Лекция No 9 Выбор согласующего трансформатора и вентилей

 

 

1. Примерный порядок проектирования схем преобразователей с естественной коммутацией

 

Для проектирования требуются следующие исходные данные:

• напряжение, частота и мощность КЗ в сети переменного тока;

• напряжение на стороне постоянного тока и необходимый диапазон его изменения;

• преобразуемая мощность;

• некоторые дополнительные данные – пульсации выпрямленного тока или напряжения, содержание гармоник тока на стороне переменного тока, коэффициент мощности и т.п.

При проектировании должны быть выполнены следующие расчеты [1, 2]:

• после того как выбрана наиболее подходящая схема преобразователя, определяется действующее значение напряжения вентильной (вторичной) обмотки преобразовательного трансформатора, исходя из требуемого наибольшего значения выпрямленного напряжения;

• вычисляются действующие значения токов в обмотках преобразовательного трансформатора, производится расчет его мощности и выбирается из каталога ближайший по мощности;

Замечание. При некоторых схемах преобразователей в вентильных (вторичных) обмотках преобразовательного трансформатора, например в трехфазной нулевой схеме, протекают токи только в одном направлении, т.е. пульсирующие токи. Это может привести к нарастанию некомпенсированной намагниченности стержней магнитопровода трансформатора. Лучше избегать схем, при использовании которых возможны такие явления. Если же такое решение все-таки необходимо, то должны быть приняты меры по уменьшению неблагоприятного влияния пульсирующей нагрузки, например, следует ввести третичные обмотки и т.п.

• вычисляются действующие и средние значения токов в каждом элементе преобразователя;

• вычисляются напряжения на вентилях преобразователя и по каталогам (фирменным) производится выбор полупроводниковых приборов с полной эксплуатационной информацией;

• определяется коэффициент мощности и содержание высших гармоник тока на стороне переменного тока преобразователя, считая сетевое напряжение синусоидальным;

• коэффициент мощности определяется с учетом содержания высших гармонических тока:

,

где - коэффициент искажения, равный отношению действующего значения тока основной (первой) гармоники к действующему значению всего тока, - угол сдвига фазы основной (первой) гармоники тока относительно напряжения;

• определяется содержание гармоник высших токов и напряжения в цепи постоянного тока (в нагрузке);

• определяется тип фильтра и его параметры;

• определяются параметры защитных устройств и устройств, обеспечивающих заданные режимы работы преобразовательной установки.

 

2. Выбор трансформатора

 

Трансформатор на входе вентильного преобразователя – это согласующий элемент, устройство гальванической развязки и дополнительное устройство защиты полупроводниковых приборов [3].

Параметрами, определяющими выбор трансформатора, обычно являются расчетные значения фазных напряжений ( ) и токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора и типовая мощность .

1. Трансформатор, как согласующий элемент, служит для согласования напряжения, подводимого из сети, с напряжением, необходимым для нормальной работы нагрузки.

При определении величины необходимого фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора ( ) возникают трудности, связанные с тем, что в начальной стадии проектирования оказываются неизвестными многие падения напряжения в отдельных элементах преобразователя. В этом случае расчет приходится вести следующим образом. Сначала ориентировочно задаются возможными падениями напряжения в различных элементах преобразователя и определяют необходимое фазное напряжение во вторичной обмотке трансформатора. А затем, после того, как будут выбраны все элементы силовой цепи преобразователя, величина уточняется.

Предварительно вычисляется напряжение на выходе выпрямителя при минимальном значении угла управления или из условия

,

где 1,1 – коэффициент, учитывающий возможное снижение напряжения сети на 10%; – ЭДС вращения при номинальной скорости двигателя; – коэффициент, учитывающий допустимые перегрузки по току, из условий коммутации якоря двигателя и – для электроприводов переменного тока; - суммарное активное сопротивление цепи выпрямленного тока (обмотки трансформатора, дросселей, динамического сопротивления вентилей, сопротивление, учитывающее действие коммутационных процессов в преобразователе и т.п.); предварительно величина может быть принята равной ; – падение напряжения на вентилях.

2. В связи с тем, что в трансформаторе не существует электрической связи между вторичной и первичной обмотками, трансформатор является элементом гальванической развязки сетевого напряжения и напряжения преобразовательного устройства с нагрузкой.

3. Трансформатор на входе вентильного преобразователя обладает собственным активным сопротивлением ( ) и входной индуктивностью ( ), ограничивающей скорость изменения тока в вентилях преобразователя и соответственно токи короткого замыкания на стороне постоянного напряжения.

Определив необходимое значение напряжения на нагрузке , нетрудно найти расчетное значение , соответствующее схеме выпрямления, а зная первичное напряжение , определяется коэффициент трансформации трансформатора

и расчетная мощность трансформатора

.

Мощность выбираемого трансформатора по каталогам должна быть больше или равна расчетной:

.

В литературе часто можно встретить некорректный подход к выбору трансформатора. Наибольшая погрешность появляется в расчетах схем с нулевым выводом [3]. Например, для однофазной двухполупериодной схемы выпрямителя с выводом полагается:

; ; ;

но в этом случае мощность вторичной обмотки больше мощности, забираемой из сети, т.е. , тогда и КПД .

Мощность вторичной обмотки трансформатора ни при каких обстоятельствах не может быть больше мощности первичной обмотки.

В силу тождественности форм кривых токов и напряжений при активной нагрузке действующее значение напряжения определяется точно так же, как и действующее значение тока.

Для однофазной схемы с нулевым выводом

.

Действующее значение напряжения

.

Во время приложения к какой-либо половине обмотки обратного напряжения прямое напряжение на ней равно нулю, тогда

,

где - фазность схемы преобразователя.

Следовательно,

,

т.е. по затратам энергии однофазная мостовая схема и схема с нулевым выводом абсолютно идентичны.

Для активно-индуктивной нагрузки ( ) действующее значение тока и напряжения соответственно равны:

; ,

тогда мощность обмоток

.

Косвенным подтверждением справедливости предлагаемых расчетов может служить баланс мощности. В общем случае с учетом принятых упрощений

,

где – потери от высших гармоник пульсаций напряжения и тока.

Основная доля потерь падает на первую гармонику напряжения . Потери эти чисто активные, они могут быть рассчитаны по следующей формуле:

,

где , – действующие значения первых гармоник пульсаций напряжения и тока; – сопротивление нагрузки; – полные мощности первичной и вторичной обмоток; – выпрямленное напряжение, ток и мощность; - действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Активно-индуктивная нагрузка создает главным образом потери реактивной мощности. Формальное отличие от отражает разницу между действующим и средним значениями напряжения на обмотках трансформатора. В то же время идеализированный ток прямоугольной формы в обмотках или эквивалентная ему сумма гармоник нечетного порядка имеет резко выраженный реактивный характер и создает потери только в питающей сети (в баланс мощности эти потери не входят).

Расчетное значение требуемой мощности трансформатора желательно увеличить на величину потерь от первой гармоники

,

где коэффициент 1,1 учитывает потери от гармоник больше первой.

По расчетным значениям и выбирается тип трансформатора с его номинальными паспортными данными: , , , , вес и т.п.

Расчетную мощность трансформатора нетрудно найти, используя показатели табл.1, при этом

.

Замечание. При отсутствии в каталогах трехобмоточного трансформатора с параметрами обмоток, близкими к требуемым, допускается выбор ближайшего по мощности трансформатора с одной вторичной обмоткой, причем требуемая расчетная мощность увеличивается на 30%. Обычно завод-изготовитель трансформаторов гарантирует изменение напряжения по требованию заказчика при соблюдении постоянства и .

После выбора трансформатора производится расчет активного и индуктивного сопротивлений:

; ; .

Таблица 1. Показатели выпрямительных схем