Выбор вентилей для управляемого выпрямителя

,

где IП        - средний расчётный ток плеча выпрямителя при номинальной      

                    нагрузке (Id ном) А;

КПЕР - коэффициент допустимой длительной перегрузки, из задания,   

            КПЕР=1,4;

ITт     - предельный средний прямой ток тиристора для заданных условий

            работы;

КН      - коэффициент неравномерности распределения тока по тиристорам,  

            КН=0,9.

Предельный средний прямой ток тиристора при заданных условиях работы выпрямителя рассчитывается по выражению:

,      А

где UТ0   - пороговое напряжение тиристора в открытом состоянии;

        Кф    - коэффициент формы тока вентильного плеча в заданной схеме  

                  выпрямления,   Кф = 1,73;

         rТ     - динамическое сопротивление тиристора;

        Tjm     - максимально допустимая температура р-n перехода, Tjm = 125˚;

        Та     - температура охлаждающего воздуха,

         R    - сопротивление стоку тепла от р-n перехода в охлаждающую среду  

                   для выбранного тиристора и соответствующего типа охладителя

                   (тип охладителя-ОА-26):

,     

где составляющие R являются паспортными параметрами отдельных участков стока тепла, от полупроводниковой структуры в охлаждающую среду.

Из таблицы [1, приложение 2] для выбранного типа тиристоров (Т-500) определим необходимые для расчета паспортные параметры:

Rthjc = 0,04 C˚/Вт;              Rthch = 0,01 C˚/Вт;              Rthha = 0,17 C˚/Вт

UT0 = 1,08 В;                          rT = 1,22 ∙ 10 -3 Ом

То предельный средний прямой ток тиристора равен:

Проведем проверку тиристоров по току рабочего режима:

    т.е   а = 4

Из полученных значений "а" выбираем наибольшее, при котором исключаются недопустимые перегрузки тиристоров по току во всех режимах работы выпрямителя и структура вентилей не достигнет предельной температуры при заданных условиях охлаждения.

Следовательно, принимаем “a”= 6.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ТИРИСТОРОВ.

              Количество тиристоров в последовательной цепочке должно быть таково, чтобы при заданном рабочем напряжении сети с учетом возможных отклонений, коммутационных и неповторяющихся перенапряжений, максимальное обратное напряжение на любом тиристоре выпрямителя не превышало бы соответствующего паспортного параметра тиристора. Число последовательно соединенных тиристоров в вентильном плече определяется по выражению:

,                  (9)

где Uпл.мах  - максимальное значение обратного напряжения, воздействующего  

                     на вентильное плечо в заданной схеме выпрямителя с учетом  

                     бросков и колебаний напряжения в сети, В

      UТ повт   - паспортное значение допустимого обратного напряжения на           

                     тиристоре, UТ повт = 2000В.

          КHU  - коэффициент неравномерности распределения напряжения по

                     тиристорам, КHU = 0,8.

Величина Uпл. мах определяется с учетом коммутационных перенапряжений:

,

где Uв мах - максимум обратного напряжения в заданной схеме выпрямителя при             

                   номинальном напряжении сети;

           kγ - коэффициент, показывающий отношение величины

                   коммутационного перенапряжения к максимальному обратному

                   напряжению, kγ = 1,35;

           Кс - колебание напряжения в сети.

Uв max = 1,05 ∙ Ud0 = 1,05 ∙ 3450 = 3622,5   В

Тогда:

Следовательно из выражения (9):

 выбираем .

              Количество последовательно включенных тиристоров должно быть проверено по условию воздействия неповторяющихся бросков перенапряжения.

где Ud ном - номинальное выпрямленное напряжение, В

       kUН   - коэффициент амплитуды неповторяющегося напряжения,

       КН       - коэффициент неравномерности распределения напряжения по тиристорам, КН. = 0,9

      UТнеп - паспортное значение неповторяющегося напряжения тиристора,  

UТ неп =.UТ повт∙(1 + 0,2) = 2000 ∙ 1,2 = 2400   В

Тогда:

   .

Из полученных значений "в" выбираем наибольшее, то есть принимаем в = 5

4.  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЛИЧЕСТВО ТИРИСТОРОВ

Количество тиристоров выбранного типа, необходимое для комплектования выпрямителей подстанции, определяется по формуле:

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗИСТОРОВ И
КОНДЕНСАТОРОВ.

5.1 Равномерное распределение прямого тока в тиристорах.

При параллельном соединении тиристоров для равномерного распределения тока необходимо выбрать их с одинаковыми вольт–амперными характеристиками. Однако, даже с учетом этого требования, подбор не удается осуществить, т.к. с течением времени характеристики изменяются, что приводит к разбалансу токов в тиристорах плеча. Основываясь на обобщении эксплуатационных данных, можно более просто решить распределение токов по тиристорам с помощью резисторов Rс, через которые включаются в узловую точку аноды тиристоров, находящихся в одном ряду вентильного плеча. В выпрямительных агрегатах электрифицированных железных дорог сопротивление резисторов связи принимается равным 1…10 Ом. Изготавливают резисторы из нихромовой  проволоки диаметром 0,6…1,0 мм.

5.2. Равномерное распределение обратного напряжения.

Как при параллельном, так и последовательном соединении тиристоров требуется применение дополнительных средств выравнивания прямых и обратных напряжений на закрытых тиристорах. Одним из наиболее распространенных способов выравнивания напряжения на закрытых последовательно соединенных тиристорах является шунтирование их активными сопротивлениями.

Сопротивление шунтирующего резистора определяется по формуле:

,        Ом

где      в – число последовательно включенных тиристоров в вентильном плече;

    UТ повт – паспортное значение допустимого повторяющегося обратного напряжения на тиристоре, В;

   Uпл. мах – наибольшее обратное напряжение, воздействующее на тиристорное плечо в заданном преобразователе, В;

       Iоб –    повторяющийся обратный ток в закрытом тиристоре (паспортный параметр), мА;

Мощность шунтирующего резистора определяется по выражению:       

где Ка – коэффициент амплитуды,  Ка =0,45.

              Для исключения возможности попадания бросков перенапряжения на закрытые тиристоры дополнительно, в параллель шунтирующим резисторам, подключаются демпфирующие цепочки  Rд,Cд.  Значение емкости определяется по формуле:

где ω - угловая частота,  ω = 314   1/с;

      k - коэффициент неравномерности распределения напряжения, k = 0,9;     

     Iоб - паспортные параметры тиристоров, соответственно В, мА.

              Исходя из опыта проектирования и эксплуатации полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций, параметры демпфирующей цепочки рекомендуется выбирать в пределах  Rд = 20…40 Ом, Сд = 0,25…2 мкФ.

         Мощность резистора демпфирующего устройства выбирается в пределах Рд = 10…15Вт

      Принимаем: Rд= 25 Ом, Рд  = 15  Вт.

Конденсатор выбирается на рабочее напряжение

6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

6.1. Расчитаем угол коммутации

6.2. Расчет тока короткого замыкания.

Будем считать, что пробой тиристорного плеча произойдет в конце периода коммутации. Импульсы управления будут блокироваться до очередной коммутации. Произойдет короткое замыкание между фазами A и C через неповрежденный вентель VS2 и поврежденный VS6. Ток короткого замыкания можно определить по следующей зависимости:

,

где Im - значение тока к.з. на выводах вторичной обмотки трансформатора выпрямителя;

ψ – начальная фаза ЭДС в момент короткого замыкания;

φ = arctg(Xa/Ra).

Подставляя значения получаем закон изменения тока к.з.:

7.      ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

7.1. Моделирование в Simulink

Пользуясь средствами MatLab Simulink смоделируем трехфазный мостовой управляемый выпрямитель. Изображенная на рис.7. виртуальная лабораторная установка содержит:

1.      Источник трёхфазного синусоидального напряжения.

2.      Трёхфазный трансформатор (Transformer).

3.      Тиристоры (VS).

4.      Активно-индуктивную нагрузку (R, L).

5.      Измерители мгновенных токов в источнике питания  и нагрузке.

6.      Измеритель мгновенного напряжения на нагрузке.

7.      Систему управления с генератором управляющих импульсов (Synchronized 6-Pulse Generator).

8.      Блоки для измерения тока сети и нагрузки и напряжения на нагрузке (Fourier).

9.      Блок для наблюдения осциллограмм токов и напряжений (Scope).

10. Блоки для измерения токов и напряжений (Display).

Рис. 7 Виртуальная модель трехфазного мостового управляемого выпрямителя.

С помощью блока Scope можно просмотреть осциллограммы токов и напряжений в различных элементах схемы, которые изображены на Рис.8 и

Рис. 9 при угле управления α = 5º и α = 21º соответственно.

4