umm_425
.pdfФедеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)
Кафедра «Электроснабжение транспорта»
А.С. Низов А.Н. Штин К.Г. Шумаков
Разработка выпрямительно-инверторного преобразователя
Посвящается 50-летию УЭМИИТ – УрГАПС – УрГУПС
Екатеринбург
2006
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)
Кафедра «Электроснабжение транспорта»
А.С. Низов А.Н. Штин К.Г. Шумаков
Разработка выпрямительно-инверторного преобразователя
Методическое руководство к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электронная техника и преобразователи» и дипломному проектированию студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог»
Посвящается 50-летию УЭМИИТ – УрГАПС – УрГУПС
Екатеринбург
2006
1
УДК621.331:621.311:621.314.6 Н61
Руководство содержит теоретический и справочный материал, необходимый для расчета силовой схемы мощных многопульсовых выпрямителей и зависимых инверторов. Приводятся основные соотношения для определения параметров наиболее распространенных выпрямительных и инверторных преобразователей, методика расчета числа последовательно-параллельно включенных диодов (тиристоров) и последовательность определения их энергетических показателей.
Предназначено для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог». Оно может быть также полезно для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, изготовления и эксплуатации выпрямительно-инверторных преобразователей.
Методическое руководство рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Электроснабжение транспорта», протокол №2 от 26 октября 2006 г.
Текстовая часть составлена в соответствии с ГОСТ 2.105–95 «Общие требования к текстовым документам».
Авторы: А.С. Низов, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент;
А.Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент;
К.Г. Шумаков, ассистент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Рецензенты: Б.С. Кулаков, доцент кафедры «Электрическая тяга», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент;
И.А. Пятецкий, начальник дорожной электротехнической лаборатории Свердловской железной дороги филиала ОАО «РЖД».
© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2006
2
|
Содержание |
|
1 |
Задание на курсовую работу..................................................................... |
5 |
2 |
Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях |
|
|
преобразователей......................................................................................... |
9 |
2.1 |
Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях 6- |
|
|
и 12-пульсового выпрямительного преобразователя................................ |
9 |
2.2 |
Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях |
|
|
12-пульсового инверторного преобразователя.......................................... |
10 |
3 |
Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых |
|
|
преобразователей и выбор схемы выпрямления.................................. |
12 |
3.1 |
Методика сравнения различных схем выпрямления................................. |
12 |
3.2 |
Расчет мощности и ориентировочной стоимости преобразовательных |
|
|
трансформаторов........................................................................................... |
13 |
3.3 |
Оценка качества выпрямленного напряжения и выбор сглаживающего |
|
|
устройства...................................................................................................... |
16 |
3.4Оценка качества сетевого тока и расчет снижения эксплуатационных расходов при увеличении коэффициента мощности преобразователя
|
коэффициента мощности.............................................................................. |
19 |
3.5 |
Расчет снижения эксплуатационных расходов при уменьшении потерь |
|
|
энергии в преобразователе........................................................................... |
22 |
3.6 |
Расчет изменения амортизационных отчислений...................................... |
23 |
3.7 |
Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых |
|
|
преобразователей .......................................................................................... |
23 |
4 |
Расчет проектных параметров и выбор типа трансформатора для |
|
|
выпрямительно-инверторного преобразователя................................. |
24 |
4.1 |
Расчет проектных параметров преобразовательного трансформатора... |
24 |
4.2 |
Выбор типа и обозначения преобразовательного трансформатора......... |
28 |
5 |
Проект выпрямительного и инверторного преобразователя............ |
30 |
5.1 |
Параллельное соединение полупроводниковых приборов (диодов, |
|
|
тиристоров) .................................................................................................... |
30 |
5.2 |
Последовательное соединение полупроводниковых приборов (диодов |
|
|
и тиристоров) ................................................................................................. |
35 |
5.3 |
Расчет общего числа диодов (тиристоров) выпрямителя (инвертора).... |
38 |
5.4 |
Разработка силовой схемы диодного (тиристорного) плеча |
|
|
преобразователя............................................................................................. |
38 |
5.5 |
Выбор типа разработанного выпрямителя (инвертора) ............................ |
41 |
5.6 |
Оформление результатов расчета................................................................ |
41 |
6 |
Характеристики и энергетические параметры преобразователей... |
42 |
6.1 |
Расчет угла коммутации............................................................................... |
42 |
6.2 |
Внешние характеристики............................................................................. |
43 |
6.3 |
Энергетические параметры преобразователя............................................. |
45 |
3
7 Разработка силовой схемы и компоновка выпрямительно- |
|
инверторного преобразователя................................................................ |
50 |
7.1 Оформление силовой схемы преобразователя........................................... |
50 |
7.2 Компоновка преобразователя ...................................................................... |
50 |
Список использованных источников ..................................................... |
51 |
Приложение А Технические характеристики полупроводниковых |
|
приборов и их охладителей ..................................................... |
52 |
Приложение Б Технические характеристики резисторов и конденсаторов.. |
54 |
Приложение В Схемы последовательно-параллельного соединения |
|
полупроводниковых приборов и схемы выравнивания |
|
напряжения................................................................................ |
55 |
Приложение Г Схемы последовательно-параллельного соединения |
|
полупроводниковых приборов и схемы выравнивания |
|
распределения тока................................................................... |
56 |
Приложение Д Схемы преобразовательных трансформаторов...................... |
57 |
Приложение Е Электрические параметры оборудования электрической |
|
схемы преобразователей.......................................................... |
58 |
Приложение Ж Коэффициенты акустического воздействия k-ых гармоник |
58 |
4
1 Задание на курсовую работу
По исходным данным таблиц 1.1 и 1.2 и заданному варианту необходимо выполнить анализ электромагнитных процессов, происходящих в цепях выпрямительного (ВП) и инверторного (ИП) преобразователей, выбрать лучшую схему выпрямителя, разработать проект зависимого выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) и выполнить анализ его энергетических параметров.
Рекомендуется следующая последовательность выполнения курсовой работы (КР):
1.Анализ исходных данных.
2.Анализ электромагнитных процессов в цепях ВП.
3.Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых ВП и выбор оптимальной схемы выпрямления.
4.Расчет проектных параметров трансформатора для ВИП.
5.Проект полупроводниковой части ВП.
6.Расчет характеристик и энергетических параметров ВП.
7.Анализ электромагнитных процессов в цепях ИП.
8.Проект полупроводниковой части ИП.
9.Расчет характеристик и энергетических параметров ИП.
10.Разработка силовой схемы главных присоединений ВИП.
11.Разработка конструктивного выполнения шкафов ВИП.
Курсовая работа состоит из расчетной и графической частей.
Расчетная часть оформляется в виде расчетно-пояснительной записки пастой темного цвета или по разрешению преподавателя на компьютере на одной стороне листа бумаги стандартного формата А4 (210×297).
Материал пояснительной записки должен располагаться в следующей последовательности: титульный лист, реферат, содержание, введение, задание на КР, основная часть, состоящая из выделенных разделов и подразделов, заключение, литература, приложения.
Все разделы должны иметь четкое и краткое название и нумероваться арабскими цифрами (1, 2, 3 и т.д.). Заголовки разделов пишутся строчными буквами с первой прописной. Подразделы должны иметь название и нумероваться в пределах раздела двумя арабскими цифрами (1.1, 1.2, …, 4.1, 4.2). Заголовки подразделов пишутся строчными буквами с первой прописной. Аналогично подразделам оформляются и пункты, которые нумеруются в пределах подразделов тремя арабскими цифрами (1.1.1, …, 3.2.1).
Схемы, графики, рисунки, таблицы должны нумероваться в пределах каждого раздела двумя цифрами (1.1, …, 3.1 и т.д.), иметь четкое название и располагаться в соответствующих разделах.
Формулы нумеруются в пределах раздела двумя арабскими цифрами в круглых скобках ((1.1), (1.2) и т.д.).
Остальные правила оформления КР приведены в /9/.
5
Графическая часть оформляется на листах миллиметровой бумаги формата А4, которая должна состоять из следующих иллюстраций:
1.Принципиальная схема заданного 6-пульсового ВП.
2.Принципиальная схема заданного 12-пульсового ВП.
3.Временные диаграммы токов и напряжений 6-пульсового ВП для идеального трансформатора (γ=0).
4.Временные диаграммы токов и напряжений 12-пульсового ВП для идеального трансформатора (γ=0).
5.Временные диаграммы токов и напряжений 12-пульсового ВП для реального трансформатора (γ=γНОМ).
6.Силовая схема разработанного диодного плеча выпрямителя.
7.Зависимости выпрямленного напряжения Ud, угла коммутации γВ, коэффициента мощности λВ, коэффициента полезного действия ηВ в функции от выпрямленного тока Id для 12-пульсового ВП.
8.Принципиальная схема заданного 12-пульсового ИП.
9.Временные диаграммы токов и напряжений 12-пульсового ИП при расчет-
ных углах β и γНОМ .
10.Силовая схема разработанного тиристорного плеча инвертора. 11.Зависимости входного напряжения ИП UИ, угла коммутации γИ, коэффици-
ента мощности λИ, коэффициента полезного действия ηИ в функции от тока IИ для 12-пульсового ИП.
12.Силовую схему разработанного ВИП (на формате А3). 13.Конструкция одного силового блока. 14.Электрическая схема шкафа выпрямителя (инвертора).
15.Расположение диодов или тиристоров в шкафу выпрямителя (инвертора). 16.Соединение шкафов выпрямителя (инвертора) между собой.
Систему охлаждения диодов выпрямителя (тиристоров инвертора) при-
нять:
при нечетной сумме цифр варианта воздушное охлаждение;
при четной сумме цифр варианта на тепловых трубах;
при нечетной первой цифре варианта естественное воздушное охлажде-
ние или одиночное расположение диодов (тиристоров) при охлаждении на тепловых трубах;
при четной первой цифре варианта принудительное воздушное охлажде-
ние со скоростью воздуха VВ = 6 м/c или блочное расположение диодов (тиристоров) при охлаждении на тепловых трубах.
Электрическую схему шкафа, расположение диодов (тиристоров) в шкафу и соединение шкафов выпрямителя (инвертора) разработать:
при нечетном номере в списке группы по журналу старосты для выпря-
мителя;
при четном номере в списке группы по журналу старосты для инвертора.
6
Таблица 1.1 – Исходные данные по первой цифре шифра
|
|
Показатель |
|
|
|
|
Первая цифра шифра |
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
7 |
8 |
|
9 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Назначение |
Магистральный Ж.Д. транспорт |
Промышленный |
Метрополитен, |
|||||||||
|
|
преобразователя |
транспорт |
Городской |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
транспорт |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Вариант выполнения вентильных |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
|
2 |
1 |
|
2 |
|
|
обмоток*) |
|
|
||||||||||
|
Номинальное линейное напряжение |
10,5 |
35 |
6,6 |
35 |
6,6 |
10,5 |
6,6 |
|
10,5 |
35 |
|
10,5 |
|
|
|
сети U1Л , кВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мощность короткого замыкания |
150 |
200 |
250 |
125 |
175 |
225 |
75 |
|
100 |
40 |
|
30 |
7 |
|
SКЗ , МВА |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номинальное напряжение выпрями- |
3,3 |
6,6 |
3,3 |
6,6 |
3,3 |
6,6 |
1,65 |
|
3,3 |
0,825 |
|
0,6 |
|
|
|
теля UdH , кВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент повторяющихся пере- |
1,4 |
1,45 |
1,5 |
1,55 |
1,6 |
1,42 |
1,47 |
|
1,51 |
1,57 |
|
1,62 |
|
|
|
напряжений КП = UП/UV МАХ |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент перенагрузки КПЕР |
2,00 |
2,05 |
2,10 |
2,15 |
2,20 |
1,95 |
1,90 |
|
1,85 |
1,80 |
|
1,75 |
|
|
ВП / ИП |
1,25 |
1,27 |
1,29 |
1,31 |
1,33 |
1,26 |
1,28 |
|
1,30 |
1,32 |
|
1,34 |
|
Минимальный уровень коэффициен- |
0,958 |
0,956 |
0,954 |
0,952 |
0,950 |
0,948 |
0,946 |
|
0,944 |
0,942 |
|
0,940 |
|
|
|
та мощности λМИН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент повышения напряже- |
1,20 |
1,22 |
1,24 |
1,26 |
1,28 |
1,28 |
1,26 |
|
1,24 |
1,22 |
|
1,20 |
|
|
|
ния при инвертировании КИ |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*) 1 схема преобразовательного трансформатора с отдельными вентильными обмотками для подключения ИП (рисунок Д.1); |
|
||||||||||||
2 |
схема преобразовательного трансформатора с дополнительными витками в основных вентильных обмотках для подключения ИП |
(рисунок Д2).
7
Таблица 1.2 Исходные данные по второй цифре шифра |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Вторая цифра шифра |
|
|
|
|||
|
Показатель |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
|
|
||||||||||
|
Схемы сравниваемых ВП*) |
6ПМ |
6ПМ |
6ПН |
6ПН |
|
6ПМ |
6ПМ |
6ПН |
6ПН |
6ПМ |
6ПН |
|
|
12ПОСЛ |
12ПАР |
12ПОСЛ |
12ПАР |
12ПОСЛ |
12ПАР |
12ПОСЛ |
12ПАР |
12ПОСЛ |
12ПАР |
|
|
Колебания напряжения пи- |
± 2,0 |
± 2,5 |
± 3,0 |
± 3,5 |
|
± 4,0 |
± 4,5 |
± 5,0 |
± 4,5 |
± 4,0 |
± 3,5 |
|
тающей сети U1 , % |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номинальный ток в выпря- |
4000 |
3150 |
2500 |
2000 |
|
1600 |
4000 |
3150 |
2500 |
2000 |
1600 |
|
мительном режиме IdH,A |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номинальный ток в инвер- |
1250 |
2000 |
1600 |
1250 |
|
1600 |
3150 |
2500 |
2000 |
1600 |
1250 |
|
торном режиме IИH , A |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
Тип диодов |
Д 163 – |
ДЛ 173 |
Д 163 – |
ДЛ 153 |
|
Д 253 – |
ДЛ 173 |
Д 163 – |
ДЛ 153 |
Д 253 – |
ДЛ 153 |
|
3200 |
–3200 |
2000 |
– 1600 |
|
1600 |
– 4000 |
2500 |
– 2000 |
2000 |
– 1250 |
|
|
|
|
||||||||||
|
Тип тиристоров |
Т 173 – |
Т 173 – |
Т 273 – |
Т 163 – |
|
Т 273 – |
Т 173 – |
Т 193 – |
Т 173 – |
Т 173 – |
Т 163 – |
|
1250 |
2000 |
2000 |
1000 |
|
1600 |
3200 |
2500 |
2500 |
1600 |
1250 |
|
|
|
|
||||||||||
|
Время использования номи- |
4300 |
3800 |
3300 |
5000 |
|
4500 |
4000 |
3500 |
3000 |
2500 |
2000 |
|
нальной нагрузки ТН, час |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент неповторяю- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щихся перенапряжений |
1,7 |
1,75 |
1,8 |
1,85 |
|
1,9 |
1,72 |
1,77 |
1,82 |
1,87 |
1,92 |
|
КНП = UНП/UV МАХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряжение короткого замы- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кания преобразовательного |
7,0 |
7,5 |
8,5 |
9,5 |
|
11,0 |
8,0 |
9,0 |
10,0 |
6,5 |
10,5 |
|
трансформатора uКТ , % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*) 6ПМ – 6-пульсовая мостовая схема; 6ПН – 6-пульсовая нулевая схема с уравнительным реактором;
12ПОСЛ – 12-пульсовая схема последовательного типа; 12ПАР – 12-пульсовая схема параллельного типа.
8
2 Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях преобразователей
2.1Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях 6- и 12-пульсовых выпрямительных преобразователей
Выполнение КР рекомендуется начать с изучения схем, принципа работы и анализа электромагнитных процессов, происходящих в цепях двух заданных ВП: 6-пульсового и 12-пульсового /1, 2, 5, 6/.
Для этого следует, в соответствии с заданием, разработать принципиальные схемы ВП, на которых необходимо обозначить выводы сетевых и вентильных обмоток, плюсовые и минусовые выводы преобразователей и пронумеровать диодные плечи. На схемах показать все рассматриваемые напряжения и токи, а также цепь тока во всех элементах схемы для заданного момента времени. В КР заданный момент времени следует принять равным
θ3 =12π +π6 N2 =15O +30O N2 ,
где N2 вторая цифра шифра варианта.
Чтобы изучить принцип работы ВП, для каждой из заданных схем необходимо построить следующие временные диаграммы напряжений и токов в цепях ВП на интервале не менее 2π при индуктивности сглаживающего реактора
Xd = ∞ (на первом этапе выполнения КР эти диаграммы рекомендуется строить при угле коммутации γ=0, а на втором этапе при γ=γНОМ):
1.напряжений вентильных обмоток трансформатора u2 (uА, uВ, uС);
2.выпрямленных напряжений каждого моста 12-пульсового ВП udY, ud ;
3.выпрямленного напряжения всего ВП ud;
4.выпрямленных токов каждого моста 12-пульсового ВП idY, id ;
5.выпрямленного тока 6-пульсового ВП id;
6.напряжения на уравнительном реакторе up (для 6-пульсового ВП с уравнительным реактором);
7.тока диодного плеча iV;
8.напряжения на диодном плече uV;
9.токов фаз вентильных обмоток соединенных в «Y» и в « » 12-пульсового
ВП i2Y, i2 ;
10.тока одной из фаз вентильной обмотки 6-пульсового ВП i2;
11.тока одной из фаз сетевой обмотки i1.
Используя разработанные схемы и диаграммы, необходимо дать краткое описание схемы и теорию её работы для заданного момента времени /1, 2/.
9