Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный университет путей сообщения»
(ОмГУПС (ОмИИТ))
Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине «Проектирование преобразователей»
ИНМВ. 400628. 000 ПЗ
Студент гр. 43 В
К.В. Кустов
Руководитель:
доцент кафедры ЭЖТ
Т.В. Комякова
Омск 2016
Задание
студенту гр.43 В Кустову К. В.
на курсовую работу по теме:
«Проектирование преобразователя для тяговой подстанции постоянного тока»
Спроектировать полупроводниковый преобразователь, получающий питание от трехфазной сети переменного тока, с заданными схемой и режимом работы при бесконечной индуктивности цепи выпрямленного тока (Xd=).
Исходные данные (по шифру 628):
1 Схема преобразователя - мостовая сложная последовательного типа.
2 Число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения m = 12.
3 Назначение - железнодорожный транспорт.
4 Режим работы - неуправляемый выпрямитель.
5 Параметры питающей сети: U1л=10,5 кВ; Sк.з.с=150 МВА.
6 Напряжение короткого замыкания трансформатора uк=5,6 %.
7 Параметры сети постоянного тока:
Udном=3,3 кВ; Idном=1600 А.
8 Условия перегрузки по току и напряжению:
kп = Idпер/Idном = 2,5 (tпер= 10с); (Uvпов/Uvмакс) = 1,6; (Uvнепов/Ud0) = 3,5.
9 Тип диода - Д 143 - 1000.
Реферат
УДК 621.311: 621.314.632:621.331
Курсовая работа содержит 40 страниц, 9 рисунков, 5 таблиц, 9 источников.
Неуправляемый выпрямитель, двенадцатипульсовая мостовая схема, электромагнитные процессы, параметры, коммутация, трансформатор, диоды, схема главных электрических соединений, эксплуатационные характеристики, качество электроэнергии.
Объектом исследования является неуправляемый двенадцатипульсовой мостовой силовой полупроводниковый преобразователь для тяговой подстанции постоянного тока электрифицированного железнодорожного транспорта.
Цель работы - рассчитать параметры и характеристики преобразователя, построить электромагнитные процессы, выбрать необходимую коммутационную и измерительную аппаратуру.
Методы исследования - аналитические и графические.
Дано предварительное описание выпрямителя, определены основные параметры схемы преобразователя. Произведен выбор трансформатора и диодов с охладителями. Рассчитано групповое соединение вентилей, выбрана коммутационная, защитная и измерительная аппаратура. Определены показатели, характеризующие качество электрической энергии на выходе и входе преобразователя, построены диаграммы электромагнитных процессов и рассчитаны эксплуатационные характеристики. Сделан вывод о целесообразности использования данной схемы выпрямления в устройствах электроснабжения электрических железных дорог постоянного тока.
Содержание
Введение
1. Принцип работы преобразователя
1.1 Описание схемы и режима работы
1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов в схеме
2. Расчет основных параметров схемы преобразователя
2.1 Расчет напряжений на элементах схемы
2.2 Расчет токов в цепях схемы
2.3 Расчет мощностей трансформатора
2.4 Расчет продолжительности коммутации тока
3. Выбор трансформатора
4. Проект вентильной части преобразователя
4.1 Выбор вентилей по типу и классу
4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях
4.3 Расчет группового соединения вентилей
5. Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя
6. Диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя
7. Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии
7.1 Качество выпрямленного напряжения
7.2 Качество сетевого тока
7.3 Внешняя характеристика
7.4 Характеристика коэффициента мощности
7.5 Характеристика коэффициента полезного действия
Заключение
Библиографический список
преобразователь электромагнитный коммутационный аппаратура
Введение
Основными элементами тяговых подстанций постоянного тока электрических железных дорог, метрополитена, городского и рудничного (карьерного) электротранспорта являются мощные выпрямительные, инверторные и выпрямительно-инверторные преобразователи, являющиеся промежуточными звеньями между источниками и приемниками электроэнергии. Выпрямители должны обеспечивать надежное питание тяговых двигателей электроподвижного состава, инверторы надежный прием избыточных токов рекуперации, выпрямительно-инверторные преобразователи совмещать их функции.
Любой из вышеперечисленных преобразователей состоит из тягового трансформатора, служащего для преобразования уровня напряжения и числа фаз; вентильных конструкций, состоящих из управляемых или неуправляемых вентилей, которые обладают односторонней проводимостью; устройств коммутации и защиты преобразователя от аномальных режимов работы.
1. Принцип работы преобразователя
1.1 Описание схемы и режима работы
Рисунок 1 - Двенадцатипульсовая схема выпрямления последовательного типа
Двенадцатипульсовые схемы выпрямления позволяют: повысить коэффициент мощности тяговых подстанций до 0,97…0,98; улучшить форму кривой потребляемого от сети тока и тем самым повысить качество электрической энергии; улучшить форму кривой выпрямленного напряжения и снизить влияние тяговой сети на линии связи; повысить уровень напряжения в тяговой сети без применения специальных устройств регулирования напряжения; снизить расходы электротехнических материалов, затрагиваемых на изготовление выпрямителей. Приведенная схема является результатом последовательного соединения двух секций, каждая из которых представляет собой простую шестипульсовую мостовую схему выпрямления. Различие между секциями состоит с том, что у одной из них вентильная обмотка трансформатора соединена по схеме «звезда», а у другой - по схеме «треугольник». В результате этого кривые выпрямленных напряжений секций сдвинуты одна относительно другой на угол 30о, а результирующее напряжение на выходе выпрямителя имеет двенадцатипульсовую форму. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора может соединяться как в «звезду» так и в «треугольник». В этой схеме катод мостовой схемы «звезды» соединен с анодом «треугольника» нагрузка подключается к выводам «+Ud» и «-Ud». В каждой мостовой схеме работают одновременно два диода: один - из катодной группы, другой - из анодной. При совместной работе находятся одновременно четыре диода, напряжение одной схемы складывается с напряжением другой, в результате чего на нагрузку поступает двенадцатипульсовое выпрямленное напряжение.
1.2 Предварительный анализ электромагнитных процессов в схеме
Векторная и временные диаграммы электромагнитных процессов в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа приведены на рисунке 2 и 3 соответственно.
Рисунок 2 - Векторная диаграмма в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа
Рисунок 3 - Временные диаграммы электромагнитных процессов в двенадцатипульсовой схеме выпрямления последовательного типа
2. Расчет основных параметров схемы преобразователя
2.1 Расчет напряжений на элементах схемы
Исходным для определения напряжения на обмотках трансформатора и вентильных плечах является среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе преобразователя (Ud0). Определить Ud0 можно и из уравнения внешней характеристики для неуправляемого выпрямительного режима:
(1)
Так как известно, что при , то
, (2)
где Ud - среднее значение выпрямленного напряжения при токе нагрузки ;
А - коэффициент наклона внешней характеристики, зависящий от схемы, который может быть либо рассчитан, либо принят согласно справочным данным (табл. 5[1]);
uк - напряжение короткого замыкания трансформатора, определенное заданием и выраженное в относительных единицах.
Разница между значениями и учитывает потери напряжения в обмотках трансформатора, обусловленные их индуктивным сопротивлением и процессом коммутации тока. С целью учета потерь напряжения в активных сопротивлениях обмоток, вентилях, токоведущих шинах и в дополнительном оборудовании целесообразно округлить Ud0 в большую сторону, увеличив его на 1 - 3 %.
Для сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления последовательного типа действующие значения напряжений вентильной обмотки трансформатора определяются для каждой из секций: для секции «звезды» используется значение соотношения Ud0/U2, указанное в числителе, для секции «треугольника» - в знаменателе (см. табл. 5[1]).
Для секции «звезды»:
Для секции «треугольника»:
Учитывая, что номинальное линейное напряжение питающей сети U1л задано, коэффициент трансформации трансформатора:
, (3)
где U1 и U2 - действующие значения фазных напряжений первичной и вторичной вентильных обмоток трансформатора.
Для секции «звезды»:
Надежность работы полупроводниковых вентилей определяется максимальным (амплитудным) обратным напряжением на вентильном плече, т. е.
. (4)
Для секции «звезды»:
Для секции «треугольника»:
Для сравнения условий работы вентилей в различных схемах принято выражать UVmax через Ud0. Эти соотношения приведены в справочных данных (см. табл. 5[1]).
2.2 Расчет токов в цепях схемы
Условия работы вентильного плеча определяются максимальным IVmax и средним IVср значениями тока, поэтому для проектирования преобразователя необходимо рассчитать их через известный ток выпрямителя Idном. Соотношения между ними определяются схемой преобразователя (см. табл. 5[1]).
Заданием предусмотрена работа схем при абсолютно сглаженном токе преобразователя (Id = const, так как Xd = ). В этом случае мгновенный и максимальный значения тока вентильного плеча равны, причем для сложных мостовых схем последовательного типа IVmax = Idном.
Среднее значение тока в этих цепях:
, (5)
где = 2/3 - продолжительность проводящего состояния вентильного плеча.
Действующее значение тока вентильной обмотки трансформатора I2 определяется из соотношений, приведенных в таблице 5[1]. Для сложных двенадцатипульсовых схем выпрямления последовательного типа токи I2 определяются для каждой из секций: для секции «звезды» используется значение соотношения I2/Id, указанное в числителе, для секции «треугольника» - в знаменателе.
Для секции «звезды»: I2=1307,2 А.
Для секции «треугольника»: I2=753,6 А.
Действующее значение тока сетевой обмотки трансформатора I1 определяется из соотношений, приведенных в таблице 5[1].
I1=301,2 А.
2.3 Расчет мощностей трансформатора
Особенностями преобразовательного трансформатора по сравнению с обычным силовым являются:
1) различное в большинстве случаев число фаз сетевой m1 и вентильной m2 обмоток, т. е. ;
2) нестандартное значение напряжения на вентильной обмотке;
3) неравенство мощностей сетевой S1 и вентильной S2 обмоток.
Вследствие последнего положения трансформатор характеризуется так называемой типовой мощностью Sтип, которая в общем случае определяется по выражению:
(6)
Мощность сетевой обмотки:
. (7)
При расчете сложных мостовых схем, в которых вентильные обмотки соединены в «звезду» и «треугольник»:
. (8)
В теории выпрямления тока принято выражать S1, S2 и Sтип через так называемую условную мощность:
. (9)
При сравнении рассчитанных по уравнениям (6) - (8) мощностей S1, S2 и Sтип с основными расчетными соотношениями, приведенными в таблице 5[1], получаем равенство S1/Pd0=1,006(1,008);S2/Pd0=1,045(1,05);Sтип/Pd0=1,026(1,029)
2.4 Расчет продолжительности коммутации тока
Процесс преобразования электрической энергии представляет собой регулярное чередование внекоммутационных и коммутационных интервалов в пределах каждого периода сетевого напряжения, поэтому необходимо определить продолжительность коммутации тока (значение угла коммутации ). С учетом принятых в курсе преобразовательной техники допущений (симметричные синусоидальные питающие напряжения, абсолютно сглаженный ток на стороне постоянного напряжения, отсутствие взаимного влияния секций в сложных схемах, расчет при нагрузках, не превышающих номинальной и др.) можно определить угол коммутации и оценить его влияние на работу преобразователя.
Обобщенное для всех схем и режимов выражение, определяющее , согласно литературе [2, 10, 11] имеет вид:
, (10)
где - искомый угол коммутации;
= 0 - угол регулирования;
- угол опережения открытия тиристоров;
xв - индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к напряжению вентильных обмоток,
; (11)
IVmax = f(Id) - ток, который коммутируют вентильные плечи данной схемы.
В результате вычислений получаем г = 15,13.
3. Выбор трансформатора
3.1 Критерии выбора трансформатора
Трансформатор преобразователя должен обеспечить реализацию заданной схемы, надежность и экономичность агрегата. При выборе трансформатора необходимо добиться соответствия паспортных данных условиям эксплуатации. При этом выбор производится по следующим критериям:
1) по соответствию параметрам питающей системы. Первичная (сетевая) обмотка трансформатора и подведенная питающая сеть должны иметь одинаковое число фаз m1 и равные номинальные линейные напряжения;
2) по мощности. Мощность трансформатора должна обеспечить надежную работу преобразователя во всем диапазоне нагрузок, для этого при выборе необходимо соблюдение условия:
Sтип Sт.ном, (12)
где Sтип типовая (расчетная) мощность трансформатора, определенная в разделе 2 для проектируемого преобразователя;
Sт.ном номинальная мощность выбранного типа трансформатора, соответствующая одному из установленных значений шкалы номинальных мощностей трансформаторов, выпускающихся в России;
3) по схеме вторичных (вентильных) обмоток. Схема вентильных обмоток выбранного трансформатора должна соответствовать заданной;
4) по системе охлаждения. Выбор системы охлаждения производят в зависимости от типовой мощности и условий эксплуатации трансформатора (от назначения преобразователя). Применяемые в составе преобразователя трансформаторы могут быть сухими или масляными. В настоящее время сухие трансформаторы изготавливаются мощностью до 2500 кВ•А и разрабатываются более мощные. На тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока применяются исключительно масляные трансформаторы.
С учетом выше изложенных условий выбираем трансформатор типа:
Дополнительные данные:
- схема и группа соединения обмоток - У/ДУ - 11- 0;
- схема преобразователя - m=12 мостовая сложная последовательного типа;
- потери холостого хода Рх.х. = 9 кВт;
- потери короткого замыкания Рк.з. = 39 кВт;
- напряжение короткого замыкания: uк = 7,5% ;
- ток холостого хода: i0 = 0,77% ;