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

Федеральное Агентство Железнодорожного Транспорта

Иркутский Государственный Университет

Путей Сообщения

Кафедра: Электроснабжение Железнодорожного Транспорта

Дисциплина:

“Электронная техника и преобразователи”

Дипломная Работа

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

Выполнил: Исполнев Н.Н

Проверил: преп.

Ушаков В.А.

Иркутск 2013 г

Содержание

1.Задание

.Требуется

. Выбор типа вентилей

. Расчёт проектных параметров трансформатора

. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча

. Расчёт числа последовательно включенных вентилей

. Расчёт характеристик преобразователя

. Схемы плеча выпрямителя и инвертора из последовательно- параллельно включенных вентилей

. Модель схемы инвертирования

. Модель схемы выпрямления

1. Задание

Трёхфазный 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.

. Требуется

Рассчитать 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, рассчитать параметры вентильных плеч, обеспечивающих номинальный режим и устойчивость к перенапряжениям заданной величины и токам аварийных режимов выпрямителя и инвертора.

Определить наиболее дешёвый комплект вентилей.

Рассчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединённых вентилей и выбрать схему выравнивания токов в параллельных ветвях вентильных плеч соответственно для выпрямителя и инвертора. Нарисовать схему вентильного плеча.

Выполнить расчёты 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.

Схема выпрямительно-инверторного преобразователя

3. Выбор типа вентилей

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

Наилучшие технико-экономические показатели выпрямителя для неуправляемого вентиля типа В8-200, обеспечиваются при скорости охлаждающего воздуха 12 и 6 м/сек. По диаграммам определяем тип неуправляемого вентиля: В8-200, при скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек. Стоимость плеча: 445 руб., число вентилей плеча: 14. По таблицам для В8-200 выберем класс

Используя данные таблицы подстановок и построенные по данным таблицы диаграммы, выберем тип и класс неуправляемого вентиля, обеспечивающего наилучшие технико-экономические показатели инвертора при выбранном значении скорости охлаждающего воздуха 6 м/сек:

По диаграммам определяем тип управляемого вентиля: выберем тиристор типа Т-500, стоимостью1703 руб., т.к. количество вентилей Т-500 равно 30.

По таблицам для Т-500 выберем класс :

Для выпрямителя:

Тип неуправляемого вентиля: В8-200уд=7100,0 А

Iо max=40,0 мА=1,1 Bд=0,00121 Ом

Скорость потока охлаждения воздухом V = 6 м/с:т, град.С/Вт 2 0,35

 = 169

Для инвертора:

Тип управляемого вентиля: Т-500уд=7700,0 Ао max=50,0 мA

Uo=1,3 B

Rд=0,000500 Омт, град.С/Вт 0,10

 (допустимое превышение температуры) 85

 = 432

Параметры ВИП и сети:н=3300 Вн=3000 А

Кп=Uком/Uвmax =1,65

Колебания напряжения сети % от Uc=5

Номинальное напряжения сети Uc=10 кВк% (напр.к.з. трансформ.)=11

Кнп=Uнп/Uвmax = 2,4

кз=425 мВА

Ки=U2и/U2в =1,25

=arccos(U2в/U2и)=36,9 эл. гр

4. Расчёт проектных параметров трансформатора

Выпрямитель:

=Udн/(1-0,5Uк%/100)

где Udн - среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке

Uк% - напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора

Udo== 3492,1 В

Расчетная мощность выпрямителя.

=Udo·Idн

где Idн - номинальный ток выпрямителя;=3492,1 ·3000=10476,2кВт

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

в=Udo/2,34=3492,1/2,34=1492,3В.

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.

I2в=0,816·Idн=0,816·3000=2449,5 А

Расчётная мощность вентильной обмотки

2= 1,05·Pdo=1,05·10476,2=11000 кВА

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в выпрямительном режиме.

КтВ=Uc/(1,73·U2в)

где Uc - номинальное напряжение сети - 10 кВ

КтВ =10000/(1,73·1492,3) = 3,87

Действующее значение номинального тока сетевой обмотки

1н= I2н/Kтb=2449,5 /3,87=633, А

Номинальная мощность сетевой обмотки.

=1,05·Pdo=1,05·10476,2=11000 кВА

Типовая мощность трансформатора.

т=S1=S2=1,05·Pdo=1,05·10476,2=11000 кВА

Инвертор:

Номинальный ток инвертора.

ин=I2н/Kи

где Idн - номинальный ток выпрямителя

Ки=1,25ин=2449,5/1,25=2400 А

Действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

и=U2в·Kи=1492,3·1,25=1865,4В

Действующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме инвертирования.

2и=I2в/Kи=2449,5/1,25=1959,6 А

Коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора в инверторном режиме.

Кти=Kтв/Kи=13,9/1,25=3,1н=I2и/KтиY=1959,6/3,1=633,1 А

. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча

Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В8-200.

Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т-500.

Выпрямитель:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя.

где Sкз - мощность короткого замыкания на шинах питающей сети

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

где =0,006·S1н

Амплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекающего через вентильное плечо выпрямителя

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

удв=1,2· Im=1,2·25504=30605 А

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

пар1 = (Idн/3)·Кн/Iп (расчёт по току плеча)

где Кн=1,15пар1 = (3000/3)·1,15/169 = округляем до 7

где Iуд - ударный ток вентиляпар2 = 1,15·30605/7100 = округляем до 5

Принимаем 5 вентилей.

По расчётам принимаем максимальное значение параллельных вентилей, а именно - 7.

Выберем максимальное значение:

пар.max=7

Инвертор:

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

аи = Xaв·(Ки)2=·1,252=Ом

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

аи = Rав(Ки)2=·1,252= Ом

Число параллельно включенных вентилей в вентильном плече.

пар1 = (Iин/3)·Кн/Iп (расчёт по току плеча)

пар1 = (3000/3)·1,15/169= округляем до 3

Принимаем - 3.= 6,28 Ом= 0,016 Ом

Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя

Nпар2 = Кн·iудп /Iуд   (расчёт по току iудп)

пар2 = 1,15·16285/7100=3

Из двух вычислений выбираем число вентилей - 3

Выберем максимальное значение: Nпар.max=3

. Расчёт числа последовательно включенных вентилей.

Выпрямитель:

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу.

вmax=1,045·Udo=0,523·3492,1=3649 В

Расчётный класс вентильного плеча

Введём выбранный нами класс неуправляемых вентилей К для выпрямителя: класс 42, , стоимость вентиля(вводится автоматически): 28,5

Повторяющееся напряжениеп=100·К

где К - класс неуправляемого вентиляп=100·42 = 4200 В

Неповторяющееся напряжение

нп=116·К=116·42=4872 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

посл1 = Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кп/Uп

где Uс% - колебания напряжения сетипосл1=1,15·(1+5/100)·3649·1,65/4200 = округляем до 2

посл2=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кнп/Uнп

посл2=1,15(1+5/100)·3649·2,4/4872= округляем до 2посл.max=2

По результатам расчёта получаем 2 последовательно включенных вентилей в плече.

Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителя

Выбранный тип вентиля: В8-200

Общее число вентилей плеча: 14

Стоимость плеча(+10% для нелавинных вентилей): 397,3

Стоимость плеча с охладителями: 444,9

Инвертор.

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечувmax=4562 B

Выбранный класс вентиля K=16

Введём выбранный нами класс управляемых вентилей К для инвертора: 16

Повторяющееся напряжение Uп = 1600 В

Неповторяющееся напряжение Uнп (для нелавинных) = 1776 В

Число последовательно включенных вентилей в вентильном плече

посл1=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кп/Uп+1посл1=1,15·(1+5/100)·4562·1,65/1600+1 = округляем до 7

посл2=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кнп/Uнп+1                                (32)

посл2=1,25·(1+5/100)·4562·2,25/1776+1 = округляем до 10посл.max = 10

Выбираем 10 последовательно включенных вентилей.

Расчет числа вентилей в инверторе

Общее число вентилей плеча: 30

Стоимость плеча с охладителями: 1702,8

. Расчёт характеристик преобразователя

трансформатор преобразователь вентиль выпрямитель

Расчёт внешней характеристики выпрямителя.

Внешняя характеристика выпрямителя Ud=f(Id) определяется по двум точкам Ud0 и Udн и строится в первом квадранте.

=Udн/(1-0,5·Udн%/100)= 3492,1В

н=3000 А; Udн=3300 В.

Расчёт внешней характеристики инвертора.

Внешняя характеристика инвертора Uи=f(Iи) может быть построена по двум точкам: Uи0 при Iи=0 и Uин при Iи=Iин.

Естественная внешняя характеристика инвертора при постоянстве угла опережения  имеет прямолинейный возрастающий характер и строится во втором квадранте совместно с внешней характеристикой выпрямителя:

Искусственная стабилизированная характеристика Uи=Uи0=const формируется путём автоматического увеличения угла опережения β с ростом тока инвертора и проводится горизонтально на уровне Uи0=Ud0.

Ограничительная характеристика инвертора.

Ограничительная характеристика определяет в точках пересечения с внешними характеристиками границы устойчивой работы инвертора по условию опрокидывания и является прямолинейной падающей. Для её построения используются две точки характеристики:

Углы коммутации ВИП (эл.град.)

Выпрямителя:

=arccos(1-2·I·Xав/2,45·U2в)

При Id=0,5·Idн =arccos(1-3000·0,0825/2,45·1492,3)=21,2 эл.град

При Id=Idн =arccos(1-2·3000·0,0825/2,45·1492,3)=30,2 эл.град

Инвертора:

() - cos = Iи·Xаи/2,45·U2и

при Iи=0,5·Iин = 7,1 эл.град

при Iи=Iин  = 16,2 эл.град

Коэффициенты мощности ВИП

Выпрямителя:

·cos(/2), =0,955

При Id=0,5·Idн  = 0,955·сos(0,5·21,2)=0,939

При Id=Idн  = 0,955·сos(0,5·30,2)=0,922

Инвертора:

cos(/2)         , =0,955

При Iи=0,5·Iин =0,955·cos(36,9-0,5·7,1)=0,798

При Iи=Iин =0,988·cos(36,9-0,5·16,2)=0,837

Максимальные токи инвертора:

При работе инвертора по естественной характеристике:

При =constи1max=100/(Uк%)·Iин·(1-cos)=100/(11)·2400·(1-cos36,9)=4032,2 А

При работе инвертора по искусственной характеристике:

При Uи=Uио=Udо

Iи2max =100/(0,5· Uк%)·Iин·(1-cos)=100/(0,5·11)·2400·(1-cos36,9)=8064,3А

Расчёт параметров устройства выравнивания напряжения

Выпрямитель на вентилях - В8-200

Шунтирующее сопротивление

Ш=(Nпосл·Uп-Uвmax)/(Nпосл-1)·Nпар·Iomax·0,001=(2·4200-3649)/(2-1)·7·40·0,001 =16967Ом

Мощность резистора RШ

=Iomax·0,001·Nпар·Uвmax/Nпосл=40·0,001·7·3649/2=510,9 Вт,

где Iomax - максимальный обратный ток вентиля.

Ёмкость шунтирующего конденсатора Cв=Nпар=7 мкФ.

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора Uc=1,5·Uп=1,5·4200=6300 В.

Rв=1,43 Ом, Rс=0,2 Ом.

Инвертор на тиристорах - Т-500

Шунтирующее сопротивление

Ш=(Nпосл·Uп-Uвmax)/(Nпосл-1)·Nпар·Iomax·0,001=

(10·1600-3649)/(10-1)·3·50·0,001=8473 Ом

Мощность резистора RШ

=(Iomax·0,001)·Nпар·Uвmax/Nпосл=(50·0,001)·3·4562/10=68,4 Вт,

Ёмкость шунтирующего конденсатора Cв=Nпар=3 мкФ.

Рабочее напряжение шунтирующего конденсатора Uc=1,5·Uп=1,5·1600=2400 В.

в=10/Nпарmax=10/3=3,33 Ом, Rс=0,2 Ом.

8.Схемы плеча выпрямителя и инвертора из последовательно-параллельно включенных вентилей

Плечо выпрямителя

Плечо инвертора

. Модель схемы инвертирования

Шестипульсовая схема инвертирования, смоделированная в среде пакета Matlab.

Настройка схемы

Настройка источника Настройка трансформатора

Настройка нагрузки

Настройка константы

Настройка блока Step

Осциллограмма токов и напряжений до и после опрокидывания инвертора

Нормальный режим:

Осциллограмма токов и напряжений в режиме инвертирования

При опрокидывании инвертора на его зажимах возникает переменное напряжение, равное линейному напряжению вентильных обмоток трансформатора (синусоида зеленого цвета).

. Модель схемы выпрямления

Шестипульсовая схема выпрямления, смоделированная в среде пакета Matlab

Выпрямитель

Настройка схемы:

Настройка источника

Настройка трансформатора

Настройка нагрузки

Осциллограмма токов и напряжений в нормальном режиме и при коротком замыкании на зажимах выпрямителя в момент времени 0.2 сек.

Нормальный режим работы выпрямителя

Аварийный режим - К.З. на зажимах выпрямителя