформатора

где m₂ - число фаз вторичной обмотки трансформатора, =3;

-действующее значение вторичного тока трансформатора;

 - фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора. ориентировочно принимаем =;

типовая мощность трансформатора

Трансформатор выбираем из условий:

- номинальное фазное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора должно быть близким к значению U_2ф.расч:

.95×U_2ф.расч = 226,765 £ U_2ф.ном £ 1.2×U_2ф.расч = 286,44

ток вторичной обмотки трансформатора должно быть больше или равен I_2.расч:_2.ном³ I_2.расч.

номинальная мощность трансформатора должна быть больше или равна типовой: _ном ³ S_Т.

трансформатор выбирается по [3, табл.8.5].

Таблица 2.1

Параметры силового трансформатора ТСП-125/0,7-УХЛ4

Рассчитываем действительный коэффициент трансформации выбранного трансформатора

где U_1ф.ном = U_1ном / Ö3 = 220В, U_2ф.ном = U_2ном / Ö3 = 236,7В - номинальные значения фазного напряжения первичной и вторичной обмоток.

действительные значения рабочих токов первичной и вторичной обмоток

₂ = I_2расч = 135,07 А

Находим полное, активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные к вторичной обмотке:

где U_кз% - напряжение короткого замыкания (табл. 2.1).

- номинальное линейное напряжение вторичной (вентильной) обмотки трансформатора;

Активное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

где Р_кз - мощность короткого замыкания, из табл. 2.1;

- номинальный ток вентильной (вторичной) обмотки.

Индуктивное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора

. Построение внешних характеристик ТП для различных режимов его работы

a = 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°

Внешняя характеристика ТП - это зависимость E_d = f(I_d) при U_у = const (a = const). Внешние характеристики, полученные при различных фиксированных значениях U_у образуют семейство внешних характеристик.

рассмотрим расчет и построение внешней характеристики при угле управления α = 75°.

В режиме непрерывных токов среднее значение ЭДС ТП E_d не зависит от тока нагрузки I_d и определяется только углом управления a

E_d = E_d 0 × cosa = 553,9·cos75° = 143,36В

где Е_d 0 - ЭДС условного холостого хода.

Режим прерывистых токов при углах открывания a ≥ a_гр= 10°05¢ (при p = 6) ограничен эллипсом (рис.3.1 зона I), который описывается уравнениями:

E_d.гр = В × cosa = 553,9·cos75° = 143,36В_d.гр = А× sina = 78,59·sin75° =75.91A

где В = E_d 0 = 553.9B - большая полуось эллипса (для трехфазной мостовой схемы E_d 0 = 2,34U_2ф.ном= 2,34·236,7 = 553,9В).

А - малая полуось эллипса

где х_2т - индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

х_d =w∙L_я -= 2πf· L_я = 2·3,14·50·0,0016 = 0,502 - индуктивное сопротивление цепи нагрузки;

- число плеч силовой схемы (для мостовых m-фазных схем
 k = 2);

p - пульсность схемы (для трехфазной мостовой схемы р = 6).

Рассчитанным значениям E_d.гр = 143.36В и I_d.гр = 75.91А соответствует точка 8 на графике (рис. 3.1), которая лежит на границе зон прерывистого и непрерывного токов. В зоне непрерывных токов (зона II, рис.3.1) характеристика проходит параллельно оси тока нагрузки через точки 8 и 9, где точке 9 соответствуют координаты I_d = I_d.ном =150,67А и E_d = E_d.гр = 143,36В.

Для построения внешней характеристики в зоне прерывистых токов (зона I, рис.3.1) необходимо рассчитать координаты нескольких (7 … 8) точек в этой зоне.

Максимальное значение ЭДС E^′_d 0 при холостом ходе (I_d =0) равно значению ЭДС в цепи нагрузки и определяется в зависимости от угла управления a выражениями:

где E_dm - амплитудное значение выпрямленной ЭДС (для трехфазной мостовой схемы E_dm = ×U_2ф.ном = × 236,7 = 579,8В.

На холостом ходе интервал проводимости тиристоров l = 0. в режиме прерывистых токов интервал проводимости тиристоров находится в диапазоне 0< l< p/р.

Холостому ходу ТП соответствует точка 1. Поскольку угол управления α = 75°> p/р=30°, то значение ЭДС холостого тока определяется по формуле:

^′_d0= E_dm cos(α-p/р)= ×U_2ф.ном cos(α-p/р)=

=∙236,7 cos(75-30)=409 В

Для нахождения координат (I_d, E_d) промежуточных точек 2, 3, 4, 5, 6, 7 зададим следующие значения интервалов проводимости тиристоров в данных точках:

l₂= 0.55∙, l₃= 0.7∙, l₄= 0.8∙,

l₅= 0.85∙, l₆= 0.9∙, l₇= 0.95∙,

Выбор таких значений l связан с необходимостью получения более равномерной расстановки точек по значениям тока. Определим, для примера, величину тока и ЭДС в точке 2 (l₂= 0.55∙ = =0.57596 рад):

где E_2m - максимальное значение ЭДС вторичной обмотки (для трехфазной мостовой схемы E_2m =E_dm= ×U_2ф.ном = 579,8В.

Аналогично рассчитываются величины тока и ЭДС в остальных точках. Все результаты расчета внешней характеристики при α=75° записываются в табл. 3.1. Указанным выше способом рассчитываются и строятся внешние характеристики при других значениях угла управления α, а полученные результаты так же записываем в таблицу 3.1, дополнив ее строками со значением углов управления.

В режиме непрерывного тока (l= p/р) ЭДС не зависит от тока и график проходит параллельно оси тока нагрузки (зона II, рис.3.1).

Таблица 3.1

Результаты расчета внешних характеристик

Рис.3.1 Внешние характеристики ТП при различных углах управлении α

. Расчет и построение скоростных характеристик ДПТ в режиме прерывистого и непрерывного токов

a = 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°

Скоростная характеристика дпт ω=f(I_н), без учета падения напряжения на внутреннем сопротивлении ТП, описывается следующим уравнением:

где

Рис.4.1 Вид скоростных характеристик ДПТ при различных углах управления α

. Построение характеристик управления ТП при I_d =0, I_d = 0,5×I_d.гр и I_d = I_d. и линейном пилообразном опорном напряжении

Характеристика управления ТП - это зависимость E_d = f(U_У) при заданном значении тока нагрузки I_d . Вначале рассчитывается значение I_d.гр при a=75^о:

I_d.гр = А× sina = 78,59·sin75° =75.91A

а затем и значение I_d = 0,5× I_d.гр.= 0,5·75,91 = 37,95А

Полученные значения тока, как и значение I_d = 0, используются при построении характеристик управления.

Задаваясь необходимым значением тока I_d (по заданию три значения: I_d =0, 0.5∙I_d.гр и I_d.гр) находим значение λ для всех значений угла a, используя формулу:

Далее подставляя полученные значения λ и угла управления a в формулу для ЭДС определяем величину Е_d:

Так делаем для трех значений тока I_d (0, 0.5∙I_d.гр и I_d.гр). Полученные данные также записываются в таблицы 5.1-5.3.

Напряжение управления при линейной пилообразной форме U_оп по известному значению угла a рассчитывается по следующей формуле

Таблица 5.1

Результаты расчета характеристики управления для I_d =0

Таблица 5.2

Результаты расчета характеристики управления для I_d =I_d.гр

Таблица 5.3

Результаты расчета характеристики управления для I_d =0.5·I_d.гр

Рис.5.1 Вид характеристик управления ТП при различных значениях тока нагрузки I_d

. Построение временных диаграмм напряжений и токов в нагрузке

Определяем значение тока I_d.гр при заданном угле управления α = 57°.

_d.гр = А× sina = 78,59·sin57° = 65.91A

требуемое значение тока I_d.

_d = [I_d/I_d.гр] ∙I_d.гр = 0,48·65,91 = 31,636А

где отношение [I_d/I_d.гр] = 0,48 - по заданию.

Подставляя значения I_d и α в уравнение для тока

рассчитается значение λ.

λ = 0,838 = 49°

Далее, подставляя значение α и λ в выражение для ЭДС

,

определяется значение Е_d.

Е_d=354,764В

Используя полученные значения λ и Е_d, а также, зная углы управления α, амплитуды фазного и линейного напряжений:

_2ф.m=×U_2ф.ном = ×236,714 =334,764В_2л.m= ×U_2ф.ном = ×236,714 = 579,83В,

строятся временные диаграммы напряжений и тока в нагрузке, внешний вид которых представлен на рис.6.1.

Рис.6.1 Временные диаграммы

а - напряжение катодной и анодной групп;

б - напряжение на входе ТП; в - ток в нагрузке

7. Теоретический вопрос к контрольной работе

Широкое применение в электроприводе находит трехфазная мостовая схема ТП .Эта схема представляет собой сдвоенную нулевую схему, работающую последовательно в оба полупериода переменного тока.

Поэтому для мостовой схемы:

 Ed0 =

, где

- действующее значение линейной ЭДС вторичной цепи трансформатора, В. По сравнению с трехфазной нулевой схемой мостовая схема имеет преимущества:

) выпрямленная ЭДС при одном и том же вторичном напряжении трансформатора в 2 раза больше;

) пульсации выпрямленной ЭДС (частота пульсаций рав на 6f/с=300 Гц) в 2 раза больше по частоте и меньшепо амплитуде;

) вентильные группы могут подключаться к сети без трансформатора;

4) типовая мощность трансформатора меньше:

Перечисленные достоинства обусловливают преимущественное применение трехфазной мостовой схемы в системах электропривода мощностью в десятки - сотни киловатт.

Рассмотрим примеры функциональных схем типовых трехфазных ТП промышленных серий. На рис. 2.17, а представлена схема трехфазного мостового нереверсивного ТП. Особенность мостовой схемы в отличие от нулевой заключается в том, что в каждый момент времени открыты два тиристора, включенных последовательно с нагрузкой.

Поэтому для поддержания обоих тиристоров во включенном состоянии ширина открывающих импульсов должна быть не менее 60°, чтобы ТП не смог закрыться в режиме прерывистых токов, так как через каждые 60° происходит отключение одного из тиристоров и включение другого. Широкие импульсы технически сложнее сформировать, чем узкие.

Рис. 2.17. Трехфазная мостовая схема нереверсивного ТП (а) и дич-граммы очередности открывания тиристоров (б) и работы генераторов импульсов (б)

Кроме того, широкие импульсы вызывают дополнительный нагрев тиристоров. Поэтому вместо широких используются сдвоенные узкие импульсы. Каждый тиристор через каждые 60° после основного открывающего импульса (сплошная стрелка на рис.2.17, б) получает дополнительный импульс (штриховая стрелка на рис. 2.17,б). На тиристор с номером i дополнительный импульс поступает от генератора импульсов с номером i+1.

Диаграмма синхронизированной работы генераторов импульсов приведена на рис. 2.17, в, где генераторы импульсов изображены в виде кружков, основные импульсы - радиальными стрелками, а доп-ные - дуговыми стрелками. В соответствии с диаграммой на рис. 2.17, а короткими вертикальными стрелками показаны входы и выходы у генераторов для дополнительных импульсов.

Цифры устрелок генератора импульсов указывают номера других генераторов,с которыми соединены вход и выход данного генератора. В состав СИФУ входят шесть идентичных блоков управления БУ1-БУ6, в которых на генераторы импульсов поступает разность опорных напряжений генераторов опорных напряжений ГОН1-ГОН6 и общего для всех БУ напряжения управления Uy.

Цепь, в которой сравниваются (Uоп> и U/y, выполняет функцию фазосмещающего устройства. Угол открывания тиристоров регулируется изменением Uу.

На рис. 7.1 приведена трехфазная мостовая схема реверсивного ТП с раздельным управлением. Две вентильные группы ВГ1 и ВГ2 представляют собой два трехфазных моста, включенных встречно- параллельное.

Рис. 7.1. Трехфазная мостовая схема реверсивного ТП с раздельным управлением вентильными группами

При раздельном управлении открывающие импульсы подаются только на одну группу, находящуюся в работе, другая группа при этом закрыта. В связи с этим отсутствует необходимость в уравнительных реакторах. Это снижает массогабаритные показатели ТП, что является достоинством ТП с раздельным управлением. Отсутствие уравнительного тока ухудшает характеристики ТП в зоне малых нагрузок. Однако современные средства управления позволяют корректировать и улучшать работу ТП в зоне прерывистых токов. Поэтому раздельное управление находит все более широкое применение в системах электропривода не только большой, но и малой мощности. Система управления ТП содержит кроме СИФУ1 и СИФУ2, вырабатывающих управляющие импульсы для вентильных групп ВГ1 и ВГ2, логическое переключающее устройство (ЛПУ), выполняющее автоматическое переключение ВГ1 и ВГ2. На ЛПУ возлагаются следующие функции:

) выбор группы для работы в зависимости от знака управляющего напряжения DU_У - разности задающего напряжения и напряжения обратной связи;

) запрещение открывания неработающей группы при наличии тока в работающей группе;

) запрещение снятия открывающих импульсов с работающей группы при протекании в ней тока;

) обеспечение временной паузы перед включением вступающей, работу группы.

Для реализации перечисленных функций требуется информация о наличии тока в вентильных группах и знаке управляющего сигнала. Эта информация поступает в ЛПУ с датчиков нулевого тока ДНТ1 и ДНТ2, а также с датчика управления ДУ. Так как ЛПУ - устройство релейного действия, то его входные х₀, х₁, х₂ и выходные y₁, y₂ величины являются дискретными и характеризуются двумя уровнями: низким (условно 0) и высоким (условно 1). В терминологии алгебры логики сформулированный выше алгоритм работы ЛПУ можно записать в виде структурных формул:

 (7.1)

где y₁, y₂ - запрещающие сигналы на открывание ВГ1 и ВГ2; x₁, х₂ - сигналы наличия тока в ВГ1 и ВГ2; x₀ - сигнал выбора вентильной группы для работы (Х₀=0, DU_У>0) для ВГ1, Х₀=1, DU_У<0 для ВГ2); черты над логической переменной означает ее инверсное значение.

В соответствии с (7.1) запрещающий сигнал у₁ подается на СИФУ1, если Х₂=1 (I_d2¹0) или x₂=0 и x₁=0, но x₀=1. Аналогично y₂=1 если x₁=1 (I_d1¹0) или X₁=X₂=0, но х₀=0.

Если на вход ТП подать переменный сигнал управления с частотой f_У>f_C, то в выходной ЭДС ТП может появиться постоянная составляющая. Это означает, что преобразование входного сигнала в выходной сопровождается существенными искажениями. Теоретически ТП теряет полностью управляемость при .

В диапазоне частот  ТП может пропускать переменный управляющий сигнал, не давая постоянной составляющей. Однако это имеет место только для небольших диапазонов изменения a и при определенных начальных фазах входного сигнала. Поэтому практически полоса пропускания ТП ограничивается частотой питающей сети. В этой полосе силовая часть ТП может рассматриваться как безынерционное звено с косинусоидальной зависимостью средней ЭДС от угла открывания.

В отличие от силовой части ТП СИФУ может вносить заметные фазовые сдвиги величины a относительно управляющего напряжения. Они определяются инерционностью элементов, входящих в состав СИФУ. В зависимости от исполнения СИФУ как инерционное звено обычно приводится к виду апериодического звена, звена с чистым запаздыванием или к тому и другому вместе. С учетом инерционности СИФУ передаточные функции ТП для линейного участка его характеристики управления имеют вид

 (7.2)

; (7.3)

 (7.4)

где T_П»0,010¸0,015 с; t_П»0,007¸0,015 с; k_П - коэффициент усиления ТП.

Поскольку инерционность ТП мала, то ее учитывать имеет смысл только для малоинерционной нагрузки, постоянные времени которой соизмеримы с T_П и t_П при условии требуемого высокого быстродействия регулирования выходной координаты нагрузки. Примером такой нагрузки может служить двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Структурная схема ТП для такой нагрузки определяется в соответствии с (7.2)-(7.4). На рис. 7.2 приведена структурная схема реверсивного ТП с совместным несогласованным управлением, включенного на двигатель.

Для нагрузки с большой индуктивностью, например -- для обмотки возбуждения, область прерывистых токов практически отсутствует. В этом случае I_dГР=0 и при несогласованном управлении характеристика обратной связи по току вырождается в характеристику идеального реле. Инерционность ТП ничтожно мала по сравнению с инерционностью указанной нагрузки и не учитывается в расчетах. С учетом отмеченных фактов структурная схема ТП с активно-индуктивной нагрузкой приобретает вид, показанный на рис. 7.3. Для согласованного управления обратная связь по току в структурных схемах рис. 7.2 и 7.3 отсутствует и преобразователь оказывается линейным звеном.

Рис. 7.2. Структурная схема реверсивного ТП с совместным несогласованным управлением вентильными группами при работе на двигатель постоянного тока

Рис. 7.3. Структурная схема реверсивного ТП с раздельным управлением с активно-индуктивной нагрузкой

Рис. 2.19. Характеристики управления вентильных групп реверсивного ТП.

Литература

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т. 1. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.

2. Анхинюк В.Л., Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Мн.: Выш.. шк., 1986. - 143 с.

3. Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник/ И.Х. Евзеров, А.С. Горобец, Б.И. Мошкович и др.; Под ред. канд. технических наук В. М. Перельмутера. - М.: Энергоиздат, 1988. - 319 с.

4. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 224 с.

5. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 392 с.

. Руденко B.C.,. Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа. 1980.- 424 с.

7. Справочник по проектированию электропривода и систем управления технологическими процессами /под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982. - 486 с.