Расчет параметров и характеристик однофазного управляемого несимметричного мостового выпрямителя

ЗАДАНИЕ

по выполнению курсовой работы «Локомотивы» (общий  курс)

Студент Афанасьев А.   Группа Л-1001  Вариант № 3

 

 

ДАНО:

 

1. Номинальное напряжение  первичной обмотки трансформатора - 25000 В.
2. Частота питающего напряжения - 50 Гц
3. Номинальное напряжение - U_dн, В: 1100
4. Номинальный ток нагрузки – I_dн, А: 1100
5. Расчетный угол регулирования – α_р, эл. Град 30
6. Относительное         значение      напряжения        короткого замыкания трансформатора - U_k, В: 0,08
7. Коэффициент пульсации выпрямленного тока - К_п: 0,3
8. Индивидуальное задание: транзисторы.

 

НЕОБХОДИМО рассчитать или выбрать:

 

1. Рассчитать параметры преобразователя.
2. Построить характеристики по рассчитанным параметрам.
3. Произвести расчет вентилей преобразователя.
4. Индуктивность цепи выпрямленного тока.
5. Мощностные и энергетические показатели выпрямителя.
6. Система управления выпрямителем.
7. Выполнить индивидуальное задание.

 

 

Дата выдачи задания:      «12»  Февраля  2013 г.

 

Срок сдачи  курсовой работы: «29» Апреля 2013 г.

 

 

Задание выдал: Александрова Н.Н           /___________________/

 

 

Задание получил: Афанасьев А.           / ___________________/

 

Зав. кафедрой                                                                      Ю. В. Фёдоров

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью работы является углубление знаний курса “Электронная преобразовательная техника” и получение навыков  расчета однофазного управляемого выпрямителя        для   регулирования        напряжения    на        тяговых       двигателях электроподвижного состава, его  характеристик и других параметров, выявление качественных и количественных зависимостей между отдельными параметрами.

Кроме того, работа знакомит с некоторыми требованиями, которые  предъявляются к оформлению инженерного  расчетно-графического материала.

Все    это     послужит      базой    для    проектирования           более     сложных преобразователей,        которые    будут     рассматриваться         в     курсе    “Системы управления электроподвижным составом”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОДНОФАЗНОГО  УПРАВЛЯЕМОГО                                  ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

В   работе      предлагается   рассчитать   параметры   и   характеристики выпрямителя, выполненного по несимметричной мостовой схеме (рис.1). Два плеча  моста содержат тиристоры VS₁ и VS₂, два других – диоды VD₁ и VD₂. На входе выпрямительный мост имеет вторичную обмотку трансформатора с напряжением U₂, а на выходе – нагрузку в виде тягового двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением [1].

 

Рисунок 1— Схема выпрямителя.

 

Диаграммы напряжений и токов  элементов выпрямителя приведенные  на рис.2, соответствуют допущениям: индуктивность цепи выпрямленного  тока L_d=0, т.е. выпрямленный ток I_d полностью сглажен; падение напряжения на вентилях, а также на активных сопротивлениях обмоток трансформатора равно нулю; токи в вентилях и обмотках трансформатора изменяются по линейному закону.

Диаграммы выполнены в  совмещенных координатах, т.е. если провести вертикаль в любом месте  через все диаграммы, то точки  пересечения этой вертикали с  любой из диаграмм определят все  значения величин, показанных на диаграммах, в момент времени, соответствующий  проведенной вертикали.

В полупериод питающего напряжения, предшествующий моменту времени  ωt = 0, в котором ЭДС вторичной обмотки трансформатора показана на рис.1 пунктирной стрелкой (справа - налево), ток нагрузки I_d протекает через тиристор VS2, двигатель и диод VD1. В начале следующего полупериода (ЭДС вторичной обмотки трансформатора показана сплошной стрелкой) происходит процесс коммутации тока из диода VD1 в диод VD2. Диод VD1 запирается, и ток вторичной обмотки трансформатора i₂, так же как и в диоде VD1, уменьшается до нуля (см. здесь и далее рис.2, диаграммы i_VD2, i₂). Одновременно с уменьшением i_VD1, увеличивается i_VD4, достигая величины I_d (см. диаграмму i_VD2). После этого выпрямленный ток под действием ЭДС самоиндукции цепи нагрузки (рис.3б) замыкается через: VS2, двигатель, VD2 (см. диаграммы i_VS2 и i_VD4), а через вторичную обмотку трансформатора не проходит (см. диаграмму i₂).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпрямленное напряжение Ud
Напряжение импульса управления Uимп
Токи в тиристорах iVS1, iVS2
Токи в диодах  iVD1, iVD2
Выпрямленный ток Id
Ток во вторичной обмотке  трансформатора i2
Ток в  первичной обмотке  трансформатора i1
Обратное напряжение на диоде  VD1 UVD1
Обратное напряжение на диоде  VD2 UVD2
Обратное напряжение на тиристоре  VS1 UVS1
Обратное напряжение на тиристоре  VS2 UVS2

 

 

Рисунок 2 - Диаграммы в  совмещённых координатах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ  ПРОЦЕССОВ В ВЫПРЯМИТЕЛЕ И  ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

 

1 Коммутация тока в  вентилях управляемого выпрямителя

 

Коммутацией тока в выпрямителе  называется процесс передачи тока из одного вентиля в другой. Как видно  из диаграмм токов i_VS1, i_VS2 , i_VD1, i_VD2, такие процессы протекают дважды в течение каждого полупериода.

В момент времени ωt = 0, как  это показано на рис.3а, будут одновременно открыты VS2, VD1, VD2. В контуре: U2, VD1, VD2 возникает  ток i_к= i₂. Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя (между точками 1 и 2) будет равно нулю.

Для контура: U2, VD1, VD2 можно  записать /2/

 

                                                 (1)

 

где    U_2m    –    амплитудное             значение           напряжение вторичной   обмотки трансформатора;

L_T – индуктивность трансформатора.

Отсюда:

 

 

Решение дифференциального  уравнения находится интегрированием  с учетом того, что при  t = 0, i_к= i₂= - I_d (см. диаграмму i₂).

 

 

                                         (2)

 

 

где X_T = ωL_T – индуктивное сопротивление трансформатора.

В интервале времени γ₁ < ωt > 0 ток i_к= i₂ изменится от –I_d до 0 (см. диаграмму i₂ рис.2).

К концу коммутационного  процесса при ωt = γ₁ выражение (2) примет вид:

Отсюда 

 

                                                 (3)

После окончания коммутации VS1 ток нагрузки I_d будет замыкаться так, как показано на рис.3б.

 

 

 

Рис.3. Схемы коммутационных (а), (в) и после коммутационных (б),(г) процессов

 

 

В интервале времени α + γ₂ > ωt < α (см. рис. 2) будет происходить передача тока из VS₂ в VS₁. При этом будут открыты одновременно VS₁, VS₂ и VD₂ так, как это показано на рис.3в. Выпрямленное напряжение между точками 1 и 2 будет равно нулю. Здесь для контура: U₂, VS₁, VS₂ также будет справедливо выражение (1). Его решение с учетом начального условия ωt = α, i_k=i₂=0 (см. диаграмму i2 , рис.2) будет иметь вид:

Udn=1100В; Idn=1100А; α=30; Kp=0,3; Uk=0,08

U_2m – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.

 

 

 

6.21 Расчетные значения  углов коммутации. Используя (8) и  (9), при I_d = I_dн и U_d = U_dн, вычислить γ₁и γ ₂.

 

 

Таблица№1 значения углов коммутации

Радианы	0,348	0,068
Градусы	19,96	3,89

 

6.2.2 Амплитудное значение  напряжения вторичной обмотки  трансформатора. Здесь, используя  (13) и исходные данные при I_d = I_dн и U_d=U_dн, приняв α= γ₁ и γ ₂ полученные в 6.2.1 рассчитать значение U_2m.

 (13)

Таблица№2 Амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатор

	U2m
Радианы	1815,07
Градусы	1743,28

 

 

 

_(В)

_(В)

 

6.2.3  Действующее      значение      напряжения       вторичной      обмотки  трансформатора. Используя (14), рассчитать U₂.

 

(14)

Таблица№3 Действующее      значение      напряжения       вторичной      обмотки  трансформатора

Радианы	1508,4
Градусы	2511,7

.

6.2.4  Продолжительность  основной коммутации. Используя  (8), рассчитать γ₁ для ряда I_d = 0, I_d =0,5 I_dн , I_d = I_dн, I_d = 1,5 I_dн. Результаты расчёта свести в таблицу, где единицы измерения γ₁ представить в двух вариантах: в радианах, в электрических градусах. Для лучшего восприятия зависимость γ₁=f(I_d) построить в электрических градусах. Аналогично выполнить следующие расчеты и графики

(8)

 

	Id=0	Id=0.5Idn	Id=Idn	Id=1.5Idn
Радианы	0	0.246	0.348	0.428
Градусы	0	14,1	19,96	24,5

Таблица№4 Продолжительность основной коммутации.

 

 

 

 

 

 

 

График№1. Зависимость γ₁=f(I_d)

 

6.2.5 Продолжительность фазовой  коммутации. В соответствии с  (9) рассчитать γ₂ для ряда токов I_d = 0, I_d =0.5 I_dн , I_d = I_dн, I_d = 1,5I_dн и ряда углов регулирования α= γ₁, 30, 60, 90, 120, 150, π- γ₁эл.град . Результаты расчётов свести в таблицу. Построить семейство характеристик γ₂ = f(α) при различных токах I_d.

(9)

 

 Таблица№5 Продолжительность  фазовой коммутации

Радианы

Α	Id=0	Id=0.5Idn	Id=Idn	Id=1.5Idn
0	0	0,102	0,147	0,18
30	0	0,057	0,11	0,16
60	0	0,034	0,068	0,10
90	0	0,03	0,06	0,09
120	0	0,035	0,07	0,10
150	0	0,063	0,13	0,22
180	0	0,2458	0,34	0,42

 

 

 

 

Таблица№6 Продолжительность  фазовой коммутации в радианах

Градусы

α	Id=0	Id=0.5Idn	Id=Idn	Id=1.5Idn
0	0	5,5	8,4	10,41
30	0	3,27	6,29	9,1
60	0	1,96	3,89	5,79
90	0	1,71	3,43	5,16
120	0	2,00	4,05	6,15
150	0	3,64	7,83	12,9
180	0	13,18	19,32	23,9

 

 

График №2. Семейство характеристик  γ₂ = f(α) при различных токах I_d.

 

 

6.2.6  Пределы изменения  угла регулирования. В соответствии  с (10), (11) и (12), рассчитать α_max при I_d = 0, I_d =0,5 I_dн , I_d = I_dн, I_d = 1,5I_dн и ?_min при тех же значениях I_d. Результаты расчётов свести в таблицу. Построить зависимости α_max=f(I_d), и α_min=f(I_d).