Выбор сглаживающего дросселя

РАСЧЕТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

Выбор типа преобразователя должен определяться прежде всего параметрами питающей сети (номинальное напряжение и число фаз сети, наличие нулевого провода), нагрузки (номинальные напряжение и ток) и диапазоном регулирования, исходя из которого следует рассмотреть возможность применения несимметричной схемы выпрямления (т.е. в одну группу включаются тиристоры, а в другую – диоды). При этом необходимо исходить из условия получения минимальных габаритов и массы САР (трансформаторный или бестрансформаторный вариант, наличие сглаживающего дросселя в цепи якоря двигателя и токоограничивающих реакторов в цепи переменного тока для защиты тиристоров и диодов от токов короткого замыкания) с обеспечением допустимых пульсаций выпрямленного напряжения в цепи якоря двигателя во всем диапазоне регулирования и токоограничения в цепи перменного тока при коротких замыканиях.

При предварительном выборе схемы необходимо учитывать колебания напряжения питающей сети в пределах . После предварительного выбора схемы САР необходимо привести ее структурную схему, где элементы силовой схемы, задатчика, датчиков обратных связей должны изображаться в виде условных графических обозначений, а узлы сравнения, блоки схемы управления – в виде окружностей и прямоугольников. При этом необходимо указать по какому принципу должна строиться схема управления (вертикальному, горизонтальному, цифровому) и кратко описать назначение каждого блока схемы управления.

 

 

Выбор тиристоров

 

При выборе диодов и тиристоров необходимо учитывать режимы охлаждения и типы охладителей, форму и длительность протекающего тока, определяемую схемой выпрямления. В однофазных и трехфазных схемах выпрямления длительность протекающего тока составляет соответственно 180 и 120 электрических градусов, а в виду значительной индуктивности в цепи выпрямленного тока форму тока можно принимать прямоугольной. В информационных материалах приводятся параметры вентилей с типовыми охладителями для двух режимов охлаждения: естественного и принудительного. В свою очередь принудительное охлаждение может быть воздушным и водяным, для которых приводится общее установившееся тепловое сопротивление R_т , с/Вт при скорости охлаждающего воздуха 3,6 и 12 м/с или соответственно расходе воды 1, 2, 3 л/мин. Не рекомендуется применять в САР общего назначения вентили с водяным охлаждением. Не всегда следует применять и принудительное воздушное охлаждение, так как для обеспечения оптимального обдува вентилей необходимы специальная конструкция шкафа, обеспечивающая формирование потока охлаждающего воздуха, и вентиляторы, что в ряде случаев приводит к увеличению массо-габаритных показателей преобразователя.

В зависимости от формы и длительности протекающего через вентиль тока и температуры охлаждающей среды максимально-допустимый средний ток изменяется не однозначно. Поэтому эти зависимости в виде графиков приводятся в информационных материалах. При нормальных условиях эксплуатации температуру охлаждающей среды следует брать до 40⁰С с естественным охлаждением, т.к. температура в ограниченном объеме шкафа может существенно отличаться от температуры окружающей среды.

Зависимости для различных углов проводимости и формы токов даны при предельных условиях охлаждения, т.е. при или . В то же время зависимость дана для синусоидальной формы и углов проводимости 180⁰С при температуре охлаждающей среды не превышающей 40⁰С. Поэтому непосредственно из указанных графиков нельзя получить для других условий охлаждения и параметров протекающего тока.

Практика расчетов показывает, что при работе вентилей в наиболее распространенных схемах выпрямления с небольшими углами регулирования и с перегрузками, не превышающими , можно исходить из среднего значения температуры и усредненной мощности потерь. При этом действительная температура структуры превышает на 5-7⁰С среднюю. Предельный ток

 

, (2.1)

 

где – пороговое напряжение, В;

– коэффициент формы тока (таблица 2.1);

– динамическое сопротивление, Ом;

– мощность потерь, Вт;

– максимально допустимая температура структуры, ;

– температура охлаждающей среды, ;

– общее установившееся тепловое сопротивление (совместно с

охладителем), /Вт.

Полученное по уравнению (2.1) численное значение для выбранного вентиля должно превышать величину среднего значения тока, протекающего через вентиль проектируемого преобразователя. В этом случае при протекании через тиристоры реального тока температурные показатели р-п-структуры и корпуса не будут превышать заданных.

Коэффициент формы тока K_ф выбирается из таблицы 2.1 в зависимости от угла проводимости и формы тока.

 

Таблица 2.1

	1,57 1,87 2,22 2,77 3,99	3,14 4,19 6,28 10,7 23,3		1,41 1,73 2,0 2,45 3,46

 

После расчета трансформатора определяется требуемый класс вентилей по повторяющемуся напряжению. Маркировка выбранного вентиля записывается полностью, т.е. помимо предельного тока и класса необходимо указать группы по , и . следует определять для углов управления, при которых данный параметр имеет наибольшее значение, а – в период коммутации при максимальных углах управления и номинальном токе нагрузки, когда имеет максимальное значение.

Расчет трансформатора

 

При трансформаторном варианте необходимо определить установленную мощность трансформатора , номинальные значения действующих напряжений и токов первичной , и вторичной , обмоток трансформатора и коэффициент трансформации

Установленная мощность трансформатора

, (2.2)

где – мощность первичной обмотки трансформатора, выраженная через мощность переменного и постоянного тока;

– мощность вторичной обмотки трансформатора, выраженная через мощность переменного и постоянного тока;

m – число фаз трансформатора;

, – действующие значения токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора;

, – действующие значения напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора;

, – коэффициенты превышения установленной мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора относительно мощности постоянного тока;

– мощность нагрузки выпрямленного тока.

Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора должно соответствовать напряжению сети, указанному в задании.

Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора определяется из выражения:

, (2.3)

где – коэффициент, учитывающий возможное понижение напряжения питающей сети (при снижении напряжения сети на 10% );

– коэффициент, учитывающий запас по углу управления в реверсивном электроприводе при согласованном управлении. В нереверсивном электроприводе данный запас необходим для устойчивого включения тиристоров в случае искажения напряжения сети;

– коэффициент преобразования преобразователя;

– выпрямленное напряжение преобразователя при углах управления , определяемое из уравнения (2.5).

Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора

и , , (2.4)

где – произведение коэффициента трансформации на отношение действующего значения тока первичной обмотки трансформатора к выпрямленному;

– отношение действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора к выпрямленному.

Каждая схема выпрямления характеризуется соответствующими численными значениями коэффициентов в и с / 10 /.

определяется из уравнения внешней характеристики:

 

, (2.5)

где – номинальное напряжение выпрямителя, равное ;

– номинальный ток выпрямителя, равный ;

– число коммутации вентилей за период (2, 4, 3, 6 соответственно в однофазной двухполупериодной и мостовой, трехфазной с нулевым выводом и мостовой схемах выпрямления);

– реактивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

– активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к вторичной обмотке;

– коэффициент, равный I, для однофазной двухполупериодной, мостовой и трехфазной с нулевым выводом и, равный 2, для трехфазной мостовой схем выпрямления;

– число пульсаций выпрямленного напряжения (2, 3, 6);

– угол коммутации, определяемый из уравнения коммутации:

.

При определении вместо , которое еще неизвестно, следует подставлять соотношение (2.7);

– коэффициент, равный I, в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления; 2 – в однофазной мостовой, в трехфазной с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемах выпрямления;

– действующее значение вторичного фазного напряжения трансформатора в однофазных схемах выпрямления и действующее значение вторичного линейного напряжения трансформатора в трехфазных схемах выпрямления ;

– угол управления, соотвествтующий номинальному напряжению выпрямителя (двигателя) и определяемый для номинального напряжения сети ;

n – количество последовательно включенных вентилей в контуре постоянного тока преобразователя;

– прямое падение напряжения в вентиле, определяемое для номинального тока по выражению ;

– активные сопротивления якоря двигателя и сглаживающего дросселя.

Так как на предварительном этапе расчета сглаживающий дроссель еще не выбран, то его активное сопротивление можно приближенно брать равным . Выражение в квадратных скобках уравнения (2.5) представляет эквивалентное активное сопротивление преобразователя

Активное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к цепи постоянного тока,

, (2.6)

где f – число фаз в контуре постоянного тока (в межкоммутационный период), равное I, в однофазных и трехфазной с нулевым выводом схемах выпрямления и 2 в трехфазной мостовой;

– потери в меди трансформатора;

– расчетная мощность трансформатора, Вт.

Так как неизвестно, то его определяют из первого соотношения (2.4) и подставляют в (2.6), где сокращается.

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора, приведенное к цепи постоянного тока,

, (2.7)

где – напряжение короткого замыкания трансформаторов, применяемых в схемах питания тиристорных преобразователей.

Если значение активного сопротивления якоря двигателя не приведено в справочнике, то его можно приближенно определить:

,

где – к.п.д. двигателя.

 

Выбор сглаживающего дросселя

 

При питании электродвигателя от вентильного преобразователя наличие пульсаций в выпрямленном токе приводит к дополнительному нагреву двигателя и ухудшению коммутации (к искровой коммутации на коллекторе).

Приведенная ниже таблица 2.2. иллюстрирует величину дополнительных потерь в двигателе при различной кратности пульсаций и глубине регулирования в % от потерь при работе без пульсаций.

Таблица 2.2

Кратность пульсаций выпрямленного напряжения	Относительная частота вращения двигателя в % от номинальной
			2,5
Дополнительные потери двигателей в % от потерь при токе без пульсаций
	40-60 20-40 10-20	60-80 40-60 20-40 10-20	70-90 50-70 30-50 15-30	80-100 60-80 40-60 20-40

 

Для уменьшения потерь в двигателе желательно не допускать работы выпрямителя в области прерывистых токов значительно уменьшается жесткость механической характеристики привода, возрастает его электромеханическая постоянная времени и ухудшаются динамические свойства.

Для снижения амплитуды пульсаций выпрямленного тока и уменьшения зоны прерывистых токов необходимо по возможности увеличивать число фаз выпрямителя и дополнительно устанавливать в цепи якоря сглаживающий дроссель. Величина пульсаций тока якоря крупных двигателей не должна превышать примерно 2%, если исходить из сужения зоны безыскровой коммутации не более, чем на 10% (по сравнению с питанием идеально сглаженным током). Расчет сглаживающего дросселя приводится из условия ограничения пульсаций тока в цепи якоря двигателя , записанного в относительных единицах:

, (2.8)

где – амплитуда гармонической составляющей выпрямленного тока;

– относительная амплитуда гармонической составляющей выпрямленного напряжения, рис. 2.1.

определяется по , найденного при расчете трансформатора.

Обычно расчет ведут по основной гармонической составляющей n. Гармонический ряд выпрямленного напряжения относительно частоты питающей сети определяется из выражения , где – натуральный ряд чисел 0, 1, 2 …;

– число пульсаций выпрямленного напряжения (1, 2, 3, 6).

Тогда из (2.8):

(2.9)

выбирают из рис. 2.1 для принятой схемы выпрямления и номинального угла управления , соответствующего номинальной угловой скорости двигателя. – из условия ограничения пульсаций тока на уровне 2%. , – частота пульсаций выпрямленного тока (первой гармоники).

Кривые рис. 2.1 построены по уравнению

Если индуктивность якоря двигателя не дана, то ее можно определить из соотношения

, (2.10)

где – коэффициент, зависящий от конструкции машины (без компенсационной обмотки K₁=0,5 … 0,6, с компенсационной обмоткой K₁=0,1-0,25. Для крупных машин следует принимать K₁=0,1);

р – число пар полюсов;

– индуктивность трансформатора, приведенная к цепи постоянного тока (, так как x _s определено для ).

По найденной индуктивности и номинальному току нагрузки следует подобрать подходящий типовой реактор.