Расчет непосредственного преобразователя частоты (стр. 2 из 6)
Недостатком НПЧ является низкий коэффициент мощности при регулировании выходного напряжения вследствие изменения угла регулирования и несинусоидальной формы кривой выходного напряжения, для улучшения которой должен быть применен фильтр, увеличивающий мощность всего преобразователя.
Расчет параметров элементов и их выбор.
Для выбора элементов схемы выпрямителя определим мощность, которую необходимо получить на нагрузке. По условию необходимо регулировать уровнем напряжения до Uвых. max = 100 B на нагрузке с параметрами: Rн. = 1 Ом и Lн = 5 мГн. Отсюда определяем максимальную величину тока через нагрузку Id max = Ud max / Rн =100 /1= 100 А. Тогда максимальная величина мощности, отдаваемая в нагрузку равна Pmax = Ud max· Id max = 10 кВ·А.
Так как схема относится к семейству нулевых схем преобразователей, то необходимо использование трансформатора с выводом «нулевых» точек от двух вторичных обмоток. Необходимость в использовании трансформатора объясняется еще тем, что преобразователь будет работать в промышленных условиях со стандартным допуском напряжения питания
.Для выбора основных элементов силовой схемы (трансформатора, тиристоров) управляемого выпрямителя воспользуемся расчетными соотношениями (таб. 1).
Таблица 1.
Расчетные соотношения для условно-шестифазной схемы выпрямления.
Примечание: величины в скобках для идеального выпрямителя без потерь.
Выбор силового трансформатора.
По таблице 1 определяем расчетную габаритную мощность трансформатора.
Sтр. =1,41 Рd =1,41*10кВА=14,6 кВА.
Из справочной литературы выбираем специализированный трансформатор ТСП – 160/0,7 – УХЛ4 (соответствует ТУ 16 – 717.052-79. Изготовитель УЭТМ г. Свердловск). Габаритные размеры: длина – L = 625 мм, ширина – В = 305мм, высота – Н = 385 мм. Полная масса 120 кг.
Величины потерь в данном трансформаторе:
Рх.х. =140 Вт, Рк.з. = 550 Вт при Uк.з. = 5,2 %, I х.х. = 10 %.
Расчет паразитных параметров трансформатора.
Выбранный трансформатор имеет габаритную мощность Sтр. = 14,6 кВА.
Найдем габаритную мощность на одну фазу:
Pгаб=Sтр /m=14,6*103/3=4866,667 ВА.
Схема соединений обмоток «звезда – звезда», следовательно, U1л=380В и U1ф.=220В (в соответствии с заданием).
Определим ориентировочную величину коэффициента трансформации c учетом колебаний уровня напряжения в промышленных сетях:
ктр.=U1ф./ U2=U1ф. / (0,94 Ud)=(220– 220*0,15)/(0.94*100)=1,989
Номинальный ток в первичной обмотке трансформатора:
I1ном=Pгаб/U1фА=4866,667/220=22,121 А
Из условий опыта холостого хода определяем:
I1х.х. =0,1*I1ном. = 0,1*22,121 = 2,212 А.
Полная кажущаяся мощность холостого хода равна
Sх.х. = U1н.*I1х.х. = 220*2,212 = 486,667 ВА.
Угол сдвига тока относительно напряжения
fхх=arccos(Pхх/3*Sхх)=arccos(140/3* 486,667)=84,497о.
Расчетное активное сопротивление, учитывающее потери на гистерезис и вихревые токи
Rор=Рхх/3*I2хх=140/3*2,2122=9,538 Ом.
Индуктивное сопротивление намагничивания
Хор=w*Lор= Rор*tgfхх=9,538*tg84,497=99 Ом.
Расчетная величина индуктивности намагничивания
Lор= Хор/w=99/2*p*50=0,315 Гн.
По данным опыта короткого замыкания аналогично находим:
Uк.з. = 0,052U1н. = 0,052*220 = 11,44 В;
Полная кажущаяся мощность короткого замыкания равна
Sк.з. = Uк.з.* I1н. = 11,44*22,121=253,066 ВА;
Угол сдвига тока относительно напряжения
fкз=arccos(Pкз/3*Sкз)=arccos(550/3* 253,066)=43,557о.
Расчетное активное сопротивление, учитывающее потери в обмотках трансформатора (приведение к вентильной стороне):
RрТР=( R2р+ R’1р) = Pкз/3*I2кз*К2тр=550/3*22,1212*1,9892=0,095 Ом.
Расчетная величина индуктивного сопротивления, обусловленного магнитными потоками рассеяния
(ХS2р+Х’S1р)=(R2р+ R’1р)tgfкз=0,095tg43,557=0,090 Ом.
Индуктивность рассеяния:
(LS2р+L’S1р)=(ХS2р+Х’S1р)/w=0,09/314=2,866*10-4 Гн.
Итак:
Ro= 9,538 Ом.
Xo= 99 Ом.
Lo= 0,315 Гн.
Ls=2,866*10-4 Гн.
Xs=0,09 Ом.
Rтр=0,095 Ом.
Схема замещения одной фазы силового трансформатора и ее параметры:
Выберем Т-образную схему замещения (рис. 3).
Рис .4 Схема замещения для одной фазы трансформатора.
Rтр=2(R2р+ R’1р)=(2*Ркз)/(3*I21Н )=2*550/3*22,1212=0,749 Ом.
Xs=2(R2р+ R’1р) tgfкз =0,749*tg43, 577=0,713 Ом.
Параметры схемы замещения.
продольная ветвь:
R1 » R’2 =rтр / 2 = 0,749/ 2 = 0,375 Ом;
Xs1 » X’s2 = Xs / 2 = 0,713 / 2 = 0,357 Ом.
поперечная ветвь:
R0 = 4,769 Ом; Xm = 49,5 Ом.
Выбор тиристоров.
Основными параметрами по выбору полупроводникового прибора для данного преобразователя являются:
– предельный средний ток тиристора при соответствующей температуре;
– действующее значение тока через прибор;
– повторяющееся напряжение;
– критическая скорость нарастания прямого тока;
– критическая скорость нарастания прямого напряжения и др.
С использованием таблицы 1 определяем величины токов и напряжений, которые будут действовать на управляемые вентили в данной схеме преобразователя:
среднее значение тока через вентиль
IB= = 0,333*Id = 0,333*100 = 33,3 A;
максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю
Um обр. = 2,3Ud = 2,3*100 = 230 B;
величина действующего значения тока тиристора
IB = 0,55*Id = 0,55*100 = 55A;
Максимальная величина тока вентиля ImB = 0.5Id = 50 A.
Выбираем по справочной литературе тиристор типа ТО142–80, который имеет следующие предельно допустимые параметры:
повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии
Uзсп=600 – 1200 В;
повторяющееся импульсное обратное напряжение
Um обр.=600 – 1200 В;
максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии при f=50 Гц, b=180o, Tk=70oC
Iп.к.=80 А;
максимальное действующее значение тока
IBмакс = 125 A;
обратный ток и ток утечки при повторяющемся напряжении и температуре структуры 125 ˚С
I обр. < 50 мА;
критическая скорость нарастания прямого тока
(di/dt)кр. = 100 А/мкс;
критическая скорость нарастания прямого напряжения
(dU/dt)кр = 100 В/мкс.
ударный ток при длительности 10 мс и температуре структуры 100 ˚С
Iуд. = 1350 А.
динамическое сопротивление
rдин. = 3,7*10 – 3 Ом.
отпирающий импульсный ток управления при Uзс=12 В
<150 мА.
тепловое сопротивление переход – корпус < 0,24 оС/Вт.
температура перехода: Тп= -40оС – +100оС.
Данный тиристор относится к разряду оптронных (оптотиристор). Кремниевый диффузионный типа p-n-p-n. Два полупроводниковых элемента: кремниевый фототиристор и арсенид галлиевый излучающий диод объединены в одну конструкцию. Предназначен для применения в помехоустойчивых системах автоматики и в цепях постоянного и переменного тока преобразователей электроэнергии. Выпускаются в металлостеклянном корпусе штыревой конструкции с жёсткими силовыми выводами. Анодом является основание. Масса мене 49 грамм.
Указания по монтажу: Чистота обработки контактной поверхности охладителя не хуже 2.5. Время пайки выводов управления паяльником мощностью 50-60 Вт при температуре припоя 220оС не должно превышать 5 с. Закручивающий момент не более 10 Н*м.
Для данного тиристора выбираем охладитель типа О241-80. Крутящий момент не более 10 Н*м.
Аппроксимируем ВАХ данного тиристора линейной функцией, используя справочные данные.
, гдеΔU0 = 1,1 B – прямое падение напряжения при токе Iп.к.;
Тогда аппроксимирующее выражение примет вид:
ΔU = 1,1 + 3,7*10 – 3 · i B
Расчет потерь мощности в управляемых вентилях.
Для расчета потерь мощности в вентилях необходимо знать действующий и средний токи через вентили. Мы их нашли ранее:
IB= = 33,3 А, IB = 55 А.
Определяем потери мощности на одном вентиле.
DPВ1=DU*IВ=+ rдин.*I2В=1,1*33,3+3,7*10-3*552=47,823 Вт.
Тогда потери мощности на вентилях всех групп равны
ΔРВ = 2m*ΔPB1 = 2*3*47,823 =286,935 Вт.