Проектирование тиристорного выпрямительного агрегата

К’Н = U’RM  / 100 ;     К’Н =  /100 ≈6.

 

 

 

                                4  Произведём  расчёт  реактора

Исходные  данные:

-ток нагрузки - Id = 315 А

-индуктивность  реактора - Гн

-амплитуда  тока переменной  составляющей  - 

 

Выбираем  марку  стали  3411   с  толщиной  ленты     ГОСТ 21427.1-83   частота  гармоники     .   Задаемся  величиной  B0  =   0.7Т- индукцией  от постоянной  составляющей  тока  из  условия  B0 = (0,55–0,7) Т  и  величиной  Bmэ= 0.55 Т   — амплитуды эквивалентных синусоид индукции   от  переменной  составляющей   тока.

Берем значения коэффициентов n, x и kL из табл. 1  [6],   где  коэффициент n учитывает падение магнитного потенциала в стали магнитопровода , принимаем  его n = 0.015, x — потокосцепление обмотки с шунтирующим потоком  принимаем его x = 0.07 , kL — изменение индуктивности реактора при наличии в обмотке постоянной составляющей тока  принимаем  его kL = 1.

Вычисляем по выражению величину  

где  
  Определяем  отношение где — коэффициент заполнения; Sст — активное сечение сердечника. Можно принимать kст = 0,91 при толщине ленты (листа) 0,27 мм,    тогда  отношение  . 

 

Задаёмся длинной  зазора   в  сердечнике lзаз =25 мм  и по графику              (см. рис. 3) определяем геометрическое сечение сердечника S’ст.   В нашем  случае

 

Затем  определяем  активное  сечение сердечника c учётом  коэффициента  заполнения :    Изготавливаем  сердечник из  резаной  ленты   с  шириной b = 90 мм  ГОСТ 21427.1-83.  Получаем  толщину  сердечника    .  Сердечник изготавливаем  из  ленты  путём  накрутки  её  на  деревянный  каркас  с  последующим  проклеиванием  и  разрезанием  на две половины  П- образной  формы .  Предусматриваем  зазоры  между наружней  частью сердечника  и  внутренней  поверхностью обмотки   по 1.5 мм (   ) для  соединительной  скобы  сердечника  изготовленной  из  немагнитного  материала.

Находим  число  витков: 

 

 

 

Рассчитаем  обмотку.

На сердечнике расположем  две катушки  с  равным  количеством   витков т.е

 

Определяем  сечение  обмоточного  провода  принимая  плотность  тока    = 2.4 А/мм2 (при естественном охлаждении ).

- поперечное сечение  обмоточного  провода.

Выберем  обмоточный  провод  ПСДКТ прямоугольного   сечения                    обмотку  будем  производить  в два  провода сечением    , где коэффициент  учитывающий  закругление  углов. Удвоенная  толщина  изоляции  провода   по  сторонам А-а (0.45) , В-в (0.38). Сечение  изолированного  провода  .

Отношение  высоты  обмотки  к  толщине должно  быть:    или     где  В - ширина  провода,  А- толщина провода , - количество  витков в слое   N – количество слоев обмотки.  Чтобы  выдержать это  отношение   зададим    ,  тогда   слоев .  Отношение  выдерживается    . Определим   высоту  катушки с учётом  коэффициента  заполнения  по  высоте  .

В качестве  изоляционного  материала  между  сердечником  и внутренней  поверхностью  обмотки  используем  электротехнический  картон    ЭВТ-0,50—12 ГОСТ 282-4—86   толщиной  0.5мм  и  шириной 12 мм  (ширина рулона и размеры листов картона устанавливаются по согласованию с потребителем). Толщина  изоляции  между  сердечником и катушкой  выбирается  (1 ÷ 2) мм. Принимаем  толщину изоляции    т.е четыре  витка электротехнического  картона.

Рассчитаем  толщину  катушки с  учётом  коэффициента  заполнения  по  толщине.

.

 

Определяем  среднюю  длину  витка катушки (средний  периметр  катушки):  .

Определим   активное  сопротивление  одной  обмотки:

.  Где активное  сопротивление  всех  обмоток

 

 

Где   удельное  сопротивление  меди.

Определим  массу меди  обмоток  по выражению : 

где - плотность меди.

Рассчитаем сердечник.

Определим  высоту  окна:

    где

  расстояние  от катушки  до ярма  магнитопровода.

Определим  ширину окна:

  ,   где    расстояние  между наружними  поверхностями  катушек , а    коэффициент  вспучивания  катушки.

Определим  количество  витков  электротехнической  стальной   ленты  на деревянный каркас размера  т.е ( 8.9×13.4 ) где

 ширина плотна  ленточной  пилы.

 

Определим  массу  стали.

 

Где: - плотность стали , а    средняя  линия  сердечника.

Проверим  условие:   ,       условие выполняется .

После  распила  магнитопровода     каждой  стержень   П – образной  половины  укоротить на   1/4  длины   воздушного  зазора т.е  25/4 мм .

 

Приведём  эскиз  получившегося  реактора  на  рис.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.  Эскиз  реактора

 

Итого  в  реакторе  используется   П- образный  ленточный  магнитопровод  cечением    и  размером  окна     Для  утолщения сечения  провода  навивку  проводят  виток  поверх  витка  -  два слоя , последний  третий слой - виток  параллельно витку . Воздушный  зазор делаем  с  двух  сторон  шириной   25/2 мм.  Для  соединения  половин  магнитопровода  используем  скобу  толщиной 1.5мм  из  немагнитного  материала.

 

                                5   Рассчитаем   вентили.

 

1. Определяем среднее значение тока   через  вентиль:

  ,

 

2. действующее  значение анодного  тока  вентиля: 
   

 

,

 

Выбираем тиристор таблеточного исполнения Т143-500 для которого  максимальный ток IFAVm при использовании типового охладителя О243-150  и  естественного  охлаждения при температуре окружающей среды Ta = 40oC (см. стр. 208 [2] (приложение 1))  равен   IFAVm =180A и   классы  по  напряжению  с 4 ÷16.

По справочным материалам  (стр. 205-208 [2] (приложение 1) ) определяем параметры выбранного вентиля, которые потребуются для дальнейших расчетов:

U(ТО) = 1,1 В пороговое  напряжения на переходе ;

r(T) = 0,57 мОм  дифференциальное  сопротивление ;

Rthjc = 0,034 оС/Вт  тепловое  сопротивление переход – корпус ;

 

Tjm = 125 оС  максимальная температура p-n перехода .

3. Рассчитываем температуру p-n перехода вентиля в установившемся режиме.

Для  начала определяем мощность основных  потерь в вентиле от переменной  и  постоянной  составляющих тока  по формуле:

PAV = U(TO) IAV + r(T) К ,

 

Где  - коэффициент формы  взятый  из  справочной  литературы           (стр .110 . [ 3 ] (приложение 2) рис .4.19)  коэффициент  формы  взят  из  кривой  для  угла  опережения  выключения  и угле  проводимости где  угол     запас угла   делается  больше  на  неизвестную  величину  угла  коммутации.  Принимаем тогда

=2.5

 

Найдём полную мощность потерь учитывающих  дополнительные потери  прямого  и обратного  тока  утечки  по формуле:

Ptot = Кдоп PAV .

 

Где Кдоп = 1,1   коэффициент дополнительных потерь выбирается  из условия  ( 1.03….1.1) .

 

Рассчитываем температуру p-n перехода вентиля в установившемся режиме.

Поскольку выпрямитель питается от сети с частотой менее 400 Гц, то расчет  

температуры производим  по формуле:

 

 

 

Где - температура  охлаждающей  окружающей  среды  ;

-тепловое  сопротивление  переход – корпус ;

-тепловое  сопротивление  корпус –охладитель;

-тепловое  сопротивление  охладитель – среда ( стр.386 [2] приложение 1).

Поскольку Tj < Tjm ,то выбранный тиристор подходит для работы в данной схеме . Запас по температуре можно определить по формуле:

                        

что не превышает  условие  (Tjm - Tj ≤ 50oC) экономической обусловленности.

4.      Рассчитаем  максимально  допустимую мощность ,которую может  рассеять вентиль и которая исходит из  максимальной  предельной температуры  перехода  и температуры  охлаждающей  среды  по  формуле:

 

                                                             = .

 

 

Где:  - тепловое  сопротивление  переход – среда т.е.

 

5. Рассчитываем величину предельного тока вентиля исходя из максимально  допустимой   мощности  , которую может  рассеять вентиль:

=

= = 173.46 А.

 

6. Рассчитываем максимально допустимое время перегрузки.

Для начала определяем ток перегрузки  по формуле: 

 

Iпер = Kпер IAV ;    .

Где : Kпер   -  кратность  перегрузки , в нашем  случае  Kпер =3

Определим  мощность основных потерь перегрузки  от переменной  и  постоянной  составляющих тока  по формуле:

PAVпер = U(TO) Iпер + К r(T)

 

 

Полная мощность основных потерь перегрузки с учетом потери  на прямой  и обратный  ток   утечки  по формуле :

Рпер = Кдоп PAVпер

 

Определим приращение мощности потерь по формуле:

= Рпер - Ptot

=

Рассчитываем величину переходного теплового сопротивления:

 

По графику зависимости переходного теплового сопротивления переход-среда (стр.  215 [2] рис 11.48 в (приложение1)) определяем время перегрузки, которое  получилось    значительно больше минимально допустимого  tпер > 20 мс для  срабатывания защиты. Таким образом выбранный  вентиль  подходит для длительной работы в номинальном режиме и при перегрузке  не выйдет из строя раньше, чем успеет сработать защита.

 

 

    6  Произведём   уточняющий  расчёт  вентильного  блока  с  учётом  реальных  параметров.

1. Определяем основные  параметры  работы  трансформатора  с  учётом  потерь напряжения .

Из  обобщённого  уравнения  внешней  характеристики

 

 

 

 

 

определяем  выходное  напряжение  с трансформатора   при  минимальном  напряжении   сети  т.е при   минимальном  угле  регулирования     без  учёта  потерь  напряжения  на  активном  сопротивлении  обмоток  трансформатора.

 

 

Откуда  минимальное  напряжение  с  трансформатора  без  учёта потерь  на  активных сопротивлениях  обмоток.

 

Максимальное  фазное  напряжение  тогда  будет на  20% больше минимального:

 

Где    номинальное  напряжение  вторичной  обмотки  трансформатора

 

2. Уточним класс  вентиля.

 

Определим  максимальное  обратное напряжение  на  вентиле :

 

 

Определяем значение повторяющегося импульсного напряжения  URM  на вентиле:

URM = KР   * UWM  =2*

где КР =2 коэффициент запаса по напряжению для тиристора выбирается из условия   КР  = 1.6.…2 .

По величине URM , округленной до сотен вольт в большую сторону, определяем предварительно  класс вентиля по напряжению :

КН = URM  / 100 ;     КН = 

 

3. Уточним  угол  регулирования    с учётом  нового  значения .

 

Тогда: 

тогда  угол  регулирования : 

 

 

4. Уточним  индуктивность  реактора.

 

Определим  угол  коммутации по формуле:

 

 

 

 

Амплитуда  шестой  гармоники  напряжения  с  учётом  угла коммутации   определяется :

 

 

 

При самом наихудшем варианте когда напряжение возрастёт  с минимума  до  максимума  .

 

Амплитуда  шестой  гармоники  будет:

 

Oбщее  индуктивное сопротивление  контура  выпрямленного  тока:   

Откуда  общая индуктивность:

 

Как  видно  индуктивность  реактора  выбрана  верно  и  пульсации  не превысят  заданных.

 

5. Подсчитаем  КПД выпрямителя  без  учёта  потерь  в  трансформаторе.

Определим  мощность  нагрузки    .

 

Определим  мощность  потерь в  вентильном  блоке   . 

 

,  где    полная  мощность  потерь  в одном  вентиле.

Определим  мощность  потерь в  фильтре  

 

Определим  суммарные  потери  .

 

Подсчитаем  КПД выпрямителя  по  формуле:

  т.е  98.3 %

                        

 

                                                    7 Выводы

    При выполнении курсовой работы был разработан симметричный трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель . В ходе разработки были определены основные параметры схемы, номиналы элементов,  а  также  был рассчитан  сглаживающий дроссель.  Расчёт   трансформатора  выпрямителя   в  данную  курсовую  работу  не входит.

     Параметры расчетов отвечают требованиям задания курсовой работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             Список  использованной  литературы

 

 

1. Основы  силовой  электроники:  Учеб.  Пособие. Изд.  2-е,  исп.  и   доп.-  Новосибирск:  Изд-во   НГТУ ,  2003.-664 с.                                                                 – ( Серия  « учебники  НГТУ » )
2. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О.Г.Чебовский, Л.Г.Моисеев, Р.П.Недошивин. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 400 с., ил..

 

3. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И.Абрамович и др. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 432 с., ил..

 

4. Основы  преобразовательной  техники: Учебник  для  вузов.  - 2-е  изд.,   перераб.  и  доп. – М .:  Высшая  школа,  1980.- 424 с.,ил.

 

5. Методическое  пособие  по  курсовому  проектированию  по  дисциплине  « Электрические  и  электронные  аппараты »  на  тему проектирование   «силового  трёхфазного  трансформатора»   МГУ им. Н. П. Огарёва   Саранск 2014.

 

6. Силовая  электроника :  Методические  указания  и  контрольные  задания.    МГУ им. Н. П. Огарёва   Саранск 2014.