Санкт-Петербургский Государственный Технологический
Университет Растительных Полимеров.
Кафедра Автоматизированного Электропривода и Электротехники
Курсовая работа по преобразовательной технике.
“Расчет и исследование работы тиристорных выпрямителей при нормальных и аномальных режимах”.
Выполнил: Проверил: студент гр № 533 д.Т.Н. Профессор
Бутова Д.С. Кулик В.Д.
Санкт-Петербург
2013г.
Содержание
стр.
Задание на курсовую работу……………………………………………………..3
1. Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку………………………………………………….………..…...4
Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку при разных углах и Lγ…………………..………..….…6
Кривые зависимостей амплитуд управляемого выпрямителя при работе на активную ………………………………………………….…..……….……...12
2. Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку………………………………………...……..13
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв….……………...15
Кривые зависимостей амплитуд управляемого выпрямителя при работе на активно – индуктивную нагрузку…...……………..…………………….….20
3. Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо ЭДС………………………………………………………...22
Расчёт напряжения источников питания……………………………….…….22
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на нагрузку с противо ЭДС при разных углах регулирования….…………...24
Построение зависимости величины противоЭДС, возникающей в двигателе, от угла регулирования………………………………………………………..27
4. Влияние управляемого выпрямителя на промышленную сеть …...……….29
5. Исследование аномальных режимов управляемого выпрямителя....….…..32
Полный отказ в работе одного плеча моста Т1…..…………………………..33
Включение тиристора аномальным импульсом α1-6=450 α1=00......………….37
Асимметрия импульсов управления по причине нарушений работы СИФУ……………………………………………………………...…………….41
Вывод……….…………………………………………………..…………………45
Список используемой литературы…………………………….………………..46
Задание
Рассчитать и исследовать тиристорный трехфазный мостовой выпрямитель при различной нагрузке на двигатель постоянного тока при нормальных и аномальных режимах работы.
Данные двигателя (вариант №2)
Мощность - 14 000 Вт
Напряжение - 440 В
Номинальная частота вращения - 1500 об/мин
Максимальная частота вращения - 3500 об/мин
КПД - 88%
Сопротивление обмотки якоря Rя - 0.294 Ом
Индуктивность обмотки якоря Lя - 11 мГн
Сопротивление обмотки возбуждения Rв - 96 Ом
I. Исследование трёхфазного управляемого выпрямителя при работе при активно-индуктивной нагрузке.
1. Нормальный режим работы (сопротивление обмотки возбуждения).
1.1 рассчитать и построить переходные процессы (iв=f(t)) при заданных параметрах обмотки возбуждения и Lγ=0.1Lя, α=0.
Схема выпрямителя показана на рис. 1.1. Из схемы видно, что при её рассмотрении следует учитывать влияние на показатели схемы коммутационных процессов, реально происходящих в схеме. Ввиду наличия индуктивностей, которые учитываются приведёнными ко вторичной обмотке трансформатора реактивными сопротивлениями Lγ.
Lγ=0.1Lя=0.1*11*10-3=0.0011 Гн
RH=RВ=96 Ом
Т2
Lγ
Lγ
Lγ
Т6
Т4
Рис.1.1 Принципиальная схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку.
Ucb Uab Uac Ubc Uba Uca
Рис. 1.2. Кривые мгновенных линейных напряжений.
γ
Рис.1.3. Кривая выходного напряжения Ud, при Lγ=0.011 Гн
Рис.1.4.Кривая мгновенного значения тока id
Ввиду наличия индуктивностей, которые приводятся ко вторичной обмотке трансформатора реактивными сопротивлениями Lγ, каждый переход с одного вентиля на другой происходит в течении угла коммутации γ. Коммутация начинается в точках естественного включения вентелей.
Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питающей сети. Влияние индуктивности в цепи переменного тока проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Xγ затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводящего тиристора и нарастания до значения Iн тока тиристора, вступающего в работу. В результате на интервале коммутации γ в проводящем состоянии одновременно находятся 3 тиристора выпрямителя. Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для вторичной обмотки трансформатора.
1.2 рассчитать и построить регулировочные характеристики при Lв=(0; 102; 103).
Определить амплитуды, состав гармоник при трёх значениях α=0; 60; 75.
Рис.1.6 Регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке и
(1),
(2),
(3).
Из рис.1.6 видно, что диапазон регулирования выпрямителем при чисто активной нагрузке составляет от 0º до 120º.
При активно-индуктивной нагрузке при LВ=100*Lя диапазон изменения угла α лежит в пределах от 0º до 104º. Уменьшение диапазона изменения угла регулирования объясняется тем, что при α ≥ 90º площадь положительного значения напряжения будет равна площади нижнего, и согласно критерию равенства площадей (SL1 = SL2) среднее значение выпрямленного напряжения будет равно нулю.
Исследование трехфазного управляемого выпрямителя при работе на активную и активно – индуктивную нагрузку при разных углах и Lв
Активная нагрузка при разных улах:
U,В
I,А
Ia,А
Ib,А
Ic,А
Рис.1.7 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,
Lγ =0.0011Гн, LB=0 Гн, и Rн=Rв (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
При моделировании выпрямителя, нагружённого активным сопротивлением, можно заметить, что напряжение на нагрузке и сетевые токи имеют не синусоидальную форму. Следовательно, они содержат высшие гармоники. Из рисунка 1.7(а) следует, что выпрямленное напряжение имеет только четные гармоники кратные 6 (это 6, 12, 18) и постоянную составляющую (нулевую гармонику). Сетевой ток содержи только нечетные гармоники (это 1, 5, 7 ,11, 13 и др.).
U,В
I,A
Ia,А
Ib,А
Ic,А
Рис.1.8 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,
Lγ =0.0011Гн, LB=0 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Система управления настраивается таким образом, чтобы импульсы подавались на те тиристоры, потенциал анода которых в рассматриваемый момент времени имел наивысшее значение по отношению к потенциалу анода остальных тиристоров. Например, когда потенциал точки а имеет наибольшее положительное значение по отношению к потенциалу точки b, импульсы управления подаются на тиристоры Т1, Т4, эти тиристоры откроются. Ток потечет по цепи a– Lа – a’ – T1 – Rн – T4 – b’ – Lв –b. Далее, несмотря на то, что потенциал точки а станет более положительным по отношению к потенциалу точки с, тиристор Т2 не откроется, т.к. на него не был подан импульс управления. Открывание тиристора Т2 произойдет только в момент, когда на него подадут импульс управления.
I,A
U,В
Ic,А
Ib,А
Ia,А
Рис.1.9 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,
Lγ =0.001Гн, LB=0 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения. LB=0
-
№ гармоники
α
0
6
12
18
24
0
434.83
28.66
9.24
5.17
3.27
53.40
36.40
21.97
25
370.9
102.46
31.57
28.81
20.25
30
349.9
110.59
33.45
35.52
16.61
45
273.03
109.92
66.02
39.49
22.62
60
181.32
109.17
53.43
35.49
26.46
75
105.91
109.88
43.75
26.76
21.75
90
48.30
72.76
30.96
20.24
15.43
120
2.45
4.76
4.38
3.91
3.48
.
Амлитуды гармоник (А), входящих в состав фазного тока.
-
№ гармоники
α
1
5
7
11
13
0
5.06
1.09
0.59
0.39
0.33
60
2.50
1.17
0.57
0.50
0.34
75
1.12
0.78
0.47
0.28
0.24
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (нулевая гармоника) и амплитуда первой гармоники сетевого тока, с увеличением угла уменьшаются до нуля. Это объясняется тем, что пульсация напряжения с увеличением угла α повышается, действующее значение напряжения убывает.
В качестве нагрузки которого используется чисто активное сопротивление и можно сказать, что выпрямитель при углах управления 0º ≤ α < 60º работает в режиме непрерывных токов, то есть импульсы управления подаются на тиристоры, когда значение их тока не равно нулю.
При углах управления α = 60º управляемый выпрямитель работает в граничном режиме. Это значит, что импульсы управления подаются на тиристоры в момент снижения их тока до нуля.
В диапазоне угла управления 60º < α ≤ 120º выпрямитель работает в режиме прерывистого тока. Такой режим наступает в том случае, если импульсы управления подаются на тиристоры после снижения их токов до нуля.
Активно-индуктивная нагрузка при LB=102*Lя. и разных углах:
U,В
I,A
Ic,А
Ib,А
Ia,А
Рис.1.10 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,
Lγ =0.001Гн, LB=1.1 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Из рисунка 1.10 следует, что выпрямленное напряжение имеет только четные гармоники кратные 6 (это 6, 12, 18) и постоянную составляющую (нулевую гармонику). Сетевой ток содержи только нечетные гармоники (это 1, 5, 7 ,11, 13 и др.).
I,A
U,В
Ic,А
Ib,А
Ia,А
Рис.1.11 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,
Lγ =0.001Гн, LB=1.1 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
U,В
I,A
Ia,А
Ib,А
Ic,А
Рис.1.12 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,
Lγ =0.001Гн, LB=1.1 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения.
-
№ гармоники
α
0
6
12
18
24
0
95.20
118.67
56.27
37.32
28.52
10
418.34
56.7
32.22
21.92
13.18
25
371.2
102.08
32.45
28.2
21.53
30
350.07
110.61
33.30
35.96
16.96
45
273.25
110.62
66.25
39.03
22.94
60
180.94
109.06
53.57
35.84
27.02
75
95.14
118.69
56.37
37.33
28.53
90
17.09
202.04
67.69
39.70
30.12
120
1.24
76.60
18.15
11.80
8.79
149
0.02
0.29
0.09
0.05
0.04
.
Амлитуды гармоник (А), входящих в состав фазных токов.
-
№ гармоники
α
1
5
7
11
13
0
2.38
0.47
0.33
0.20
0.18
60
1.02
0.21
0.17
0.09
0.11
75
0.46
0.17
0.05
0.09
0.08
Из таблиц видно, что постоянная составляющая выпрямленного напряжения (нулевая гармоника) и амплитуда первой гармоники сетевого тока, с увеличением угла уменьшаются до нуля. Это объясняется тем, что пульсация напряжения с увеличением угла α повышается, действующее значение напряжения убывает.
Активно-индуктивная нагрузка при LB=103*Lя. и разных углах:
U,В
I,A
Ia,А
Ic,А
Ib,А
Рис.1.13 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 0º,
Lγ =0.001Гн, LB=11 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
При увеличении индуктивности пульсации тока сглаживаются, соответственно увеличивается постоянная составляющая тока на нагрузке. Но переходной процесс затягивается. На рис 1.9 с индуктивностью 11 Гн переходной процесс длится 0,6с.
При угле управления α = 0о на тиристоры будет подаваться импульсы управления в момент естественной коммутации вентилей. В таком случае при положительном потенциале точки а’ относительно точки b’ к анодам тиристоров Т1 и Т4 будет приложен положительный потенциал, а к их катодам – отрицательный, что приведет к их открываю. Ток будет протекать по цепи a –La – a’ – T1 – Rн –Lн – T4 – b’ – Lв – b.
Далее точка b становиться более положительна по сравнению с точкой с. Из-за этого разность потенциалов у линейного напряжения uac становиться большей по сравнению с остальными напряжениями. В этот момент подаются импульсы управления на тиристоры Т1 и Т2. Возникает контур коммутации встречно току тиристора Т4. Ток Т4 снижается до нуля и тиристор закрывается. После этого ток начинает протекать по контуру
a– La – a’ – T1 – Rн –Lн – T2 – c’ – Lc– c .
U,В
I,A
Ia,А
Ib,А
Ic,А
Рис.1.10 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 60º,
Lγ =0.001Гн, LB=11 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
U,В
I,A
Ib,А
Ic,А
Ia,А
Рис.1.13 Временные диаграммы токов и напряжений схемы с активно-индуктивной нагрузкой, при угле управления тиристорами 75º,
Lγ =0.001Гн, LB=11 Гн, (Ud=440 В):
а) кривая мгновенного значения напряжения и её гармоник.
б) кривая мгновенного значения тока и её гармоник.
в) Кривые мгновенных значений фазных токов и их гармоники.
Исследуем работу выпрямителя при 60º <
α ≤ 120º (рис.1.12). Для рассмотренного
случая (α = 75º,) в момент времени, когда
потенциал точки а’ больше потенциала
точки b’ и ток
проводят тиристоры Т1, Т4 по цепи a
– Ra – La
– a’ – T1
– Rн –Lн
– T4 – b’
– Lв – Rв
– b. В момент времени
t1 (рис. 1.12а) когда потенциал
точки а становиться более положителен
по отношению к потенциалу точки с,
ток проводиться по прежнему тиристорами
Т1 и Т4. Это происходит благодаря
накопленной электромагнитной энергии
в катушке индуктивности WL=
.
В момент времени t2 (рис.
1.12а), когда ubc
становится более положительным по
сравнению с напряжением uab,
к тиристору Т4 должно приложиться
запирающее напряжение. Но в катушке
индуктивности чтобы поддержать течение
тока в предыдущем направлении возникает
ЭДС самоиндукции, которая преодолевает
линейное напряжение ubс
до тех пор пока на тиристор Т2 не
подадут импульс управления, момент t3
.После этого возникнет контур коммутации
в – Rв – Lв
– в’ – T4 – T2
– с’ – Lс – Rс
– с, встречный току Т4, который
впоследствии зарывается.
На рис. 1.13 3 гармоника третья гармоника напряжения больше, чем первая. Средне выпрямленное напряжение на нагрузке = 110В Но благодаря большой индуктивности ток на нагрузке практически не имеет пульсаций. При угле регулировании ›600 происходит рекуперация энергии в сеть.
Амплитуды гармоник (В), входящих в состав выпрямленного напряжения, при LB=103*Lя.
-
№ гармоники
α
0
6
12
18
24
0
436.33
25.96
7.07
3.68
2.51
10
419.25
55.95
31.87
22.09
13.79
25
368.09
107.33
34.98
29.61
23.07
30
348.35
114.70
35.12
37.39
17.77
45
274.91
111.52
66.77
39.33
23.32
60
186.33
107.38
52.59
35.26
26.67
75
102.6
119.20
56.19
37.24
28.5
90
40.87
109.7
53.19
35.53
26.78
120
11
47.14
23.07
15.82
12.19
135
5.51
18.75
8.53
6.21
5.24
149
0.03
0.14
0.07
0.05
0.04
Амлитуды гармоник (А), входящих в состав тока фазы а,b,c
-
№ гармоники
α
1
5
7
11
13
0
0.48
0.10
0.07
0.04
0.03
60
0.15
0.04
0.06
0.04
0.05
75
0.08
0.05
0.05
0.06
0.05
В результате гармонического анализа, проведенного для различных углов управления, мы получили зависимости величин гармоник тока сети и напряжения на нагрузке от угла α. Протекание высших гармоник по обмоткам генераторов, питающих сеть, вызывает в них дополнительные потери и нагрев. Дополнительные потери создаются так же в передающих линиях и промежуточных трансформаторах. Падение напряжения от высших гармоник на линиях передач и промежуточных трансформаторах вызывает искажение формы питающего напряжения , что отрицательно сказывается на работе других потребителей. Искажение формы питающего напряжения особенно ощутимо, когда мощность сети соизмерима с мощностью силового преобразователя.
1.3 Рассчитать и построить внешние характеристики при Lγ=(0; 0.1; 0,5)Lя Гн
Рис.1.14 Внешняя характеристика управляемого выпрямителя при разных индуктивностях рассеивания Lγ
Уменьшение напряжения на нагрузке с увеличением её тока связано с повышением коммутационных падений напряжения в виду роста угла коммутации γ. Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питающей сети. Влияние индуктивности в цепи переменного тока проявляется в том, что при подаче отпирающего импульса на очередной тиристор индуктивные сопротивления Xγ затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводящего тиристора и нарастания до значения Iн тока тиристора, вступающего в работу. В результате на интервале коммутации γ в проводящем состоянии одновременно находятся 3 тиристора выпрямителя. Эти тиристоры создают короткозамкнутый контур для вторичной обмотки трансформатора.
В процессе выполнения моделирования выпрямителя подразумевалось, что преобразователь подключён к промышленной сети через, понижающий напряжение, трансформатор. На практике любой трансформатор обладает индуктивность рассеивания. Чем больше угол γ тем меньше среднее выпрямленное напряжение на нагрузке. Коммутационные процессы сказываются на форме выпрямленного напряжения ud и уменьшении его среднего значения Ud.
.
2.Аномальный режим работы.
Под аномальным режимом работы выпрямителя понимаются режимы, вызванные отказом в работе одного или двух вентилей моста, а так же ложными (аномальными) импульсами их управления с углами, отличающимися от заданного значения, которые попадают на управляющие электроды из-за коммутационных процессов или по причине нарушений в работе СИФУ.
В начале исследования аномальных режимов определимся условными положительными направлениями фазных токов. Положительные направления фазных токов совпадают с направлениями от точек а`, b’, c’ соответственно к точкам a, b, c (см рис 2.1)
Отрицательные – имеют противоположенные направления: от точек a, b, c к точкам a’, b’, c’. В дальнейшем будем пользоваться этими условными направлениями фазных токов. В этом разделе сравним три способа диагностики управляемых выпрямителей:
1) способ диагностики, основанный на спектральном анализе кривой выходного напряжения
2) способ, основанный на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения выпрямителя.
3) способ, основанный на гармоническом анализе и визуальной оценке кривых фазных токов.
В данном случае задача состоит в определении вентиля вышедшего из строя.
Рис 2.1 Схема управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой
Полный отказ в работе одного плеча моста Т2
а) б)
рис 2.2 Схема управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой:
а) Нормальный режим
б) отключение тиристора Т2
Ia,А
IВ,А
IС,А
U,B
Iс,А
Рис.2.3. Кривые мгновенных значений выходного напряжения (а) и фазных токов (б) управляемого выпрямителя при α1...6=35˚, LB=1.1 Гн и отключении тиристора Т2