Материал: MU_k_kursovomu_raschetu_po_silovoi_774_elektronike_2019

1.6. Выбор питающего трансформатора

Для согласования переменного напряжения сети и напряжения питания УВ выбирается силовой трансформатор. Мощность трансформатора определяется типовой мощностью, которая зависит от типа преобразователя. Расчет ведется с учетом, что напряжение на первичной стороне определено источником питания (судовым синхронным генератором) и составляет 380 В. Алгоритм расчета следующий:

1. Определить напряжение вторичной обмотки силового трансформатора по выражению (1.1), для случая  = 0.

2. По временным диаграммам вывести выражение для расчета действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора, потребляемого УВ:

. (1.2)

3. Рассчитать оценочную мощность трансформатора

, ,

где S₁ и S₂ - расчетная мощность пepвичной и вторичной обмоток трансформатора с учетом работы ее на выпрямитель; m₁ – число фаз вторичной обмотки; U_2ф, I_2ф – действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки.

Полагая, что коэффициент полезного действия трансформатора составляет  (0,92 - 0,98), можно считать, что S₁  S₂

Таблица 1.3

Тип	Номинальная мощность, кВА	Uном , В		Потери, Вт		Напряжение короткого замыкания Uктр %	Ток холостого хода, %	Схема и группа соединения обмоток
		Первичное, U1 ном	Вторичное, U2 ном	Холостой ход при Uн ;  Pх.х.	Короткое замыкание при Uн, ,Pк з.

4. По расчетной мощности S_ТР, напряжению U_1ф. U_2ф выбрать стандартный трансформатор. При выборе следует учитывать, что напряжение U_2ф должно быть равно или меньше паспортного значения U₂. Технические данные трансформатора записать в табл. 1.3.

5. По паспортным данным определить параметры трансформатора:

- коэффициент трансформации n = U_1Н / U_2Н;

- полное сопротивление фазы трансформатора ,

где U_КТР – напряжение короткого замыкания трансформатора;

- активное сопротивление фазы трансформатора R_2ф, приведенное к вторичной обмотке, R_2ф=P_к.з./m₁I_2ф²;

- индуктивное сопротивление фазы трансформатора ;

-  индуктивность фазы трансформатора, приведенная к вторичной обмотке, L_2ф=x_2ф/2f

1.7. Выбор параметров фильтра

Назначением фильтра является снижение пульсаций выпрямленного тока на зажимах нагрузки для случая, когда коэффициент пульсаций на зажимах выпрямителя k_п меньше, чем это определено заданием k_пзд.

Коэффициент сглаживания S_с = k_пзд/k_п. В зависимости от конкретных условий, определяемых углами управления, для уменьшения пульсаций могут быть использованы следующие фильтры:

- индуктивный фильтр L_ф = S_с R_н / m₁ , где m₁- число фаз;

- емкостной фильтр. По S_с определяем C_ф S_с10⁶/m₁ R_н;

- Г- образный фильтр. По S_с определяем L_ф C_ф = (1+S_с)/m₁²²;

- П-образный фильтр. Этот фильтр можно представить как составной, состоящий из двух фильтров емкостного и Г-образного LC фильтра. Для него общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания обоих составных фильтров.

1.8. Расчет углов управления преобразователя

По формуле (1.1), паспортному значению напряжения U_2ф, определить требуемые значения углов управления: _min; _ном; _max.

1.9. Внешняя характеристика преобразователя

1. Рассчитать внешние характеристики проектируемого УВ для углов

управления _min, _ном, учитывая, что в общем виде с учетом коммутационных процессов и потерь напряжения на активных сопротивлениях элементов преобразователя напряжение на нагрузке определяется выражением:

U_d = (U_2ф – m₁ R_ ( - )/) cos – U_vs - m x_2ф I_d / 2;

где R_ – суммарное сопротивление цепи нагрузки выпрямителя, определяемое по формуле R_ =R_2ф + R_ф + R_vs + R_x. Здесь R_2ф и R_x - активное и индуктивное сопротивления фазы трансформатора (соответственно), при чем последнее учитывает потери напряжения за счет угла коммутации : R_x = m x_2ф /2; R_ф - активное сопротивление фильтра; R_VS -сопротивление вентиля.

Активное сопротивление фильтра (дросселя) определяется из условия, что падение напряжения на нем составляет U_Ф=(0,005-0,01)U_Н, R_ф = U_ф /I_d. Значение R_VS чаще всего определяется косвенно через падение напряжения в вентиле U_VS, при условии, что U_VS =const. Если ток проходит одновременно через два вентиля (мостовые схемы), то падение напряжения удваивается.

2. Построить внешние (нагрузочные) характеристики U_d =f(I_d) для указанных в п. 1 значений.

1.10. Расчет энергетических показателей выпрямителя

1. Выпрямители являются потребителями несинусоидального тока, первая гармоника которого обычно сдвинута по отношению к синусоиде переменного напряжения сети. Поэтому коэффициент мощности выпрямителя  зависит от фазового сдвига cos и от коэффициента искажения тока k_I и определяется по формуле  = k_I cos.

2. Коэффициент фазового сдвига cos₍₁₎ может быть найден из отношения активной мощности P_d к суммарной, потребляемой выпрямителем из сети:

_{(1) =} , где Q₁ - реактивная мощность, вызываемая реактивной составляющей первичной гармонической тока.

Учитывая, что угол коммутации  увеличивает фазовый сдвиг первой гармоники сетевого тока, коэффициент фазового сдвига рассчитать по формуле cos₍₁₎ = [cos + cos( + )]/ 2 = cos(+/2) cos/2.

3. Коэффициент искажения может быть определен, если входящую в кривую выпрямленного напряжения переменную составляющую рассматривать как сумму гармонического ряда.

4. Частоты спектра определить из уравнения f_ =  m f; где f - частота напряжения питающей сети; m-частота пульсации в цепи выпрямленного напряжения; - номер гармонической составляющей.

5. Числовые значения амплитуд могут быть найдены по коэффициентам синусного и косинусного рядов Фурье. Общее выражение отношения амплитудного значения -й гармоники к среднему значению выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя определяется по формуле

U_max/U_d0 = (1.3)

Для проектируемого управляемого выпрямителя рассчитать амплитудные значения высших гармонических составляющих и результаты свести в таблицу 1.4:

Таблица 1.4

Для управляемого выпрямителя при α=0 и  = 1 выражение (1.3) определяет коэффициент пульсации: k_п = 2/(m² - 1).

Спектр гармонических составляющих, входящих в состав кривой первичного тока, связан определенной закономерностью с составом гармонических в кривой выпрямленного напряжения. В зависимости от значения индуктивного сопротивления X_d: (при чисто активной нагрузке X_d=0), кривая выпрямленного напряжения U_d содержит широкий спектр высших гармонических, а высшие гармонические в кривой первичного тока I_1ф отсутствуют.

В другом предельном случае при “чисто-индуктивной” нагрузке, когда X_d = , кривая выпрямленного напряжения не содержит гармонических составляющих, а в кривую первичного тока входит широкий спектр. Закономерным является то, что в кривую первичного тока I_1ф входят только те гармонические составляющие, порядок которых отличается от порядка гармонических в кривой выпрямленного напряжения на +1: ₁ = km + 1.

Здесь ₁ – порядок гармонических в кривой первичного тока; k – целое число, k = 1, 2, 3….

Кратность амплитуды высшей гармонической ₁-го порядка к основной гармонической определяется из отношения I_()max/I_(1)max = 1/₁.

Амплитуда высших гармонических составляющих выпрямленного тока активно-индуктивной нагрузки определяется по формуле

, ,

где T_d – электромагнитная постоянная времени цепи преобразователя,

L_экв = L_d + L_var, L_d - индуктивность цепей постоянного тока,

L_var - индуктивность цепей переменного тока.

Наличие коммутационных участков, а также конечное значение X_d несколько изменяет значение амплитуд высших гармонических составляющих, однако это изменение относительно невелико и им можно пренебречь. Коэффициент искажения тока в первичной сети (предполагая, что напряжение сети синусоидально) может быть найден по выражению:

.

Под радикал вводятся только первые три гармонические, имеющие наибольшие амплитуды.

6. Важным энергетическим показателем работы УВ является коэффициент полезного действия:

 = ,

где – действительная полная активная мощность, выделяемая на нагрузке, ∆Р – суммарная мощность потерь, определяемая по формуле: . Здесь P_d – среднее значение активной мощности, выделяемой на нагрузке; P_d=U_dI_d; ∆P_d – мощность, выделяемая на нагрузке с учетом пульсаций выпрямленного напряжения и тока.

При некоторых допущениях справедливо считать, что мощность, определяемая пульсациями напряжения и тока нагрузки, может быть отнесена к мощности потерь, при этом  = .

Основные потери активной мощности ∆Р определяются как потери в трансформаторе ∆P_тр, в вентилях ∆Р_в, в сглаживающем фильтре P_ф, потери во вспомогательных устройствах P_всп: P = P_в + P_тр + P_ф + P_всп .

Потери в вентилях рассчитываются по формуле

P_в = m_i U_TVSI_AVS,

где m_i – количество вентилей в схеме выпрямления (одновременно работающих), ∆U_TVS и I_AVS – прямое падение напряжения и средний ток вентиля.

Потери в сглаживающем дросселе (фильтре) определяются формулой

P_ф = U_фI_d.

Потери в трансформаторе ∆Р_тр определяются как суммарные потери в стали и меди:

P_тр .

Общий расход мощности во вспомогательных устройствах:

P_всп = .