Расчет параметров и характеристик однофазного управляемого несимметричного мостового выпрямителя

На рис.1 условно  показано, что каждое плечо выпрямительного  моста содержит один тиристор или  диод. На практике не всегда удается  подобрать такие вентили, чтобы  они поодиночке выдерживали те токи и обратные напряжения, которые сопровождают работу выпрямителя. Это также относится  к выпрямителям подвижного состава  железных дорог, где токи и напряжения достигают значительных величин. Поэтому  плечи выпрямителя могут содержать  последовательно и параллельно  включенные вентили.

Число последовательно  соединенных вентилей выбирается так, чтобы даже при выходе из строя (при  пробое) одного из них, оставшиеся вентили  плеча обеспечивали нормальную работу выпрямителя.

 

 

где К_пов = 1,16 – коэффициент, учитывающий возможное повышение напряжения в контактной сети (по Правилам технической эксплуатации ж.д. оно не должно превышать 29 кВ);

U_п – повторяющееся предельно допустимое напряжение вентиля, которое приводится в паспортных данных вентиля и равно классу вентиля, умноженному на 100 (см. приложение 1).

Полученное по формуле (23) значение округляется до ближайшего большего целого числа с  целью повышения надежности выпрямителя. Количество параллельно соединенных  ветвей диодов в плече моста определяется из условий обеспечения допустимых среднего и действующего значений тока вентиля /1/.

 

 

 

 

где I_п – максимально допустимый ток вентиля, называемый предельным током (см. паспортные данные в приложении 2);

I_Дm – максимально допустимый действующий ток вентиля (см. приложение 2);

К_пер   = 1,6 – коэффициент, учитывающий возможную перегрузку вентиля (для электроподвижного состава пусковой ток может превышать номинальный ток в 1.6 раза).

К_нер = 0,85 – коэффициент, учитывающий возможную неравномерность деления тока в параллельных ветвях плеча выпрямителя, связанное с отличием характеристик вентилей.

Из найденных  по формулам (24) и (25) значений выбирается большее и округляется до ближайшего большего целого числа.

Если в распоряжении проектировщика имеется несколько  типов вентилей, то необходимо выполнить  экономический расчет, для того чтобы  принять наиболее экономичное техническое  решение.

Такая возможность  предусмотрена и в курсовом проекте. Студенту предложено спроектировать наиболее экономичный управляемый выпрямитель  из диодов типов: ДЛ161-200 8,9 и 10 классов  и ДЛ171-320 тех же классов; тиристоров типа ТЛ171-250 8,9 и 10 классов и ТЛ171-320 тех же классов.

Стоимостные характеристики указанных вентилей в условных единицах представлены в приложении 1. По возможности  следует рассматривать реально  действующие цены в данное время  в рублях.

Расчетные данные относительной стоимости комплекта  плеча выпрямителя удобно сгруппировать  в табл.4.

Наименьшая  стоимость комплекта определит  выбор типа и класса вентилей в  диодном и тиристорном плечах выпрямителя. Развернутая схема показана на рис.8.

 

6.5.2 Количество параллельно включенных  вентилей в плече выпрямителя

ДЛ 161-200 10 класс

 

 

 

 

ДЛ 161-200 10 класс: Стоимость 1.15 у.е;

Un=1000

In=200

 

Idm=320

 ∆Uвm=1.45

 

 

 

 

Стоимость комплекта из 20 вентилей 23у.е

ТЛ 171-320 10 класс

Un=1000

In=320

Idm=500

 ∆Uвm=1.62

 

 

 

 

 

 

ДЛ 161-200 8 класс

 

 

 

 

 

ДЛ 16-200 9 класс

 

 

 

ДЛ 171-320 8 класс

 

 

 

 

9 класс

 

 

 

 

 

10 класс

 

 

 

ТЛ 171-250 8 класс

 

 

 

 

9 класс

 

 

 

10 класс

 

 

 

ТЛ 171-320 8 класс

 

 

 

 

9 класс

 

 

 

    Таблица 7 - Технические и стоимостные характеристики плеча выпрямителя.

 

Плечо	Тип вентиля	Класс	Стоимость вентиля	nпосл	nпар	Стоимость комплекта
1	2	3	4	5	6	7
Диодное	ДЛ161-200	8	1	4	5
		9	1,08	4	5
		10	1,15	5	5	23
	ДЛ171-320	8	1,47	4	3
		9	1,61	4	3
		10	1,75	4	3
Тиристорное	ТЛ171-250	8	2	4	4
		9	2,19	4	4
		10	2,38	4	4
	ТЛ171-320	8	2,32	4	3
		9	2,54	4	3
		10	2,77	4	3

 

6.6 Индуктивность цепи  выпрямленного тока

Ld при Id=Idн

Ld=0.0045

 

 

 

6.7.1 Мощность трансформатора

Sт при Id=Idн;

Sт=U₁*I_1H;

U₁=25000В

I_1H=400.03

Sт=10000750

 

2.6 Мощность  и энергетические показатели  выпрямителя

 

Как показано в /1/, типовая (расчетная) мощность трансформатора, на основании которой выбирают трансформатор, равна:

 

                                             S _T = U ₁ I _1н ,                                                 (26)

 

где U₁ = 25000В – напряжение первичной обмотки трансформатора;

 

 

I_1н     - действующее значение номинального тока в первичной обмотке

трансформатора (20) для I_d= I_dн и α=γ₁ (см. табл.3).

Активная мощность, которая реализуется нагрузкой (на    выходе выпрямителя):

 

                            

Коэффициент  полезного действия выпрямителя  в первом              приближении определяется как

 

 

где ΔР – потери мощности в вентилях выпрямительной установки.

Потери мощности в вентилях ΔР складываются из потерь в диодных и

тиристорных плечах. Потерю мощности в любом плече  ΔР_пл можно определить как:

 

 

 

где ΔU_в –падение напряжения на вентиле;

I_в - ток, проходящий через вентиль;

n_пар – количество параллельно включенных вентилей в плече;

n_посл – количество последовательно включенных вентилей в плече.

Предположим, что  во всех параллельных ветвях плеча (см. рис.8) токи одинаковы. Тогда

 

 

Падение напряжения на вентиле ΔU_вm задается в паспортных данных при предельном токе I_п (см. приложение 2).

Тогда при конкретном токе с учетом (30):

 

Подставив (30) и (31) в (29), получим:

 

Суммарные потери мощности во всех плечах выпрямителя  можно выразить:

 

      ,(33)

 

где ΔU_вmД – падение напряжения на диоде при предельном токе I_п (см. приложение 1);

ΔU_вmVS - то же на тиристоре;

n_послVD – число последовательно включенных диодов в плече (см. таблицу 4);

n_послVS – то же тиристоров;

 

 

n_парVD – число параллельных ветвей диодов в плече;

n_парVS – то же тиристоров.

Коэффициентом мощности электроустановки, в том числе  и выпрямителя, называют отношение  активной мощности, реализуемой в  той установке, к полной мощности, которую установка потребляет из сети. С учетом (24) и (25):

 

 

6.7.2 Коэффициент полезного  действия выпрямителя

 

 

 

=400А

Для диода: ДЛ 171-320; ТЛ 171-320

Un=1000

 In=200

Idm=320

 ∆Uвm=1.45

 

 

 

 

 

 

Подставив в (13) и (20) в (32), учитывая также (14) и (15), получим:

 

 

 

Для расчета зависимости  коэффициента мощности от угла регулирования  = f(α) необходимо сначала задаться выпрямленным током I_d, для которого эта зависимость будет определяться. По формуле (8) определить γ₁. Затем задаться рядом значений: α=γ₁, 30, 60, 90, 120, 150 π-γ₁ в эл.град и для каждого из них по формуле (9) рассчитать значение γ₂ (или воспользоваться результатами ранее проведенных расчетов).Далее в соответствии с выражением (35) для каждого из значений α вычислить значение коэффициента мощности . Результаты удобно свести в таблице 5, имея в виду, что начальные и конечные значения интервала регулирования α_min=γ₁ и α_max=π-γ₁ будут иметь разные числовые значения для разных токов I_d.

Там, где  окажется γ₁>30 и 180-γ₁<150 эл.град, клетки таблица 5 для α=30 эл.гр оставить пустыми.

 

6.7.3 Коэффициент мощности  выпрямителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 8 - Расчетные значения коэффициента мощности.

 

Id=0.5 Idн, A	α, эл.гр	14,09	30	60	90	120	150	160,02
	y2, эл.гр	5,8	3,27	1,96	1,7	2	3,64	13,27
		0,1043	0,1184	0,1055	0,0800	0,0472	0,0146	0,0014
Id= Idн,А	α, эл.гр	19,98	30	60	90	120	150	160,02
	y2, эл.гр	8,4	6,29	3,9	3,44	4,05	7,82	18,83
		0,1182	0,1167	0,1032	0,0772	0,044	0,0105	0

 

Id= 1,5Idн,А	α, эл.гр	24,52	30	60	90	120	150	160,02
	y2, эл.гр	10,41	9,1	5,79	5,16	6,16	12,94	23,57
		0,1160	0,115	0,101	0,0746	0,0409	0,0065	0,0004

6.9.2 Напряжение управления

 при 

 

 

 

 

 

6.9.3 Продолжительность  импульса управления

 

t_н при I_d=I_dн, I_L = 1A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

\3 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

Так как проектируемый  выпрямитель предназначен для регулирования  скорости электроподвижного состава, машинист должен иметь возможность  из кабины управления изменять угол регулирования  α, т.е. изменять во времени момент включения тиристоров VS₁ и VS₂. Как известно, тиристоры отпираются при подаче на их управляющие электроды напряжения, например, в виде импульса. Управляющий импульс должен иметь нужные параметры, чтобы надежно отпирать тиристор (амплитуду тока, продолжительность, крутизну переднего фронта). Чтобы обеспечить эти параметры необходимо устройство, называемое формирователем импульсов – Ф.

Поскольку управляющие  импульсы должны подаваться на управляющие  электроды тиристоров плеч VS1 и VS2 в разные полупериоды (см. рис.2), то нужно либо иметь по одному блоку Ф для каждoго плеча, либо при одном блоке сделать так, чтобы импульсы управления достигали нужного тиристорного плеча выпрямителя только в нужный полупериод.

Так как тиристорные  плечи VS1 и VS2 могут состоять из определенного числа последовательно и параллельно включенных вентилей (см. рис.9), блок Ф должен   иметь   значительную   мощность,   чтобы   обеспечить   все   вентили импульсами с нужными для надежного отпирания параметрами. Если же блок Ф имеет ограниченную мощность, то между ним и тиристорами обязателен выходной усилитель – ВУ.

 

 

a)

 

б)

 

а) диодное; б) тиристорное.

 

Рисунок 5 -  Плечо моста выпрямителя с защитными элементами

 

Так как тиристоры, в том числе и их управляющие  электроды, могут находиться под  высоким и опасным для человека напряжением, что свойственно электроподвижному  составу, необходимо отделить высокое  напряжение силовых цепей от цепей  управления (осуществить электрическую  развязку). Поэтому последним звеном между системой управления выпрямителем и управляющими электродами тиристоров являются импульсные трансформаторы ИТ.

Структурная схема  одного из возможных вариантов системы  управления выпрямителем показана на рис.10 /1/.

 

Здесь ДВП –  двухполупериодный выпрямитель, связанный  со специальной низковольтной обмоткой трансформатора, питающегося от контактной сети, необходим для синхронизации  процессов в силовой цепи и  цепях управления. ДВП управляет  генератором пилообразного напряжения ГПН, где острие зубца, как это  показано на рис.11, совпадает с концом одного и началом другого полупериода  питающего напряжения.