Расчет параметров и характеристик однофазного управляемого несимметричного мостового выпрямителя

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

 

УЛАН – УДЭНСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА –

филиал  государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Иркутский  государственный университет путей  сообщения» в г. Улан – Удэ

(УУИЖТ ИрГУПС)

_______________________________________________________________________________________

Факультет  «Высшего профессионального  образования»

Кафедра «Высшего профессионального  образования»

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И  ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОФАЗНОГО УПРАВЛЯЕМОГО НЕСИММЕТРИЧНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

по  дисциплине     «ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ»

Специальность  190301 «Локомотивы»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Якушевский А.В

«    » ________2011г

  Проверила: Александрова Н.Н.

 «   » ________2011г

 

 

Улан – Удэ

2011 г.

 

 

ЗАДАНИЕ

по выполнению курсовой работы «Электронная техника и преобразователи»

Студент: Якушевский А.В        Группа: Л-0801           Вариант: №046

 

 

ДАНО:

 

Номинальное напряжение  первичной  обмотки трансформатора - 25000 В.

Частота питающего напряжения - 50 Гц

Номинальное напряжение - U_dн, В: 1200

Номинальный ток нагрузки – I_dн, А:1000

Расчетный угол регулирования –  α_р, эл. град.: 90

Относительное         значение      напряжения        короткого замыкания трансформатора - U_k, В: 0,115

Коэффициент пульсации выпрямленного  тока - К_п: 0,23

 Индивидуальное задание: Расчет максимально допустимого тока нагрузки и

допустимых перегрузок полупроводниковых  приборов.

 

НЕОБХОДИМО рассчитать или выбрать:

 

Рассчитать параметры преобразователя.

Построить характеристики по рассчитанным параметрам.

Произвести расчет вентилей преобразователя.

Индуктивность цепи выпрямленного  тока.

Мощностные и энергетические показатели выпрямителя.

Система управления выпрямителем.

Выполнить индивидуальное задание.

 

 

Дата выдачи задания:               «___» __________  20___ г.

 

Срок сдачи курсовой работы: «__» ____________ 20___ г.

 

 

Задание выдал: Александрова Н.Н. /___________________/

 

 

Задание получил: Якушевский А.В. / ___________________/

 

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”.

Теоретический материал, который является основой  для выполнения расчетов, излагается в рекомендуемых источниках [1] – [5].

Перечень  подлежащих изучению вопросов приведен в разделе 7 методических указаний.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 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).

В момент подачи управляющего импульса на управляющий  электрод VS1, который осуществляется в момент времени ωt = α (cм. диаграмму U_имп), отпирается VS1 и начинается коммутация тока из VS2 в VS1. Коммутация закончится, когда i_VS2=0, а i_VS1=I_d (см. диаграммы i_VS1 и i_VS2). В это время вторичная обмотка трансформатора вновь принимает участие в поддержании тока нагрузки I_d (см. диаграмму i₂), который замыкается через: VS1, двигатель, VD2. Так продолжается до начала очередного полупериода, который начинается коммутацией тока из VD2 в VD1 (см. диаграмму i_VD2 и i_VD1 ). Далее процессы повторяются в указанной последовательности (см. диаграммы). Выпрямленный ток остается постоянным (допущение) даже в периоды коммутации, так как i_VS1+i_VS2 = I_d, а i_VD2 + i_VD1 = I_d (см. диаграмму I_d).Ток в первичной обмотке трансформатора повторяет форму i₂, а величина его i₁ = i₂/к, где к – коэффициент трансформации трансформатора (см. диаграмму i₁).

Как тиристоры, так и диоды, находясь в закрытом состоянии, находятся под напряжением, величина и форма которых показаны на диаграммах: U_обрVD1, U_обрVD2, U_обрVS1, U_обрVS2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЫПРЯМИТЕЛЕ И ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

 

 

2.1 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

 

                                                                                  

 

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

 

 

 

Рис.3. Схемы коммутационных (а), (в) и послекоммутационных (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:

 

 

 

При  t = α+γ₂, i_к= i₂=I_d (см. диаграмму i₂ рис.2). Поэтому к моменту окончания коммутации VS₂ выражение (4) примет вид:

 

 

Отсюда  после преобразований:

 

 

 

После окончания коммутации VS₂ ток нагрузки будет замыкаться так, как это показано на рис.3г. Индуктивное сопротивление трансформатора определяется выражением:

 

 

 

где U_к, I_dн – см. исходные данные;

U_2m – амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.

С учетом (7) выражения (3) и (6) примут вид:

 

 

 

 

 

 

Пределами изменения угла регулирования α будут α_min = γ₁ и α_max = π-γ₁ (см. рис.2). Если ₁, как это видно из (8), не зависит от α, то ₂ зависит от α (9).

 

 

Отсюда  после преобразования с учетом (7)

 

 

 

 

 

6.2.1.Находим расчетное значение углов коммутации:

 

 

0.9398=0.406

 

=4.66

 

 

 

 

 

 

2.2 Выпрямление  напряжения и некоторые параметры  трансформатора

 

 

Форма выпрямленного  напряжения показана на рисунке 2. Опытным  путем ее можно увидеть, если соединить  вход осциллографа с точками 1 и 2 (рисунок 1). Однако для расчетов необходимо знать  среднее значение выпрямленного  напряжения. Известно, что его можно  найти, вычислив определенный интеграл:

 

 

 

Анализируя выражение (13), видим, что с уменьшением α от π-γ₂ до γ₁, выпрямленное напряжение увеличивается от нуля до максимального значения. Плавное изменение α вызывает плавное изменение выпрямленного напряжения U_d, что является очень ценным свойством, так как позволяет плавно регулировать частоту вращения якоря двигателя постоянного тока. Если такой двигатель установлен в качестве тягового на электроподвижном составе в совокупности с управляемым выпрямителем, то с помощью угла регулирования α можно плавно изменять скорость движения поезда.

 

6.2.2 Амплитудные значения напряжения:

 

 

 

 

 

В   обычных      условиях,      когда         имеется          готовый   трансформатор     с паспортными данными: U₁ – напряжение первичной обмотки, U₂ – напряжение вторичной обмотки, U_к – относительное значение напряжения короткого замыкания, на основании выражения (13) с учетом (8) можно рассчитать и построить важную характеристику выпрямителя U_dн = f(I_d), называемую внешней характеристикой.

В выражения (9) и (8) подставляют значения U_dн и I_dн, определяя U_2m при α= γ₁, а затем рассчитывают:

 

 

 

6.2.3. Действующее значение  напряжения вторичной обмотки:

 

 

 

Определив, как  это показано выше (14) U_2m, рассчитывают по формуле (13) с учетом (8) семейство внешних характеристик выпрямителя. Для этого

сначала задаются значением α=γ₁, а затем для ряда значений тока: I_d = 0; 0,5 I_dн ; I_dн; 1,5 I_dн вычисляют соответствующие значения U_d. Повторяют вычисления для α=30эл.гр для указанного ряда I_d . Продолжают вычисления для α=60эл.гр и так далее с шагом 30эл.град до α=π – γ₁. Если окажется, что γ₁=30эл.град, то расчеты для α=30эл.град опускают и переходят сразу к α = 60эл.град. Если π-γ₁<150 эл.град, то ограничиваются расчетом для π-γ₁. В этом случае количество строк табл.2 уменьшится на две. Результаты расчетов удобно поместить в табл. 2.