МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНО РАБОТЫ
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Пермский национальный исследовательский
политехнический университет
Чайковский филиал
Кафедра: Автоматизации, информационных и инженерных технологий
Направление подготовки: 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника
Профиль: Электроснабжение
Методическое предписание
к выполнению контрольного задания по дисциплине "Силовая электроника"
для студентов заочной формы обучения специальности
Направление подготовки: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Профиль программы бакалавриата: Электроснабжение
2019
Силовая электроника: методические предписания для студентов заочной формы обучения, обучающихся по направлению 13.03.02 - «Электроэнергетика и электротехника » / сост. Ковязина И.В. – Чайковский, 2019 – 26 с.
Методические предписания задания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры «АИИТ» 05 ноября 2019 г., протокол № .
Зав. кафедрой АИИТ,
доктор технических наук, профессор _____________ Т.Н. Иванова
Аннотация
Методические указания и индивидуальные домашние задания по дисциплине «"Силовая электроника» предназначены для
студентов обучающихся по направлению13.03.02- «Электроэнергетика и электротехника » Данная дисциплина изучается в одном семестре.
|
|
|
Самостоятельная работа студента – важнейший элемент обучения в вузе. Основной целью настоящих методических указаний является организация помощи при выполнении . По курсу «"Силовая электроника» выпущены учебники, которые рекомендованы в прилагаемом списке литературы
Приведены варианты индивидуальных заданий для контрольной работы. Даны методические указания по их выполнению.
СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ РАБОТЫ
В контрольной работе должен быть произведен выбор схем и элементов тиристорного преобразователя с раздельным управлением для питания реверсивного двигателя постоянного тока.
Расчетно-графическая работа должна содержать следующие разделы.
2.1 Выбор двигателя в соответствии с заданием.
2.2 Выбор схемы тиристорного преобразователя в зависимости от мощности двигателя.
2.3 Расчет параметров силового трансформатора.
2.4 Расчет параметров и выбор тиристоров.
2.5 Расчет параметров сглаживающего дросселя.
2.6 Расчет и построение регулировочной характеристики тиристорного преобразователя.
2.7 Расчет коэффициента мощности тиристорного преобразователя.
|
|
|
2.8 Расчет и построение внешней характеристики тиристорного преобразователя.
ОФОРМЛЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
3.1 Работа с обязательным оставлением полей: левого - 35 мм, правого - не менее 10 мм, верхнего и нижнего - не менее 20 мм.[1]
Титульную страницу выполняют согласно образца (см. приложение A). Записку следует сшить. Каждый из ее разделов обязательно должен иметь порядковый номер (нумеруют арабскими цифрами) и соответственно озаглавлен. Подраздел должен иметь двойную нумерацию: первый номер - номер раздела, второй - номер подраздела.
В пояснительной записке материал следует размещать в такой последовательности: титульная страница, содержание, задание, основной текст, перечень ссылок, приложения.
Используют единую нумерацию для текста и приложений. Номер проставляют в правом верхнем углу, кроме титульного листа.
ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
Исходными данными для выполнения работы являются номинальная мощность нагрузки, необходимая скорость вращения, напряжение питающей сети, тип силовой схемы.
Варианты заданий приведены в таблице 4.1
Таблица 4.1- Варианты заданий на контрольную работу
|
|
|
| № | Мощность, кВт | Скорость вращения, об/мин | Напряжение сети, В | Силовая схема |
| 1 | 1,2 | 2200 | 380 | нулевая |
| 2 | 1,7 | 2200 | 380 | нулевая |
| 3 | 2,0 | 3000 | 380 | нулевая |
| 4 | 2,5 | 2120 | 380 | нулевая |
| 5 | 3,4 | 2200 | 380 | нулевая |
| 6 | 3,6 | 3150 | 380 | нулевая |
| 7 | 5,3 | 3350 | 380 | нулевая |
| 8 | 5,5 | 1500 | 380 | нулевая |
| 9 | 5,5 | 1600 | 380 | нулевая |
| 10 | 6,7 | 3000 | 380 | нулевая |
| 11 | 7,5 | 1600 | 380 | нулевая |
| 12 | 8,5 | 1600 | 380 | нулевая |
| 13 | 9,5 | 2200 | 380 | нулевая |
| 14 | 10 | 1500 | 380 | нулевая |
| 15 | 11 | 2200 | 380 | мостовая |
| 16 | 12 | 3000 | 380 | мостовая |
| 17 | 13 | 1000 | 380 | мостовая |
| 18 | 14 | 1000 | 660 | мостовая |
| 19 | 15 | 1500 | 660 | мостовая |
| 20 | 18 | 2200 | 660 | мостовая |
| 21 | 19 | 1000 | 660 | мостовая |
| 22 | 20 | 3150 | 660 | мостовая |
| 23 | 22 | 1500 | 660 | мостовая |
| 24 | 25 | 2200 | 660 | мостовая |
| 25 | 26 | 3150 | 660 | мостовая |
| 26 | 30 | 1600 | 660 | мостовая |
| 27 | 32 | 3150 | 660 | мостовая |
| 28 | 36 | 2200 | 660 | мостовая |
| 29 | 37 | 1500 | 660 | две обратные звезды |
| 30 | 40 | 3000 | 660 | две обратные звезды |
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНО РАБОТЫ
|
|
|
5.1 Выбор электродвигателя
По данным значениям мощности нагрузки и скорости вращения выбирают двигатель постоянного тока [4]. В справочнике приводятся следующие параметры: мощность 
(кВт), скорость 
(об/мин), коэффициент полезного действия 
(%), сопротивление обмотки якоря 
(Ом), сопротивление дополнительных полюсов 
(Ом),индуктивность якорной цепи 
(Гн), напряжение 
(В), остальные параметры рассчитывают по следующим формулам: 
номинальная скорость вращения, рад/с
; (5.1)
электромагнитная мощность, кВт
; (5.2)
номинальный ток якоря, А
; (5.3)
конструктивная постоянная двигателя, В/ 
; (5.4)
номинальный момент, Н×м
; (5.5)
индуктивность якорной цепи, мГн
, (5.6)
где s = 0,8 для некомпенсированных машин,
s = 0,25 для компенсированных машин;
p - число пар полюсов.
Для обеспечения нормальной работы выбранного электродвигателя питающий тиристорный преобразователь должен иметь запас по напряжению. Необходимое максимальное выпрямленное напряжение преобразователя, В
, (5.7)
где 
- коэффициент запаса по напряжению (1,2 
1,3).
5.2 Выбор схемы тиристорного преобразователя
5.2.1 Тиристорные преобразователи подразделяют:
- по назначению: для питания якорных цепей и обмоток возбуждения;
- по исполнению: реверсивные и нереверсивные.
Основными параметрами являются:
- номинальное выпрямленное напряжение ( 
);
- номинальный ток ( 
).
5.2.2 В состав тиристорного преобразователя входят:
- силовой трансформатор или токоограничивающий реактор;
- силовой блок (полупроводниковые вентили);
- сглаживающий реактор (при питании якорных цепей постоянного тока);
- блок управления и защиты;
- коммутационная аппаратура;
- система охлаждения (при >100 А).
5.2.3 Питание тиристорных преобразователей мощностью >=1кВт производится от трехфазной сети переменного напряжения.
В зависимости от соотношения напряжения сети и необходимого для питания двигателя выпрямленного напряжения, подключение преобразователя к сети производится через токоограничивающий реактор (рис.5.1) или через силовой трансформатор (рис.5.2).
5.2.4 Основными вариантами силовых схем тиристорных преобразователей являются нулевая (рис.5.3), мостовая (рис.5.4), две обратные звезды с уравнительным реактором (рис.5.5). Классификация схем предложена согласно с [2].
Рисунок 5.1 - Схема подключения тиристорного преобразователя
к питающей сети через токоограничивающий реактор
Рисунок 5.2 - Схема подключения тиристорного преобразователя
к питающей сети через силовой трансформатор
Рисунок 5.3 - Нулевая схема тиристорного преобразователя
Рисунок 5.4 - Мостовая схема тиристорного преобразователя
Рисунок 5.5 - Силовая схема "Две обратные звезды
с уравнительным реактором”
В соответствии с [3] схема (рис. 5.3) называется также трехфазной схемой с нулевой точкой, схема (рис.5.5) - шестифазной схемой с нулевым реактором.
Нулевая схема является наиболее простой и используется для питания обмоток возбуждения, якорных цепей двигателей постоянного тока малой (до 5 10 кВт) мощности.
Шестифазная схема с уравнительным реактором используется главным образом для питания якорных цепей мощных (более 50 100 кВт) электродвигателей постоянного тока.
Самой распространенной является мостовая схема, которая обеспечивает наилучшее использование трансформатора и оптимальное соотношение между прямым и обратным напряжениями на тиристорах. Диапазон мощностей для ее использования от 1 до 200 кВт.
5.2.5 При использовании тиристорного преобразователя для питания якорной цепи в выходную цепь включается сглаживающий дроссель 
для обеспечения режима непрерывного тока (рис. 5.6). В случае использования ТП для питания параллельно выходу подключают разрядное сопротивление 
(рис.5.7).
Рисунок 5.6 - Работа тиристорного преобразователя
на якорь двигателя постоянного тока
5.2.6 Тиристорный преобразователь имеет защиты (рис.5.8):
- от внутренних КЗ - с помощью быстродействующих предохранителей FU, включенных с тиристорами последовательно;
- от КЗ на стороне переменного и постоянного токов - с помощью автоматического выключателя Q1 на вводе;
- от КЗ в цепи нагрузки - с помощью выключателя Q2;
- от перенапряжений - с помощью "RC-цепочек", включенных параллельно тиристорам, и "RC-фильтра", который подключен на входе преобразователя.
Рисунок 5.7 - Работа тиристорного преобразователя
на обмотку возбуждения двигателя постоянного тока
Рисунок 5.8 - Защита тиристорного преобразователя
от перенапряжения и коротких замыканий
Рисунок 5.9 - Перекрестная схема тиристорного преобразователя
5.2.7 Выбор силовой схемы и расчет параметров элементов ТП проводится на основании следующих выходных данных:
- номинальная и максимальная мощность потребителя;
- номинальное и максимальное выходное напряжение;
- диапазон регулирования выходного напряжения;
- необходимость реверсирования выходного напряжения;
- напряжение питающей сети;
- требования по коэффициенту мощности и коэффициенту гармоник;
- условия работы (температура, влажность, запыленность).
5.2.8 Реверсивные силовые схемы тиристорных преобразователей делятся на перекрестные (рис. 5.9) и встречно-параллельные (рис. 5.10).
По способу управления вентильными группами реверсивные преобразователи разделяют на две группы: с совместным или раздельным управлением. Для тиристорных преобразователей, которые выполнены по перекрестной схеме, преимущественно используется совместное управление, а для преобразователей, которые выполнены по встречно-параллельной схеме - раздельное
Рисунок 5.10 - Встречно-параллельные схемы силовых преобразователей
5.3 Расчет параметров силового трансформатора
Расчетное значение напряжения 
трансформатора, который питает трехфазный ТП во время его работы на якорь двигателя постоянного тока в
зоне непрерывных токов, с учетом необходимого запаса напряжения в силовой цепи, определяется формулой:
, (5.8)
где 
- расчетный коэффициент, который характеризует отношение напряжения 
в зависимости от типа схемы (см. табл.5.1);
- коэффициент запаса по напряжению, который учитывает возможное значение напряжения сети до 
( =1,05 
1,1)
- коэффициент запаса по напряжению, который учитывает неполное открывание вентилей при максимальном управляющем сигнале ( =1,05 
1,1);
- коэффициент запаса по напряжению, который учитывает падение напряжения в обмотках трансформатора, собственное сопротивление вентиля и перекрытие анодов ( =1,05);
- максимальное выпрямленное напряжение ТП.
Расчетное значение тока вторичной обмотки трансформатора
, (5.9)
где 
- коэффициент схемы (табл. 5.1), который характеризует отношение токов 
;
- коэффициент, который учитывает отклонение формы тока вентилей от прямоугольного ( =1,05 1,1);
- номинальный выпрямленный ток преобразователя, принимается равным номинальному току якоря двигателя 
.
Коэффициент трансформации трансформатора
, (5.10)
где 
- фазное напряжение питающей сети. Действующее значение тока первичной обмотки равняется
. (5.11)
Расчетная мощность трансформатора
(5.12)
где 
- коэффициент схемы (табл.5.1), который характеризует соотношение мощностей.
На основе полученных данных выбирается трансформатор [7, 10]. При отсутствии в справочной литературе трансформатора с параметрами, близкими к расчетным, составляется таблица спецификации для индивидуального заказа на изготовление.
Таблица 5.1- Значения расчетных коэффициентов
| Коэффициенты | ||||||
| Схема выпрямления | 
| 
| 
|  
| 
| 
|
| трехфазная с нулевым выводом | 0,855 | 0,577 | 1,46 | 2,09 | 0,577 | 0,333 |
| трехфазная мостовая | 0,427 | 0,816 | 1,045 | 1,045 | 0,577 | 0,333 |
| трехфазная “две обрат-ные звезды” | 0,855 | 0,289 | 1,29 | 2,09 | 0,289 | 0,333 |
5.4 Выбор тиристоров
Среднее значение тока тиристора с учетом условий охлаждения
(5.13)
где 
- коэффициент соотношения токов, определенный в зависимости от выбранной схемы (табл. 5.1);
- коэффициент, который учитывает интенсивность охлаждения силового вентиля; = 1 при принудительном,
= 0,3 0,35 при естественном охлаждении.
Максимальное обратное напряжение
, (5.14)
где 
- коэффициент отношения напряжений, определенный в зависимости от примененной схемы (табл.5.1).
Выбор тиристоров проводится с учетом среднего значения тока через тиристор, максимального значения обратного напряжения и условий охлаждения. Параметры тиристоров приведены [5, 6, 7].
Рисунок 5.11 - Зависимость коэффициента КД от угла 
1 - трехфазная перекрестная схема; 2 - трехфазная встречно-параллельная схема; 3 - трехфазная мостовая перекрестная, шестифазная нулевая перекрестная и встречно-параллельная схемы; 4-12-фазная и встречно-параллельная схемы; 4-12-фазная и встречно-параллельная и перекрестная схемы.
Рисунок 5.12 - Зависимость коэффициента 
от угла ,
p-количество пульсаций
5.5 Расчет параметров уравнительного реактора
Индуктивность уравнительного (токоограничивающего) реактора выбирается исходя из ограничения действующего значения уравнительного тока 
, на уровне, который не превышает 10 % номинального.
Необходимая индуктивность уравнительного реактора находится по формуле
, (5.15)
где 
- суммарная индуктивность обмоток трансформатора в уравнительном контуре;
- частота трехфазной сети;
- максимальное значение переменного напряжения;
- коэффициент действующего значения динамического тока, определенный в функции типа схемы выпрямителя и угла 
из диаграммы, которая приведена на рис.5.11. Значения угла принимается равным 90 ° для полного диапазона регулирования.
Индуктивность одной фазы трансформатора может быть найдена по формуле:
, (5.16)
где 
- индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.
, (5.17)
где 
- напряжение короткого замыкания (3 7 % номинального).
5.6 Расчет сглаживающего дросселя
Расчет проводится из условия обеспечения непрерывного тока в диапазоне регулирования от = 0 до 
при токе нагрузки 0,1 
. Для обеспечения режима непрерывного тока в диапазоне напряжений, близких к номинальному, значение 
принимается 35° для нулевой схемы и 65 ° - для мостовой. Необходимая индуктивность для якорной цепи системы ТП-Д определяется формулой:
, (5.18)
где - коэффициент, определенный согласно рис.5.12.
Необходимая величина индуктивности сглаживающего дросселя:
. (5.19)
5.7 Построение регулировочной характеристики
Регулировочная характеристика 
определяется схемой выпрямления и режимом работы преобразователя. Различаются два режима работы: прерывистый и непрерывный. Угол управления, при котором ТП переходит в прерывистый режим работы, называется граничным. При работе на активную нагрузку граничный угол определяется числом пульсаций выпрямителя 
:
. (5.20)
При работе на активно-индуктивную нагрузку граничный угол определяется током нагрузки и индуктивностью цепи.
Для всех схем выпрямления регулировочная характеристика выпрямителя, который работает в непрерывном режиме, выражается зависимостью:
(5.21)
В режиме прерывистых токов уравнение регулировочных характеристик имеют вид:
- для нулевой трехфазной схемы:
(5.22)
- для трехфазной мостовой схемы:
(5.23)
5.8 Определение коэффициента мощности ТП
Коэффициент мощности ТП необходимо рассчитывать для номинального режима двигателя. В общем случае значения коэффициента мощности 
определяется отношением активной мощности P, которая расходуется выпрямителем, к полной мощности S:
, (5.24)
где 
; 
.
Угол сдвига 
первой гармоники тока по отношению к напряжению можно принять равным:
, (5.25)
где 
- угол коммутации
, (5.26)
где 
- угол коммутации, когда 
0.
Значение угла может быть найдено по уравнениям:
, для нулевой схемы
(5.27)
, для мостовой схемы
5.9 Построение внешней характеристики ТП
Внешняя характеристика ТП - это зависимость напряжения на преобразователе 
от тока нагрузки 
. Внешние характеристики строятся для четырех значений угла регулирования:
, 
, 
, 
.
Уравнение внешней характеристики для трехфазной мостовой схемы:
(5.28)
Уравнение внешней характеристики для трехфазной нулевой схемы:
(5.29)
где 
- эквивалентное активное сопротивление фазы силового трансформатора, отнесенное ко вторичной обмотке,
- прямое падение напряжения на тиристоре.
, (5.30)
где 
- приведенное ко вторичной обмотке активное сопротивление первичной обмотки.
, (5.31)
где K = 2 - для мостовой схемы, K = 1 - для нулевой схемы; m - число фаз трансформатора.
- активное сопротивление дросселя, может быть найдено как
. (5.32)
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. 1. Коновалов Б. И. Основы преобразовательной техники : учеб. пособие / Б. И. Коновалов, В. С. Мишуров. – Томск : ФДО, ТУСУР, 2016. – 172 с.
2. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники : учеб. пособие для вузов / Г. С. Зиновьев. – Новосибирск : НГТУ, 2003. – 651 с.
3. Полупроводниковые выпрямители / Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др. - М.: Энергия, 1978. - 448 с.
4. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.И. Копылова и В.К. Клокова, т.1 - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.
5. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О.Г. Чебовский, Л.К. Моисеев, Р.П. Недошивен. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.
6. Тиристоры: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, В.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.
7. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И.М. Чиженко. - К.: Техника. 1978. - 447 с.
8. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1978. - 224 с.
9. Глух Е.М., Зеленов В.Е., Защита полупроводниковых преобразователей. - М: Энергоатомиздат, 1982. - 152 с.
10.Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник под ред. канд. техн. наук В.М. Перельмутера. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.
11.Резисторы: Справочник / В.В Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.М. Терекова. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.
12.Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В.Б. Берзан, Б.Ю. Геликман, Н.Н. Гураевский и др.; Под ред. Г.С. Кучинского. М.:Энергоатомиздат, 1987-656 с.
13. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок. Под. ред. Я.М. Большама, В.И. Круповича, М.Л. Самовера - М.: Энергия, 1974. - 728с.
14.3. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М. А. Абрамович, В. М. Бабайлов, В. Е. Либер [и др.]. – М. : Энергоатом- издат, 1992. – 432 с.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 77; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!