Расчет УВ-Д

1. Выбор основных элементов управляемого выпрямителя для системы УВ–Д

 

Основными элементами силовой  схемы системы УВД (рисунок 1) являются управляемый выпрямитель для питания якорной цепи и двигатель. Для обеспечения соответствия выпрямленного напряжения U_d выпрямителя и номинального напряжения U_н двигателя служит согласующий (вентильный) трансформатор ТV. С целью уменьшения пульсаций выпрямленного тока в якорную цепь включают сглаживающий дроссель L.

Управление электроприводом осуществляется посредством изменения величины среднего выпрямленного напряжения U_d преобразователя. Для электроприводов с максимальным быстродействием применяется реверс тока в якорной цепи, осуществляемым с помощью управляемого выпрямителя с двумя вентильными группами, каждая из которых обеспечивает возможность протекания тока только в одном направлении. Наиболее часто применяется схема со встречно-параллельным включением вентильных групп, питающихся от одной вторичной обмотки трансформатора или непосредственно от сети.

 

 

 

 

Управление вентильными группами VS1–VS6 и VS7–VS12 осуществляется одним из двух основных способов: совместным или раздельным.

Для уменьшения величины индуктивности  уравнительных дросселей применяют совместное несогласованное управление, при котором среднее значение э.д.с. инверторной группы превышает э.д.с. выпрямительной группы.

С целью полного устранения уравнительных токов (и уравнительных дросселей) применяют раздельное управление вентильными группами. При этом способе отпирающие сигналы подаются только на вентильную группу, которая должна обеспечивать необходимый режим работы электропривода. Сигналы управления на вторую вентильную группу в это время не поступают (заблокированы). Блокирование сигналов управления осуществляется логическим переключающим устройством (ЛПУ) при снижении тока нагрузки вентильной группы до нуля.

Регулирование величины и знака среднего выпрямленного  напряжения U_d выпрямителя осуществляется изменением угла α регулирования (отпирания) тиристоров вентильных групп в зависимости от величины сигнала управления U_y подаваемого на вход системы импульсно–фазового управления (СИФУ) вентильной группы. В соответствии с конструкцией и принципом построения СИФУ, обладающих большим разнообразием, характеристика «вход-выход» преобразователя, устанавливающая связь среднего значения выпрямленного напряжения U_d преобразователя с напряжением управления U_y, может быть линейной (при арккосинусоидальной характеристике СИФУ). В первом приближении обычно считают U_d=K_пU_y. Максимальное значение напряжения УВ в выпрямительном и инверторном режимах обычно ограничено предельными углами регулированием α_min и α_max из условий устранения опрокидывания инвертора и ограничения тока при переводе электропривода в режим рекуперативного торможения. Величины этих углов примерно равны: α_min=10–20°эл., α_max=160–170°эл.

 

 

 

 

1.1. Основные расчетные параметры управляемого выпрямителя

 

Для двухдвигательного  электропривода с последовательным соединением якорей машин выбрать основные элементы силового электрооборудования, построить регулировочную характеристику преобразователя и электромеханические характеристики двигателя в системе УВ–Д. Тиристорный преобразователь выполнен по трехфазной мостовой схеме.

Технические данные электродвигателей: тип ДЭ–812; Р_н=100 кВт; I_н=360 А; U_н=305 В; п_н=750 об/мин; r_я=0,023 Ом; 2р_п=4; J_дв=7,0 кгм². Напряжение питающей сети 6 кВ.

 

Исходными данными для  расчета преобразователя являются: средние значения выпрямленного тока I_d и напряжения U_d, а также напряжение питающей сети. Работу вентилей выпрямителя и согласующего трансформатора характеризуют следующие основные величины:

а) среднее I_d, действующее I_dд и максимальное I_dтах значения тока вентиля при номинальной нагрузке и возможных допустимых перегрузках преобразователя;

б) максимальное значение прямого напряжения U_пр.тах на вентиле;

в) максимальное значение обратного напряжения U_{обр.тах} на вентиле;

г) действующие значения тока I₂ и напряжения и U_2ф вторичной обмотки трансформатора;

д) действующее значение тока I₁ первичной обмотки трансформатора;

е) расчетные мощности первичной S₁ и вторичной S₂ обмоток, а также расчетная (типовая) мощность S_тр трансформатора.

Соотношения при угле регулирования преобразователя α=0 для наиболее часто встречающихся схем выпрямления приведены в [Лекции по СПТ]. Там же даны соотношения между средним за период током I_в через вентиль, действующим значением I_в.э. тока вентиля и приведены соотношения между типовой мощностью S_тр, трансформатора и мощностью на стороне выпрямленного тока P_d=U_do·I_d.

Эти соотношеня используются при выборе элементов силовой части преобразователя.

 

1.2. Выбор силового трансформатора

 

1. Типовая мощность трансформатора может быть определена по выражению:

,                                        (1.1)

 

где K_S=S_тр/P_d – коэффициент, характеризующий отношение мощностей S_тр/ P_d в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления;

К_с=1,1–1,3 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения питающей сети;

К_i=1,05–1,1 – коэффициент, учитывающий отклонение формы анодного тока от прямоугольной;

K_R=1,05–1,1 – коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в вентилях, обмотках трансформатора и дросселей (реакторов) и за счет коммутационных процессов.

Мощность трансформатора при U_d=2U_н и I_d=I_н (последовательное соединение якорных цепей электродвигателей) в соответствии с (1.1) равна:

 

S_mp=K_sK_cK_iK_RU_dI_d·10^-3=1,05·1,15·1,05·1,1·610·360·10^-3=306 кВА.

 

2. Необходимое фазное напряжение вторичной обмотки согласующего трансформатора:

,                                           (1.2)

где – коэффициент, характеризующий отношение напряжений в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления. Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора .

Расчетное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора согласно (1.2):

 

.

 

 

Линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора:

 

.

 

Действующее значение тока вторичной  обмотки трансформатора:

 

 А ,                          (1.3)

где – коэффициент, характеризующий отношение токов I₂/I_d в идеальном выпрямителе и зависящий от схемы выпрямления.

3. По полученным данным из [1] выбирается трансформатор при выполнении условий S_н≥S_тр; I_2н≥I_н и определяются параметры силовой цепи с учетом технических данных трансформатора.

По полученным значениям S_mp и U_2л выбираем трансформатор типа ТСЗП–400/10УЗ (Y/Y) со следующими данными:

 

S_н=402 кВА; U_2л=569 В; Р_хх=1600 Вт; Р_кз=5200 Вт; U_к=5,8%; U_1л=6 кВ.

 

4. Номинальные значения фазного напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора:

U_2фн=U_2л/

=596/1,73=329 В;

.

 

5. Номинальный ток первичной обмотки трансформатора:

 

.

 

6. Активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные к вторичной обмотке, определяются по формулам:

 

 ,                       (1.4)

где К_тp≈U_1л/U_2л – коэффициент трансформации; ΔР_к.з.– потери короткого замыкания; I_1н, U_1ф – номинальные ток и напряжение фазы первичной обмотки трансформатора; и_к% – напряжение короткого замыкания.

Активное и индуктивное  сопротивления трансформатора, приведенные к вторичной обмотке, согласно (1.4):

 

;

 

.

 

7. Активное сопротивление сглаживающего дросселя предварительно может быть принято равным:

,                                                 (1.5)

где т_тр – число фаз трансформатора.

Активное сопротивление  сглаживающего дросселя принимаем  ориентировочно равным:

 

.

 

Эквивалентное активное сопротивление преобразователя  может быть определено по выражению:

R_n=r_mp+ r_др+r_к,                                                 (1.6)

где r_к=тх_тр/2π – эквивалентное активное сопротивление, учитывающее снижение выпрямленного напряжения из-за коммутационного процесса в преобразователе.

8. Эквивалентное сопротивление преобразователя согласно (1.6):

 

.

Имеющиеся теперь данные позволяют проверить выбранный  трансформатор по условиям обеспечения необходимой величины напряжения вторичной обмотки трансформатора. Для этого необходимо найти среднее значение напряжения преобразователя при номинальном токе нагрузки I_dн :

.

С учетом возможного падения  напряжения сети U_c на 5% и ограничения минимального угла регулирования α_min, преобразователя должны выполняться условия:

 .                                 (1.7)

9. Максимальное значение выпрямленного напряжения (при α=0):

 

 U_do=k_uU_2фн=2,34·329=769 В.

 

10. Напряжение преобразователя при минимальном значении угла регулирования α_min=20°:

U_do·cos α_min=769·0,94=722 В.

 

11. Напряжение преобразователя при номинальной нагрузке:

 

.

 

12.Напряжение преобразователя при α=α_min и падении напряжения сети на 5%:

.

 

Таким образом, выполняется  условие (1.7), т.е. U"_d>U'_d и выбранный трансформатор обеспечивает необходимые режимы работы электропривода.

 

1.3. Выбор тиристоров

Для выбора тиристоров необходимо определить среднее значение тока, протекающего через вентиль при максимальном (пусковом) токе I_dn нагрузки и максимальное обратное напряжение на вентиле:

 

 ,                                            (1.8)

где – коэффициент, характеризующий отношение токов I_в/I_d в идеальном выпрямителе и зависящий от схем выпрямления:

 

U_обр=K_обрU_do ,                                          (1.9)

где – коэффициент, характеризующий соотношение между U_bmax и U_do в зависимости от схемы выпрямления.

Найденные значения тока и напряжения используются для выбора вентилей преобразователя. При этом должны выполняться следующие условия:

• средний ток через вентиль I_в.ср не должен превышать предельного тока I_п выбираемого вентиля при соответствующей температуре его корпуса или типе охладителя и заданных условий охлаждения, т.е.

 

I_в.ср≤I_п.                                                 (1.10)

• максимальное обратное напряжение на вентиле не должно превышать рекомендуемого рабочего напряжения U_p, величина которого определяется классом вентиля по напряжению, т.е.

 

U_обp≤U_p .                                                   (1.11)

 

13. Среднее значение выпрямленного тока через вентиль при пуске электропривода согласно (1.8):

 

А.

 

14. Максимальное обратное напряжение на вентиле согласно (1.9):

 

U_обр=K_обрU_do=1,05·541=568 В.

 

Следовательно, необходимо применение тиристоров с предельным током I_п>I_в.ср=237А и рекомендуемым рабочим напряжением U_р>U_обр=807,4 В. Принимаем к установке тиристоры [2]  типа ТБ 250 в каждом плече моста 6-го класса. Ударный ток тиристора I_уд=5,5 кА.

Для охлаждения тиристоров выбираем охладители марки О143–150, которые при принудительном воздушном охлаждении (скорость воздуха 6 м/с) позволяют нагружать тиристоры током до 290 А. При номинальной нагрузке двигателя через приборы проходит ток , что меньше допустимого значения тока (290 А) для данных условий охлаждения.

 

1.4. Выбор сглаживающего дросселя

 

Индуктивность сглаживающего  дросселя, включаемого последовательно с якорной обмоткой двигателя, выбирается из условий обеспечения непрерывного тока двигателя в заданном диапазоне нагрузок (от I_dmin до I_dmах) и ограничения пульсаций мгновенного значения выпрямленного тока до 3–5% от I_dн. Кроме того, сглаживающий дроссель должен обеспечивать ограничение тока через вентили при коротком замыкании на стороне постоянного тока.