Параметры выпрямительно-инверторного преобразователя, выполненного по шестипульсовой мостовой схеме
~ 3 ~
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. Расчёт проектных параметров трансформатора. 10
- 4.1 Выпрямитель: 10
- 4.2. Инвертор. 11
- 5. Расчёт 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.Расчёт 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.Расчёт характеристик преобразователя. 16
- 7.1. Расчёт внешней характеристики выпрямителя. 16
- 7.2. Расчёт 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.ЗаданиеТрёхфазный 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 ВИП2.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 дешёвый комплект вентилей.
Расчитать параметры цепей выравнивания обратных напряжений последовательно соединённых вентилей и выбрать схему выравнивания токов в паралельных 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.
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 ВЫПРЯМИТЕЛЯ | ЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ВЫПРЯМИТЕЛЯ | |
Класс | В2-320 | Класс | В2-320 | |
6 | 1671 | 6 | 70 | |
7 | 1465 | 7 | 60 | |
8 | 1367 | 8 | 55 | |
9 | 1271 | 9 | 50 | |
10 | 1158 | 10 | 45 | |
11 | 1056 | 11 | 40 | |
12 | 939 | 12 | 35 | |
13 | 959 | 13 | 35 | |
14 | 835 | 14 | 30 | |
16 | 865 | 16 | 30 | |
18 | 745 | 18 | 25 | |
20 | 770 | 20 | 25 | |
22 | 636 | 22 | 20 | |
24 | 656 | 24 | 20 | |
26 | 675 | 26 | 20 | |
28 | 521 | 28 | 15 | |
30 | 536 | 30 | 15 | |
32 | 553 | 32 | 15 | |
34 | 568 | 34 | 15 | |
36 | 582 | 36 | 15 | |
38 | 597 | 38 | 15 | |
40 | 612 | 40 | 15 | |
42 | 418 | 42 | 10 | |
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 50По таблицам для Т153-800 выберем класс и индекс:
|
СТОИМОСТЬ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА | ЧИСЛО ВЕНТИЛЕЙ ПЛЕЧА ИНВЕРТОРА | |
Класс | Т9-250 | Класс | Т9-250 | |
6 | 100000 | 6 | 100000 | |
7 | 100000 | 7 | 100000 | |
8 | 100000 | 8 | 100000 | |
9 | 100000 | 9 | 100000 | |
10 | 2661,12 | 10 | 28 | |
11 | 2620,475 | 11 | 26 | |
12 | 2556,84 | 12 | 24 | |
13 | 2470,215 | 13 | 22 | |
Минимальная стоимость плеча | 2470,215 | Минимальное число вентилей плеча | 22 | |
|
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. Расчёт проектных параметров трансформатора4.1 Выпрямитель:Udo = Udн/(1-0,5·Uк%/100) (1)где Udн - среднее выпрямленное напряжение при номинальной нагрузке Uк% - напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатораUdo = = 3492,1 ВРасчетная мощность выпрямителя.Pdo = Udo·Idн (2)где Idн - номинальный ток выпрямителя;Pdo = 3492,1·3000 = 10476,2 кВтДействующее значение фазного напряжения вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.U2в = Udo/2,34 (3)U2в = 3492,1/2,34 = 1492,3 BДействующее значение фазного тока вентильной обмотки трансформатора в режиме выпрямления.I2в = 0,816·Idн (4)I2в = 0,816·3000 = 2449,5 АРасчётная мощность вентильной обмоткиS2 = 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 кВКтв = 10000/(1,73·1492,3) = 3,87I1н = 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 кВАТиповая мощность трансформатора.Sт = S1 = S2 = 1,05·Pdo (9) Sт = 1,05·10479,2 = 11000 кВА 4.2. ИнверторНоминальный ток инвертора.Iин = Idн/Kи (10)где Idн - номинальный ток выпрямителя Ки-1,25Iин = 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 = 3,1I1н = I2и /Kти (14)I1н = 1959,6/3,1 = 633,1 А
5. Расчёт числа параллельно включенных вентилей плеча5.1. Выбираем неуправляемый вентиль для выпрямителя: В2-320\5.2. Выбираем управляемый вентиль для инвертора: Т9-2505.3. ВыпрямительИндуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети приведённое 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 приведённое к напряжению вентильной обмотки выпрямителя (16)где =0,006·S1н. = 0, 0060 ОмАмплитуда установившегося тока короткого замыкания, протекающего через вентильное плечо выпрямителя (17) = 25504 ААмплитуда тока аварийного режима выпрямителя
iудв = Куд·Im (18)где Куд - ударный коэффициент - 1,2
iудв = 1,2·25504 = 30605 AЧисло параллельно включенных вентилей в вентильном плече.По току плеча.Nпар1 = (Idн/3) ·Кн/Iп (19)где Кн - 1,15Nпар1 = (3000/3) ·1,15/274 = 4,89; округляем до 5Принимаем 5 вентилей.По
iудв.Nпар2 = Кн·
iудв/Iуд (20)где Iуд - ударный ток вентиляNпар2 = 1,15·30605/7200 = 4,89; округляем до 5Принимаем 5 вентилей.По расчётам принимаем максимальное значение параллельных вентилей, а именно - 5. Выберем максимальное значение:Nпар.max = 55.4. Инвертор:Индуктивное сопротивление фазы трансформатора и сети, приведённое к напряжению вентильной обмотки инвертораXаи = Xaв· (Ки)2 (21)Xаи = 0,0825· (1,25) = 0,129 Ом Активное сопротивление фазы и сети, приведённое 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.Расчёт по току плечаNпар1 = (Iин/3) ·Кн/Iп (23)Nпар1 = (2400/3) ·1,15/501,5 = 1,84 округляем до 2Принимаем - 2.Xd = 6,28 Ом Rd = 0,016 Ом Амплитуда тока аварийного режима выпрямителя(24)= 16285,0 АРасчёт по току
iудп.Nпар2 = Кн·
iудп /Iуд (25)Nпар2 = 1,15·16285,0/17500 = 1,51 округляем до 2Из двух вычислений выбираем число вентилей - 2
Выберем максимальное значение:
Nпар.max = 2
6.Расчёт числа последовательно включенных вентилей6.1 ВыпрямительМаксимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу. Расчет числа последовательно включенных вентилей мостового ВИПUвmax = 1,045·Udo (26)Uвmax = 1,045·3492,1 = 3649 B Расчётный класс вентильного плеча (27)Kр = 1,65·3649/100 =61Введём выбранный нами класс неуправляемых вентилей К для выпрямителя: класс 42, стоимость вентиля: 30,0Повторяющееся напряжениеUп = 100·Кгде К - класс неуправляемого вентиляUп = 100·42 = 4200 В Неповторяющееся напряжениеUнп = 116·К (28) Uнп = 116·42 = 4872 В Число последовательно включенных вентилей в вентильном плечеNпосл1 = Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кп/Uп+1 (29)где Uс% - колебания напряжения сетиNпосл1 = 1,15· (1+5/100) ·3649·1,65/4200+1 = 1,7 округляем до 2Nпосл2=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кнп/Uнп (30)Nпосл2=1,15· (1+5/100) ·3649·2,4/4872+1 = 1,71 округляем до 2Nпосл.max = 2По результатам расчёта получаем 6 последовательно включенных вентилей в плече.6.2 Расчет стоимости вентильного плеча выпрямителяВыбранный тип вентиля: В2-320Общее число вентилей плеча: 10Стоимость плеча(+10% для нелавинных вентилей): 330,0Стоимость плеча с охладителями: 418,0
6.3. Инвертор
Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентильному плечу:
Uвmax = 4562 B
Расчётный класс вентильного плеча
Kр: 76
Введём выбранный нами класс управляемых вентилей К для инвертора: 16
Повторяющееся напряжение
Uп =1300 В Неповторяющееся напряжениеUнп (для нелавинных) = 1443 ВЧисло последовательно включенных вентилей в вентильном плечеNпосл1=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кп/Uп+1 (31)Nпосл1=1,15· (1+5/100) ·4562·1,3/1600+1 = 7,8 округляем до 8Nпосл2=Кн·(1+Uc%/100)·Uвmax·Кнп/Uнп+1 (32)Nпосл2=1,15· (1+5/100) ·4562·2,4/1443 +1= 10,953округляем до 11Nпосл.max =11Выбираем 11 последовательно включенных вентилей.6.4 Расчет числа вентилей в инверторном плече Общее число вентилей плеча: 22Стоимость плеча с охладителями: 2470,2
7.Расчёт характеристик преобразователя
7.1. Расчёт 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. Расчёт 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 инвертораUог (при Iи = 0) = Uио·Ки·cos (36)Uог = 3492,3·1,25·cos = 4298,8 Вгде - угол запасаUог (при Iи = Iин) = Uио·Ки(cos-0,5·Uк%/100) (37)Uог (при Iи = Iин) = 3997,0 В7.4 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) = 21,2При Id = Idн = arccos (1-2*3000·0,0825/2,45·1492,3) = 30,2Инвертора:cos() - cos = Iи·Xаи/2,45·U2и (39)При Iи = 0,5·Iинcos() - cos=7,1При Iи = Iинcos() - cos=16,27.5 Коэффициенты мощности мостового ВИПВыпрямителя:cos(/2) (40) = 0,955При Id = 0,5·Idн = 0,955·сos(0,5·21,02·/180) = 0,939При Id = Idн = 0,955·сos(0,5·30,2·/180) = 0,922Инвертора: ·cos(/2) (41)=0,955При Iи = 0,5·Iин = 0,955·cos((36,9-0,5·7,1) · /180) = 0,798При Iи = Iин = 0,955·cos((36,9-0,5·16,2) · /180) = 0,8377.6 Максимальные токи инвертора:Iи max=(100/0,5·Uк%)·Iин·(cos-cos) (42)При работе инвертора по естественной характеристике:При = constIи1max=(100/0,5*11) ·2400· (cos-cos) = 4032,2 А При работе инвертора по искусственной характеристике:При Uи = Uио = UdоIи2max =(100/0,5·11) ·2400· (cos-cos) = 8064,3 А
8. Расчет параметров устройства выравнивания напряжения8.1. Выпрямитель на лавинных вентилях: В2-320Шунтирующее сопротивлениеRш = (Nпосл·Uп -Uв max)/((Nпосл - 1) ·Nпар·Iо max·0,001) (43)где Iо max - максимальный обратный ток вентиляRш = (2·4200-3649)/(1·5·20·0,001) = 47508 Ом Мощность резистора RшP = (Iо max·0,001·Nпар·Uв max)/Nпосл (44)P = 20·0,001·3·3688/3 = 182,5 Вт Емкость шунтирующего конденсатораСв = Nпар = 5 мкФ Рабочее напряжение шунтирующего конденсатораUc=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 сопротивлениеRш = (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 резистораP = (Iо max·0,001·Nпар·Uв max)/Nпосл (47)P = 50·0,001·2·4562/9 = 41,5 Вт Емкость шунтирующего конденсатораСв = Nпар = 2 мкФ Рабочее напряжение шунтирующего конденсатораUc=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 плечаТак как число параллельных ветвей не превышает 6, следовательно, будет применена схема включения «замкнутая кольцевая»
10. Моделирование выпрямительно-инверторного преобразователя в среде MATLAB10.1. Моделирование работы выпрямителя в номинальном режиме и режиме короткого замыкания