Курсовая работа: Проектирование преобразователей для тяговой подстанции постоянного тока

- масса: 14,6т;

- номинальное напряжение преобразователя: Udном = 3,3 кВ;

- номинальный ток преобразователя: Idном = 1,6 кА;

- мощность сетевой обмотки: 5,7 МВ.А;

- напряжение сетевой обмотки: U1л =10,5 кВ.

4. Проект вентильной части преобразователя

4.1 Выбор вентилей по типу и классу

Выбор вентиля проводится по следующим критериям:

1) по назначению преобразователя и режиму работы. При неуправляемом выпрямителе необходим диод;

2) по принципу охлаждения;

3) по конструктивному исполнению приборов;

4) по допустимому среднему току прибора. Исходным является значение среднего тока вентильного плеча IVср, рассчитанное по формуле (5), которое сравнивается с током одного вентиля.

Нагрузочную способность силовых полупроводниковых приборов характеризует максимально допустимый средний ток - среднее за период значение прямого тока, протекающего через прибор в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока с углом проводимости 180о, когда при установившемся тепловом состоянии температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода - максимально допустимой.

5) по классу прибора. Выбор основан на сравнении максимального напряжения на вентильном плече UVmax, рассчитанного в подразделе 1.1, с допустимыми напряжениями для выбранного вентиля, определяемыми его классом.

Таблица 1 - Параметры вентиля типа Д143-1000 с охладителем О243 - 150

4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях

Максимально допустимый средний прямой ток при заданных условиях работы отличается от указанного в обозначении типа вентиля, так как прибор в конкретной схеме имеет иную продолжительность открытого состояния, различные значения температуры охлаждающей среды, интенсивности охлаждения и т. п., поэтому для оценки реальной нагрузочной способности вентиля рассчитывается IFAVm в заданных условиях по выражению:

, (13)

где Rthja - тепловое сопротивление «переход - среда», оС/Вт, причем

; (14)

оС/Вт,

kф = 1,73 коэффициент формы кривой тока, зависящий от характера нагрузки и схемы преобразователя, равный отношению действующего значения тока к среднему;

Та - температура охлаждающей среды (воздуха). В расчетах обычно принимается равной +40оС, но может изменяться в зависимости от места установки преобразователя, климатических условий и способа эксплуатации.

А.

Критериями оценки работоспособности полупроводниковых приборов при токовых перегрузках являются перегрузочные характеристики и ударный неповторяющийся ток. Исходными данными для расчета перегрузочных характеристик являются типы прибора и охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.

Допустимый ток перегрузки определяется по формуле:

, (15)

где Tj - температура перехода в результате нагрева его током предварительной нагрузки,

; (16)

PF(AV) - мощность потерь в вентиле, обусловленная током предварительной нагрузки,

; (17)

Z(th)tja - переходное тепловое сопротивление «переход - среда» для продолжительности перегрузки t, с.

При t = 10 с:

Z(th)10ja = Z(th)10jc + Rthch + Z(th)10ha. (18)

Наиболее тяжелым будет режим при номинальном токе до наступления перегрузки, т. е. при

, (19)

где а = 2 - число вентилей, соединяемых в плече параллельно.

Z(th)10ja = 0,04 + 0,01 + 0,02=0,07С/Вт;

Вентильные конструкции должны выдерживать и аварийные перегрузки, в том числе сохранять исправность при режиме короткого замыкания (к. з.). Перегрузочная способность вентиля характеризуется ударным неповторяющимся прямым током IFSM - током, при котором превышается максимально допустимая температура перехода, но который протекает кратковременно и в единичных случаях за весь срок службы прибора. Нормируется допустимое значение ударного неповторяющегося прямого тока в виде одиночного импульса синусоидальной формы длительностью 10 мс в аварийном режиме. Обычно IFSM (15 - 20) IFAVm.

Этот ток сравнивается с расчетным ударным током к. з. в схеме преобразователя. Определить последний можно по упрощенной методике по выражению:

, (20)

где - напряжение короткого замыкания, эквивалентное сопротивлению питающей системы с мощностью к. з. Sк.з.с,

. (21)

Ударное значение тока к. з. определяется по выражению:

Iуд = 2,55 Iк.з. (22)

Iуд = 2,55· 11172,6 = 28490,13 А.

4.3 Расчет группового соединения вентилей

В преобразователях большой мощности, как правило, приходится использовать групповое соединение силовых полупроводниковых приборов с целью обеспечения нагрузочных режимов и необходимой надежности.

Порядок расчета числа параллельно соединенных вентилей предусматривает определение его по трем режимам:

1) номинальной нагрузки -

, (23)

где IFAVm - максимально допустимый средний прямой ток вентиля, определяемый для заданных условий по выражению (19);

= 0,8 - коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между параллельно соединенными вентилями;

2) технологической перегрузки -

, (24)

где IVпер - максимальное значение тока вентильного плеча при перегрузке,

, (25)

kп 2,5 - коэффициент перегрузки за t = 10 с принимаемый в соответствии с заданием;

IF(OV) - амплитуда допустимого тока перегрузки одного вентиля, рассчитанная по формуле (15);

3) короткого замыкания -

, (26)

где Iуд - ударное значение тока к. з. в схеме преобразователя, определенное по выражению (22);

IFSM - ударный неповторяющийся прямой ток вентиля, принимаемый согласно паспортным данным.

Наибольшим из них является а1 ? 2.

Число последовательно соединяемых вентилей в плече схемы также определяется по трем режимам:

1) расчетному -

, (27)

где UVmax - максимальное обратное напряжение на вентильном плече, определенное по выражению (4) для данного режима;

URWM - рабочее обратное напряжение одного вентиля, принимаемое как параметр по паспорту. В случае отсутствия данных в паспорте принимается условие: ;

kU = 0,9 - коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение напряжения;

2) по повторяющимся (коммутационным) перенапряжениям -

, (28)

где UVпов = 2847 В - регулярно повторяющееся перенапряжение на плече, определенное процессами в схеме, значение которого задано в исходных данных;

URRM - повторяющееся обратное напряжение вентиля (напряжение класса);

3) по неповторяющимся перенапряжениям -

, (29)

где UVнепов = 11900 В - неповторяющееся аварийное перенапряжение, определенное исходными данными как перенапряжение между плюсовой и минусовой шинами преобразователя;

URSM - неповторяющееся обратное напряжение, допустимое на один вентиль;

URSM = 1,25URRM;

URSM = 1,25·1600 = 2000 В;

n - число последовательных плеч в схеме, включенных на выпрямленное напряжение.

s принимается равным 3.

Общее число вентилей в преобразователе определяется по выражению:

N = p a s, (30)

где p - число вентильных плеч в преобразователе.

N = 12·2·3 = 48.

Рисунок 4 ? Схема вентильного плеча.

5. Схема главных электрических соединений преобразователя

5.1 Разработка схемы главных электрических соединений преобразователя

Схема, показывающая способ соединения вентильной части преобразователя с обмотками трансформатора, а также основные элементы электроустановки (коммутационные аппараты и защитное оборудование), соединенные в такой последовательности, которая выполнена в реальных условиях, называется схемой главных электрических соединений преобразователя.

Схема главных электрических соединений преобразователя приведена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема главных электрических соединений преобразователя

5.2 Выбор типа и обоснование примененных оборудования и аппаратов в схеме

Условия выбора аппаратов и шин:

аппараты и шины выбираются по назначению и способу установки (наружная или внутренняя);

аппараты и изоляторы - по номинальному напряжению аппарата (Uном.ап) в сравнении с номинальным напряжением установки (Uном.уст) при условии, что ;

аппараты и токоведущие шины - по допустимому току (Iном.ап) в сравнении с номинальным рабочим током цепи (Iном.уст) при условии, что .

Наименование выбранных коммутационных аппаратов, защитного оборудования и токоведущих шин, место их установки, основные параметры и позиционные обозначения сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Перечень элементов схемы главных электрических соединений преобразователя

6. Диаграммы электромагнитных процессов в схеме преобразователя

Результаты расчета и принцип работы преобразователя в заданном режиме иллюстрируются диаграммами электромагнитных процессов, которые представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Диаграммы электромагнитных процессов

7. Расчет эксплуатационных характеристик и параметров, характеризующих качество электроэнергии

7.1 Качество выпрямленного напряжения

В кривой выпрямленного напряжения при симметричных и синусоидальных напряжениях питающей сети содержатся гармонические составляющие следующего порядка:

n = k m, (31)

где k = 1, 2, 3, 4,…;

m - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения.

Действующее значение каждой гармоники определяется по выражению:

; (32)

По выражению (32) можно определить действующее значение гармоники Ud0n:

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения характеризует результирующее влияние всех гармоник и определяется по формуле:

; (33)

Качество выпрямленного напряжения определяется коэффициентом полной волнистости:

; (34)

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.

Таблица 3 - Результаты расчета действующего значения переменной составляющей выпрямленного напряжения и коэффициента полной волнистости преобразователя

Сравнивая полученные значения щd0 (0,01) c приведенным в [1] и со значениями для других схем выпрямления, можно сделать вывод о высоком качестве напряжения в двенадцатипульсовой схеме по сравнению с шестипульсовой.

7.2 Качество сетевого тока

Форма кривой тока, потребляемого выпрямителем из сети, несинусоидальна и содержит гармонические составляющие с порядковым номером:

, (35)

где k = 0, 1, 2, 3, …