Выбор и расчет основных параметров и количества полупроводниковых элементовдля6-пульсового (трехфазного мостового)выпрямителя

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПЛРТА (МИИТ)

_____________________________________________________________________________

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ТРАНСПОРТА»

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ»

 

 

Выполнил: студент группы

ТСЭ-412

Принял: профессор Бадёр М.П.

 

 

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)

Кафедра “Электроэнергетика транспорта”

ЗАДАНИЕ

К курсовому проекту по дисциплине

«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА

И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ»

Студенту________________________________________группы___________

Содержание задания

Расчет и анализ  основных параметров и энергетических характеристик преобразовательных агрегатов тяговых подстанций

1. Вычертить схему преобразователя (управляемогоили неуправляемого) тяговой подстанции.

2. Провести анализ и синтез параметров и основных энергетических характеристик заданного преобразователя:

а) эффективность использования преобразовательного трансформатора;

б) коммутационные процессы в преобразователе и его внешняя характеристика;

в) обоснование и выбор типа и количества полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов с изолированным затвором).

3. Провести исследование аварийных режимов при эксплуатации полупроводниковых преобразователей и определить защиту от них:

а) провести расчет токов короткого замыкания на выходе преобразовательного агрегата;

б) провести проверку полупроводниковых приборов на электродинамическую и термическую устойчивость действия токов короткого замыкания.

4. Провести анализ качества выпрямленного напряженияпреобразователя (управляемогои неуправляемого) тяговой подстанции:

а) вычертить кривые выпрямленногонапряжениядля режимов работы: х.х., 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100% нагрузки;

б) описать аналитически кривую выпрямленного напряжения ;

в) произвести расчет гармонических напряжений в кривой выпрямленного напряжения тяговой подстанции для заданных в п. 3 режимов работы;

г) рассчитать коэффициент полной волнистости кривой выпрямленного напряжения и величину эквивалентного мешающего напряжения на выходе преобразовательного агрегата.

5. Выбрать фильтр-устройство тяговой подстанции. Рассчитать коэффициент сглаживания фильтр-устройства. Определить величину высших гармонических на выходе тяговой подстанции с учетом влияния фильтра.

6. Провести исследования искажения сетевого тока преобразователя тяговых подстанций:

а) вычертить кривые тока одной из фаз сетевой обмотки преобразовательного агрегата тяговой подстанции при идеально сглаженном выпрямленном токе ( ) и мгновенной коммутации вентилей ( );

б) рассчитать гармонические составляющие тока в сетевой обмотке;

в) определить коэффициент искажения и коэффициент мощности преобразователя;

7. Провести исследования коэффициента полезного действия преобразовательного агрегата тяговой подстанции:

8. Сделать выводы. Составить пояснительную записку.

 

Исходные данные

1. Задан вариант № 1

2. Тип контактной подвески М120+2МФ100,тип рельсов Р-50, Р-65.

3. Данные по энергосистеме (мощность короткого замыкания на вводах тяговойподстанции), схема и основные параметры выпрямителей и инверторов приведены в таблице 1

 

Таблица 1

Схема и параметры преобразователей	Вариант
	1	2	3	4	5
Неуправляемый выпрямитель
Схема выпрямителя	6-пул. мостовая	6-пул. нулевая	12-пул. послед.	12-пул. парал.		24-пул.
Номинальное выпрямленное напряжение, В				Ud н =825		Ud н=24000
Номинальный ток выпрямителя , А	3150	3200	3150	3000		3200
Напряжение к. з. трансформатора	13 %	10,5 %	6 %	8 %		6 %
Мощность к.з. на вводах тяговойподстанции,МВА	1000	1200	1500	1000		1200
Управляемый выпрямитель
Схема выпрямителя	6-пул. мостовая	6-пул. нулевая	12-пул. послед.	12-пул. парал.		24-пул.
Номинальное выпрямленное напряжение, В				Ud н =825		Ud н=24000
Номинальный ток выпрямителя , А	3150	3200	3150	3000		3200
Напряжение к. з. трансформатора	13 %	10,5 %	6 %	8 %		6 %
Мощность к.з. на вводах тяговой подстанцииМВА	1000	1200	1500	1000		1200
Инвертор
Схема инвертора	6-пул. мостовая	6-пул. нулевая	12-пул. послед.	12-пул. парал.	24-пул.
Напряжение вентил. обмотки трансформат., В	1885	3770	942,5	1885	471,25
Номинальный ток нагрузки инвертора, А	2000	1500	2100	2000	2100
Напряжение к. з. трансформатора	13 %	10,5 %	6 %	8 %	6 %
Мощность к.з. на вводах тяговой подстанцииМВА	1000	1200	1500	1000	1200

 

Дополнительные условия:

1. Преобразовательный трансформатор типа ТРДТНП-20000/110ИУ1

2. Тиристоры типа Т173-2000-18 имеют: предельный ток А; допустимый ударный ток ;допустимое  значение теплового импульса ; прямое падение напряжения на предельном токе. ;динамическое сопротивление .

3. Сглаживающий фильтр однозвенный апериодический: , , кол-во блоков реактора - 2.

4. Для варианта №3, УВ на силовых запираемых тиристорах типа GTO, GCT.

 

Задание выдано

Консультант

 

 

Введение

 

Количество электрической энергии, которая генерируется на переменном токе промышленной частоты, но потребляется на постоянном токе, непрерывно возрастает, превышая в настоящее время третью часть выработанной. В ряде случаев возникает необходимость процесса обратного выпрямлению – инвертирования. Преобразование же одного рода тока в другой связано с искажением формы кривых токов и напряжений, потреблением реактивной энергии, существенными потерями электрической энергии и другими факторами, затрудняющими электромагнитную совместимость преобразователей с устройствами электрической системы.

Под естественной коммутацией понимается то, что она обеспечивает переключение потоков электроэнергии в заданном на­правлении вследствие процесса естественного изменения междуфазных на­пряжений вентильных обмоток. Изменения последних обеспечивают пооче­редное переключение коммутирующих вентилей и смену токообразующихЭДС с периодичностью, определяющей пульсность преобразователя .

В условиях постоянного роста стоимости энергетических ресурсов, большое значение приобретает решение проблемы снижения расхода и повышения качества электрической энергии. Поэтому вновь разрабатываемые преобразователи должны при минимальной материалоемкости и стоимости обладать высокими энергетическими показателями.

В настоящее время отечественными предприятиями изарубежными фирмами освоены новые полупроводниковые приборы: силовые запираемые тиристоры типа GTO, GCT, IGCT и силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором типа IGBT.. Для создания 12-, 24-пульсовых выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций наиболее эффективными полупроводниковыми приборами являются мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором типа IGBT на ток 1800 А и напряжение 1700 В или на ток 2000 А и напряжение 3300 В и мощные запираемые тиристоры с интегрированным управлением типа IGCT на токи 30004000 А и напряжение 4500 6000 В.

 

 

Выбор и расчет основных параметров и количества полупроводниковых элементовдля6-пульсового (трехфазного мостового)выпрямителя

 

Для трехфазной мостовойсхемы выпрямления (рис.1.1)выбираем преобразовательный трансформатор типа ТРДТНП-20000/110ИУ1 и рассчитываем число полупроводниковых элементов для режима выпрямления.

 

Рис.1.1. Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя (m =6)

 

Определим номинальную мощность по формуле

, МВт

=3150 А,  В

МВт

Выбираем тиристоры типа Т173-2000-18, которые имеют предельный ток А и обратное повторяющееся напряжение, которое рассчитываем по формуле:

 В, где

   - класс тиристора.

Определим количество тиристоров, включенных параллельно, для схемы с последовательным соединением мостов, это можно сделать по следующей формуле:

    где

- коэффициент неравномерности распределения тока по параллельно включенным диодам, равный 1,3.

- количество фаз, =3.

 - максимальный выпрямленный ток, который вычисляется следующим образом 

 кА

 шт.

 

 

Количество последовательно включенных тиристоров в одном плече можно определить по формуле:

 

где

 - класс тиристора;   

- напряжение на вторичной обмотке, соединенной в звезду;

 - коэффициент коммутационных перенапряжений, .

 

где

шт

 

2.  Расчет токов короткого замыкания в трехфазном мостовом выпрямителе и проверка тиристоров на термическую и динамическую устойчивость

 

Для выбора и проверки полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров) на электродинамическую и термическую устойчивость необходимо рассчитать токи глухого к. з. непосредственно на шинах тяговой подстанции на участке между преобразователем и сглаживающим реактором, когда можно считать, что омическое сопротивление на стороне выпрямленного тока равно нулю.

В системе питания участков электрифицированных на постоянном токе практически повсеместно используются трехфазные полупроводниковые преобразователи, собранные по мостовой схеме выпрямления или по12-пульсовой схеме выпрямления, собранной из двух трехфазных мостов.

При расчете токов глухого к. з. на стороне выпрямленного тока преобразователя, собранного по мостовой схеме выпрямления обычно предполагается, что напряжение к нему подводится от трехфазного источника с напряжениями фаз E₂ через анодную цепь с сопротивлением     X_п = X_с + X_т, где X_с - индуктивное сопротивление системы до вводов трансформатора преобразовательного агрегата, приведенное к напряжению вторичной обмотки трансформатора; X_т - индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора преобразователя, работающего на точку к. з.

Для того, чтобы проверить выбранные тиристоры на термическую и динамическую устойчивость необходимо рассчитать максимальные токи короткого замыкания, проходящие через тиристоры. Для этого устанавливаем точку короткого замыкания на выходе трехфазного моста. Расчетная схема изображена на рис.2.1. и эквивалентные схемы замещения на срис.2.2.

 

        

 

Рис. 2.1. Расчетная схема для расчета токов короткого замыкания

 

 

 

                                                                             

				к
	Рис.2.2. Эквивалентные схемы замещения.

 

 

Расчет токов короткого замыкания производим в именованных единицах. Определим сопротивление системы по формуле:

где  - линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

- мощность короткого замыкания на шинах подстанции.

,

Сопротивление преобразовательного трансформатора будет рассчитано следующим образом:

, где

-напряжение короткого замыкания между обмотками, выраженное в процентах, %;

- номинальная мощность понижающего трансформатора типа ТРДТНП – 20000/110ИУ1,

,

Преобразуем эквивалентную схему замещения к простейшему виду, изображенному на рис.2,.в. Найдем результирующее сопротивление:

мОм

Теперь определим максимальный ток короткого замыкания:

 

Внешнюю характеристику выпрямительного преобразователя (рис. 2.2) U_{d *} = f ( I_{d *} )  можно условно разделить на три следующих друг за другом участка:  0 ≤ I_{d *}  ≤ 0,612;0.612 ≤ I_{d *}  ≤ 1,06; 1,06 ≤ I_{d *}  ≤ 1,41.

Здесь U_d* = U_d / U_d0 ; I_d*  = I_d Х_п /  U₂ ;

U_d , U_{d 0} – соответственно напряжение на выводах выпрямителя при его нагрузке I_d  и при холостом ходе. На первом 1 и третьем 3 участках эта зависимость прямолинейна, на втором 2 – эллиптична ( в предположении, что L_d = ∞), При близких глухих к.з. L_d = 0. Этому соответствует штрихпунктирная кривая 3 ^I на рис. 2.2. На рис 2.2 приняты обозначения U_{d *} = U _В* , а I_{d *} = I _В* .     

Участок 1 внешней характеристики соответствует углу коммутации

 , ток выпрямителя на этом участке   (1 – cos  ).

Максимальный ток, реализуемый преобразователем в этом режиме работы, соответствует  .

I_{d мах 1} =0,612 U ₂ / Х_п .

 

 

Рис. 2.2 Внешняя характеристика трех фазного мостового выпрямителя в режиме короткого замыкания

 

Участок 2 внешней характеристики соответствует режиму работы

Преобразователя с  = const и углом запаздывания 0

Для этого режима работы

sin (  –  ).

Максимальный ток, реализуемый преобразователем в этом режиме работы, соответствует

I_{d мах 2} =1,06 U ₂ / Х_п .

При дальнейшем увеличении тока угол задержки не изменяется, а угол коммутации  увеличивается сверх  . Предельное значение  , и тогда одновременно работают четыре плеча тиристоров: два в катодной и два в анодной группах.

Такой режим соответствует полному короткому замыканию фаз трансформатора и U_d =0 .

При ток короткого замыкания на стороне выпрямленного тока

I_d  =U₂ / Х_п

Максимальный ток короткого замыкания  этом режиме работы

при и L_d = 0 I_{d мах 3} =1,41 U ₂ / Х_п ,

а при и L_d = ∞ I_{d мах 3} =1,35 U ₂ / Х_п .

Практически максимальный ток короткого замыкания, если в цепь выпрямленного тока входит индуктивность сглаживающего реактора, определяется по формуле I_{d мах 3} =1,35 U ₂ / Х_п ; при глухом коротком замыкании непосредственно за выпрямителем его следует определять по формуле I_{d мах 3} =1,41 U ₂ / Х_п .

На первом этапе короткого замыкания тиристоры, находившиеся в состоянии проводимости, работают в контуре короткого замыкания ещё без задержки и длительность их работы может превышать даже   

Появление апериодических составляющих в токах плеч преобразователя вызывает увеличение тока короткого замыкания по сравнению с установившимся его значением, определяемым выше приведенными формулами. Это увеличение тока по аналогии с трехфазным коротким замыканием можно учесть ударным коэффициентом:

К_УП  = (1,3 -1,5)  U ₂ / Х_п

Проверим выбранные тиристоры Т173-2000-18 на динамическую устойчивость, для этого рассчитаем ударный ток по формуле:

, где

- максимальный ток короткого замыкания;

- ударный коэффициент, равный 1,4.

Найдем ударный ток на один тиристор по формуле:

Сравним с допустимым ударным током

> ;

46 кА > 32 кА

Как видим, ударный ток на один тиристор больше допустимого ударного тока. Следовательно, тиристоры не проходят проверку на динамическую устойчивость. Добавляем в параллель еще одну ветвь и проводим проверку.

А

Сравним с допустимым ударным током

< ;

30,7кА < 32 кА

Тиристоры проходят проверку на динамическую устойчивость.

 

 Выполним проверку на термическую устойчивость. Для этого рассчитаем тепловой импульс по формуле:

Для тиристоров Т173-2000-18 допустимое значение

< 5120000 , расчетное значение меньше допустимого, следовательно, тиристоры проходят проверку на термическую устойчивость.

Общее количество тиристоров в схеме будет равно:

шт

 

3. Расчет и сравнительный анализ основных энергетических характеристик выпрямительного преобразователя

 

---

Дата добавления: 2023-01-08; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!