Курсовая работа: Расчет однофазного управляемого выпрямителя

Введение

Целью курсовой работы является закрепление теоретического материала по дисциплине «Электронная и преобразовательная техника» на примере расчёта однофазного управляемого выпрямителя, предназначенного для регулирования напряжения на тяговом двигателе последовательного возбуждения.

В настоящее время существует на электроподвижном составе два основных способа регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям: за счёт изменения момента открытия вентилей выпрямителя (электровозы ВЛ80Р, ВЛ85), а также посредством изменения подаваемого со вторичной обмотки трансформатора переменного напряжения (ВЛ80Т, С)

Для регулирования выпрямленного напряжения изменением момента открытия вентилей выпрямитель должен иметь управляемые вентили - тиристоры. Если подавать на управляющие выводы этих вентилей отпирающие импульсы с помощью соответствующей системы автоматического регулирования, то можно открывать вентили в определённые моменты времени и изменять общее время, в течении которого каждый вентиль проводит ток. Такой выпрямитель называют управляемым.

За основу расчётов в курсовой работе взят управляемый выпрямитель, выполненный по несимметричной мостовой схеме. В данной курсовой работе рассчитаем однофазный управляемый выпрямитель для регулирования напряжения на тяговом двигателе последовательного возбуждения.

1. Расчет исходных данных для проектирования трансформатора

1.1 Определяем углы коммутации 1 и 2

Для расчета принимаем

Угол сетевой коммутации 2 определим по формулам

, (1.1)

где Id - ток нагрузки, Id = 1050 A;

Idн - номинальный ток нагрузки, Idн =1050 A;

uк - относительное значение напряжения короткого замыкания, uк =0,12.

2 = arccos(cos 2), рад, (1.2)

Подставляя числовые значения в (1.1), получаем

Подставляя числовые значения в (1.2), получаем

2 = arccos(0,915) = 0,415 рад.

Угол фазной коммутации 1 определим из выражения

(1.3)

, (1.4)

Подставляя числовые значения в (1.2), получаем

1.2 Определяем амплитудное значение Е2m и действующее значение Е2 значения ЭДС вторичной обмотки трансформатора

Условие получения заданного выпрямленного напряжения при номинальном режиме Udн

, (1.5)

Принимаем: = 2, при Id = Idн.

Величина Е2m определяется из условия (1.5) по формуле

, (1.6)

где Udн - номинальное выпрямленное напряжение, Udн = 1150 B.

Подставляя числовые значения в (1.2), получаем

.

Находим действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора по формуле

, (1.7)

.

1.3 Определяем коэффициент трансформации трансформатора КТ

, (1.8)

где Е1 - ЭДС первичной обмотки трансформатора, В.

Принимаем, что ЭДС первичной обмотки Е1 равна напряжению питания U1

Е1 = U1 = 25000 B,

Подставляя числовые значения в (1.8), получаем

1.4 Определяем токи первичной и вторичной обмоток трансформатора в номинальном режиме

Токи обмоток рассчитываются для значения угла регулирования =г2=0,415 рад,

, (1.9)

Подставляя числовые значения в формулу(1.9), получаем

.

Действующее значение тока первичной обмотки рассчитывается по формуле

автомобиль рулевой тормозной передача

(1.10)

Подставляя числовые значения в (1.10), получаем

1.5 Определяем типовую мощность трансформатора в номинальном режиме

(1.11)

Подставляя числовые значения в (1.11), получаем

.

2. Расчет и проектирование кривых тока протекающих через вентили во время коммутации

2.1 Определяем токи во время сетевой коммутации

Токи, протекающие через вентили VD1 и VD2, во время сетевой коммутации 2 , определяются по формулам

, (2.1)

. (2.2)

Подставляя числовые значения в (2.1) и (2.2), получаем

,

.

где Ivd1 и Ivd2 - токи, протекающие через вентили VD1 и VD2.

Рассчитаем несколько значений ivd1 и ivd2 с интервалом времени t1 по формулам

,

, (2.3)

. (2.4)

Результаты расчётов по формулам (2.3) и (2.4) заносим в таблицу 1

Диаграмма сетевой коммутации приведена на рисунке 1

Таблица 1 Токи во время сетевой коммутации

Рисунок 1 - Диаграмма сетевой коммутации

2.2 Определяем токи фазной коммутации

Токи, протекающие через тиристоры VS1 и VS2 во время фазной коммутации 1 определяются для расчётного значения угла регулирования р по формулам

, (2.5)

(2.6)

Подставляя числовые значения в (2.5) и (2.6), получаем

,

.

где Ivs1 и Ivs2 токи, протекающие через тиристоры VS1 и VS2, соответственно.

Рассчитаем несколько значений ivs1 и ivs2 с интервалом времени t2 по формулам

,

, (2.7)

. (2.8)

Результаты расчётов по формулам (2.7) и (2.8) заносим в таблицу 2

Таблица 2 Токи во время фазной коммутации

Диаграмма фазной коммутации представлена на рисунке 2

Рисунок 2 - Диаграмма фазной коммутации

3. Расчет и построение характеристик выпрямителя

3.1 Расчет внешней характеристики выпрямителя

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения Ud от тока нагрузки Id при постоянном угле регулирования р.

Расчет производим для трех значений угла р.

Расчёты производим по формуле

(3.1)

Выражение (3.1) представляет собой уравнение прямой линии, поэтому для построения каждой внешней характеристики достаточно две точки

= 2 при Id = Idн

= 2 при Id = 0

= р при Id = Idн

= р при Id = 0

=1,4р при Id = Idн

=1,4р при Id = 0

Внешние характеристики при разных значениях угла регулирования р приведены на рисунке 3

Рисунок 3 - Диаграмма внешней характеристики выпрямителя

3.2 Расчёт регулировочной характеристики выпрямителя

Расчёт производится по формуле (3.1) для заданных значений угла регулирования р при Id = 0 и Id = Idн

.

Результаты расчётов заносим в таблицу 3. По данным таблицы 3 строим регулировочную характеристику (рисунок 4)

Таблица 3 - Значения регулировочных характеристик выпрямителя

Рисунок 4 - Диаграмма регулировочной характеристики

4. Выбор вентилей выпрямительной установки

4.1 Определяем число параллельно включенных ветвей вентилей

Таблица 4.1 - Параметры диода ВЛ320 для диодного плеча выпрямителя

Таблица 4.2 - Параметры тиристора Т800 для тиристорного плеча выпрямителя

, (4.1)

где -ударный ток;

-ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии.

, (4.2)

где z - общее сопротивление контура короткого замыкания;

t - текущее время, t=0,01 сек;

ф - постоянная составляющая контура короткого замыкания;

ц - угол сдвига между током короткого замыкания и напряжением вторичной обмотки трансформатора.

, (4.3)

где XT -индуктивное сопротивление трансформатора.

, (4.4)

где SТР -типовая мощность трансформатора.

,

, (4.5)

где РКЗ -мощность потерь короткого замыкания, определяемая по формуле

(4.6)

Получаем

Откуда активное сопротивление будет равно:

Ом,

Подставив полученные значения в формулу 4.3 определим общее сопротивление контура короткого замыкания

Ом,

, (4.7)

где f- частота питающего напряжения; f=50 Гц.

сек,

, (4.8)

Число параллельно включенных вентилей равно

,

Число параллельно включенных тиристоров равно

.

4.2 Проверка условия работы диодного и тиристорного плеча в длительном режиме

Для принятия окончательного решения по количеству параллельно включенных вентилей в плече выпрямителя необходимо убедится в том, что такое плечо будет работать без перегрузки в длительном рабочем режиме.

Необходимое для этого число параллельных вентилей определим по формуле

, (4.9)

где Кпер=1,6 -коэффициент, учитывающий возможную перегрузку вентиля на этапах трогания и разгона поезда;

КН=0,9 - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока между параллельными ветвями, связанное с разбросом характеристик вентиля;

- предельный ток вентиля,

, (4.10)

где - пороговое напряжение вентиля в открытом состоянии;

- коэффициент формы тока, зависящий от схемы выпрямителя (для мостовой схемы );

- дифференциальное сопротивление в открытом состоянии;

- максимально допустимая температура p-n перехода (для кремниевого нелавинного вентиля , а лавинного - );

- температура охлаждающего воздуха ;

- сопротивление стоку тепла от p-n перехода в охлаждающую среду.

Определим предельный ток для вентиля

,

Определим предельный ток тиристора

,

Число параллельно включенных вентилей равно

,

Число параллельно включенных тиристоров равно

.

Так как число параллельно включенных ветвей вентилей и тиристоров при проверке по рабочему режиму оказалось больше, то во избежание перегрузок принимаем

- вентили

- тиристоры

4.3 Определение количества последовательно включенных вентилей

Число последовательно включенных приборов определяется из условия обеспечения максимально допустимого повторяющегося напряжения на вентиле при пробое одного из вентилей.

, (4.11)

где - максимальное обратное напряжение, воздействующее на вентильное плечо с учетом бросков и колебаний напряжения в сети;

- паспортное значение допустимого обратного напряжения на вентиле;