Учебная работа. Разработка и проектирование тиристорного преобразователя для электропривода
Введение
Трехфазные сети обширно всераспространены в энергетике и употребляются для производства и передачи электронной энергии. Трехфазные системы были разработаны русским электриком М.О.Доливо-Добровольским (1862 — 1919 гг.) и представляют собой систему из трёх источников переменного тока, ЭДС которых смещены друг относительно друга на угол 120°.
В истинное системы преобразования переменного синусоидального напряжения и тока в неизменные фактически на сто процентов представлены полупроводниковыми выпрямителями. Весьма нередко также нужно регулировать величину приобретенного неизменного напряжения. Экономически прибыльно снабдить выпрямитель системой импульсно-фазового управления в силу относительной ее дешевизны, высочайшего КПД и компактности.
При помощи выпрямителей осуществляется преобразование энергии переменного тока в энергию неизменного тока. В промышленных установках используют разные схемы выпрямления переменного тока в неизменный, любая из которых имеет свои плюсы и недочеты. При сопоставлении разных схем выпрямления учитывают последующие их технические свойства: число полупроводниковых устройств, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.
В трехфазной мостовой схеме в хоть какой момент времени при активной перегрузке ток проходит через два диодика — один из нечетной, а иной — из четной группы. Диоды нечетной группы коммутируются в момент пересечения положительных участков синусоид, а четной группы — в момент пересечения отрицательных участков. В итоге при наличии 2-ух групп получают шестифазное выпрямление.
Плюсами трехфазных мостовых схем, обширно используемых в выпрямительных устройствах, являются: маленький коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения; маленькое оборотное напряжение; малая габаритная мощность трансформаторов; отсутствие принужденного подмагничивания, потому что ток во вторичной обмотке трансформатора изменяет свое направление.
1. Разработка принципной схемы преобразователя
В главных схемах включения тиристоров ток во внешнюю цепь подается лишь в одном направлении.
Для почти всех потребителей направление тока описывает технологический режим работы. К примеру, в машинках повторяющегося деяния (экскаваторах, перегрузочных машинках и др.) изменение направления движения рабочих органов осуществляется реверсированием тока перегрузки приводных движков.
Существует два метода управлениями тиристорами в реверсивных схемах: совместное и раздельное. В схемах с совместным управлением управляющие импульсы подаются к тиристорам обеих групп. Регулирование импульсов в комплектах тиристоров делается так, чтоб один из их работал в выпрямительном режиме, иной— в инверторном.
Набросок 1. Трехфазная мостовая встречно- параллельная схема
2. Разработка расчетной схемы силовой части преобразователя
В электроприводах средней и большенный мощности используются трехфазная мостовая схема. Схема преобразователя приведена на рисунке 1.
Схема содержит вентильный блок, выполненный по трехфазной мостовой схеме, силовой трансформатор Т1 и систему защиты тиристоров от коммутационных перенапряжений и перенапряжений со стороны сети.
Расчет и выбор мощности трансформатора вентилей и устройств защиты выполнен по известным методикам. Начальными данными являются паспортные данные подъемного мотора.
Набросок 2. Схема силовой части ТП
2.1 Начальные данные
Технические данные электродвигателя
Номинальное напряжение, В…………………………………..240
Номинальный ток, А……………………………………………170
Наибольший ток, А………………………………………….425
2.2 Главные характеристики трехфазной схемы
Ku=0.427 Ed0/E2ф=2,34 Ks=1.045 KI1=0.817 KI2=0.87
3. Расчет и выбор силового трансформатора
Требуемая величина напряжений на вторичной обмотке трансформатора описывает выражение:
E=KU•Kc•Kб•KR•Ku•Uн , (1)
где, Kc- коэффициент учитывающей возможность понижения напряжения в питающей сети. Kб- коэффициент учитывающий неполное открывание тиристора при наивысшем управляющем сигнале. KR-коэффициент учитывающей падение напряжения в преобразователе.
Опосля подстановки получаем:
Е2ф=0,427•1,1•1,1•1,1•240=136,4 В
Действующие
I2ф=1,1•0,87•170=162,7 А
Действующие
I1ф=162,7/3,3=49,3 А
Ктр=0,95•220/136,4=1,53
Расчетная мощность
SТ=v3•380•162.7=107кВа
4. Расчет и выбор тиристоров
Для трехфазной мостовой схемы тиристоры выбираются по продолжительно допустимому току и очень оборотному повторяющему напряжению.
Iмакс=2,5•170=425 А
Средний ток протекающий через тиристор в любом плече моста
Iср=425/3=141,7 А
Принимаем принудительное остывание:
IП=1,4•1,1•141,7=218,2 А
Амплитуда оборотного циклического напряжения
UП=1,4•v2•v3•136,4=467,8 В
К установке принимаем тиристор Т133-400
У этого тиристора IП=218,2 А UП=467,8 В
5. Расчет и выбор частей устройств защиты
Долгая и надежная работа полупроводниковых преобразовательных устройств обеспечивается, если главные характеристики полупроводниковых частей: прямое и оборотное напряжение на вентилях не превосходит допустимы пределов, скорость нарастание прямого напряжения и тока перегрузки не превосходит критичного значения, наибольшее тока допустимой величины приводит к перегреву полупроводников и разрушений p-n перехода. Превышение скорости нарастания прямого тока может привести к локальному перегреву p-n перехода и к таковым же последствиям. К более соответствующему аварийному режиму полупроводниковых преобразователей являются: перенапряжение на вентилях; недлинные замыкания (внутренние и наружные); перегрузка по току; Предотвращения повреждения вентилей в аварийных режимах осуществляется при помощи устройств защиты. Выбор системы защиты тиристорных агрегатов является непростая технической задачей, требующая учет разных причин, определяющих протекание аварийных действий и их последствие. Сначала это перегрузочная способность тиристора. Существует ряд причин, приводящих к разрушению тиристоров, либо не допустимому изменению их черт в итоге нагрева аварийным током. С учётом этого избираем последующие виды защиты тиристоров:
-от коммутационных перенапряжений
-от перенапряжений со стороны сети
-от наружных маленьких замыканий
В связи с высочайшим напряжением питания силовых трансформаторов для подключения к сети принимаем масляные включатели. На вторичной стороне для защиты от маленьких замыканий устанавливаем быстродействующие автоматические выключатели ВА 57-39, у каких UH=400 В, IH=250 А переменного тока частотой 50 и 60 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ), для отключения тока при аварийных ситуациях; От коммутационных перенапряжений тиристоров защищаем при помощи RC-цепочек, включаемых параллельно любому из их. характеристики RC-цепочек определяем по приблизительным формулам
С=10•425/467,8=9,1 мкФ
Сопротивление резистора включаемого поочередно с конденсатором
R=10•467,8/425=11 Ом
От перенапряжения со стороны сети принимаем так же RC-цепочеку включаемую к преобразователю через трехфазный мост.
При обычной работе преобразователя выходное напряжения моста равно:
Е2ф=2,34•136,4=319,2 В
Примем, что в момент отключения трансформатора без перегрузки выходное напряжение выпрямителя умножается
U2=2•319,2=638,4 В
Для выпрямителя избираем вентили Д-132-40, у каких IH=40 А, импульсный ток равен 500 А. Перепад напряжений в момент выключения составит
? U=638,4-319,2=319,2 В
Зарядный ток конденсатора, вызванный перепадом напряжения ограничивается резистором, величина которого определяется из условия
R1? ? U/ IП?1.46 Ом R1? ? U/ Iмакс?0,75 Ом
В процессе доп заряда конденсатора на нем скапливается энергия
Wм.макс=0,5•С(U22- U12)=0,5•v2•Iµ•v2Е2ф/щ (2)
Решая это уравнение относительно емкости конденсатора, получим
С=2•Iµ•Е2ф/щ•(U22- U12) (3)
где, Iµ- действующее случае Iµ=1,3 А
С=2•1,3•136,4/314(638,42-319,22) =3,695 мкФ
Время разряда конденсатора опосля отключения трансформатора составляет не наиболее 5 R2 C. время меж очередными отключениями трансформатора составляет не наименее 10 С. За это время просвет времени конденсатора разрядится при условии
R2=10/5•3.695•10-6=541.3 кОм
6. Выбор системы импульсно- фазового управления
Системы импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями (СИФУ) должны удовлетворять ряду специфичных требований, которые можно поделить на две группы:
1. Требования, относящиеся к управляющему импульсу.
2. Требования, обусловленные схемой выпрямления и применяемыми режимами тиристорных преобразователей.
Для надежного открывания тиристора на его управляющий электрод необходимо подать импульс определенной полярности и продолжительности. Для надежного открывания хоть какого тиристора данной серии используемая СИФУ обязана обеспечить ток и напряжение управления, превосходящие больший ток и напряжение управления, указываемые для тиристоров данной серии. Не считая того, мощность утрат, выделяющихся в цепи управляющий электрод — катод также ограничивается очень допустимым значением.
Малая продолжительность управляющего импульса обязана быть больше времени включения тиристора, а за время существования импульса ток в анодной цепи тиристора должен успеть вырасти до уровня тока удержания.
Крутизна фронтального фронта напряжения управляющего импульса обязана быть достаточной для обеспечения резвого нарастания тока управления, точного отпирания тиристора и уменьшения утрат при включении. При малой крутизне из-за различия характеристик цепей управления тиристоров в многофазных схемах может показаться асимметрия выпрямленного напряжения.
В особенности высоки требования к крутизне управляющих импульсов при поочередном и параллельном соединении тиристоров, потому что недостающая крутизна приводит к их неодновременному открыванию. При параллельном соединении это приводит к краткосрочной перегрузке тиристора, который раскрывается ранее, а при поочередном соединении все анодное напряжение быть может приложено к тиристору, открывающемуся крайним. В обоих вариантах неодновременное открывание тиристоров может привести к выходу их из строя. Обычно управляющий импульс формируется с крутизной фронтального фронта 0,2 — 2 А/мкс. При поочередном и параллельном соединении тиристоров крутизну следует избрать поближе к верхнему лимиту.
Нужный наибольший спектр регулирования угла а для тиристорного преобразователя, работающего как в выпрямительном, так и инверторном режимах на теоретическом уровне составляет 180°. Но наибольший угол регулирования из-за способности опрокидывания инвертора ограничивается 150—160°.
СИФУ обязана обеспечивать симметрию управляющих импульсов по фазам. Асимметрия вызывает неравномерную нагрузку тиристоров из-за различной длительности их работы и приводит к ухудшению критерий работы питающего трансформатора и сглаживающего дросселя. Допустимая величина асимметрии управляющих импульсов не наиболее 3°.
Быстродействие системы управления тиристорными преобразователями является одним из важных ее характеристик. С целью заслуги наибольшего быстродействия преобразователя СИФУ производятся фактически безинерционными.
Более всераспространенными являются многоканальные синхронные системы управления тиристорными преобразователями, построенные по вертикальному принципу. В синхронных СИФУ отсчет угла a производится от моментов естественного отпирания для всякого плеча моста (либо для каждой пары противофазных плеч). синхронизация с питающей сетью состоит в том, что управляющие импульсы для всякого тиристора тиристорного преобразователя генерируются в спектре, агрессивно связанном с периодичностью повторения анодного напряжения.
Индивидуальностью многоканальных СИФУ будет то, что формирование и фазовый сдвиг импульсов осуществляется в отдельном канале для всякого вентильного плеча многофазного тиристорного преобразователя.
Многофункциональная схема 1-го канала СИФУ показана на рис. 3. Любой канал, обычно, содержит фазосдвигающееся устройство ФСУ и формирователь импульсов ФИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит устройство синхронизации с сетью С, генератор развертки ГР и пороговое устройство (нуль-орган) НО. На вход НО подается не считая опорного напряжения сигнал управления тиристорного преобразователя Ur В общем случае напряжение U может подаваться через особое входное устройство, осуществляющее согласование характеристик сигнала управления тиристорного преобразователя со входом СИФУ.
преобразователь тиристор реверсивный схема
Рис. 3. Многофункциональная схема 1-го канала СИФУ
В момент равенства опорного напряжения и напряжения управления U пороговое устройство переключается, и формирователь импульсов ФИ в тот же момент времени выдает управляющий импульс. Все перечисленные элементы могут иметь различное выполнение и различаться по принципу работы.
В СИФУ употребляют два вида опорных напряжений: линейно изменяющееся во времени и косинусоидальное. В крайнем случае при соответственной фазировке напряжения развертки относительно моментов естественной коммутации тиристоров результирующая регулировочная черта тиристорного преобразователя выходит линейной
Ud = KUr.
В многофазных системах число каналов СИФУ соответствует числу фаз тиристорного преобразователя. Работа всякого канала синхронизируется с соответственной фазой напряжения сети.
Для обеспечения симметрии работы системы управления узел введения сигнала управления тиристорного преобразователя Uу производится общим для всех каналов.
Достоинством многоканальных СИФУ является простота структурной схемы.
Главный недочет — необходимость подстройки каналов с целью их симметрирования. Асимметрия импульсов по каналам Да на практике составляет 2^3°. Недочетом также являются завышенные аппаратурные Издержки, увеличивающиеся пропорционально числу каналов. Для формирования СИФУ в истинное время обширно употребляются серийно выпускаемые интегральные микросхемы общего внедрения (к примеру, операционные усилители серии К553УД2, логические интегральные микросхемы серии К511, гибридные интегральные микросхемы и др.). Ведутся работы по созданию особых микросхем, реализующих в одном корпусе отдельные узлы либо полный канал системы управления, также по применению микропроцессорной техники для управления преобразователями.
Главный элементной базой для построения преобразователей частоты современных частотно-регулируемых электроприводов малой и средней мощности являются IGB транзисторы. Усилитель импульсов управления, который сформировывает выходные сигналы требуемой мощности и формы для управления IGB транзистором и сделанный в виде отдельной интегральной схемы, именуется драйвером.
драйвер (рис. 4) содержит входной узел I, принимающий сигнал информационного канала; узел согласования II, модифицирующий информационный сигнал в сигнал управления нужного уровня; выходной узел III, осуществляющий окончательное формирование импульса управления требуемой мощности и формы. Добавочно на драйвер могут быть возложены функции защиты силового ключа от перегрузки либо слежения за уровнем напряжения питания микросхемы.
Зависимо от используемого вида гальванической развязки входной узел представляет собой или фотоприемное устройство оптронной пары, как это показано на рис. 4, или логическую схему, передающую информационный сигнал в узел частотный трансформаторной системы разделения цепей.
Рис. 4. Структурная схема драйвера IGB транзистора:
I — входной узел;
II — узел согласования; III — выходной узел; 1, 2 — клеммы входного сигнала; 3, 6 — клеммы для подключения источника питания; 4, 5 — клеммы выходного сигнала
Узел согласования представляет собой один либо несколько главных транзисторов, модифицирующих уровень информационного сигнала. Главные требования к узлу согласования — высочайший коэффициент усиления по току и завышенное быстродействие.
Входные узлы и узлы согласования драйверов IGB транзисторов строятся по схожим схемам. Схема построения выходного узла зависит от схемы цепи управления силового ключа и временных характеристик режима его управления.
7. Построение наружной и регулировочной свойства преобразователя
Регулировочные и наружные свойства реверсивного преобразователя в непрерывном режиме представлены на рис. 5. Они подобны чертам нереверсивных преобразователей, но учитывают наличие 2-ух комплектов вентилей с обратным направлением токов и напряжений. В реверсивном преобразователе имеется угол amax, который выбирается из критерий инвертирования, чтоб не вышло опрокидывание инвертора. Чтоб произвести реверс, нужно сначала произвести рекуперативное торможение, при всем этом движок перебегает в генераторный режим, напряжение одномоментно изменяться не может, а ток проходит через 2-й набор, работающий в инверторном режиме. На рис. 5б при всем этом происходит переход из точки 1 в точку 2.
Переход из точки 1` в точку 2` неосуществим из-за опрокидывания инвертора. Потому в выпрямительном режиме вводится угол amin из критерий предотвращения опрокидывания инвертора.
Рис. 5. Наружные, ограничительные (а) и регулировочные (б) свойства реверсивного преобразователя. Участки наружных черт в прерывающемся режиме при раздельном управлении даны пунктиром
Изменение направления тока в перегрузке, нужное на практике (к примеру, реверсивный электропривод), быть может осуществлено без внедрения переключающих аппаратов. Для этого довольно иметь два набора вентилей тиристорных преобразователей, любой из которых обеспечивает протекание тока лишь в одном направлении.
Наибольшее распространение в трехфазных мостовых схемах выпрямления получила встречно-параллельная схема соединения комплектов вентилей, потому что в ней употребляется наиболее обычной двухобмоточный трансформатор (рис. 6, а), и, не считая того, она допускает применение бестрансформаторного питания вентильных комплектов конкретно от сети трехфазного тока.
Зависимо от полярности напряжения на перегрузке Н и направления тока IН в ней в реверсивном тиристорном преобразователе вероятны последующие режимы:
1. Напряжение и ток в перегрузке совпадают и имеют прямое направление — 1-ый набор вентилей УВ1 работает в выпрямительном режиме. При всем этом угол управления а1 у вентилей этого набора 0 < а1 < 90°, и перегрузка потребляет энергию.
2. Напряжение на перегрузке оборотное, но ток в перегрузке продолжает протекать в прямом направлении — набор УВ1 работает инвертором (90° < а1 < 180°). Энергия из цепи перегрузки отдается в сеть.
3. Напряжение и ток перегрузки оборотные — набор УВ2 работает выпрямителем (0 < а2 < 90°), и перегрузка потребляет энергию.
4. Напряжение на перегрузке прямое, а ток оборотный — УВ2 работает в инверторном режиме (90° < а2 < 180°), и перегрузка дает энергию в сеть.
Перевод тиристорного преобразователя и перегрузки из 1-го режима в иной осуществляется методом действия на углы управления вентильными комплектами.
Рис. 6. Схемы реверсивных преобразователей:
а — встречно-параллельная;
Рис. 7. Регулировочная черта реверсивного преобразователя
В реверсивных тиристорных преобразователей нужно, чтоб переход тока от 1-го вентильного набора к другому переходил без пауз, ухудшающих динамические свойства тиристорных преобразователей, и чтоб в контуре, образованном обеими группами (в схемах на рис. 6 этот контур показан стрелками), уравнительный ток, никчемно загружающий вентили и трансформатор, был бы сведен к минимальному значению.
Эти требования производятся, если равны неизменные составляющие напряжений набора, работающего в выпрямительном или в инверторном режиме, и другого набора, через который в данный момент времени ток перегрузки не проходит и управление которым подготовлено соответственно к инверторному либо выпрямительному режиму.
Зависимость средних значений напряжений всякого из комплектов вентилей от углов управления этими комплектами а и в (регулировочная черта) при непрерывном токе перегрузке и принятом допущении, что коммутация моментальная, определяется косинусоидальным законом (рис. 7)
Uda = Ud0 cos a; Udfj = Ud0 cos p.
При равенстве средних значений напряжений Uda = Udp будем иметь а = в. Если учитывать, что для инверторного режима в= 180° — a (см. рис. 7), то
a1 + a2 = 180°,
где a1 и a2 — углы управления первого и второго комплектов вентилей, отсчитываемые от точки естественного отпирания.
В случае, когда управляющие импульсы подаются сразу на вентили обоих комплектов тиристорных преобразователей, а углы управления соответствуют приведенным выше равенствам, управление именуется согласованным.
Для обеспечения таковой связи меж углами а1 и а2 нужно, чтоб свойства вход-выход a = /(Ц,) систем импульсно-фазового управления (СИФУ) обоими комплектами вентилей были зеркально схожими. Для управления тиристорными преобразователями почаще всего употребляются системы управления с арккосинусоидальной чертой a = K-arccos (U^, при которой результирующая регулировочная черта тиристорных преобразователей Ud = f(Uy) выходит линейной во всем спектре регулирования.
Невзирая на равенство средних значений напряжений при согласованном управлении имеет пространство разность моментальных значений выходных напряжений комплектов вентилей тиристорных преобразователей. Предпосылкой этого являются пульсации выходных напряжений комплектов вентилей. Под действием разности моментальных напряжений через вентили и обмотки трансформатора, минуя цепь перегрузки, протекает уравнительный ток Iур (см. рис. 6). Кроме доп утрат в элементах схемы уравнительный ток в переходных режимах может привести к аварийным отключениям схемы. Для ограничения уравнительного тока в цепь вентильных комплектов включают ограничительные реакторы ОР1 и ОР2.
Полное устранение уравнительного тока быть может получено при раздельном управлении комплектами вентилей. Оно заключается в снятии управляющих импульсов с вентилей того набора, который в данный момент не проводит ток. В этом случае один из комплектов вентилей постоянно заперт и контур для протекания уравнительного тока отсутствует. Благодаря этому из схемы можно исключить ограничивающие реакторы и на сто процентов употреблять установленную мощность тиристорных преобразователей, потому что выпрямительный набор можно открывать с нулевым углом управления. Но при всем этом усложняется система управления тиристорными преобразователями, потому что приходится вводить в систему датчики тока комплектов вентилей УВ1 и УВ2 или датчик тока перегрузки ДТ (рис. 8). При спаде тока, протекающего через работающий набор вентилей или тока определенного направления в перегрузке до довольно малого значения, логическим устройством ЛУ вырабатываются команды, управляющие ключами К1 и К2. Крайние снимают управляющие импульсы, к примеру, с системы управления СУ1, и подают импульсы на систему управления СУ2 другого набора вентилей тиристорных преобразователей.
Рис. 8. Многофункциональная схема управления преобразователем, питающим якорную цепь электродвигателя
Углы управления вышедшего из работы и вновь вступившего в работу комплектов должны отвечать уравнению согласованного управления а1 + а2 = 180°. При всем этом не нарушается непрерывность результирующей регулировочной свойства. Одновременная работа вентильных комплектов тиристорных преобразователей обязана быть накрепко исключена даже в течение маленьких интервалов времени, так как при отсутствии ограничивающих реакторов броски уравнительного тока могут быть очень значительными.
Если тиристорный преобразователь питает обмотку возбуждения электродвигателя, то система управления относительно ординарна.
Переключение комплектов вентилей происходит в функции знака сигнала управления электродвигателем, а логическое устройство не разрешает произвести переключение до того времени, пока не уменьшится ток перегрузки.
При питании якорной цепи электродвигателя от тиристорного преобразователя требуется наиболее непростая система управления, потому что рекуперативный режим вероятен при сохранении знака управляющего сигнала. В этом случае для формирования сигнала, воздействующего на переключение комплектов, нужно включить тиристорный преобразователь в замкнутую систему управления, что лишает его той автономности, которой владеет реверсивный тиристорный преобразователь с согласованным управлением.
От этого недочета свободна схема со сканирующей логикой, в какой логическое устройство не соединено с сигналом управления и находится повсевременно в режиме поиска подходящего набора (при отсутствии запрета со стороны датчика тока). Благодаря этому происходит неизменное переключение комплектов до того времени, пока не покажется ток в одном из их.
Регулирование напряжения тиристорных преобразователей осуществляется методом конфигурации угла открывания тиристоров a. С данной нам целью любой тиристорный преобразователь оснащается системой управления, которая обеспечивает формирование управляющих импульсов, также сдвиг этих импульсов по фазе относительно анодного напряжения тиристоров. Такие системы управления именуют импульсно-фазовыми.
Выводы
Курсовой проект выполнен в согласовании с заданием кафедры ЭиАТК, на тему «Разработка и проектирование тиристорного преобразователя для электропривода». В проекте разработана схема силовой части преобразователя, рассчитаны главные элементы: схема силовой трансформатор, тиристоры, устройства защиты, выбрано СИФУ. Рассчитаны действующие значения фазного тока первичной и вторичной обмотки, наибольший и средний ток якоря мотора, расчетная мощность.
Список использованной литературы
1. Силовые преобразователи энергии. А.П. Кругликов (Алматы 2008)
2. Тиристорные преобразователи в приводе горных машин. А.П. Кругликов, С.С. Музгин. ( «Наука» Алма-Ата 1978)
3. Методическое указание по курсовой работе
4. HTTP://www.electromontazh.kz/2010-01-08-19-55-49.html-Электротехнический рынок Казахстана
5. HTTP://leg.co.ua/knigi/raznoe/elementnaya-baza-i-shemotehnika-ustroystv-silovoy-elektroniki-4.html
6. http://leg.co.ua/knigi/raznoe/elementnaya-baza-i-shemotehnika-ustroystv-silovoy-elektroniki-6.html
7. http://epa.susu.ac.ru/assets/files/PromElectronika/Glava8_Pt.pdf
]]>