Міністерствоосвіти і науки України
Державнийвищий навчальний заклад
Донецькийнаціональний технічний університет
Кафедра«Електропривод та автоматизаціяпромислових установок»
Курсовийпроект
Тема:«Розрахунок параметрів і вибір елементів тиристорних електроприводівпостійного струму»
Пояснювальназаписка до курсового проектуз дисципліни: «Елементиавтоматизованого електроприводу»
КП 06.050702-09-235.04ПЗ
Донецьк– 2009
Завдання
Початковимиданими є номінальна потужність навантаження PН, номінальна швидкість обертання nН, напруга живильної мережі UН, тип силової схеми.
PН = 2,5 кВт ;
nН = 2120 об/хв ;
UН = 380 В ;
силова схема:нульова.
Реферат
Пояснювальназаписка до курсового проекту містить:
сторінок 32, рисунків 7, таблиць 4, додатків 2,джерел 7.
Об’єктомдослідження та розрахунків даного курсового проекту є тиристорний перетворювачнапруги для двигунів постійного струму.
Суть роботиполягає у розрахунку параметрів силового трансформатора, тиристорів, уставокзахисної апаратури. В процесі застосовуються теоретичні знання з курсів «Електричнімашини» та «Елементи автоматизованого електроприводу ».
Згідно початковихданих, а саме: номінальна потужність навантаження, потрібна швидкістьобертання, напруга живильної мережі, тип силової схеми, була розрахованаоптимальна схема тиристорного перетворювача для запропонованого типу двигунів,складена функціональна схема логічно-перемикаючого пристрою (ЛПП), розрахованізовнішня і регулювальна харатеристики тиристорного перетворювача.
Електропривод, тиристор,тиристорний перетворювач, силовий трансформатор, система керування, дросель,коефіцієнт потужності, апаратура захисту, регулювальна характеристика.
Перелік скорочень,прийнятих у даному проекті:
АЕП –автоматизований електропривод;
ВГ – вентильнагрупа;
ДК — датчиккерування;
ДНС – датчик нульового струму;
КЗ – короткезамикання;
ККД – коефіцієнткорисної дії;
ЛПП –логічно-перемикаючий пристрій;
СІФК– системаімпульсно-фазового керування;
ТП – тиристорніперетворювачі.
Зміст
Вступ
1. Вибір двигуна постійного струму
2. Вибір схеми тиристорного перетворювача
3. Розрахунок параметрів силового трансформатора
4. Розрахунок параметрів та вибір тиристорів
5. Складання функціональної схеми ЛПП і таблиціістинності
6. Розрахунок параметрів дроселя, що згладжує
7. Розрахунок і побудова регулювальної характеристикитиристорного перетворювача
8. Розрахунок коефіцієнта потужності тиристорногоперетворювача
9. Розрахунок і побудова зовнішньої характеристикитиристорного перетворювача
10. Розрахунок уставок захисної апаратури та її вибір
Висновки
Перелік використаної літератури
Вступ
У даний час вентильні перетворювачі напруги знаходятьдуже широке застосування в системах автоматизованого електроприводу (АЕП)постійного струму. Широке використання вентильних перетворювачів обумовленоуспішним розвитком напівпровідникової техніки, а саме освоєння промисловістюнадійних малогабаритних керованих силових вентилів – тиристорів і транзисторів.У більшості сучасних перетворювачів для привода як силові вентилі використовуютьсятиристори. На їхній основі для електропривода постійного струму побудовані дватипи перетворювачів: тиристорні перетворювачі (ТП) напруги перемінного струму впостійний (керовані випрямлячі) і широтно-імпульсні перетворювачі незмінноїнапруги постійного струму в регульовану напругу постійного струму.
Тиристорніперетворювачі мають деякі недоліки:
1) низькийкоефіцієнт потужності при глибокому регулюванні напруги;
2) перекручуванняживильної напруги, внесене роботою тиристорного перетворювача;
3) підвищенийрівень випромінюваних радіоперешкод.
Однак, незважаючина ці недоліки, такі схеми володіють доволі вагомими перевагами:
1) високийкоефіцієнт корисної дії (ККД), обумовлений незначним падінням напруги натиристорі (менш 1 В);
2) незначна інерціонність,обумовлена фільтрами в ланцюгах керування і некерованістю тиристорів протягомінтервалу провідності (10-20 мс);
3) високанадійність при використанні швидкодіючого захисту і модульно-блоковоговиконання ТП.
1. Вибірелектродвигуна постійного струму
Згідно зпочатковими значеннями номінальної потужності та номінальної частоти обертанняобираємо двигун постійного струму [2]. У довіднику надаються наступніпараметри: потужність /> (кВт), швидкість/> (об/хв), коефіцієнткорисної дії η (%), опір обмотки якоря /> (Ом),опір додаткових полюсів /> (Ом),індуктивність якірного кола LЯ (Гн), напруга />(В),останні параметри розрахуємо за наступними формулами.
Згідно з цимиданими та користуючись довідниковою літературою, обираємо двигун типу 2ПН112МУХЛ4з наступними параметрами:
— номінальнапотужність PН = 2,5 кВт;
— номінальнашвидкість обертання nН = 2120 об/хв;
— номінальнанапруга Uн= 110 В;
— коефіцієнткорисної дії h = 76%;
— опір якоря Rя= 0,196 Ом;
— опір додатковихполюсів Rдп = 1,134 Ом;
— індукція в коліякоря LЯ = 2,3 мГн;
Розраховуємо іншіпараметри:
Номінальнашвидкість обертання:
/>/> рад/с. (1.1)
Електромагнітнапотужність:
/> кВт. (1.2)
Номінальний струмякоря:
/>A. (1.3)
Конструктивнапостійна двигуна:
/>/> . (1.4)
Номінальниймомент:
/>Н×м. (1.5)
Індуктивністьякірного кола :
/>/> мГн .
Для забезпеченнянормальної роботи обраного електродвигуна живильний тиристорний перетворювач повиненмати запас напруги.
Потрібнамаксимальна випрямлена напруга перетворювача:
/>В, (1.6)
де />-коефіцієнт запасу за напругою (1,2 />1,3).Обираємо /> =1,25.
2. Вибір схемитиристорного перетворювача
Тиристорніперетворювачі поділяють:
– запризначенням: для живлення якірних кiл та обмоток збудження;
– завиконанням: реверсивні та нереверсивні.
Основнимипараметрами є:
– номінальнавипрямлена напруга (Udn);
– номінальнийструм (Idn).
Обираємо схемутиристорного перетворювача відповідно до завдання на курсовий проект. Обираютрифазну нульову схему. Така схема ТП наведена на рисунку 2.1.
/>
Рисунок 2.1 — Нульова схема тиристорного перетворювача
До складутиристорного перетворювача входять:
– силовийтрансформатор або струмообмежувальний реактор (в даному випадку струмообмежувальнийреактор відсутній);
– силовийблок (напівпровідникові вентилі);
– згладжуючийреактор (при живленні якірних кіл постійного струму);
– блоккерування та захисту;
– комутаційнаапаратура;
– системаохолодження (при />>100 А).
Живленнятиристорних перетворювачів потужністю більш, ніж 1кВт здійснюється відтрифазної мережі змінного струму.
Залежно відспіввідношення напруги мережі та потрібної для роботи двигуна випрямленоїнапруги, підключення перетворювача до мережі здійснюється черезструмообмежувальний реактор або через силовий трансформатор. Для даногонавантаження ми використовуємо силовий трансформатор. Така схема наведена нарисунку 2.2.
/>
Рисунок 2.2 –Схема підключення тиристорного перетворювача до живильної мережі через силовийтрансформатор
При застосуванніперетворювача для тиристорного живлення якірного ланцюга у вихідний ланцюгвключається дросель, що згладжує, для забезпечення режиму безупинного струму.Така схема наведена на рисунку 2.3.
/>
Рисунок 2.3 — Робота тиристорного перетворювача на якір двигуна постійного струму
Тиристорнийперетворювач має захисти (рис. 2.4):
– від внутрішніх коротких замикань (КЗ) — за допомогоюшвидкодіючих запобіжників FU, увімкнених з тиристором послідовно;
– від КЗ на стороні змінного іпостійного струмів — за допомогою автоматичного вимикача Q1 на вводі;
– від КЗ в колі навантаження — за допомогою вимикача Q2;
– від перенапруг — за допомогою«RC-кіл», увімкнених паралельно тиристорам, і «RC-фільтра»,який підключений на вході перетворювача.
/>
Рисунок 2.4 — Захист тиристорного перетворювача від перенапруги і коротких замикань
3. Розрахунок параметрів силовоготрансформатора
Розрахунковезначення напруги /> трансформатора,який живить трифазний ТП під час його роботи на якір двигуна постійного струмув зоні безперервних струмів, з урахуванням необхідного запасу напруги в силовомуколі, визначається за формулою:
/> , (3.1)
де /> – розрахунковийкоефіцієнт, що характеризує відношення напруги />/> у залежності від типусхеми. (/>);
/>– коефіцієнт запасу занапругою, що враховує можливе значення напруги мережі до />. (/>);
/>– коефіцієнт запасу занапругою, що враховує неповне відкриття вентилів при максимальному керуючому сигналі.(/>);
/>– коефіцієнт запасу занапругою, що враховує спад напруги в обмотках трансформатора, власний опір вентилята перекриття анодів. (/>=1,05);
/>–максимальна випрямлена напруга ТП.
/>/> В .
Розрахуноклінійної напруги :
/>/> . (3.2)
Розрахунковезначення струму вторинної обмотки трансформатора:
/>/>А, (3.3)
де /> — коефіцієнт схеми, якийхарактеризує відношення струмів />/> (КСХ =0,577);
/> – коефіцієнт, що враховуєвідхилення форми струму вентилів від прямокутника, />=1,05;
/> — номінальний випрямленийструм перетворювача, приймається рівним номінальному струму якоря двигуна />.
Коефіцієнт трансформації трансформатора:
/> . (3.4)
Діюче значення струму первинної обмоткидорівнює:
/>А. (3.5)
Розрахункова потужність трансформатора:
/>, (3.6)
де /> – коефіцієнт схеми, якийхарактеризує співвідношення потужностей.
/>.
Складаємо таблицю специфікації за отриманимиданими.
Таблиця 3.1 – Специфікація трансформатора дляТП
Sн, кВ×А Первинна обмотка Вторинна Обмотка Перетворювач
UЛ, В
I1Ф, А
UФ, В
I2Ф, А
Ud, В
Idн, А 5,305 380 7,12 149,36 18,121 110 29,91
Трансформатор не є необхідним элементом дляживлення тиристорного перетворювача, у випадку, якщо напруга мережі івыпрямлена напруга близько співвідносяться один з одним. У цьому випадку підключеннятиристорного перетворювача до живильної мережі виробляється черезструмообмежувальний реактор.
Якщо потрібного трансформатора не вдалосяпідібрати серед серійно виготовлених, то підготувати придатний трансформатор неважко на базі серійного, якщо перемотати витки на його вторинній обмотці.
Напівпровідниковий перетворювач зтрансформатором має значні габарити і масу, а також високу вартість.
4. Розрахунок параметрів та вибіртиристорів
Середнє значенняструму тиристора з урахуванням умов охолоджування:
/> А, (4.1)
де Кі — коефіцієнт співвідношення струму, визначений залежно від застосованої схеми.Кі=0,333;
/> — коефіцієнт, який враховуєінтенсивність охолоджування силового вентиля. (КОХ = 0,333 –природне охолодження, тому що Idн
Максимальназворотна напруга:
/> В, (4.2)
де /> — коефіцієнт співвідношеннянапруг, визначений залежно від застосованої схеми. (/>=2,09).
Вибір тиристорівпроводиться з урахуванням середнього значення струму через тиристор,максимального значення зворотної напруги та умов охолодження.
Використовуючидовідникову літературу[6] вибралитиристор Т-15-32-4.
Максимальназворотна напругаUVmax=400В;
Імпульсна напругапри відкритому положенніdU=2,4 В;
Максимальнодопустимий струм при відкритому положенні I=32 А.
5. Вибір системи керування. Складанняфункціональної схеми ЛПП
Принцип роздільного керування полягає в тому, щовідкриваючі імпульси подаються тільки на одну групу, яка знаходиться в роботі,при цьому інша вентильна група (ВГ) закрита. У такому випадку відсутнянеобхідність у зрівняльних реакторах, що знижує масогабаритні показники ТП.Система керування ТП містить систему імпульсно-фазового керування (СІФК1 іСІФК2), що подає керуючі імпульси на тиристори вентильних груп (ВГ1 і ВГ2) увизначений момент. Логічне перемикаюче пристрій виконує наступні функції:
1. Вибір групи для роботи в залежностівід знака керуючої напруги /> -різниці напруги, що задає, і напруги зворотного зв’язку;
2. Заборона відкривання непрацюючоїгрупи при наявності струму в працюючій групі;
3. Заборона зняття відкриваючихімпульсів із працюючої групи при протіканні по ній струму;
4. Забезпечення тимчасової паузи передвключенням групи, що вступає в роботу.
Інформацію пронаявність струму в працюючій групі дає датчик нульового струму (ДНС). Датчиккерування (ДК) видає сигнал />, якщо /> для ВК1. І />, якщо /> для ВК2.
У даному випадку /> — сигнали наявності струму;/> — сигнали заборони навідкривання ВК1 і ВК2.
Схему ЛПП можнапредставити у виді, зазначеному на рисунку 5.1.
Алгоритм роботиданого ЛПП описується структурними формулами:
/> (5.1)/>Рисунок 5.1 –Схема ЛПП реверсивного ТП
Відповідно з(5.1) сигнал y1 подається на СІФК1, якщо x2=1 або x2=0i x1=0, але x0=1. Аналогічно y2=0, якщо x1=1або x1=x2=0, але x0=0.
Як видно ізсистеми, схема реалізується тільки за допомогою елементів І і АБО–НІ, що єодними з найпростіших і дешевих.
Таблиця 5.1 — Таблиця дійсності ЛПП
X1
X2
X0
Y1
Y2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
6. Розрахунок параметрів дроселя, щозгладжує
Розрахунокпроводиться за умов забезпечення безперервного струму в діапазоні регулювання />=( 0…350)-для нульової схеми.
Режимпереривчастих струмів – це такий режим, при котрому між інтервалами провідностівентилів мають мiсце безструмові паузи. Дросель,що згладжує, за рахунок енергії запасеної в ньому, підтримує струм безперервнимта згладжуває криву струму.
Індуктивний опір вторинноїобмотки трансформатора:
/>Ом, (6.1)
де /> – напруга короткогозамикання (3/>7 % номінального).
Індуктивністьоднієї фази трансформатора:
/> мГн. (6.2)
Необхідна індуктивністьдля якірного кола: Розрахунок проводиться заумов забезпечення безперервного струму в діапазоні регулювання від />= 0 до aгр при струмі навантаження 0,1/>. Для забезпечення режимубезперервного струму в діапазоні напруг, близьких до номінальних, значення /> приймається 35° для нульової схеми. Необхіднаіндуктивність для якірного кола системи ТП–Д визначається формулою:
/> мГн, (6.3)
де /> — коефіцієнт, визначенийзгідно графіком залежності /> відкута a, де р=3- число пульсацій випрямленої напруги для нульової схеми (/>=0,2).
Необхіднавеличина індуктивності дроселя, що згладжує:
/> мГн. (6.4)
7. Розрахунок іпобудова регулювальної характеристики тиристорного перетворювача
Регулювальнахарактеристика /> визначається схемоювипрямлення та режимом роботи перетворювача. Розрізнюють два режими роботи:переривчатий та безперервний. Кут керування, при якому ТП переходить впереривчатий режим роботи, називається межовим. При роботі на активненавантаження межовий кут визначається числом пульсацій випрямляча />:
/> (7.1)
При роботі наактивно-індуктивне навантаження межовий кут визначається струмом навантаженнята індуктивністю кола.
Для усіх схемвипрямлення регулювальна характеристика випрямляча, що працює в безперервномурежимі, виражається залежністю:
/> (7.2)
У режимі переривчатих струмів рівняння регулювальниххарактеристик для нульової трифазної схеми мають вигляд:
/> (7.3)
Розраховуємозначення Ud при зміні a від 0 до 120°. Отримані результати зводимо дотаблиці 7.1.
Таблиця 7.1 – Розрахункові значення дляпобудування регулювальної характеристики
/> a, град 5 10 15 20 25 30
Ud, В 137,50 136,98 135,41 132,81 129,21 124,62 119,08
/> a, град 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Ud, В 113,07 106,7 100,05 93,28 86,41 79,48 72,55 65,68 58,91
/> a, град 80 85 90 95 100 105 110 115 120
Ud, В 52,30 45,89 39,74 33,89 28,39 23,28 18,59 14,37 10,65 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
За таблицею 7.1будуємо регулювальну характеристику />
/>
Рисунок 7.1 — Регулювальна характеристика ТП
8. Визначеннякоефіцієнта потужності ТП
Коефіцієнт потужностіТП необхідно розраховувати для номінального режиму двигуна. У загальномувипадку значення коефіцієнту потужності /> визначається відношенням активноїпотужності P, що витрачається випрямлячем, до повної потужності S:
/> , (8.1)
де
— номінальнаактивна потужність ТП:
P = U1*I1*cosj1, (8.2)
— номінальнаповна потужність ТП:
/> , (8.3)
Кут зсуву j1 першої гармоніки струму повідношенню до напруги можна прийняти рівним:
j1/> , (8.4)
де g- кут комутації.
g = arccos(cosa+cosg0-1)- a, (8.5)
де g0 — кут комутації при a = 0.
Значення кута />може бути знайдено зарівнянням:
/> . (8.6)
Знаходимо кут />:
/>(1-/>)=20,6°.
За регулювальноюхарактеристикою (рисунок 7.1) визначаємо кут a, що відповідає номінальнійнапрузі:
a =37,5 °.(8.7)
Знаходимо куткомутації g :
g = arccos(cos37,5°+ cos20,6°-1)- 37,5° =5,6°.
Знаходимо кутзсуву j1 першої гармоніки струму по відношенню до напруги :
j1/> =37,5°+ /> = 40,3°.
Знаходимокоефіцієнт потужності ТП :
/> cos(40,3°)=0,76 .
9. Розрахунок тапобудова зовнішньої характеристики тиристорного перетворювача
Зовнішняхарактеристика ТП – це залежність напруги на перетворювачі /> від струму навантаження />.Зовнішні характеристикибудуються для чотирьох значень кута регулювання:
/>, />,/>, />.
Рівняннязовнішньої характеристики для трифазної нульової схеми:
/> , (9.1)
де /> – еквівалентний активнийопір фази силового трансформатора, віднесений до вторинної обмотки, dU2 = 2,4 В – пряме падіння напруги натиристорі.
Знаходимоприведений до вторинної обмотки активний опір первинної обмотки />:
/> , (9.2)
де K=1 – длянульової схеми; m = 3 – число фаз трансформатора.
/>
Знаходимоактивний опір дроселя />:
/> Ом. (9.3)
Знаходимоеквівалентний активний опір фази силового трансформатора, віднесений довторинної обмотки :
/> , (9.4)
/> Ом.
Будуємо зовнішніхарактеристики перетворювача для кутів регулювання: />,/>, />, />
Таблиця 9.1 –Дані для побудови зовнішньої характеристики
/>=0/>/>
/>=30/>/>
/>=45/>/>
/>=60/>/> Id,A 29,91 29,91 29,91 29,91 Ud, В 132,7 112,7 114,8 95,3 92,83 73,32 63,95 44,45
/>
Рисунок 9.1 – Зовнішніхарактеристики ТП
Середнє значеннянапруги Ud у ТП знижується за рахунок комутаційних процесів, що відбуваються вньому. В результаті впливу анодної індуктивності струм з вентиля на вентильпереходить не миттєво, а на інтервалі,обумовленому кутом комутації. Струм проводять одночасно два тиристори однієїгрупи (анодної чи катодний) і в цьому інтервалі потенціал анода чи катодазнижується.
10. Розрахунокапаратури захисту
Для захистутиристорів від струмів короткого замикання широко використовують швидкодіючіплавкі запобігачі, підключені послідовно з тиристорами. Можно приняти :
Іпр ³ Іvср Іпр³ 29,91 А ,
де Іпр– номінальний струм плавкої вставки;
Іvср –діючий струмтиристора при номінальному навантаженні.
Запобігачівибираю на напругу Uпр,яка не нижче за номінальну напругу ТП:
Uпр ³ Ud0, Uпр³137,5 В.
З довідника [4]обираю запобігачі типу ПР-2 (Uпр~220-440 В, Іном=30 А): Захист від перенапруження тазовнішних коротких замикань здіснюється швидкодіючими автоматичними вимикачами,які можна встановити:
— в якірне колодвигуна;
— в анодних колахспрямовувача;
— на виході змінноїнапруги ТП.
Автоматичнівимикачі обираються таким чином:
На боці змінногоструму розцеплювача автомату струм повинен бути не нижче діючого струму кола:
/> (10.1)
де КН– коефіцієнт розбігання характеристик розцеплювачів (КН = 1,2);
КСХ – коефіцієнт схеми, визначений у [1] (КСХ = 0,577);
КФ – коефіцієнт форми струму (/>= 1,05/>1,1), приймаємо />= 1,1.
Інрасц³ 1,2*0,577*1,1*29,91 = 22,78 А .
При встановленніавтоматичного вимикача в коло постійного струму, струм розцеплювача автоматувизначається за співвідношенням:
Інрасц³ КН × Іd, Інрасц³ 1,2*29,91 = 35,892 А.
Струмспрацьовування електромагнітного розцеплювача повинен бути нижче за струм, щопроходить через перетворювач при КЗ, але вище за максимальний робочій струм:
Іустем³ КН × Іdтах, (10.2)
де Іdтах– максимальне значення струму ТП в робочому режимі (2,5× Іd).
Іустем³ 1,2×2,5×29,91 = 89,73 А.
За данимирозрахунків з довідника [4] обираю автоматичні вимикачі серії AE 1031, якімають наступні параметри:
Інрасц=40 А;
Іустем=90 А.
Висновки
Результатомвиконання даного курсового проекту є розроблення тиристорного перетворювачазмінного струму у постійний. Тиристорний перетворювач використовується дляживлення двигуна постійного струму 2ПН112МУХЛ4, обраного згідно з початковими даними.
Під часрозрахунку я закріпив та розширив свої знання у галузі перетворювачів. Длярозрахунку була взята, згідно з завданням, трифазна нульова схема, яка єнайбільш розповсюдженою.
З двох існуючихзасобів керування тиристорними групами – спільного та роздільного – у курсовомупроекті наданий роздільний. При роздільному керуванні імпульси, що відмикають,подаються на тиристори тільки тієї групи, що у даний момент бере участь уроботі. При такому керуванні зрівняльних струмів не виникає, але система виходитьз невисокою швидкодією. Незважаючи на це, системи з роздільним керуваннямзастосовуються частіше, ніж системи зі спільним керуванням.
Переліквикористаної літератури
1. Методичнівказівки до курсової роботи «Розрахунок параметрів і вибір елементів тиристорнихелектроприводів постійного струму» / Шумяцький В.М., Светличний А.В., КузьмінО.В. — Донецьк, ДонНТУ, 2002.
2. Справочникпо електрическим машинам: в 2 т. / под общ. ред. И.И. Копылова и В.К. Клокова,т.1 — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 456 с.
3. СтандартДонГТУ «Структура и правила оформления документов по всем видам учебнойработы» / Сафьянц С.М., Иванов А.И., Кравцов В.В., Кондрацкий В.Л. – ДонГТУ.– 1999.
4. Справочник попроектированию электропривода, силовых и осветительных устроиств: под ред.Я.М.Большама, — М.: Энергия, 1974. – 728 с.
5. Силовыеполупроводниковые приборы: Справочник / О.Г. Чебовский, Л.К. Моисеев, Р.П.Недошивен. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 400 с.
6. Гуревич Б.М.,Иваненко М.С. – Справочник по электроники для молодого рабочего. – М.: Вышаяшкола, 1983. – 272 с.
7. Терехов В.М.Элементы автоматизированного электропривода. — М.: Энергоатомиздат, 1978. — 224с.