Методика выполнения расчета статического преобразователя

Целью курсового расчета является закрепление полученных знаний и привитие студентам определенных умений и навыков самостоятельной работы по расчету и выбору элементов статических преобразователей.

1. Задание на проектирование статического преобразователя Тематика курсового проекта.

Спроектировать регулируемый преобразователь (СП) переменного тока в постоянный, оценить его влияние на сеть автономного объекта, предложить и рассчитать систему управления, разработать виртуальную установку для исследований и провести исследование предлагаемой модели заданного СП. Для каждой академической группы задана одна из нижеперечисленных схем выпряления:

• трехфазный мостовой полууправляемый выпрямитель (ТМНСУВ);

• трехфазный мостовой выпрямителя (ТМУВ), работающий в том числе на противо-ЭДС;

• трехфазный мостовой ведомый инвертор (ТМВИ);

• однофазный мостовой выпрямитель (ОМУВ), работающий в том числе на противо-ЭДС;

• однофазный мостовой выпрямитель (ОМУВ), работающий как реверсивный преобразователь.

Исходные данные к проекту

Исходные данные к проекту приведены в таблице каждой группы согласно номеру варианта. Они включают:

• Заданную схему силовой части СП;

• параметры нагрузки:

Uном – номинальное напряжение нагрузки;

Rн и Xн – активное и индуктивное сопротивления нагрузки;

dU% – диапазон изменения напряжения на нагрузке;

• U_1л /U_1ф – действующее линейное (для трехфазного УВ)/ фазное (для однофазного УВ) напряжение питающей сети;

• f_с – частоту питающей сети;

• Е – величина противо-ЭДС;

Поставленные задачи

В процессе выполнения курсового проекта необходимо:

1) описать назначение и область применения данного СП;

2) составить полную (принципиальную) электрическую схему СП и привести описание ее работы;

3) составить функциональную схему системы управления СП и разработать принципиальную схему устройства управления;

4) рассчитать и выбрать трансформатор питания по каталогу;

5) рассчитать и выбрать из каталога полупроводниковые элементы;

6) рассчитать и построить регулировочную, внешнюю характеристику УВ;

7) рассчитать гармоники потребляемого тока, коэффициент искажения напряжения сети при работе заданного СП;

8*) рассчитать показатели схемы в случае дополнительного подключения нагрузки противо-ЭДС;

8**) рассчитать показатели схемы в случае работы ее в качестве ведомого инвертора:

• рассчитать входную и ограничительную характеристики ведомого инвертора;

• построить векторные диаграммы реверсивного СП;

9) рассчитать энергетические показатели СП;

9*) рассчитать энергетические показатели СП в режиме выпрямления и в режиме работы на противо-ЭДС;

9**) рассчитать энергетические показатели ведомого инвертора;

10) разработать виртуальную установку для исследований заданного СП;

11) провести исследование предлагаемой модели;

12) исследовать спектральный состав тока, потребляемого заданным СП, представить полученную спектральную характеристику.

Содержание пояснительной записки

Пояснительная записка к проекту должна содержать следующее:

1) задание на курсовое проектирование;

2) введение, содержащее описание проектируемого СП;

3) описание электрической схемы СП, включая СУ тиристорами;

4) расчетную часть;

5) иллюстрационные временные диаграммы элементов схемы УВ (мгновенных напряжений и токов) и системы управления СП; спектральные характеристики;

6) результаты теоретических расчетов (выражение регулировочной и внешней характеристик; входной и ограничительной характеристик );

7) данные по выбранным элементам схемы (Полупроводниковые элементы, тип и параметры трансформатора, параметры фильтра);

8) таблицу гармоник потребляемого тока;

9) расчетные коэффициенты искажений напряжения сети;

10) расчетные энергетические показатели

11) разработанную модель виртуальной установки;

12) осциллограммы мгновенных напряжений и токов, полученные в результате исследования;

13) полученную спектральную характеристику;

14) заключение, содержащее в себе анализ достоинств и недостатков спроектированного СП, адекватность теоретических расчетов и полученных в результате моделирования;

15) используемые источники.

Пояснительная записка должна быть выполнена в полном соответствии с ГОСТ ЕСКД. Текстовый материал выполняется на листах формата А4.

Графический материал выполняется на отдельных листах, каждый рисунок имеет не только номер, но и название. Нумерация формул и рисунков сквозная.

2. Методика выполнения расчета управляемого выпрямителя

1.1. Общие сведения

Для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный на судах широко используются силовые управляемые выпрямители (рис.1.1), представляющие собой электрические агрегаты, основными элементами которых являются:

- трансформатор TV, с помощью которого производятся электрическая развязка цепей преобразователя, преобразование числа фаз электрической системы, питающей преобразователь;

- блок полупроводниковых элементов VSD;

- выходной фильтр Ф, предназначенный для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис. 1.1. Структурная схема управляемого выпрямителя

В качестве полупроводниковых элементов в блоке VSD чаще всего используются тиристоры, с помощью которых осуществляется регулирование входного напряжения.

Рассмотрение УВ с углом управления  = 0 соответствует анализу работы неуправляемого выпрямителя, в котором в качестве полупроводниковых элементов используются диоды. Анализ работы любого выпрямителя (управляемого и нет) заключается, в первую очередь, в построении временных диаграмм, иллюстрирующих процессы изменения параметров всех элементов схемы, как правило, за полтора периода питающего напряжения, построенных для нескольких углов управления, один из которых обязательно равен нулю. Угол управления отсчитывается для однофазных схем – от точки пересечения эпюры питающего напряжения временной оси; для многофазных схем – от точки пересечения фазных или линейных напряжений.

Основными показателями, определяющими эксплуатационные характеристики выпрямителей, являются:

1. Средние значения выпрямленных напряжения и тока U_d, I_d.

2. Регулировочная характеристика -зависимость изменения среднего значения выпрямленного напряжения (U_d) от угла управления () U_d = f ().

3. Внешняя характеристика – зависимость изменения среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки, углов управления () и коммутации () U_d = f(I_d, , ).

4. Коэффициент пульсации k_п – отношение амплитуды соответствующей высшей гармоники ( - номер гармоники) выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения k_п() = U_()max/ U_d.

5. Частота пульсаций выпрямленного напряжения за период m.

6. Коэффициент искажения тока первичной обмотки

,

где - действующее значение -й гармоники потребляемого тока,

- действующее значение потребляемого тока сети.

7. Коэффициент искажения кривой напряжения сети ,

где - фазное напряжение сети.

8. Коэффициент полезного действия статического преобразователя

,

где , - активная составляющая мощности потерь.

9. Степень завышения мощности питающего трансформатора, k_тр =P_d / S_тр, где S_тр- полная расчетная мощность трансформатора при работе в номинальном режиме; S_тр = (S₁ + S₂ )/2 , S₁, S₂- расчетные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора.

10. Коэффициент мощности статического преобразователя,  = P_d/S_тр = K_I cos₍₁₎, где  ₍₁₎- угол фазового сдвига между питающим напряжением и основной (первой) гармоникой потребляемого СП тока.

11. Коэффициент использования тиристора по напряжению k_Uvs= U_RUSmax/U_d0, где U_RUSmax – максимальное обратное напряжение на тиристоре.

12. Коэффициент использования тиристора по току: k_Ivs=I_vs/I_d0 где I_VS – действующее значение тока тиристора.

Основной особенностью работы УВ средней и большой мощности является возрастающее влияние на режим работы схемы индуктивных сопротивлений, создаваемых потоками рассеяния обмоток трансформатора, а также ослабление влияния на режим работы УВ активных сопротивлений вследствие их относительной малости.

1.2. Расчет средних значений выпрямленного напряжения, тока и

мощности

1. По заданному номинальному напряжению нагрузки и диапазону его изменения определяем U_dmax; U_dmin.

2. По заданному значению сопротивления нагрузки рассчитываем максимальный, номинальный и минимальный средние токи I_d= U_н/R_н.

3. Определяем среднее значение мощности, выделяемой на нагрузке в различных режимах P_d = U_нI_н.

1.3. Построение временных диаграмм, иллюстрирующих работу заданного управляемого выпрямителя.

1. Выбрать элементы схемы, изменение токов и напряжений которых дают необходимую информацию для проектирования УВ.

2. Построить временные диаграммы, характеризующие изменение переменных состояния за полтора периода изменения питающего напряжения для выбранных в п. 1 элементов (для углов управления:  = 0;   ;   ).

1.4. Выбор полупроводниковых приборов (вентилей)

По построенным временным диаграммам и рассчитанным параметрам

нагрузки:

1. Определить среднее значение тока, протекающего через вентиль (тиристор) I_VSd = I_d /m, где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период.

2. Определить для конкретной схемы максимальное и действующее значение тока через вентиль I_VSmax и .

3. Определить для конкретной схемы максимальное обратное напряжение на вентиле U_VSmax.

4. Выбрать тиристоры по каталогу [2, 6, 7], по расчетным значениям, I_VS, I_VSmax, U_VSmax отвечающим условиям: I_VS  I_VSКАТ, I_VSКАТ 1.5 I_VSd , U_VSmaxU_VSКАТ. Данные внести в табл. 2.1.

Таблица 1.1

Тип прибора	IOC, A	IЗС, мА	IВКЛ, мА	UOC, В	UЗС, В	UУ, В	tВКЛ	Охлаждение.

5. Рассчитать среднее и действующее значения токов и обратного максимального напряжение силового диода (если он используется в заданной схеме).

Таблица 1.2

Тип прибора	IПРmax А	IПР А	tи, мс	IОБРmax мА	Uобрm В	UПрmax В

6. Выбрать диод по каталогу. Данные внести в табл. 2.2.

1.5. Вывод и графическое представление регулировочной характеристики проектируемого управляемого выпрямителя

1. Вывести аналитическую зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления, являющуюся регулировочной характеристикой УВ и определяемую по временным диаграммам, построенным в п.2.1.3, интегрированием мгновенных значений выпрямленного напряжения в пределах одного этапа повторяемости:

(1.1),

где E_2max – амплитудное значение напряжения питающей сети.

2. Построить регулировочную характеристику в именованных или относительных единицах (в относительных долях от напряжения E_d0,соответствующего углу управления  = 0), учитывая, что выражение (1.1) справедливо только в диапазоне углов управления α, при которых кривая выпрямленного тока остается непрерывной.