Г.И. Разгельдеев Эксплуатация систем электроснабжения

10

Из временных диаграмм рис.3,б видно, что каждый тиристор пропускает ток в течение 60° в паре с одним тиристором, а 60°- в паре с другим тиристором. Например, тиристор VS1 пропускает ток в течение 60° в паре с тиристором VS6 и 60° - в паре с тиристором VS2. Аналогично работают и другие тиристоры.

При пуске ПП или при переходе его в режим прерывистых токов (рис.3, в, α > π/3) и использовании одиночных управляющих импульсов шириной, меньшей 60°, работоспособность схемы не может быть обеспечена, так как не могут открываться одновременно два тиристора в анодной и катодной группах. В связи с этим система управления должна вырабатывать одиночные управляющие импульсы с шириной, большей 60°, или сдвоенные короткие импульсы, следующие друг за другом через 60°.

Из временных диаграмм рис.3,в видно, что кривая выпрямленного напряжения при чисто активной нагрузке непрерывна при 0 ≤α ≤π / 3. При α > π /3 выпрямленные напряжение и ток прерывистые.

Для режима 0 ≤α ≤π / 3 среднее значение выпрямленного напряжения

	3		π		+α
			6
Udα =	π		−	π∫ 3E2m cosν dν =Ud cosα .		(1)
					+α
				6

Для режима α > π/3 среднее значение выпрямленного напряжения

π

Udα =	3		2				π	(2)
	π		∫		3E2m cosν dν =Ud 1	−sin α −	.
		−	π	+α			6
			6

Отсюда следует, что при α = 120° среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю.

На базе трёхфазных мостовых ПП созданы многопульсовые ПП (иногда их называют многофазными) с числом пульсаций m2, кратным шести, то есть 12, 18, 24. Достигается это комбинацией схем соединений вторичных трёхфазных обмоток преобразовательного трансформатора. Студенту необходимо самостоятельно изучить этот вопрос по литературе [1, 3] и дать краткое описание принципа получения многопульсовых ПП, снабдив их векторными диаграммами для 6-, 12- и 24-пульсовых схем.

11

4.2. Расчёт полупроводникового преобразователя При расчёте преобразователя удобно пользоваться соотношения-

ми из табл. 2 для трёхфазного мостового выпрямителя.

Таблица 2

Основные электрические параметры выпрямителей при активной нагрузке

										Коэффи-
Преобразо-	Трансформатор						Тиристоры			циент
ватель										пульсации
(выпрями-	E2/Ud	I2/Id	I1/Id	S1/	S2/	Sт/	Uобр.м/	Ia/	Iam/	Kп(1)
тель)				Pd	Pd	Pd	Ud	Id	Id
Однофаз-
ный	1,11	0,79	1,11	1,23	1,73	1,48	3,14	0,5	1,57	0,667
со средней
(нулевой)
точкой
Однофаз-	1,11	1,11	1,11	1,23	1,23	1,23	1,57	0,5	1,57	0,667
ный мосто-
вой
Трёхфаз-
ный	0,855	0,583	0,476	1,22	1,48	1,35	2,09	0,33	1,21	0,25
со средней
(нулевой)
точкой
Трёхфаз-	0,427	0,817	0,817/	1,05	1,05	1,05	1,05	0,33	1,04	0,057
ный мосто-
вой			КТР

Ниже приведена методика расчёта 6-пульсового и 12-пульсового мостового преобразователя. Расчёт ведётся с использованием соотношений из табл. 2. При этом учтено, что в 12-пульсовом ПП через каждый выпрямительный мост протекает выпрямленный ток, равный Id / 2, что влияет на часть расчётных формул. Эти формулы приведены

в двух вариантах – для 6- и для 12-пульсовых схем выпрямления.

4.2.1. Определение основных параметров преобразователя Такие параметры преобразователя, как среднее выпрямленное на-

пряжение Ud , средний выпрямленный ток Id и напряжение питающей сети Uc , являются исходными данными и приведены в табл. 1. Все ос-

тальные параметры преобразователя определяются в нижеследующих пунктах через эти исходные данные с использованием соотношений

12

из табл. 2.

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующую форму. В курсовом проекте студент должен рассчитать напряжения ν-х гармоник в выпрямленном напряжении и значения коэффициента пульсаций для этих гармоник при заданных углах управления. Амплитудное значение напряжения ν-й гармоники в выпрямленном напряжении при заданных углах управления α определяется по формуле

	U (v)m =U d cosα	2	1 + m2	2 v2 tg 2α ,	(3)
		2 v2
	m2		−1

где m2 – число пульсаций схемы выпрямления; ν = 1, 3, 5, 7… .

Коэффициент пульсаций на нагрузке для ν-й гармоники рассчитывается следующим образом:

	K П (v)	=		2	1	+m2	2 v 2 tg 2α .	(4)
			2	v 2
		m2			−1
	Частота пульсаций ν-й гармоники
				fν =ν m2 fc ,				(5)

где fc - частота напряжения питающей сети.

4.2.2. Выбор тиристоров Для выбора типа полупроводникового вентиля необходимо знать

амплитудное значение тока через вентиль Iam и максимальное значение обратного напряжения U обр.m на вентиле.

Используя данные табл. 2, амплитудное значение тока через тири-

стор можно определить следующим образом:
для 6-пульсовой схемы –	Iam =1,04 Id ;			(6)
для 12-пульсовой схемы –	I am =1,04	I d	.	(7)
	2
Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре рас-
считывается из выражения	U обр.m = 3 E2m =1,05 U d ,			(8)

где 3E2m – амплитудное значение междуфазного напряжения вторич-

ной обмотки преобразовательного трансформатора. Тип тиристора выбирают по следующим условиям:

Iпр.пред. ≥ Iam ;	(9)
Uповт. ≥Uобр.m ,	(10)

13

где Iпр.пред. – справочное значение прямого предельного тока через тиристор; Uповт. – справочное значение повторяющегося напряжения на

тиристоре.

Данные по силовым тиристорам следует брать из справочной литературы, например, из “Справочника по электроснабжению и электрооборудованию” под ред. А. А. Фёдорова [7]; также можно воспользоваться прил. 1 данных методических указаний, в котором приведены характеристики некоторых типов силовых тиристоров.

В случае, если не удаётся подобрать тиристор по указанным условиям из-за больших значений Iam и U обр.m , то необходимо задаться оп-

ределённой маркой тиристора (выбрать любой тип), а затем в каждое плечо мостовой схемы включаются несколько параллельных ветвей тиристоров (при невыполнении условия 9) и несколько последовательных тиристоров в каждой ветви (если не выполняется условие 10).

Число параллельно включенных тиристоров m определяется по следующей формуле и округляется до ближайшего большего целого числа:

m =	Iam		KЗ.Т	,	(11)
	Iпр.пред.
			КР.Т

где КЗ.Т – коэффициент запаса по току, принимается в пределах 1,2 – 1,5 (в зависимости от системы охлаждения); КР.Т – коэффициент, учи-

тывающий неравномерность распределения тока между вентилями, принимается равным 0,8 – 0,9.

Число последовательно включенных тиристоров n рассчитывается согласно следующему выражению и округляется до ближайшего большего целого числа:

n =	Uобр.m		К	З.Н	,	(12)
	Uповт
			КР.Н

где КЗ.Н – коэффициент запаса по напряжению, принимается в пределах 1,2 – 1,5; КР.Н – коэффициент, учитывающий неравномерность

распределения напряжения между вентилями, принимается равным

0,8 – 0,9.

В случае, если применяется последовательное включение нескольких тиристоров, необходимо параллельно каждому тиристору преобразователя включить шунтирующее сопротивление RШ . Эта мера вызва-

на тем, что даже вентили одного класса имеют разные ВАХ, функцией же шунтирующего сопротивления является выравнивание обратного

14

напряжения на тиристорах. Величина RШ рассчитывается по формуле

RШ =	n Uповт. −Uобр.m	,	(13)
	(n −1) Iобр.доп

где n - число последовательно включенных тиристоров; Iобр.доп – спра-

вочное значение допустимого обратного тока через тиристор. Мощность шунта определяется следующим образом:

РШ =	U 2раб	=	(Uобр.m /n)2 .	(14)
	Rш		Rш

Кроме того, для снижения скорости нарастания обратного напряжения параллельно к каждому тиристору преобразователя включается R-C цепочка. Ёмкость конденсатора при этом выбирается в пределах от 0,01 до 0,10 мкФ. Значение активного сопротивления R-C цепочки определяется из выражения

	R = X c	=		1	=	1	,	(15)
			ω C			2π fc C
	где С – ёмкость конденсатора, Ф;	fc – частота напряжения питающей

сети (50 Гц).

На рис. 4 приведена схема одного плеча выпрямительного моста, на которой показано включение шунтирующих сопротивлений и R-C цепочек. В качестве примера, плечо состоит из двух параллельных ветвей тиристоров ( m = 2), причём в каждой ветви последовательно включены два тиристора ( n = 2).

4.2.3. Расчёт электрических параметров и выбор преобразовательного трансформатора

Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки преобразовательного трансформатора, согласно табл. 2, определяется

	E2 = 0,427 Ud .			(16)
Амплитудное значение фазного напряжения вторичной обмотки
трансформатора	E2m = 2 E2 .			(17)
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформа-
тора рассчитывается:	I2 = 0,817 Id ;			(18)
для 6-пульсовой схемы –
для 12-пульсовой схемы –	I 2 = 0,817	I d	.	(19)
	2

15

Рис. 4. Схема включения шунтирующих сопротивлений и R-C цепочек

Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора определяется по формуле

I = 0,817	1	I	d	,	(20)
1	КТР

где КТР – коэффициент трансформации, который рассчитывается следующим образом:

	КТР =	U c		.	(21)
		3	E2

Расчётная мощность вторичной обмотки трансформатора определяется по выражению

S2 =1,05 Pd ,

(22)

где Pd =Ud Id – мощность нагрузки со стороны выпрямленного напря-

жения.

Мощность первичной обмотки трансформатора определяется по аналогичной формуле:

S1 =1,05 Pd .

(23)

Типовая мощность преобразовательного трансформатора (она равна полной мощности ПП) рассчитывается следующим образом:

S	тип	= S	пр	=	S1	+ S2	=1,05	P .	(24)
						2		d

В курсовом проекте студент должен выбрать преобразовательный

и UНН

16

трансформатор по следующим условиям:

1)Sн.тр ≥ Sтип ;

2)UВН ≥Uc ;

3)UНН ≥ 3E2 ,

где Sн.тр, UВН – справочные данные трансформатора;

4) конструкция трансформатора и схема соединения обмоток выбираются в зависимости от схемы выпрямления.

Технические данные трансформаторов необходимо брать из справочной литературы, в частности из “Справочника по проектированию электроснабжения” под ред. Ю.Г. Барыбина [6].

4.2.4. Определение коэффициента мощности и потребляемой преобразователем реактивной мощности для заданных углов управления

Коэффициент мощности для заданных углов управления рассчитывается по формуле

cosϕ = Киск cosϕ′,

(25)

где cosϕ′ – коэффициент сдвига; Киск – коэффициент искажения, ко-

торый принимается равным 0,995 для 6-пульсовой и 0,998 для 12пульсовой схемы выпрямления.

Коэффициент сдвига определяется следующим образом:

cosϕ′ =	U dα	,	(26)
	U d

где U dα – значение выпрямленного напряжения при угле управления α,

которое определяется либо по формуле 1 (если α ≤ 60о), либо по формуле 2 (если α > 60о).

Потребляемая преобразователем реактивная мощность рассчитывается по формуле

	Qпр = Sпр sinϕ .						(27)
Полная мощность преобразователя определяется по выражению
	S	пр =		Pd	,		(28)
			η cosϕ
где η – КПД преобразователя.
КПД преобразователя рассчитывается следующим образом:
η =			Pd			,	(29)
	P	+ ∆P		+ ∆P
	d		тр	ВУ

17

где ∆Pтр – потери активной мощности в преобразовательном трансформаторе; ∆PВУ – потери активной мощности в выпрямительном уст-

ройстве (в самих тиристорах преобразователя).

Потери активной мощности в трансформаторе определяются

∆Pтр = ∆РХ + ∆РК ,

(30)

где ∆PХ и ∆PК – справочные значения потерь активной мощности в

трансформаторе.

Потери в выпрямительном устройстве рассчитываются по форму-

ле

∆РВУ = N ∆Ртир,

(31)

где N – общее число тиристоров в преобразователе; ∆Pтир – потери ак-

тивной мощности в одном тиристоре.

Общее число тиристоров может быть определено следующим образом:

N = К(6 n m),

(32)

где K – число выпрямительных мостов преобразователя ( K =1 для 6-пульсовой схемы и K =2 для 12-пульсовой схемы выпрямления); n – число последовательно включенных тиристоров в плече выпрямительного моста (определяется в пункте 4.2.2); m – число параллельно включенных тиристоров в плече выпрямительного моста.

Потери активной мощности в одном тиристоре могут быть опре-

делены следующим образом:				Iа
∆Р	= ∆U				,	(33)
				m
тир		пр

где ∆Uпр – справочное значение прямого падения напряжения на тиристоре для выбранного типа тиристора; Ia – среднее значение тока в

плече выпрямительного моста; m – число параллельно включенных тиристоров в одном плече.

Среднее значение тока в плече выпрямительного моста определя-

	ется по формуле:
	для 6-пульсовой схемы –	Ia = 0,33 Id ;			(34)
	для 12-пульсовой схемы –	Ia = 0,33	Id	.	(35)
			2

В случае, если рассчитанная по формуле (28) полная мощность преобразователя превышает номинальную мощность выбранного трансформатора, то необходимо заново осуществить выбор трансформатора уже по этому значению полной мощности и сделать пересчёт

18

КПД преобразователя, Qпр и Sпр , используя справочные данные потерь

активной мощности для вновь выбранного типа трансформатора.

С учётом потерь в преобразовательном трансформаторе потребляемая преобразователем реактивная мощность рассчитывается по формуле

Q

=

Pd

tgϕ + ∆Q

,

(36)

η

пр

тр

где ∆Qтр – потери реактивной мощности в трансформаторе, которые

определяются следующим образом:

I Х

UК

∆Q

= ∆Q

+ ∆Q

= S

+ S

К2

,

(37)

тр

Х

К

н.тр

100

н.тр

100

ЗАГ

где Sн.тр, I X и UK – справочные данные трансформатора;

KЗАГ

– коэф-

фициент загрузки трансформатора.

Коэффициент загрузки рассчитывается по выражению

КЗАГ =

Sпр

.

(38)

Sн.тр

4.2.5. Расчёт коэффициента несинусоидальности При работе управляемого ПП в первичной обмотке трансформа-

тора искажается форма кривой тока и напряжения. Это вызвано естественным процессом коммутации (γ - угол коммутации) и искусственной задержкой момента открытия ПВ (угол управления α) для регулирования выпрямленного напряжения.

Влияние несинусоидальной нагрузки на искажение формы кривой первичного напряжения учитывают с помощью коэффициента несинусоидальности, который рассчитывают по формуле

К

нс

=

Sпр

3

sin ϕ

−0,91 =

Sпр

0,955

sin ϕ

−0,91

,

(39)

SK

π

Sпр

+ Xпр

SK

Sпр

+ Xпр

SK

SK

где отношение Sпр / SК задано по условиям проектирования; Хпр

– отно-

сительное сопротивление преобразователя.

Относительное сопротивление преобразователя может быть определено следующим образом:

Хпр = Хтр =

U

K

K

Р

Sпр

,

(40)

1

+

100

Sн.тр

4

где Sн.тр – номинальная мощность трансформатора, кВА; UK

– спра-

19

вочное значение напряжения КЗ трансформатора, %; Sпр – полная мощность преобразователя, кВА; Кр – коэффициент расщепления об-

моток трансформатора.

Коэффициент расщепления обмоток трансформатора рассчитывается по формуле

КР =	UК (нн1−нн2)	,	(41)
	UК

где U K (нн1 − нн2) – напряжение КЗ между расщеплёнными вторичными

обмотками трансформатора, %.

Студенту необходимо дать краткое описание различий трёхобмоточных трансформаторов и трансформаторов с расщеплённой обмоткой.

Таблица 3

Определение Хтр преобразовательного трансформатора

с расщепленной вторичной обмоткой

Схема

Схема замеще-

Кр

Формула для определения Хтр

ния

0

Хтр =

U

K

Sпр

100

Sн.тр

0 – 4

Хтр =

U K

K Р

Sпр

1

+

100

4

Sн.тр

4

Хтр =

2 U

K

Sпр

100

Sн.тр

Для трансформаторов с расщепленными обмотками Кр = 0 ÷ 4, ес-

ли ветви его нижнего напряжения (НН) имеют хорошую электромагнитную связь друг с другом; Кр = 0, если обмотки НН не имеют маг-

нитной связи друг с другом или если преобразователь выполнен по схеме с двумя трансформаторами, имеющими разные схемы соединения обмоток. В случае, если в качестве трансформатора преобразовате-