Преобразователи частоты

     Из справочной литературы выбираем  специализированный трансформатор  ТСП – 160/0,7 – УХЛ4 (соответствует  ТУ 16 – 717.052-79. Изготовитель УЭТМ  г. Свердловск). Габаритные размеры:  длина – L = 625 мм, ширина – В = 305мм, высота – Н = 385 мм. Полная масса 120 кг.

     Величины потерь в данном трансформаторе:

Р_х.х. =140 Вт, Р_к.з. = 550 Вт  при U_к.з. = 5,2 %, I _х.х. = 10 %.

Расчет  паразитных параметров трансформатора.

     Выбранный  трансформатор имеет габаритную  мощность S_тр. = 14,6 кВА.

     Найдем  габаритную мощность на одну  фазу:

P_габ=S_тр /m=14,6*10³/3=4866,667 ВА.

     Схема соединений обмоток   «звезда – звезда», следовательно, U_1л=380В и U_1ф.=220В (в соответствии с заданием).

      Определим ориентировочную величину  коэффициента трансформации c учетом колебаний уровня напряжения в промышленных сетях:

к_тр.=U_1ф./ U₂=U_1ф. / (0,94 U_d)=(220– 220*0,15)/(0.94*100)=1,989

     Номинальный ток в первичной  обмотке трансформатора:

I_1ном=P_габ/U_1фА=4866,667/220=22,121 А

     Из условий опыта холостого  хода определяем:

I_1х.х. =0,1*I_1ном. = 0,1*22,121 = 2,212 А.

     Полная кажущаяся мощность холостого  хода равна

S_х.х. = U_1н.*I_1х.х. = 220*2,212 = 486,667 ВА.

     Угол сдвига тока относительно  напряжения 

f_хх=arccos(P_хх/3^*S_хх)=arccos(140/3* 486,667)=84,497^о.

     Расчетное активное сопротивление,  учитывающее потери на гистерезис  и вихревые токи 

R_ор=Р_хх/3*I²_хх=140/3*2,212²=9,538 Ом.

     Индуктивное сопротивление намагничивания 

Х_ор=w*L_ор= R_ор*tgf_хх=9,538*tg84,497=99 Ом.

     Расчетная величина индуктивности  намагничивания 

L_ор= Х_ор/w=99/2*p*50=0,315 Гн.

     По данным опыта короткого  замыкания аналогично находим:

U_к.з. = 0,052U_1н. = 0,052*220 = 11,44 В;

     Полная кажущаяся мощность короткого  замыкания равна 

S_к.з. = U_к.з.* I_1н. = 11,44*22,121=253,066 ВА;

     Угол сдвига тока относительно  напряжения 

f_кз=arccos(P_кз/3^*S_кз)=arccos(550/3* 253,066)=43,557^о.

    Расчетное активное сопротивление, учитывающее потери в обмотках трансформатора (приведение к вентильной стороне):

R_рТР=( R_2р+ R’_1р) = P_кз/3*I²_кз*К²_тр=550/3*22,121²*1,989²=0,095 Ом.

     Расчетная величина индуктивного  сопротивления, обусловленного магнитными потоками рассеяния

(Х_S2р+Х’_S1р)=(R_2р+ R’_1р)tgf_кз=0,095tg43,557=0,090 Ом.

     Индуктивность рассеяния: 

(L_S2р+L’_S1р)=(Х_S2р+Х’_S1р)/w=0,09/314=2,866*10^-4 Гн.

Итак:

R_o= 9,538 Ом.

X_o= 99 Ом.

L_o= 0,315 Гн.

Ls=2,866*10^-4 Гн.

Xs=0,09 Ом.

Rтр=0,095 Ом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема замещения одной  фазы силового трансформатора и ее параметры:

      Выберем  Т-образную схему замещения (рис. 3).

Рис .4 Схема  замещения для одной фазы трансформатора.

Rтр=2(R_2р+ R’_1р)=(2*Р_кз)/(3*I²_1Н )=2*550/3*22,121²=0,749 Ом.

Xs=2(R_2р+ R’_1р) tgf_кз =0,749*tg43, 577=0,713 Ом.

      Параметры схемы замещения.

  продольная  ветвь:

R₁ » R^’₂ =r_тр / 2 = 0,749/ 2 = 0,375 Ом;

X_s1 » X^’_s2 = X_s / 2 = 0,713 / 2 = 0,357 Ом.

  поперечная ветвь: 

R₀ = 4,769 Ом; X_m = 49,5 Ом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выбор тиристоров.

Основными параметрами по выбору полупроводникового прибора для данного преобразователя являются: 

• предельный средний ток тиристора при соответствующей температуре;
• действующее значение тока через прибор;
• повторяющееся напряжение;
• критическая скорость нарастания прямого тока;
• критическая скорость нарастания прямого напряжения и др.

 С использованием таблицы 1 определяем величины токов и напряжений, которые будут действовать на управляемые вентили в данной схеме преобразователя:

    среднее  значение тока через вентиль

I_B= = 0,333*I_d = 0,333*100 = 33,3 A;

    максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю

U_{m обр.} = 2,3U_d = 2,3*100 = 230 B;

     величина  действующего значения тока тиристора 

I_B = 0,55*I_d = 0,55*100 = 55A;

     Максимальная величина тока вентиля I_mB = 0.5I_d = 50 A.

     Выбираем по справочной литературе тиристор типа ТО142–80, который имеет следующие предельно допустимые параметры:

     повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Uзсп=600 – 1200 В;

     повторяющееся импульсное обратное напряжение

U_{m обр.}=600 – 1200 В;

     максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии  при f=50 Гц, b=180^o, Tk=70^oC

 I_п.к.=80 А;

     максимальное действующее значение тока

 I_Bмакс = 125 A;

     обратный ток и ток утечки при повторяющемся напряжении  и температуре структуры 125 ˚С 

I _обр. < 50 мА;

     критическая скорость нарастания  прямого тока 

(di/dt)_кр. = 100 А/мкс;

     критическая скорость нарастания  прямого напряжения

(dU/dt)_кр = 100 В/мкс.

     ударный ток при длительности 10 мс и температуре структуры 100 ˚С

I_уд. = 1350 А.

     динамическое  сопротивление 

r_дин. = 3,7*10 ^{– 3}  Ом.

     отпирающий  импульсный ток управления при  Uзс=12 В

<150 мА.

     тепловое  сопротивление переход –  корпус  < 0,24 ^оС/Вт.

     температура перехода: Тп= -40^оС – +100^оС.

      Данный  тиристор относится к разряду  оптронных (оптотиристор). Кремниевый диффузионный типа p-n-p-n. Два полупроводниковых элемента: кремниевый фототиристор и арсенид галлиевый излучающий диод объединены в одну конструкцию. Предназначен для применения в помехоустойчивых системах автоматики и в цепях постоянного и переменного тока преобразователей электроэнергии. Выпускаются в металлостеклянном корпусе штыревой конструкции с жёсткими силовыми выводами. Анодом является основание. Масса мене 49 грамм.

      Указания  по монтажу: Чистота обработки контактной поверхности охладителя не хуже 2.5. Время пайки выводов управления паяльником мощностью 50-60 Вт при температуре  припоя 220^оС не должно превышать 5 с. Закручивающий момент не более 10 Н*м.

     Для данного тиристора выбираем охладитель типа О241-80. Крутящий момент не более 10 Н*м.

     Аппроксимируем ВАХ данного тиристора  линейной функцией, используя справочные  данные.

, где 

     ΔU₀ = 1,1 B – прямое падение напряжения при токе I_п.к.;

     Тогда  аппроксимирующее выражение примет  вид: 

ΔU = 1,1 + 3,7*10 ^{– 3} · i     B 
 
 

Расчет  потерь мощности в  управляемых вентилях.

     Для расчета потерь мощности в вентилях необходимо знать действующий и средний токи через вентили. Мы их нашли ранее:

I_B= = 33,3 А, I_B = 55 А.

     Определяем потери мощности на одном вентиле.

DP_В1=DU*I_В=+ r_дин.*I²_В=1,1*33,3+3,7*10^-3*55²=47,823 Вт.

     Тогда потери мощности на вентилях всех групп равны

ΔР_В = 2m*ΔP_B1 = 2*3*47,823 =286,935 Вт. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение предельного тока через полупроводниковую  структуру прибора  для установившихся режимов работы.

     Предельный ток прибора в установившемся  режиме работы при заданных  условиях охлаждения рассчитывается  по формуле

  , где 

     [Θ_pn] – максимально допустимая температура полупроводниковой структуры ,

     [Θ_с] – заданная температура окружающей среды .

     В соответствии с заданием  преобразователь работает в климатических  условиях У3 по ГОСТ 15543-70. (Климат умеренный. Преобразователь работает в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, и воздействия песка и пыли существенно ниже, чем на открытом воздухе. Токр.ср. = -40 ^оС – +40 ^оС, DT=40^oC/8часов.)

     R_T – общее установившееся тепловое сопротивление (при условии охлаждения). С выбранным охладителем типа О241-80  для данного тиристора Rт=Rп-к+Rкпо-ос=0,24+0,24=0,48 ^ОС/Вт. Где Rкпо-ос – переходное тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда.

     U₀ – пороговое напряжение предельной ВАХ прибора.

Используя параметры  данного тиристора и температурные  условия эксплуатации (t_max = 40 ˚C) , определим предельный ток прибора.

 А

     Найдем предельный ток прибора  в случае усреднения мощности  в зависимости от коэффициента  формы тока к_ф = I_B / I_B= . Для данной схемы коэффициент формы тока равен к_ф=55/33,3 = 1,652 (изменение величины к_ф в зависимости от угла отпирания прибора не учитываем).

     Тогда 

     Как видно из расчетов токовый  режим работы тиристоров в  данном преобразователе примерно  на 13% ниже максимально возможного.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Допустимая  мощность потерь в вентиле.

     Расчет ведем при условии, что  выпрямитель работает при непрерывной  установившейся нагрузке. Тогда  температура структуры в установившемся  режиме   определяется как  

Θ_pn = Θ_c +ΔP·R_т.

     Допустимая мощность потерь равна

[ΔP] = ( [Θ_pn] – Θ_c)/R_т .

     R_т = 0,48 ˚С/Вт  – общее установившееся тепловое сопротивление прибора.

     Подставив технические параметры,  получим 

[ΔP] = (100 –  40) / 0,48 = 125 Вт.

     Номинальные тепловые потери  при работе приборов меньше  допустимых, примерно на 162 Вт (на каждый вентиль). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение углов коммутации вентилей.

    Угол  коммутации, определяемый активными  сопротивлениями фазы трансформатора.

     Величину угла перекрытия фаз  (угла коммутации) найдем из выражения

, где

     ΔU_X – падение напряжения от коммутации при учете индуктивного сопротивления.  Его можно определить из выражения:

     Тогда 

.