10. Расчет параметров устройства коррекции напряжения

В устройство коррекции напряжения входят тиристоры отбора и корректор напряжения с блоком питания и входными цепями, обеспечивающими измерение напряжения СГ и равномерное распределение реактивных нагрузок между генераторами при их параллельной работе.

В качестве тиристоров отбора используются лавинные тиристоры (приложение 3).

Средний ток тиристора отбора в открытом состоянии находится по формуле

, (64)

где коэффициент запаса 1,5 учитывает возможное отклонение параметров СГ от средних значений, приведенных в приложении 1, а также возможность кратковременной работы СГ при коэффициенте мощности нагрузки ниже номинального,

K₀ – коэффициент отбора, зависящий от схемы подключения тиристоров отбора.

Значения коэффициента K₀ приведены в табл. 6.

Таблица 6

Значения коэффициента отбора

Формула подключения тиристоров отбора	Рисунок, на котором показано подключение тиристоров отбора	K0
Ф1–Ф2/Ф3–Ф2	рис. 1
П1–Ф1/Ф1–П2	рис. 2
П1–Ф1/Ф2–П2	рис. 3

(Напоминаем, что любой из вариантов подключения тиристоров отбора может быть применен к любому варианту системы ПАФК.)

Для варианта Ф1–Ф2/Ф3–Ф2 К₀ = . По формуле (64) находится средний ток тиристора в открытом состоянии

А.

Повторяющееся импульсное обратное напряжение тиристора U_обр находится, как и импульсное обратное напряжение диода выпрямителя обмотки возбуждения.

Для системы ПАФК с индуктивными компаундирующими сопротивлениями (формула (32))

U_обр ³ 712 В,

а для резонансной системы ПАФК (формула (37))

U_обр ³ 178 В.

Для системы ПАФК с индуктивными компаундирующими сопротивлениями на основании приложения 3 выбираем лавинные тиристоры ТЛ2 160–8 с максимальным значением среднего тока в открытом состоянии тиристора с радиатором при естественном охлаждении I_ос = 40 А и повторяющимся импульсным обратным напряжением U_обр = 800 В.

Для резонансной системы ПАФК выбираем тиристоры ТЛ2 160–6, имеющие I_ос = 40 А и U_обр = 600 В.

11. Расчет реактора с воздушным зазором

11.1 Расчет реактора системы пафк с трехобмоточным

трансформатором

Расчетный ток реактора соответствует режиму холостого хода СГ

А. (65)

Расчетное фазное напряжение реактора

В. (66)

Расчетная фазная мощность реактора

ВА. (67)

(Расчетные значения округляются с погрешностью до 1%.)

Сердечник реактора выполняется из электротехнической стали марки 3411 с толщиной листа d_ж = 0,35 мм. При этом расчетная магнитная индукция в стержне сердечника В_р = 1,25 Тл , а коэффициент заполнения стержня K_ст = 0,96.

Для обмоток реактора принимается класс изоляции F, с допустимой температурой нагрева t_доп = 155° (см. приложение 5).

В соответствии с данными, приведенными в приложении 6, принимается обмоточный провод марки ПСД.

Температура нагретой поверхности обмоток реактора находится по формуле

C, (68)

а средняя температура нагрева обмоток реактора t_ср = 140° находится по данным приложения 5.

Удельная теплоотдача обмоток реактора [4]

, (69)

где k = 5,5 – коэффициент удельной теплоотдачи,

g_в = 1,225 кг /м³ – плотность воздуха на уровне моря,

t₀ = 45°С – температура окружающей среды.

Удельное сопротивление меди обмоток реактора, соответствующее средней температуре обмоток,

Ом·м, (70)

где r_мx = 1,75·10^-8 Ом*м при t_х = 20°С.

Расчетная плотность тока в обмотках реактора определяется формулами [4]

, (71)

где а_с – ширина стержня сердечника,

(72)

y = 0,3 – отношение толщины обмотки к ширине стержня,

к_м = 0,3 – коэффициент заполнения окна медью обмоток.

Сечение стержня принимается близким к квадратному (для снижения расхода провода ), при этом

, (73)

где S_с – сечение стали стержня, которое связано с расчетной мощностью и электромагнитными нагрузками формулой

, (74)

где с = 0,42 – коэффициент для катушек прямоугольной формы,

b = 2 - отношение массы стали к массе меди для оптимальных по массе трансформаторов и реакторов,

- коэффициент заполнения сталью сечения сердечника, для выбранной стали = 0,96.

Из (71) , (73) и (74) получается формула для расчета предварительного значения ширины стержня:

(75)

Сечение стали стержня

. (76)

Фактическое сечение стержня

. (77)

Округляя а_с до ближайшего числа миллиметров, кратного пяти, получаем

а_с = 65 мм = 6,5 см .

Принимаем ширину ярма а_я равной ширине стержня а_с.

Толщина стержня

(78)

Расчетная плотность тока в обмотках реактора находится по формуле (71)

.

Сечение обмоточного провода

. (79)

Диаметр проволоки

. (80)

Стандартное сечение q и диаметр d провода марки ПСД находится из приложения 6:

диаметр проволоки d = 3,28 мм,

диаметр изолированного провода d_из =3,65 мм,

сечение проволоки

,

(Может быть выбран провод и с прямоугольным сечением).

Уточненное значение плотности тока

. (81)

Так как плотность тока j_р меньше расчетной, то максимальная температура нагрева обмотки не превысит допустимую для выбранного провода.

Число витков провода реактора на фазу

. (82)

Принимаем W_р = 205.

Полный воздушный зазор сердечника

(83)

Он состоит из верхнего и нижнего зазоров, имеющих примерно одинаковую толщину. Каждый зазор заполняется набором прокладок из изоляционного материала. Толщина нижнего нерегулируемого зазора принимается равной 3 мм. Верхний зазор регулируется с целью достижения расчетного сопротивления реактора.

Расчетная высота окна

(84)

где K_ф = 3 – отношение высоты окна H₀ к его ширине В_{0 .}

Округляя полученное значение, принимаем H₀ = 19 см.

Ширина окна

(85)

Округляя в большую сторону, принимаем В₀ = 6,5 см.

Длина ярма

cм. (86)

Проверка размещения обмоток в окне сердечника и тепловой расчет реактора не производится.

Масса сердечника

кг, (87)

где _ст = 7650 кг/м³ – плотность холоднокатаной стали.

Масса обмоток

кг. (88)

Ориентировочная масса реактора

кг, (89)

где коэффициент 1,3 учитывает массу выводов обмоток и крепежных деталей.

11.2 Расчет реактора системы ПАФК без трансформации напряжения

Расчетный ток реактора

А. (90)

Дальнейший расчет выполняется в том же порядке и по тем же формулам, как в разделе 11.1.

Максимальное сечение круглого провода недостаточно для обеспечения расчетной плотности тока, поэтому обмотка реактора в этом случае выполняется из прямоугольного обмоточного провода.

11.3 Расчет реактора резонансной системы ПАФК

Расчетный ток реактора соответствует режиму индуктивной нагрузки СГ номинальным током при номинальном напряжении

(91)

Расчетное фазное напряжение реактора находится по формуле (67)

В.

Это напряжение больше фазного напряжения СГ на 15%.

Дальнейший расчет выполняется в том же порядке и по тем же формулам, как в разделе 11.1.

12. Расчет компаундирующего трансформатора

12.1 Расчет компаундирующего трансформатора системы с трехобмоточным трансформатором и индуктивным компаундирующим

сопротивлением

Расчетные токи трансформатора :

обмотки напряжения W₁

А, (92)

выходной обмотки W₂

(93)

где I_в(с)н определяется формулой (63) при I = I_н;

токовой обмотки W₃

I₃ = I_н =1015 А.

Расчетные напряжения обмоток трансформатора:

выходной обмотки W₂

, (94)

обмотки напряжения W₁

, (95)

токовой обмотки W₃

. (96)

Расчетные мощности обмоток :

обмотки напряжения W₁

BA, (97)

выходной обмотки W₂

BA, (98)

токовой обмотки W₃

BA. (99)

Расчетная мощность компаундирующего трансформатора

BA. (100)

Фазная мощность на выходе выпрямителя в режиме установившегося глухого короткого замыкания СГ с системой ПАФК

Вт. (101)

Обмотки трансформатора выполнены обмоточным проводом марки ПСД.

Сердечник трансформатора выполняется из электротехнической стали марки 3411 с толщиной листа _ж = 0,35 мм.

Для обмоток трансформатора применяется класс изоляции F (см. приложение 5). Допустимая температура нагрева _доп , температура нагретой поверхности обмотки ₁ , средняя температура нагрева обмоток _ср и температура окружающей среды ₀ такие же, как у обмотки реактора (см. раздел 11.1).

Ориентировочное значение индукции в стержне сердечника в режиме установившегося глухого короткого замыкания СГ с системой ПАФК

Тл.

Коэффициент заполнения окна медью k_м принимается равным 0,25. Это значение меньше, чем у реактора, так как у трансформатора несколько обмоток, что ухудшает их размещение в окне.

Параметр, учитывающий процессы выделения и рассеивания тепла обмотки трансформатора, определяется по формуле (72)

где величины q₀ = 690 Вт/м , _м = 2,6·10^{- 8} Ом·м и у = 0,3 определены в разделе 11.1.

Ориентировочное значение ширины стержня сердечника

(102)

Выражение (102) аналогично выражению (75), входящие в него коэффициенты и параметры приведены в разделе 11.1.

Ориентировочное значение сечения стержня

(103)

Ориентировочное значение числа витков токовой обмотки

. (104)

Принимаем W₃ = 1 (округлять величину W₃ целесообразно в меньшую сторону, при этом увеличивается коэффициент b).

Числа витков остальных обмоток :

W₂= = = 13,9 , принимаем W₂ =14; (105)

W₁= = = 52,2 , принимаем W₁= 52. (106)

Уточненное значение ширины стержня

. (107)

Расчетное значение плотности тока в обмотках трансформатора

. (108)

Расчетный параметр индукции трансформатора

(109)

где K_k =6,9·10^{- 6} – конструктивный коэффициент.

Расчетная индукция в стержне сердечника определяется по формулам:

при ; (110)

при . (111)

В рассматриваемом случае принимается формула (111)

Тл.

Уточненное значение сечения стали стержня

(112)

Фактическое сечение стержня

. (113)

Ширина стержня

(114)

Округляя полученное значение до числа, кратного 5 мм, принимаем

а_с = 9,5 см.

Толщина стержня находится по формуле (78)

b_с = см.

Уточненное значение расчетной плотности тока в обмотках трансформатора определяется по формуле (108)

.

Так как значения j^_тр и j_тр отличаются незначительно, повторный расчет индукции В_кз не производится.

Обмотки трансформатора наматываются на сердечник в порядке увеличения сечения обмоточного провода : W₁, W₂, W₃.

Плотность тока в обмотке W₂ принимается равной j_тр, у внутренней обмотки W₁ плотность тока понижается на 10%, а у наружной W₃ на столько же повышается:

j^₁= 1,93 А/ мм²,

j^₂= 2,14 А/ мм²,

j^₃= 2,25 А/ мм² .

Ориентировочные значения сечений обмоточных проводов

, (115)

, (116)

. (117)

Предварительное значение высоты окна

(118)

где коэффициент формы окна сердечника K_ф = 3 принимается таким же, как и при расчете реактора.

Ориентировочное значение ширины шины, используемой для обмотки W₃,

cм, (119)

где  = 1,0 см – зазор между обмоткой и ярмом.

Выбираем шину с шириной b_ш = 80 мм и толщиной а_ш = 6 мм.

Сечение шины:

q₃ = b_ш а_ш = 80·6 = 480 мм².

Расчетная плотность тока в шине

. (120)

Высота окна

(121)

Обмотки W₁ и W₂ выполняются из провода прямоугольного сечения. Ширина провода выбирается такой, чтобы каждый слой обмотки заполнял всю высоту окна, а число слоев для сокращения толщины междуслойной изоляции было бы минимальным.

Максимальное сечение обмоточного провода марки ПСД равно 10·5,5=55 мм². Оно больше q^₁ , но меньше q^₂ , поэтому принимаем следующие числа параллельных ветвей: для обмотки напряжения m₁ = 1, для обмотки выходной m₂ = 2.

Число слоев обмоток определяется по формуле

, (122)

Полученные значения n^_i округляются до ближайшего большего числа n_i . В результате расчета по формуле (122) получены следующие значения n_i:

; n₁=2;

; n₂=2.

Расчет ширины изолированного провода производится по формуле

(123)

По найденным значениям b^_{i из} выбираются максимальная ширина изолированного провода b_{i из} , номинальная ширина проволоки b_i и номинальная толщина проволоки а_i. При этом необходимо выполнение условий:

(124)

В результате расчета по формулам (123) и (124) получены следующие значения размеров проводов:

Сечения проводов обмоток находятся по формуле

(125)

В результате расчета по формуле (125) получено

;

.

Плотность тока в обмотках находится по формуле

. (126)

Получены следующие значения

;

.

Среднее значение плотности тока обмоток трансформатора

. (127)

Полученное значение несколько меньше расчетного значения j_тр , поэтому тепловой расчет трансформатора не производится.

Ширина окна трансформатора

см. (128)

Округляя найденное значение в большую сторону до числа, кратного 5 мм, получаем В₀ = 8,0 см .

Длина ярма находится по формуле (86)

.

Масса стали сердечника находится по формуле (87)

.

Ориентировочное значение отношения массы стали к массе меди

. (129)

Масса меди (приближенное значение) рассчитывается по формуле (88)

Масса трансформатора (приближенное значение) находится по формуле (89)