Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Волжская государственная академия водного транспорта»

Кафедра электротехники и электрооборудования

объектов водного транспорта

Курсовая работа

По дисциплине «Судовая электроника и силовая

преобразовательная техника»

для студентов очного и заочного обучения

специальности: 180407 «Эксплуатация судового

электрооборудования и средств автоматики»,

Выполнил: Ефремов И. В.

Проверил: доцент, к.т.н. Гуляев В. В.

Пермь 2013

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передается посредством трехфазной линии электропередачи стандартной частоты и стандартных номиналов напряжений. Для большинства стран, в том числе и России, промышленная частота f= 50 Гц, значение напряжения U = 220 или 380 В. В некоторых странах (США, Чехия, Словакия и др.) стандартная частота вырабатываемой электроэнергии f = 60 Гц. Однако для большого количества потребителей в народном хозяйстве требуется для питания другой вид элек­троэнергии:

электрическая энергия постоянного тока (для электрического транспорта, электрохимических установок, электропривода постоянного тока, сварочных агрегатов, питания радиоэлектронной аппа­ратуры, передачи энергии постоянным током и в целом ряде других случаев);

электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (для электропривода переменного тока, индукционного нагрев и др.);

электрическая энергия переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве пер­вичного источника постоянного напряжения (для энергоснабжения подвижных объектов, устройств гарантированного питания, рекуперации энергии в сеть переменного напряжения и др.).

Приведенные примеры далеко не полностью охватывают ситуа­ции, когда необходимо преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Примерно 50 % всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии. Как видно, технический прогресс современного общества во многом обусловлен успехами электроники и, в частности, успехами преобразовательной техники.

Принцип работы любого статического преобразователя основан на периодическом включении и выключении электронных ключей (вентилей) в определенной последовательности (по заданному алгоритму). Особое значение имеет принцип запирания электронного вентиля, который определяется видом питающего напряжения. В ряде случаев включение последующего вентиля преобразователя приводит к автоматическому выключению предыдущего вентиля под действием напряжения питания. Процесс перехода тока от одного вентиля к другому называется процессом коммутации. Если источником коммутирующего напряжения служит сеть переменного напряжения, питающая преобразователь, то коммутацию называют сетевой, или естественной, а такие преобразователи называют преобразователями, ведомыми сетью. Если в качестве источника коммутирующего напряжения используется вспомогательный источник питания, то такую коммутацию называют принудительной, или искусственной. В последнем случае могут быть использованы полностью управляемые вентили.

Задание № 1.

Произвести расчет и выбор элементов выпрямителя с LC-фильтром по данным, представленным в табл. 1

Построить эпюры токов и напряжений на входе и выходе вентильного комплекта и внешнюю характеристику выпрямителя. Потерями в вентилях и элементах фильтра пренебречь.

Внешнюю характеристику построить для диапазона нагрузок I ≥ 0,1I_н, предполагая, что 0,1I_н>I_н.кр.

Расчет трехфазной мостовой схемы выпрямителя

Произвести расчет и выбор элементов выпрямителя с LC-фильтром. Построить эпюры токов и напряжений на входе и выходе вентильного комплекта и внешнюю характеристику выпрямителя.

Потерями в вентилях и элементах фильтра пренебречь.

Внешнюю характеристику построить для диапазона нагрузок I ≥ 0,1I_н, предполагая, что 0,1I_н>I_{н кр}.

Исходные данные для варианта №20:

Напряжение нагрузки U_н=28,5 В, ток нагрузки I_н=1,5 А, допустимый коэффициент пульсации выпрямленного напряжения q₂ =0,14;

Характеристика сети питания – трехфазная напряжением U₁= 220 В; частота f =50 Гц, напряжение короткого замыкания трансформатора u_к= 4,5 %

Решение

1. Принципиальная электрическая схема выпрямителя

2. Среднее значение выходного напряжения данной схемы выпрямителя

U_d = U_н= 28,5 В (поскольку потерями в дросселе пренебрегаем по условиям задачи)

3. Действующее значение напряжения на фазе вторичной обмотки трансформатора

U₂ = U_d / β_U = 28,5/2,34 =12,2 В

где β_U – коэффициент передачи выпрямителя по напряжению β_U = U_d / Е₂. Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя β_U =2,34 (табл. 3).

4. Среднее значение выходного тока выпрямителя

I_d = I_н = 1,5 А (поскольку потерями в конденсаторе пренебрегаем по условиям задачи, считая конденсатор идеальным).

5. Действующее значение тока вторичной обмотки

I₂ = I_d / β_i = 1,5 / 1,22 = 1,23 А где β_i – коэффициент передачи выпрямителя по току β_i = I_d / I₂. Для трехфазного мостового выпрямителя β_i = 1/0,82=1,22 (см. табл. 3 I₂ /I_d =0,82).

6. Расчетная мощность трансформатора

S_т= 1,05 Р_d = 1,05 U_d I_d = 1,05 ·28,5 ·1,5 = 44,9 ВА

(т. к. по табл. 3 для трехфазного двухполупериодного выпрямителя

S_т/Р_d= 1,05).

7. Амплитудное значение тока вентиля

I_am = I_d = 1,5 А. (т. к. фильтр должен по условиям задачи обеспечить хорошее сглаживание).

8. Среднее значение тока вентиля

I_a = I_d /3 = 1,5/3 =0,5 А. (т. к. по табл. 3 для трехфазного двухполупериодного выпрямителя I_a / I_d = 0,33).

9. Амплитуда обратного напряжения на вентилях

U_обр = 1,05 U_d = 1,05 ·28,5 =29,9 В. (т. к. по табл. 3 для трехфазного двухполупериодного выпрямителя U_обр / U_d = 1,05).

10. Выбор вентилей.

Выбираются (по табл. 6) вентили типа КД204В для которых: средний прямой ток

I_a ^кат = 1 А;

обратное напряжение U ^кат_обр =50 В;

среднее значение прямого падения напряжения Δ U_а =2 В

Для принятых вентилей выполняются условия выбора:

I_a ^кат = 1 А > I_a = 0,5 А,

U ^кат_обр =50 В > U_обр =29,9 В.

11. Коэффициент пульсации на выходе выпрямителя

q₁ =2/( m² – 1) = 2/(6² – 1) = 0,057.

m- кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте питающей сети. Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя выпрямителя по табл. 2 m=6.

12. Требуемый коэффициент сглаживания

S = q₁ / q₂ = 0,057/ 0,14 = 0,41.

13. Сопротивление нагрузки

R_н = U_н / I_н = 28,5 /1,5=19 Ом.

14. Реактивное сопротивление конденсатора входящего в состав фильтра

Х_С = 0,1R_н = 0,1 · 19 =1,9 Ом. (для обеспечения удовлетворительного сглаживания определяется исходя из соотношения Х_С = 0,1R_н).

15. Угловая частота пульсаций

ω_п = 2π m f= 2 ·3,14 ·6 ·50 = 1884 рад^-1

16. Емкость конденсатора входящего в состав фильтра

С = 1/(ω_п Х_С)=1 / (1884 · 1,9)=279 ·10^-6 Ф

17. Индуктивность дросселя, входящего в состав фильтра

L = S/(ω_п ²C)= 0,41/(1884 ^{2 ·}279 ·10^-6)= 4 ·10^-4 Гн

18. Коэффициент трансформации тока

К_т≈ U₂/ U₁ = 12,2/ 220 =0,055

19. Активное сопротивление обмоток трансформатора по первичной стороне

R_т= (u_к U₁ ) / (100 I₁ ) = (u_к U₁ ) / (100 К_т I₂ ) = (4,5 · 220) /(100 ·0,055 ·1,23)= 146 Ом

20. Активное сопротивление обмоток трансформатора приведенное ко вторичной стороне

R_т‘ = К_т² R _т = 0,055² · 146=0,44 Ом

21. Внутреннее активное сопротивление выпрямителя

R _{в н}= R_ф + R_т‘ = 0 + 0,44= 0,44 Ом, (т. к. по условиям задачи потери в фильтре пренебрегаются R_ф =0).

22.Внутренняя ЭДС выпрямителя равная среднему значению выходного напряжения идеального источника:

Е_н= U_{н хх}= β_U Е₂ ≈ β_U U₂ = 2,34 ·12,2 = 28,5 В

23. Расчет внешней характеристики

U_н = Е_н - N · Δ U_а – I_н R_{в н} где N – число вентилей одновременно обтекаемых током.

Для заданной схемы N=2, поэтому N ·Δ U_а =2·2= 4 В.

Результаты расчета для значений тока от 0 до 100 % I_н с шагом 10 % сведены в таблицу

Iн, А	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75	0,9	1,05	1,2	1,35	1,5
Iн Rв н	0,07	0,13	0,2	0,26	0,33	0,4	0,46	0,53	0,59	0,66
Uн	24,43	24,37	24,3	24,24	24,17	24,1	24,04	23,97	23,91	23,84

24. Наклон (коэффициент статизма) внешней характеристики выпрямителя

К_С= 100(U₀ –U_н)/U₀ = 100(28,5-23,8)/28,5=16,5 %

25. График внешней характеристики выпрямителя

Iн, А