У нас на сайте представлено огромное количество информации, которая сможет помочь Вам в написании необходимой учебной работы. 

Но если вдруг:

Вам нужна качественная учебная работа (контрольная, реферат, курсовая, дипломная, отчет по практике, перевод, эссе, РГР, ВКР, диссертация, шпоры...) с проверкой на плагиат (с высоким % оригинальности) выполненная в самые короткие сроки, с гарантией и бесплатными доработками до самой сдачи/защиты - ОБРАЩАЙТЕСЬ!

 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ФГОУ ВПО КГТУ)

 КУРСОВАЯ   РАБОТА

по дисциплине "СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА "

для студентов специальности  180407   " Эксплуатация  судового    электрооборудования  и   средств    автоматики "

2015 г.

                                                       ВВЕДЕНИЕ

     В  последние  годы  на  рыбопромысловых и транспортных  судах, плавучих буровых  установках  и  паромах для  управления   судовыми    механизмами  и  системами   широкое   применение   получили    полупроводниковые  преобразователи  электрической  энергии. В  зависимости  от  вида  параметров    на  входе  и  выходе  (род  тока,  величина  напряжения  и  частоты)  преобразовательные  установки  классифицируются  на следующие  группы:

-         выпрямители,

-         преобразователи  частоты  с  промежуточным  звеном  выпрямления,

-         непосредственные  преобразователи  частоты.

   В  настоящее  время  практически  все  электроэнергетические системы  судов  (СЭЭС) проектируются  на  переменном  токе.  Однако  в  то  же время  имеется

ряд  потребителей  электрической  энергии,  питание   которых  необходимо

осуществлять  от  источника  постоянного  тока.   К   ним  относятся  системы

возбуждения  электрических машин,  зарядки аккумуляторов, катодной защиты

судна,  сварочные  агрегаты,  а также  электроприводы  (траловые  и  буксирные  лебедки, грузоподъемные механизмы  и другие),  в которых  требуется  плавное  регулирование частоты  вращения в широком диапазоне. Поэтому  наибольшее

применение  на  судах  получили  выпрямительные  установки.   К  важнейшим

показателям,   определяющим   их   эксплуатационные   свойства  и   область

применения  относятся:

-         среднее  значение  и  величина  пульсаций  выпрямленного  напряжения;

-         мощность  силового  трансформатора  или  коммутационного

дросселя;

-         величина  высших  гармоник  в  цепи  переменного  тока  и

коэффициент  мощности.         

   Характеристики  выпрямительных устройств существенным  образом  зависят

  от  схем  выпрямления.  Самые  простые  из  них  однофазные  и  трехфазные

нулевые  обладают  низкими  технико-экономическими  показателями  и  имеют  ограниченное   применение  в установках  малой  мощности  (система  катодной

защиты  судна, самовозбуждение  генераторов). Широкое применение на  судах

получили  трехфазные  мостовые  и  многофазные  схемы.  По  сравнению  с

однофазными  и  трехфазными  нулевыми  эти  схемы  имеют ряд преимуществ,

из которых основными являются меньшие величины пульсаций выпрямленного

напряжения  и  тока, лучшее  использование  трансформаторов и  симметричная

загрузка  фаз  питающей  сети.

  Все  рассмотренные  схемы  отличаются  значительным  содержанием высших  гармоник  в  потребляемом  из  судовой  сети  токе.  Снижение  их  величины

достигается  применением   многофазных  и,  в  частности,   двенадцатифазных

эквивалентных  схем.  Двенадцатифазный  режим  получается  в   схемах  с

трансформаторами,  имеющими  две  вторичные  обмотки,  каждая  из  которых питает  свой  выпрямительный  мост. В судовых условиях  трехфазные  мосты  включаются   параллельно через   уравнительный  реактор.   Большинство 

потребителей   электрической   энергии   чувствительны   к      пульсациям выпрямленного  тока   поэтому   возникает  необходимость  дополнительного

включения  в  силовой  цепи   нагрузки   сглаживающего  дросселя.

         Преобразователи  частоты  в  основном  применяются  в   регулируемых

электроприводах   с  асинхронными   и   синхронными  двигателями,     в  том   числе  в  гребных  электрических  установках  (ГЭУ); системах стабилизации   напряжения  и    частоты  валогенераторов.

   Применение на судах силовой  преобразовательной  техники (СПТ) позволило

существенно  улучшить  технико-экономические  показатели  электроприводов,

механизмов  и  систем.  В  то  же  время  их  работа  в  условиях  соизмеримости

мощностей  СЭЭС  и  потребителей  электроэнергии  имеет ряд  специфических

особенностей.   Во-первых,   при   глубоком  регулировании    выпрямленного

напряжения  происходит  значительное  уменьшение  коэффициента  мощности

установки.  Во-вторых,  в  зависимости  от  схемы  выпрямления  при  работе  преобразовательных   устройств  из  сети  потребляется  несинусоидальный  переменный  ток,  трапециидального  или  ступенчатого  вида,   и  содержащий наряду  с  первой  гармоникой  высшие  гармонические  составляющие.

                                   Порядок гармоник  определяется выражением

                                                                        n= кm ± 1,                                         

          где  к  =  1,2,3,4.5, ….

                 m- фазность  пульсаций  выпрямленного  тока  

         Относительная  величина  высших  гармонических составляющих  тока   примерно   равна      

                                                    In* = 1 / n.                

           Вследствие   этого,  при  соизмеримости  мощностей   судовой   сети  и   преобразователей  происходит  искажение  напряжения  на  шинах  ГРЩ,  а также  при  увеличении  углов  регулирования  увеличивается  потребляемая  из   сети  реактивная мощность. Кроме того, при  коммутации  вентилей  происходит  скачкообразное    изменение    напряжения,  что  отрицательно  сказывается  на работе  электроэнергетической  системы  в  целом.

    Вносимые статическими преобразователями искажения кривой напряжения

сети вызывают дополнительный нагрев генераторов, асинхронных двигателей, увеличивают их  вибрацию и  шум, а также  могут  стать  причиной нарушения

нор­мальной работы   устройств  автоматического  управления и регулирования,

некоторых  видов  радиотехнической  аппаратуры,  если  искажения  превысят

допустимую  норму. 

    Согласно Правилам морского Регистра РФ коэффициент несинусоидальности   напряжения   судовой  сети во  второй зоне  электромагнитной  совместимости

  не  должен  превышать  10 %.

    Дальнейшее  развитие  и  применение  на  судах силовой  полупроводниковой  техники  требует более глубокого   изучения   процессов,   происходящих   в   преобразователях  электрической    энергии    во   взаимодействии   со   всей  электроэнергетической   системой.  Особое  внимание  следует  уделять  вопросам проектирования  трехфазных управляемых мостовых  выпрямителей  и автономных  инверторов.  Кроме  того,  представляет  практический  интерес  методы  расчета и  выбора  основных  элементов   силовой  части.

2. ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Башарин А. В.  Примеры расчетов автоматизированного электропривода.        – Л.: Энергия, 1972. – 437 с.

2.      Комплектные тиристорные электроприводы: Справочник, под ред.

В. М. Перельмутера. – М.: Энегоатомиздат, 1988. – 319 с.

3.      Полупроводниковые выпрямители. /Под ред. Ф. И. Ковалёва и

     Г.П. Мостковой. – М.: Энергия, 1978. – 417 с.

4.      Силовая электроника: Примеры расчёта /Ф. Чаки, И. Герман, И. Ившиг и др./ Пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 382 с.

5.      Справочник по преобразовательной технике. /Под ред. Н. М. Чиженко.

      – Киев: Техника,   1978. – 447 с.

6.      Тиристоры: Справочник /О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, С. Л. Пожидаев. – М.: Радио и связь, 1990. – 272 с.

7.      Штумпф Э. П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника: Учебник. – СПб: Судостроение, 1993. – 352 с.

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТОВ

Для трёхфазной управляемой мостовой схемы выпрямления необходи­мо:

Произвести расчёт и выбор по каталогам основных элементов преобразователя (силового трансформатора, тиристоров, сглаживающего дрос­селя  и  уравнительного  реактора).

При выполнении контрольной  работы полагать:

параметры сети : напряжение UЛ = 380 В, частота f = 50 Гц;

нагрузкой явля­ется  двигатель постоянного тока с независимым  возбуждением.

  Исходные данные для решения  контрольной  работы приведены в табл. 1

                                                                                                                                                     Таблица 1

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ  РАБОТЫ

К выполнению контрольной работы следует приступать только после изуче­ния соответствующих тем.

           Расчет и выбор элементов трехфазной мостовой схемы выпрямления

Выбор силового трансформатора

Напряжение условного холостого хода тиристорного преобразователя (ТП) определяется выражением

 E'do = Udα + ΔUС.Д. + ΔUТр + ΔUк + ΔU + ΔUВ.ср. ,

где   Udα  - среднее значение выпрямленного напряжения;

ΔUС.Д. , ΔUТр – падения напряжения на активных сопротивлениях сглаживающего дросселя и силового трансформатора;

ΔUк   - коммутационное падение напряжения;

ΔU -  возможное изменение напряжения на выходе ТП, вызванное колебанием напряжения в питающей сети;

ΔUВ.ср. – среднее падение напряжения на тиристорах.

В связи с тем, что в начальной стадии расчета еще не выбраны трансформатор, тиристоры и сглаживающий дроссель, при предварительном оп­ределении составляющих данного выражения следует принимать:

1. Максимальное среднее значение выпрямленного напряжения определяется номинальным напряжением на якоре двигателя:

Udα = Uн ;  

2.  Падение напряжения на активных сопротивлениях сглаживающего дросселя и трансформатора можно определить приближенно:

                                              ΔUС.Д. ≈ (0,005 – 0,01) Udα ,

                                             ΔUТр ≈ (0,015 – 0,025) Udα ;

3.  Коммутационное падение напряжения

,

где Uк % -  напряжение короткого замыкания силового трансформатора;

А - коэффициент, определяемый схемой выпрямления (для 3х-фазной мостовой схемы А=0,5).

Напряжение на выходе ТП при условном холостом ходе с учетом коле­баний напряжения в питающей сети

 Edo = 1,1 E'do .

Необходимое напряжение на вторичной обмотке трансформатора

  ;   .

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора без учета коммутационных режимов и пульсаций:

,

где IН- номинальный ток двигателя.

Действующее значение тока первичной обмотки

I1=kтр·I2 ,

 где k тр - коэффициент трансформации.

Требуемая мощность трансформатора определяется по длительной мощ­ности преобразователя:

Ртр  = kн·Рн ,

где kH - коэффициент использования трансформатора по мощности    (для    трехфазной    мостовой    схемы     kH= 1,045 ); Pн - номинальная мощность двигателя.

По расчетной мощности, вторичному току и напряжению по каталогу выбирается силовой трансформатор.

Выбор тиристоров

При выборе тиристоров по току и напряжению следует учитывать, что тиристоры допускают кратковременные перегрузки по току (величина и продолжительность которых дается в каталогах), но не допускают даже кратковременных перенапряжений.

Средний ток через тиристор определяется выражением

IВ.ср = kзн· kтв ·Iн ,

где    k зн = 1,1-1,3 - коэффициент запаса, который вводится для повышения надежности преобразователя; 

kTВ - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для трехфазных схем kТВ=0,333),

Максимальное обратное напряжение на тиристоре

                                                  ,

где ku = (1,1 - 1,3) - коэффициент запаса.

Выбор сглаживающего дросселя

Основными расчетными параметрами сглаживающего дросселя являют­ся его номинальный ток IДР и индуктивность LДР.

При выборе дросселя по току необходимо обеспечить условие

IДР ≥ IН,

где IН -  номинальный ток двигателя.

Индуктивность сглаживающего дросселя

LДР = LЯЦ – (2LТР + LД),

где LЯЦ- индуктивность якорной цепи системы ТП-ДПТ;

Lтр- индуктивность силового трансформатора;

LД— индуктивность якоря двигателя.

Требуемая индуктивность якорной цепи рассчитывается из условия ог­раничения пульсаций тока. Обычно относительную величину эффективно­го значения пульсаций первой гармоники выпрямленного тока принимают ie=0,02,

тогда

 ,

где ω=2πfm - угловая частота пульсаций выпрямленного напряжения;

 en  - относительная величина эффективного значения  1- й  гармоники.

Индуктивность якоря двигателя

 ;   ,

где ΔPКЗ; UКЗ - мощность и напряжение короткого замыка­ния.

Регулировочная характеристика преобразователя при условном холостом ходе может быть построена по уравнению

                                                       .

Зависимость напряжения на якоре двигателя в функции угла регулиро­вания в номинальном режиме определяется выражением:

                                          Udα = Ed0·cosα – IН·RΣ ,

где  RΣ = RСД + RД + RТР + RК ,

RСД - сопротивление сглаживающего дросселя;

RД - динамическое сопротивление тиристора;

RТР - приведенное активное сопротивление фазы транс­форматора;

- коммутационное сопротивление.

                                    .

 5. ПРИМЕР РАСЧЕТА

Исходные данные для расчета: параметры силовой цепи  UЛ =380В, частота = 50Гц, возможные колебания напряжения сети ±10%;

Параметры электродвигателя постоянного тока Рн = 140кВт, Iн = 700А,    

  nН = 470 об/мин,  UН = 220В, ZР = 4, RЯ.Ц. = 0,008 Ом.

Режим работы привода длительный, время реверса и пуска не более 5секунд.

Для управления выпрямительной и инверторной группами преобразователя используется согласованное управление.

Диапазон регулирования скорости вращения при любом направлении вращения электродвигателя 50.

Нагрузочный момент на валу электродвигателя не зависит от направления вращения.

Расчет и выбор по каталогам основных элементов реверсивного

 тиристорного преобразователя (ТП)

Рис. 1. Схема реверсивного  тиристорного  преобразователя

Напряжение условного холостого хода тиристорного преобразователя находим из выражения

   E'do = Udα + ΔUС.Д. + ΔUур + ΔUТр + ΔUк + ΔU + ΔUВ.ср.

Отдельные составляющие правой части уравнения предварительно могут быть приняты следующими:

      = UН = 220 В – среднее значение выпрямленного напряжения.

Падение напряжения на активном сопротивлении сглаживающего дросселя

,         

         .

Принимаем равным 2 В.

        Среднее значение падения напряжения на тиристоре

 ,                 

 В .

Напряжение спрямления

                                        ,              

 В .

Динамическое сопротивление тиристора определяется по формуле

                                                    ,               

где UК = 1В – классификационное падение напряжения средней группы,

 .                  

Падение напряжения на активном сопротивлении силового трансформатора  рассматриваемой схемы

,

  В .

Падение напряжения на активном сопротивлении уравнительных реакторов, которые устанавливаются в системе при использовании согласованного управления выпрямительной и инверторной группами преобразователя :

                                  В .

Коммутационное падение напряжения

 В ,

где А = 0,5 – коэффициент, определяемый схемой трансформатора и преобразователя;

Uk% = 6 – напряжение короткого замыкания силового трансформатора.

Напряжение на выходе преобразователя при условном холостом ходе без учета возможных колебаний в питающей сети:

  ,        

 В .

Принимаем В .

,                            

В .

Необходимое напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора

                                    В              

В

Расчет электрических параметров силового трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора без учета коммутационных режимов и пульсаций:

                                       А                 

Действующее значение первичного тока:

                                      А                 

Мощность, выделяемая на первичной и вторичной сторонах силового трансформатора, из условия поочередной работы выпрямительной и инверторной групп:

                       кВА           

Расчетная габаритная мощность трансформатора с двумя вторичными обмотками:

                         кВА         

В качестве силового трансформатора можно использовать либо трансформатор с двумя вторичными обмотками, либо два отдельных трансформатора.

В рассматриваемом случае из-за отсутствия стандартного двухобмоточного трансформатора с мощностью, близкой к РТ, использован второй вариант, в котором применены трансформаторы ТСЗПЛ – 400/10У3 со следующими характеристиками  (таблица 3):

Таблица 3

Выбор тиристоров

Класс тиристоров может быть определен по максимальному обратному напряжению на вентиле:

                                       ,                              

В ,

где    ,                                                                     

                             В .

Следовательно, тиристоры должны быть не ниже 5-го класса (обратное напряжение не ниже 500 В).

Среднее значение тока через тиристор

 А .

Предварительно выбираем тиристор типа 2Т171 – 320 – 5 (таблица 4).

                                                                                                         Таблица 4

Допустимые величины потерь в тиристоре при условии его работы в классификационной схеме в зависимости от условий охлаждения

В ,                  

                              Ом .                 

Величина потерь в тиристоре рассматриваемой установки

Вт .

Необходимо также учесть, что в период пуска вентиль должен пропускать двукратный номинальный ток, равный пусковому току двигателя:

А .

Расчет индуктивности сглаживающего дросселя

Индуктивность сглаживающего дросселя

     .                            

Индуктивность, а так же активное, индуктивное и полное сопротивления силового трансформатора можно определить из выражений:

Ом ,     

где UНН – напряжение вентильной обмотки ,

                               А ,                   

                            Ом ,                           

Ом ,        

                               Гн .                    

Тогда индуктивность сглаживающего дросселя

                              ,                      

    Гн ,  

где еn = 0.24;  ie = 0.02;   m = 6 .   

В качестве сглаживающего реактора можно использовать дроссель типа ФРОС – 250/0,5 УЗ  (таблица 5).

                                                                                                  Таблица 5

Расчет необходимой индуктивности уравнительного реактора

Величина требуемой индуктивности уравнительного реактора при использовании согласованного управления выпрямительной и инверторной группами преобразователя

                                         .               

Если принять величину допустимого уравнительного тока равной

                      А , то  следовательно ,

                 в соответствии с рекомендацией  [1]

                      Гн   

В рассматриваемой схеме целесообразно использовать два насыщающихся уравнительных реактора с индуктивностями 2,3 Гн. Индуктивность каждого из этих реакторов должна сохраняться неизменной до тока

. В качестве дросселей выбираем реактор типа ФРОС – 250/0,5 УЗ, характеристики которого приведены в таблице 6.

 Регулировочные и внешние характеристики для выпрямительного    режима работы реверсивного преобразователя

1.     Регулировочные характеристики.

Регулировочная характеристика преобразователя при условном холостом ходе может быть построена с учетом выбранных элементов и их параметров по уравнению

                                  .                                

Зависимость напряжения на якоре электродвигателя в функции угла регулирования при неизменном моменте на валу ( равен номинальному ) может быть определена из уравнения

                                     ,                                   

где   - суммарное активное сопротивление якорной цепи системы ТП – Д ;                                                         

RС.Д = 4,7·10-3 Ом – сопротивление сглаживающего дросселя ;

RД = 1,07·10-3 Ом – динамическое сопротивление тиристора ;

RТР = 2,09·10-3 Ом – приведенное активное сопротивление обмотки трансформатора ;

  Ом  коммутационное сопротивление ;         

  Ом;

.

     Регулировочные  характеристики  зависимости  выпрямленного  напряжения на  якоре  двигателя  в  функции  угла  регулирования  без  нагрузки  и  при постоянном  моменте  на  валу  представлены на рис.3.

Регулировочные и внешние характеристики для выпрямительного    режима работы реверсивного преобразователя

1.     Регулировочные характеристики.

Регулировочная характеристика преобразователя при условном холостом ходе может быть построена с учетом выбранных элементов и их параметров по уравнению

                                  .                                

Зависимость напряжения на якоре электродвигателя в функции угла регулирования при неизменном моменте на валу ( равен номинальному ) может быть определена из уравнения

                                     ,                                   

где   - суммарное активное сопротивление якорной цепи системы ТП – Д ;                                                        

RС.Д = 4,7·10-3 Ом – сопротивление сглаживающего дросселя ;

RД = 1,07·10-3 Ом – динамическое сопротивление тиристора ;

RТР = 2,09·10-3 Ом – приведенное активное сопротивление обмотки трансформатора ;

  Ом  коммутационное сопротивление ;         

  Ом;

.

     Регулировочные  характеристики  зависимости  выпрямленного  напряжения на  якоре  двигателя  в  функции  угла  регулирования  без  нагрузки  и  при постоянном  моменте  на  валу  представлены на рис.3.

Рис. 3. Регулировочные  характеристики  управляемого  выпрямителя

Начальный угол управления преобразователем, определенный графически составляет αНАЧ = 40 эл. град.

Начальный угол регулирования можно также определить из уравнения:

             эл.град         

2.  Внешние характеристики

Внешнюю характеристику т.е. зависимость выпрямленного напряжения от  тока  можно получить из  уравнения

          .      

После  преобразования  получаем

                                      ;                              

 В ;

 Гн – индуктивность трансформатора ;

 А .

В данном примере график построен в относительных единицах, где за базисные величины приняты:   ;    ;

Рис. 4. Внешние характеристики при углах регулирования:

0; 40; 45; 60 эл. град

Расчет коэффициента мощности для двух скоростей вращения двигателя:

n = nНОМ и n = 0,5nНОМ  и двух нагрузок: М = МНОМ и М = 0,5МНОМ

При условном холостом ходе и α = 0 напряжение на выходе преобразователя Еd0 = 310 В.

Ток холостого тока силового трансформатора в процентах от номинального IХ.Х = 7%.

RТ.П = RС.Д + 2·RД + 2·RТР + RУ.Р – суммарное активное сопротивление цепи постоянного и переменного тока преобразователя, состоящее из сопротивления трансформатора, уравнительных и сглаживающих дросселей и тиристоров. RТП = 15,7·10-3 Ом . 

Величину выпрямленного напряжения на якоре электродвигателя Udα в зависимости от уровня скорости вращения   и степени загрузки

 можно определить из соотношения:

Падение напряжения в активных сопротивлениях цепи постоянного и переменного тока преобразователя:

Коэффициент мощности для любой системы преобразователя:

где  - коэффициент искажений, для рассматриваемой системы  ТП-Д

На основании приведенных соотношений определим kυ  для всех заданных режимов:

а) При   n = nН    и     М = МН

 В

 В

б) При    n = nН     и     М = 0,5 МН

 В

 В

в) При    n =0,5 nН     и     М = 0,5 МН

 В

 В

г) При   n =0,5 nН    и     М = МН

 В

 В