Выбор вентилей управляемого выпрямителя

Используя /1, рис. 2 приложение 1/ получаем:

В расчёте предполагается пробой в конце периода коммутации при  a = 0, что соответствует наиболее тяжёлому режиму развития внутреннего к.з. в выпрямителе. Система управления оснащена схемой блокирования управляющих импульсов до первой очередной коммутации.

фактическое значение амплитуды тока к.з. определяется по выражению:

,       А       (13) 

где               Im - значение тока к.з. на выводах вторичной обмотки трансформатора выпрямителя:

,      А            (14)

 

Здесь          U_2ф - действующее номинальное значение фазного напряжения вторичной обмотки

                              трансформатора выпрямителя, кВ;

К_С - коэффициент, учитывающий повышение напряжения в питающей сети:   

            

Значения Ха и Ra определяются по выражениям (4), (5) где следует принять N₂=1.

,      

 Значение ударного тока одного  тиристора I_{T УД.} при этом виде к.з. определяется по выражению (11), где параметр "а" выбран из условия устойчивости тиристоров при к.з. на шинах выпрямленного напряжения (12).

 

Расчетное значение I_{T УД} не  превышает паспортного ударного тока тиристора, предварительно выбранного на основе расчета тока к.з. на шинах выпрямленного напряжения.

 

1.4. Проверка  тиристоров по току рабочего  режима.

Для принятия окончательного решения по количеству параллельно  включенных тиристоров в плече выпрямителя  необходимо убедиться в том, что такое плечо будет работать без перегрузки в длительном рабочем режиме, т.е.

,                    (15)

где           I_П - средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной нагрузке (Id ном) А,

;

                К_ПЕР - коэффициент допустимой длительной перегрузки, из задания, К_ПЕР =1,33;

                I_Tт - предельный средний прямой ток тиристора для заданных условий работы;

               К_Н - коэффициент неравномерности распределения тока по тиристорам, К_Н = 0,9.

Предельный средний прямой ток  тиристора при заданных условиях работы выпрямителя рассчитывается по выражению:

 

,              (16)

где              U_Т0 – пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии, U_Т0=1,15 В;

                   К_ф – коэффициент формы тока вентильного плеча в заданной схеме выпрямления, К_ф=1,73;

                   Z_Т – динамическое сопротивление тиристора, Z_T  = 1* 10^-3Ом;

                   T_jm – максимально допустимая температура р-n перехода, T_jm=125⁰;

                   Та – температура охлаждающего воздуха, Та=35⁰С

                   R – сопротивление стоку тепла от р-n перехода в охлаждающую среду для выбранного        

                         тиристора и соответствующего типа охладителя, (тип охладителя ОА-26):

,     

где составляющие R являются паспортными параметрами отдельных участков стока тепла, от полупроводниковой структуры в охлаждающую среду /1, приложение 2/:

Тогда:

 

 

Из значений, полученных исходя из условий (12), (15) выбираем наибольшее, при котором исключаются недопустимые перегрузки тиристоров по току во всех режимах работы выпрямителя и структура вентилей не достигнет предельной температуры при заданных условиях охлаждения. Принимаем “a”= 5.

 

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО

ВКЛЮЧЕННЫХ ТИРИСТОРОВ.

 

Количество тиристоров в последовательной цепочке должно быть таково, чтобы  при заданном рабочем напряжении сети с учетом возможных отклонений, коммутационных и неповторяющихся  перенапряжений, максимальное обратное напряжение на любом тиристоре выпрямителя не превышало бы соответствующего паспортного параметра тиристора. Число последовательно соединенных тиристоров в вентильном плече определяется по выражению:

,                  (17)

где        U_пл.мах – максимальное значение обратного напряжения, воздействующего на вентильное      

                             плечо в заданной схеме выпрямителя  с учетом бросков и колебаний  напряжения в         

                             сети, В

               U_{Т повт} – паспортное значение допустимого обратного напряжения на тиристоре,

                             U_{Т повт} = 2000В.

               К_HU – коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристором, К_HU = 0,8.

Величина U_{пл. мах} определяется с учетом коммутационных перенапряжений:

,              (18)

где           U_{в мах} – максимум обратного напряжения в заданной схеме выпрямителя при                   

                              номинальном напряжении сети, U_bmax = 1,05U_d = 4200 B;

                 kγ  –      коэффициент, показывающий отношение величины коммутационного      

                               перенапряжения к максимальному  обратному напряжению, kγ = 1,6;

                 К_с – колебание напряжения в сети, К_с = 7%

            

Тогда:

Принимаем .

Количество последовательно включенных тиристоров, определенное на основе повторяющихся  бросков перенапряжения должно быть проверено по условию воздействия неповторяющихся бросков перенапряжения.

где      Ud_ном -   номинальное выпрямленное напряжение,4000 В

 

           k_UН   –   коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения, k_UН = 2,45;

           К_Н. –      коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, К_Н. =0,9

          U_Тнеп – паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора, U_Тнеп=2400В.

 

 

Тогда:

                       

 

3.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВО ТИРИСТОРОВ.

 

 Количество тиристоров выбранного  типа, необходимое для комплектования  выпрямителей подстанции, соответственно  определяется:

 

 

 

 

 

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ

И КОНДЕНСАТОРОВ.

 

4.1 Равномерное распределение прямого тока в тиристорах.

При параллельном соединении тиристоров для равномерного распределения  тока необходимо выбрать их с одинаковыми  вольт – амперными характеристиками. Однако, даже с учетом этого требования, подбор не удается осуществить, т.к. с течением времени характеристики изменяются, что приводит к разбалансу токов в тиристорах плеча. Основываясь на обобщении эксплуатационных данных, можно более просто решить распределение токов по тиристорам с помощью резисторов Rс, через которые включаются в узловую точку аноды тиристоров, находящихся в одном ряду вентильного плеча. В выпрямительных агрегатах электрифицированных железных дорог сопротивление резисторов связи принимается равным 1…10 Ом. Изготавливают резисторы из нихромовой  проволоки диаметром 0,6…1,0мм.

 

4.2. Равномерное распределение  обратного напряжения.

Как при параллельном, так и последовательном соединении тиристоров требуется применение дополнительных средств выравнивания прямых и обратных напряжений на закрытых тиристорах. Подбор тиристоров по вольт – амперным характеристикам не может обеспечить равномерного распределения напряжения по цепочке последовательно соединенных тиристоров. Одним из наиболее распространенных способов выравнивания напряжения на закрытых последовательно соединенных тиристорах является шунтирование их активными сопротивлениями. Сопротивление шунтирующего резистора определяется по формуле:

где        в       –   число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече;

            U_{Т повт} – паспортное значение допустимого повторяющегося обратного напряжения на       

                            тиристоре, В;

            U_{пл. мах} – наибольшее обратное напряжение, воздействующее на тиристорное плечо в заданном     

                       преобразователе, В;

            I_об –    повторяющийся обратный ток в закрытом тиристоре (паспортный параметр), мА;

 

Мощность шунтирующего резистора  определяется по выражению:       

 где         К_а – коэффициент амплитуды,  К_а =0,4…0,5.

Для исключения возможности попадания  бросков перенапряжения на закрытые тиристоры дополнительно, в параллель  шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующие цепочки  R_д,C_д.  Значение емкости определяется по формуле:

где         ω – угловая частота,  ω=314    1/с;

               k – коэффициент неравномерности распределения напряжения, k=0,9;

            U_{Т повт}, I_об – паспортные параметры тиристоров, соответственно В, мА.

Исходя из опыта проектирования и эксплуатации полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций, параметры демпфирующей цепочки рекомендуется выбирать в пределах  R_д = 20…40 Ом, С_д = 0,25…2 мкФ.

  Мощность резистора демпфирующего  устройства выбирается в пределах Р_д=10…15Вт

      Принимаем: R_д=20 Ом, Р_д= 15Вт.

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение

 

5. ОФОРМЛЕНИЕ  ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ.

 

В соответствии с заданием в курсовой работе надлежит построить временные  диаграммы: очерёдности подачи управляющих  импульсов; отображения открытого  состояния тиристорных плеч; формирования обратного напряжения на закрытом тиристорном плече; развития (изменения) тока к.з. до его ликвидации. При построении анализируемые диаграммы будем располагать одну под другой по вертикали в системе одновременного отсчета времени по горизонтали от J = 0 до

J =360 эл. град. Все указанные временные диаграммы связаны с системой напряжений на вторичной обмотке трансформатора выпрямителя. Поэтому диаграммы будем строить под волновой диаграммой фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора выпрямителя с обозначением (по вертикали) временной связи изменения анализируемых кривых с кривыми фазных напряжений.

Также требуется вычертить принципиальную схему тиристорного плеча с обозначением всех элементов. Она представлена на рисунке 3.

 

 

 

Рис. 3. Схема тиристорного плеча.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ  ЗАДАНИЕ. 

 

Целью индивидуального  задания является расчет и построение с помощью ПК спектра гармоник кривой сетевого тока заданной схемы выпрямления.

Расчеты и построения выполняли с помощью программы Microsoft Excel 2007, точность расчета которой достаточно для выполнения данного задания.

 

Порядок выполнения работы:

 

1. Определяем номера гармоник спектра кривой сетевого тока по формуле:

 

,

где: k – целые положительные числа (1,2, 3….)

р – пульсность. р = 6.

 

Получили номера гармоник: 1, 5, 7, 11, 13, 17, 19.

 

2. Определяем амплитуду n – го ряда Фурье кривой тока по формуле:

 

, А

где: - количество фаз, =3

- номинальный ток,  =1800А.

- временной угол.

 

3. По полученным данным с помощью программы Microsoft Excel 2007 строим гармоники кривой сетевого тока. По оси Х откладываем угол в радианах с шагом 0,00002 для наиболее точного построения. По оси Y делаем расчет амплитуд гармоник на каждом промежутке времени с помощью формулы:

 

,

где: - фаза колебания.

 

4. Для получения кривой тока суммируем полученные значения  спектра амплитуд кривой тока. Строим кривую сетевого тока. (Рис. 6.)
5. Определяем частоту гармоник сетевого тока по их номерам гармоник.
6. По полученным значениям амплитуд кривой сетевого тока и частотам их гармоник строим спектр кривой сетевого тока. (Рис. 7.)

 

 

 

 

Рис. 6. Сложение гармонических колебаний  тока.

 

 

 

Рис. 7. Спектр гармоник кривой сетевого тока.