еа
еb
еc
Lа
La
La
Rа
Ra
Ra
VD1 VD3 VD5
VD4 VD6 VD2
Рис. 3.2
Эквивалентное анодное активное сопротивление одной фазы, приведённое ко вторичной обмотке, и анодное индуктивное сопротивление определяются соответственно по формулам [1, с.313]
,
где
анодное индуктивное сопротивление трансформатора;
индуктивное сопротивление питающей сети.
,
где uk
– напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора, (в процентах).
,
,
.
,
где
активное сопротивление, вычисленное из опыта сквозного короткого замыкания;
активное сопротивление питающей сети.
,
где РКЗ
, uk
– соответственно потери и напряжение (в процентах) короткого замыкания преобразовательного трансформатора.
;
;
.
Ток короткого замыкания определяется по формуле
где
амплитуда периодической составляющей тока короткого замыкания;
фазовый угол сдвига между кривыми напряжения и тока;
угол коммутации выпрямителя.
,
,
,
,
,
,
,
,
Результаты расчёта токов короткого замыкания представлены в табл. 3.1
Таблица 3.1
Значения тока короткого замыкания
ωt,º
|
i
к
,
А |
ωt,º
|
i
к
,
А |
ωt,º
|
i
к
,
А |
0 |
-7653,228775 |
144 |
10380,72355 |
288 |
-14705,95287 |
6 |
-6315,124687 |
150 |
9640,645671 |
294 |
-14793,83143 |
12 |
-4928,67503 |
156 |
8778,359639 |
300 |
-14732,81892 |
18 |
-3508,872364 |
162 |
7803,470108 |
306 |
-14523,45867 |
24 |
-2071,076544 |
168 |
6726,813947 |
312 |
-14167,92055 |
30 |
-630,8464196 |
174 |
5560,34152 |
318 |
-13669,97716 |
36 |
796,2306503 |
180 |
4316,985779 |
324 |
-13034,96248 |
42 |
2194,709592 |
186 |
3010,520572 |
330 |
-12269,71342 |
48 |
3549,456856 |
192 |
1655,409753 |
336 |
-11382,49492 |
54 |
4845,816236 |
198 |
266,6487265 |
342 |
-10382,90937 |
60 |
6069,769467 |
204 |
-1140,399834 |
348 |
-9281,79139 |
66 |
7208,089828 |
210 |
-2550,174286 |
354 |
-8091,089125 |
72 |
8248,48707 |
216 |
-3947,084507 |
360 |
-6823,733326 |
78 |
9179,742093 |
222 |
-5315,682685 |
84 |
9991,829874 |
228 |
-6640,832554 |
90 |
10676,02933 |
234 |
-7907,875223 |
96 |
11225,01886 |
240 |
-9102,789765 |
102 |
11632,95662 |
246 |
-10212,34682 |
108 |
11895,5445 |
252 |
-11224,25353 |
114 |
12010,07526 |
258 |
-12127,28821 |
120 |
11975,46218 |
264 |
-12911,42327 |
126 |
11792,25101 |
270 |
-13567,93509 |
132 |
11462,61399 |
276 |
-14089,49957 |
138 |
10990,32607 |
282 |
-14470,27235 |
По результатам результатов расчёта построен график кривой тока короткого замыкания на рис. 4.1.
Рис. 4.1
4. ВЫБОР ТИПА ДИОДА И РАЗРАБОТКА СОЕДИНЕНИЯ СХЕМЫ ПЛЕЧА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
4.1. Выбор типа диода
.
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:
1) режим длительной нагрузки
2) режим рабочей перегрузки
но не чаще чем через каждые
3) 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.
На основании выше указанных значений, выбираем для расчета диод Д253-1600 с охладителем О153-150.
Характеристики диода:
· максимальное обратное напряжение
· предельный ток диода
· ударный повторяющийся ток
· пороговое напряжение
· дифференциальное сопротивление
· 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
· переходное тепловое сопротивление цепи структура-корпус, за время перегрузки tx=100c
Расчет предельного тока по формуле нагрузочной способности:
(16)
где:
- установившееся тепловое сопротивление цепи полупроводниковая структура -
охлаждающая среда,
- температура окружающей среды,
;
- коэффициент формы тока,
.
;
Находим число параллельных СПП в плече в общем случае определяется из соотношения:
(17)
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:
(18)
- 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
,который вычисляется по формуле (16). Для режимов рабочей и аварийной перегрузок ток рассчитывается по формулам (19) и (21) соответственно.
- коэффициент неравномерности распределения тока в параллельных ветвях. При проектировании допускают неравномерность распределения тока 10%, что соответствует
,
Округляя до наибольшего, получаем
Режим рабочей перегрузки для полупроводниковых приборов учитывается в том случае, если длительность перегрузки не превышает 100с:
(19)
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:
(20)
Примем
тогда:
В режиме аварийной перегрузки при
и времени перегрузки
(один полу период при частоте
) ток перегрузки определяется:
(21)
Округляем до наибольшего, получаем
На основании сравнения расчета для номинального режима
, режима рабочей перегрузки
и аварийного режима
принимаем максимальное число параллельных ветвей
4.2. Разработка соединения схемы плеча преобразователя
.
Число последовательных СПП определяется из соотношения:
(22)
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.
Получаем значение
, округляем в большую сторону до целого числа, таким образом получаем
Для равномерного деления напряжения применяют активные (
), емкостные (С) и смешанные (RСD) цепи, включаемые параллельно СПП (рис.4.).
Групповое соединение СПП в одном плече преобразователя
Рис.4
Сопротивление шунтирующих резисторов, рассчитываем по формуле:
(23)
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.
Мощность резистора определяется по формуле:
(24)
где:
- эффективное значение напряжения прикладываемого к резистору, В.
Емкость конденсатора в активно-емкостном делителе определяют, используя соотношение:
(25)
где:
- наибольшая возможная разность зарядов восстановления последовательно включенных приборов, Кл.
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОММУТАЦИИ.
5.1. Исследование внешней характеристики и коэффициента мощности.
Одной из важнейших характеристик, определяющих работу выпрямителя, является его внешняя характеристика, которая представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока
.
С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение уменьшается. Потери в преобразователе можно условно разделить на следующие основные составляющие:
· потеря напряжения на коммутации
· потеря напряжения на активных сопротивлениях (в обмотках трансформатора)
· потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах
Потеря напряжения на коммутацию:
(26)
Потеря напряжения на активных сопротивлениях:
(27)
где:
-угол коммутации выпрямителя;
(28)
(29)
Потеря напряжения на силовых полупроводниковых приборах:
(30)
где:
- число плеч, одновременно проводящих ток;
- число последовательных СПП в одном плече;
(31)
Уравнение внешней характеристики имеет вид:
(32)
При номинальном режиме:
Если известна мощность на стороне выпрямленного тока, то для определения полной мощности преобразователя необходимо знать коэффициент мощности:
(33)
где:
-коэффициент фазового сдвига основной гармонической тока питающей сети;
- коэффициент искажения формы тока первичной сети;
, (34)
- эффективное значение высших гармонических составляющих тока питающей сети;
(35)
Фазовый угол сдвига основной гармонической тока питающей сети для неуправляемого выпрямителя:
(36)
для номинального режима:
Результаты расчета коэффициента мощности для различных значений тока приведены в таблице 1.
Таблица 1.
|
0 |
750 |
1500 |
2250 |
3000 |
|
0,955 |
0,908 |
0,86 |
0,811 |
0,76 |
На основании таблицы строится график зависимости коэффициента мощности от выпрямленного тока (рис.5.1.).
Рис. 5.1
5.2. Исследование коммутации.
Наличие индуктивных сопротивлений на стороне переменного тока преобразователя приводит к появлению интервала коммутации, который называется углом коммутации
и измеряется в электрических градусах. С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения; полностью сглаженный ток на стороне выпрямленного напряжения; расчеты выполняются при нагрузке не выше нормальной) угол коммутации определяется по выражению:
(37)
Далее исследуется форма тока на коммутационном интервале. Ток коммутации определятся по формуле:
(38)
Ток плеча, входящего в работу
, изменяется по закону тока коммутации и при
достигается в амплитуде значения
. Ток плеча, выходящего из работы
, изменяется как
и при
становится равным нулю. Производится расчет токов плеч при изменении
от 0 до
. Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.
Угол коммутации при номинальном режиме:
при
;
Таблица 2.
Ток |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
37,4 |
149,2 |
411,8 |
914,9 |
1500 |
|
0 |
37,4 |
149,2 |
411,8 |
914,9 |
1500 |
|
1500 |
1462,6 |
1350,8 |
1088,2 |
585,1 |
0 |
По данным таблицы строятся зависимости
и
, приведенные на рис.5.2.
Рис. 5.2
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (КПД, КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ)
Суммарные активные потери в схеме преобразователя определяются по формуле:
(39)
где:
- потери в стали преобразовательного трансформатора, равные потерям холостого хода
для выбранного трансформатора;
- потери в меди преобразовательного трансформатора, которые определяются потерями короткого замыкания
, пропорциональными квадрату отношения выпрямленного тока к номинальному току, т.е.:
(40)
- потери в СПП, т.е.:
(41)
- число плеч преобразователя одновременно проводящих ток;
-средний ток диода при
- потери в делителях напряжения и тока, составляющая
- потери в сглаживающем реакторе. Здесь
- активное сопротивление обмотки сглаживающего реактора, которое в расчетах можно принять равным (0,01…0,02) Ом
;
- потери в устройствах защиты и систем управления, применяются равными 0,2% от
;
Для номинального режима:
Суммарные потери мощности в преобразователе:
Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется по формуле:
(42)
Результаты расчетов потерь мощности и КПД для остальных режимов сведены в таблицу 3.
Результаты расчетов энергетических характеристик выпрямителя.
Таблица 3.
I
d
, A
|
0 |
750 |
1500 |
2250 |
3000 |
|
4 |
4 |
4 |
4 |
4 |
|
0 |
4 |
16 |
36 |
64 |
|
0 |
1,95 |
4,8 |
8,54 |
13,19 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
|
0 |
5,63 |
22,5 |
50,63 |
90 |
|
2,22 |
2,22 |
2,22 |
2,22 |
2,22 |
|
7,22 |
18,8 |
50,52 |
102,4 |
174,4 |
|
0 |
555,8 |
1111,7 |
1667,5 |
2223,3 |
|
7,22 |
574,6 |
1162,22 |
1769,9 |
2397,7 |
|
0 |
0,967 |
0,957 |
0,942 |
0,927 |
По данным таблицы стоятся зависимости
а также изменение составляющих потерь от выпрямительного тока
. Зависимости
приведены на рис.6.1., а изменение составляющих потерь мощности на рис.6.2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В данном курсовом проекте был произведен расчет преобразовательного агрегата, предназначенного для установки на тяговых подстанциях метрополитена. Построены временные диаграммы напряжений и токов, а также характеристики тягового полупроводникового преобразователя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Бурков А.Т
. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.- д. трансп. – М.: Транспорт, 1999. – 464с.
2. Справочник по электроснабжению железных дорог
. Т.2 / Под ред. К.М. Марквардта. – М.: Транспорт, 1981. – 392с.
3. Методическое указание к курсовому проекту