umm_425

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.С. Низов А.Н. Штин К.Г. Шумаков

Разработка выпрямительно-инверторного преобразователя

Посвящается 50-летию УЭМИИТ – УрГАПС – УрГУПС

Екатеринбург

2006

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.С. Низов А.Н. Штин К.Г. Шумаков

Разработка выпрямительно-инверторного преобразователя

Методическое руководство к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электронная техника и преобразователи» и дипломному проектированию студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог»

Посвящается 50-летию УЭМИИТ – УрГАПС – УрГУПС

Екатеринбург

2006

1

УДК621.331:621.311:621.314.6 Н61

Руководство содержит теоретический и справочный материал, необходимый для расчета силовой схемы мощных многопульсовых выпрямителей и зависимых инверторов. Приводятся основные соотношения для определения параметров наиболее распространенных выпрямительных и инверторных преобразователей, методика расчета числа последовательно-параллельно включенных диодов (тиристоров) и последовательность определения их энергетических показателей.

Предназначено для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог». Оно может быть также полезно для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, изготовления и эксплуатации выпрямительно-инверторных преобразователей.

Методическое руководство рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Электроснабжение транспорта», протокол №2 от 26 октября 2006 г.

Текстовая часть составлена в соответствии с ГОСТ 2.105–95 «Общие требования к текстовым документам».

Авторы: А.С. Низов, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент;

А.Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент;

К.Г. Шумаков, ассистент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.

Рецензенты: Б.С. Кулаков, доцент кафедры «Электрическая тяга», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент;

И.А. Пятецкий, начальник дорожной электротехнической лаборатории Свердловской железной дороги филиала ОАО «РЖД».

© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2006

2

	Содержание
1	Задание на курсовую работу.....................................................................	5
2	Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях
	преобразователей.........................................................................................	9
2.1	Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях 6-
	и 12-пульсового выпрямительного преобразователя................................	9
2.2	Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях
	12-пульсового инверторного преобразователя..........................................	10
3	Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых
	преобразователей и выбор схемы выпрямления..................................	12
3.1	Методика сравнения различных схем выпрямления.................................	12
3.2	Расчет мощности и ориентировочной стоимости преобразовательных
	трансформаторов...........................................................................................	13
3.3	Оценка качества выпрямленного напряжения и выбор сглаживающего
	устройства......................................................................................................	16

3.4Оценка качества сетевого тока и расчет снижения эксплуатационных расходов при увеличении коэффициента мощности преобразователя

	коэффициента мощности..............................................................................	19
3.5	Расчет снижения эксплуатационных расходов при уменьшении потерь
	энергии в преобразователе...........................................................................	22
3.6	Расчет изменения амортизационных отчислений......................................	23
3.7	Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых
	преобразователей ..........................................................................................	23
4	Расчет проектных параметров и выбор типа трансформатора для
	выпрямительно-инверторного преобразователя.................................	24
4.1	Расчет проектных параметров преобразовательного трансформатора...	24
4.2	Выбор типа и обозначения преобразовательного трансформатора.........	28
5	Проект выпрямительного и инверторного преобразователя............	30
5.1	Параллельное соединение полупроводниковых приборов (диодов,
	тиристоров) ....................................................................................................	30
5.2	Последовательное соединение полупроводниковых приборов (диодов
	и тиристоров) .................................................................................................	35
5.3	Расчет общего числа диодов (тиристоров) выпрямителя (инвертора)....	38
5.4	Разработка силовой схемы диодного (тиристорного) плеча
	преобразователя.............................................................................................	38
5.5	Выбор типа разработанного выпрямителя (инвертора) ............................	41
5.6	Оформление результатов расчета................................................................	41
6	Характеристики и энергетические параметры преобразователей...	42
6.1	Расчет угла коммутации...............................................................................	42
6.2	Внешние характеристики.............................................................................	43
6.3	Энергетические параметры преобразователя.............................................	45

3

7 Разработка силовой схемы и компоновка выпрямительно-
инверторного преобразователя................................................................	50
7.1 Оформление силовой схемы преобразователя...........................................	50
7.2 Компоновка преобразователя ......................................................................	50
Список использованных источников .....................................................	51
Приложение А Технические характеристики полупроводниковых
приборов и их охладителей .....................................................	52
Приложение Б Технические характеристики резисторов и конденсаторов..	54
Приложение В Схемы последовательно-параллельного соединения
полупроводниковых приборов и схемы выравнивания
напряжения................................................................................	55
Приложение Г Схемы последовательно-параллельного соединения
полупроводниковых приборов и схемы выравнивания
распределения тока...................................................................	56
Приложение Д Схемы преобразовательных трансформаторов......................	57
Приложение Е Электрические параметры оборудования электрической
схемы преобразователей..........................................................	58
Приложение Ж Коэффициенты акустического воздействия k-ых гармоник	58

4

1 Задание на курсовую работу

По исходным данным таблиц 1.1 и 1.2 и заданному варианту необходимо выполнить анализ электромагнитных процессов, происходящих в цепях выпрямительного (ВП) и инверторного (ИП) преобразователей, выбрать лучшую схему выпрямителя, разработать проект зависимого выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) и выполнить анализ его энергетических параметров.

Рекомендуется следующая последовательность выполнения курсовой работы (КР):

1.Анализ исходных данных.

2.Анализ электромагнитных процессов в цепях ВП.

3.Технико-экономическое сравнение 6- и 12-пульсовых ВП и выбор оптимальной схемы выпрямления.

4.Расчет проектных параметров трансформатора для ВИП.

5.Проект полупроводниковой части ВП.

6.Расчет характеристик и энергетических параметров ВП.

7.Анализ электромагнитных процессов в цепях ИП.

8.Проект полупроводниковой части ИП.

9.Расчет характеристик и энергетических параметров ИП.

10.Разработка силовой схемы главных присоединений ВИП.

11.Разработка конструктивного выполнения шкафов ВИП.

Курсовая работа состоит из расчетной и графической частей.

Расчетная часть оформляется в виде расчетно-пояснительной записки пастой темного цвета или по разрешению преподавателя на компьютере на одной стороне листа бумаги стандартного формата А4 (210×297).

Материал пояснительной записки должен располагаться в следующей последовательности: титульный лист, реферат, содержание, введение, задание на КР, основная часть, состоящая из выделенных разделов и подразделов, заключение, литература, приложения.

Все разделы должны иметь четкое и краткое название и нумероваться арабскими цифрами (1, 2, 3 и т.д.). Заголовки разделов пишутся строчными буквами с первой прописной. Подразделы должны иметь название и нумероваться в пределах раздела двумя арабскими цифрами (1.1, 1.2, …, 4.1, 4.2). Заголовки подразделов пишутся строчными буквами с первой прописной. Аналогично подразделам оформляются и пункты, которые нумеруются в пределах подразделов тремя арабскими цифрами (1.1.1, …, 3.2.1).

Схемы, графики, рисунки, таблицы должны нумероваться в пределах каждого раздела двумя цифрами (1.1, …, 3.1 и т.д.), иметь четкое название и располагаться в соответствующих разделах.

Формулы нумеруются в пределах раздела двумя арабскими цифрами в круглых скобках ((1.1), (1.2) и т.д.).

Остальные правила оформления КР приведены в /9/.

5

Графическая часть оформляется на листах миллиметровой бумаги формата А4, которая должна состоять из следующих иллюстраций:

1.Принципиальная схема заданного 6-пульсового ВП.

2.Принципиальная схема заданного 12-пульсового ВП.

3.Временные диаграммы токов и напряжений 6-пульсового ВП для идеального трансформатора (γ=0).

4.Временные диаграммы токов и напряжений 12-пульсового ВП для идеального трансформатора (γ=0).

5.Временные диаграммы токов и напряжений 12-пульсового ВП для реального трансформатора (γ=γНОМ).

6.Силовая схема разработанного диодного плеча выпрямителя.

7.Зависимости выпрямленного напряжения Ud, угла коммутации γВ, коэффициента мощности λВ, коэффициента полезного действия ηВ в функции от выпрямленного тока Id для 12-пульсового ВП.

8.Принципиальная схема заданного 12-пульсового ИП.

9.Временные диаграммы токов и напряжений 12-пульсового ИП при расчет-

ных углах β и γНОМ .

10.Силовая схема разработанного тиристорного плеча инвертора. 11.Зависимости входного напряжения ИП UИ, угла коммутации γИ, коэффици-

ента мощности λИ, коэффициента полезного действия ηИ в функции от тока IИ для 12-пульсового ИП.

12.Силовую схему разработанного ВИП (на формате А3). 13.Конструкция одного силового блока. 14.Электрическая схема шкафа выпрямителя (инвертора).

15.Расположение диодов или тиристоров в шкафу выпрямителя (инвертора). 16.Соединение шкафов выпрямителя (инвертора) между собой.

Систему охлаждения диодов выпрямителя (тиристоров инвертора) при-

нять:

при нечетной сумме цифр варианта воздушное охлаждение;

при четной сумме цифр варианта на тепловых трубах;

при нечетной первой цифре варианта естественное воздушное охлажде-

ние или одиночное расположение диодов (тиристоров) при охлаждении на тепловых трубах;

при четной первой цифре варианта принудительное воздушное охлажде-

ние со скоростью воздуха VВ = 6 м/c или блочное расположение диодов (тиристоров) при охлаждении на тепловых трубах.

Электрическую схему шкафа, расположение диодов (тиристоров) в шкафу и соединение шкафов выпрямителя (инвертора) разработать:

при нечетном номере в списке группы по журналу старосты для выпря-

мителя;

при четном номере в списке группы по журналу старосты для инвертора.

6

Таблица 1.1 – Исходные данные по первой цифре шифра

		Показатель					Первая цифра шифра
			0	1	2	3	4	5	6		7	8		9
		Назначение	Магистральный Ж.Д. транспорт						Промышленный			Метрополитен,
		преобразователя							транспорт			Городской
												транспорт
		Вариант выполнения вентильных	1	2	1	2	1	2	1		2	1		2
		обмоток*)
	Номинальное линейное напряжение		10,5	35	6,6	35	6,6	10,5	6,6		10,5	35		10,5
		сети U1Л , кВ
		Мощность короткого замыкания	150	200	250	125	175	225	75		100	40		30
7		SКЗ , МВА
	Номинальное напряжение выпрями-		3,3	6,6	3,3	6,6	3,3	6,6	1,65		3,3	0,825		0,6
		теля UdH , кВ
	Коэффициент повторяющихся пере-		1,4	1,45	1,5	1,55	1,6	1,42	1,47		1,51	1,57		1,62
		напряжений КП = UП/UV МАХ
		Коэффициент перенагрузки КПЕР	2,00	2,05	2,10	2,15	2,20	1,95	1,90		1,85	1,80		1,75
		ВП / ИП	1,25	1,27	1,29	1,31	1,33	1,26	1,28		1,30	1,32		1,34
	Минимальный уровень коэффициен-		0,958	0,956	0,954	0,952	0,950	0,948	0,946		0,944	0,942		0,940
		та мощности λМИН
	Коэффициент повышения напряже-		1,20	1,22	1,24	1,26	1,28	1,28	1,26		1,24	1,22		1,20
		ния при инвертировании КИ
		Примечание:
	*) 1 схема преобразовательного трансформатора с отдельными вентильными обмотками для подключения ИП (рисунок Д.1);
2		схема преобразовательного трансформатора с дополнительными витками в основных вентильных обмотках для подключения ИП

(рисунок Д2).

7

Таблица 1.2 Исходные данные по второй цифре шифра
						Вторая цифра шифра
	Показатель
		0	1	2	3		4	5	6	7	8	9
	Схемы сравниваемых ВП*)	6ПМ	6ПМ	6ПН	6ПН		6ПМ	6ПМ	6ПН	6ПН	6ПМ	6ПН
		12ПОСЛ	12ПАР	12ПОСЛ	12ПАР		12ПОСЛ	12ПАР	12ПОСЛ	12ПАР	12ПОСЛ	12ПАР
	Колебания напряжения пи-	± 2,0	± 2,5	± 3,0	± 3,5		± 4,0	± 4,5	± 5,0	± 4,5	± 4,0	± 3,5
	тающей сети U1 , %
	Номинальный ток в выпря-	4000	3150	2500	2000		1600	4000	3150	2500	2000	1600
	мительном режиме IdH,A
	Номинальный ток в инвер-	1250	2000	1600	1250		1600	3150	2500	2000	1600	1250
	торном режиме IИH , A
8	Тип диодов	Д 163 –	ДЛ 173	Д 163 –	ДЛ 153		Д 253 –	ДЛ 173	Д 163 –	ДЛ 153	Д 253 –	ДЛ 153
		3200	–3200	2000	– 1600		1600	– 4000	2500	– 2000	2000	– 1250
	Тип тиристоров	Т 173 –	Т 173 –	Т 273 –	Т 163 –		Т 273 –	Т 173 –	Т 193 –	Т 173 –	Т 173 –	Т 163 –
		1250	2000	2000	1000		1600	3200	2500	2500	1600	1250
	Время использования номи-	4300	3800	3300	5000		4500	4000	3500	3000	2500	2000
	нальной нагрузки ТН, час
	Коэффициент неповторяю-
	щихся перенапряжений	1,7	1,75	1,8	1,85		1,9	1,72	1,77	1,82	1,87	1,92
	КНП = UНП/UV МАХ
	Напряжение короткого замы-
	кания преобразовательного	7,0	7,5	8,5	9,5		11,0	8,0	9,0	10,0	6,5	10,5
	трансформатора uКТ , %
	Примечание:

*) 6ПМ – 6-пульсовая мостовая схема; 6ПН – 6-пульсовая нулевая схема с уравнительным реактором;

12ПОСЛ – 12-пульсовая схема последовательного типа; 12ПАР – 12-пульсовая схема параллельного типа.

8

2 Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях преобразователей

2.1Принцип работы и анализ электромагнитных процессов в цепях 6- и 12-пульсовых выпрямительных преобразователей

Выполнение КР рекомендуется начать с изучения схем, принципа работы и анализа электромагнитных процессов, происходящих в цепях двух заданных ВП: 6-пульсового и 12-пульсового /1, 2, 5, 6/.

Для этого следует, в соответствии с заданием, разработать принципиальные схемы ВП, на которых необходимо обозначить выводы сетевых и вентильных обмоток, плюсовые и минусовые выводы преобразователей и пронумеровать диодные плечи. На схемах показать все рассматриваемые напряжения и токи, а также цепь тока во всех элементах схемы для заданного момента времени. В КР заданный момент времени следует принять равным

θ3 =12π +π6 N2 =15O +30O N2 ,

где N2 вторая цифра шифра варианта.

Чтобы изучить принцип работы ВП, для каждой из заданных схем необходимо построить следующие временные диаграммы напряжений и токов в цепях ВП на интервале не менее 2π при индуктивности сглаживающего реактора

Xd = ∞ (на первом этапе выполнения КР эти диаграммы рекомендуется строить при угле коммутации γ=0, а на втором этапе при γ=γНОМ):

1.напряжений вентильных обмоток трансформатора u2 (uА, uВ, uС);

2.выпрямленных напряжений каждого моста 12-пульсового ВП udY, ud ;

3.выпрямленного напряжения всего ВП ud;

4.выпрямленных токов каждого моста 12-пульсового ВП idY, id ;

5.выпрямленного тока 6-пульсового ВП id;

6.напряжения на уравнительном реакторе up (для 6-пульсового ВП с уравнительным реактором);

7.тока диодного плеча iV;

8.напряжения на диодном плече uV;

9.токов фаз вентильных обмоток соединенных в «Y» и в « » 12-пульсового

ВП i2Y, i2 ;

10.тока одной из фаз вентильной обмотки 6-пульсового ВП i2;

11.тока одной из фаз сетевой обмотки i1.

Используя разработанные схемы и диаграммы, необходимо дать краткое описание схемы и теорию её работы для заданного момента времени /1, 2/.

9