Разработка ветроэнергетической установки

Именно простотой процесса управления и наличием технических средств управления (электромеханические, ионные, а затем полупроводниковые преобразователи) обусловлено преимущественное применение регулируемых электроприводов постоянного тока. При том, что ДПТ из-за наличия коллектора и щеточного узла значительно дороже и сложнее в эксплуатации, чем двигатели переменного тока.

Основной схемой преобразования в электроприводе является трехфазная мостовая (обоснование выбора такой схемы описано в разделе 3).

Преимущества УП, выполненных таким образом, – отсутствие вращающихся машин, не требуют обслуживания, имеют высокое быстродействие. Недостатки – низкий коэффициент мощности сosα ≈ cosφ, искажение напряжения питающей сети, трудно компенсируемое при значительных мощностях, необходимость в двух комплектах вентилей для работы в четырех квадрантах, необходимость в сглаживающих и уравнительных реакторах, утяжеляющих конструкцию. [9]

Система тиристорный преобразователь-двигатель (система ТП-Д) является штатным техническим решением практически везде, где используется электропривод постоянного тока. Схема электрическая принципиальная системы тиристорный преобразователь - ДПТ независимого возбуждения представлена на рис. 2.11. Для питания цепи обмотки возбуждения ДПТ применяется однофазный мостовой выпрямитель, выполненный на диодах.

Рисунок 2.11 – Схема электрическая принципиальная системы управляемый выпрямитель – двигатель постоянного тока независимого возбуждения

2.7.1 Электромагнитные процессы в СПП электропривода имитатора ветротурбины

При рассмотрении механических характеристик предполагалось, что преобразователь всегда работает в режиме непрерывного выпрямленного тока (тока якорной цепи) – диаграмма тока на рис. 2.12, а. Фактически же при малых моментах нагрузки на валу двигателя в кривой выпрямленного тока i появляются разрывы и ток становится прерывистым (рис, 2.12, в). Рисунок 2.12, б относится к граничному случаю.

Рисунок 2.12 – Диаграммы выпрямленного напряжения и тока при различных режимах: а) – непрерывный; б) – граничный; в) – прерывистый

Цепь выпрямленного тока содержит активные сопротивления Rя (якорной цепи двигателя и сглаживающего дросселя) и Rtp (трансформатора), а также соответствующие индуктивности Lя и Lтр. Пренебрежем для. простоты значениями Rтр и Lтр. Тогда кривая мгновенных значение выпрямленного напряжения Ud на выходе преобразователя будет определяться отрезками синусоид фазовых ЭДС трансформатора (рис. 2.12, а в), т. е. Ud = ed.

При указанных допущениях на участке работы одного вентиля преобразователя для цепи выпрямленного тока справедливо следующее уравнение электрического равновесия:

                                                                        (2.18)

где Е – ЭДС якоря, которую за время работы одного вентиля можно считать постоянной;

 – скорость изменения мгновенного значения выпрямленного тока;

 – ЭДС самоиндукции, наводимая в обмотках якоря двигателя и сглаживающего дросселя.

В соответствии с уравнением (2.18) на рис. 2.12, а – в построены диаграммы изменения во времени тока и напряжений силовой цепи преобразователь — двигатель.

В режиме непрерывного тока (рис. 2.12, а) после открывания очередного вентиля он воспринимает весь ток нагрузки (Iнач, поскольку ed > Е). Далее ток I возрастает до тех нор, пока ed станет больше суммы . При этом

А ЭДС самоиндукции направлена навстречу току и определяется согласно уравнению (2.18) как:

                                                                     (2.19)

По мере уменьшения разницы между ed и Е скорость возрастания тока  и ЭДС самоиндукции уменьшаются и становятся равными нулю в точке а, в которой . Начиная с этой точки , а затем и . Следовательно, после точки а ток I будет уменьшаться и , но при этом ЭДС самоиндукции изменит свой знак и, складываясь с ed, обеспечит протекание тока в прежнем направлении, поскольку . При больших значениях момента нагрузки на валу двигателя, т. е. при больших средних значениях I выпрямленного тока, электромагнитной энергии, запасенной в индуктивности Lя при , оказывается достаточно для того, чтобы при отдаче этой энергии на участке  сохранить к концу интервала проводимости вентиля 2π/q*m значение тока i = iнач. Затем вступит в работу следующий вентиль и т. д.

С уменьшением нагрузки двигателя угловая скорость его и ЭДС Е возрастают, а средний ток I и значение iнач уменьшаются. Наконец, при токе I = Iгр наступает такой режим, когда длительность протекания тока через вентиль по-прежнему остается равной 2π/q*m; но в начале и в конце интервала проводимости i = 0. Такой режим называется граничный (рис. 2.12, б).

В режиме непрерывного тока среднее значение выпрямленной ЭДС Еп определяется при α = const выражением:

                                                                         (2.20)

Дальнейшее уменьшение нагрузки на валу двигателя приводит к тому, что скорость и ЭДС Е двигателя при том же значении α еще более возрастают, а ток I становится меньше Iгр. В этом случае электромагнитной энергии, запасаемой в индуктивности Lя при , будет недостаточно для поддержания тока в течение всего интервала 2π/q*m, и ток i принимает нулевое значение раньше, чем откроется очередной вентиль (рис. 2.12, в). Ток становится прерывистым. В этом режиме в течение промежутка 2π/q*m–λ ток равен нулю. При этом напряжение на выходе преобразователя равно ЭДС двигателя Е, а вращение двигателя поддерживается за счет энергии, запасенной в движущихся массах привода.

Влияние режима прерывистого тока сводится к увеличению среднего значения выпрямленного напряжения на нагрузке по сравнению с режимом непрерывного тока. При уменьшении тока нагрузки ЭДС двигателя стремится к максимальному значению выпрямленной ЭДС edmax, которая зависит от угла регулирования α. В режиме прерывистого тока двигатель ведет себя как конденсатор, запасая энергию на участках, где протекает ток, и расходуя ее, когда ток равен нулю.

Ширина зоны прерывистых токов, т. е. значение Iгр, зависит от суммарной индуктивности цепи выпрямленного тока Lя + Lтр и угла α:

                                                   (2.21)

Обычно благодаря наличию сглаживающего дросселя зона прерывистых токов, особенно для многофазных схем выпрямления, достаточно мала. В большинстве случаев значение Iгр max при α = 90o меньше, чем минимальный ток Imin эксплуатационной нагрузки двигателя.

3 РАСЧЕТ СИЛОВОГО БЛОКА ИМИТАТОРА ВТ

Необходимо спроектировать выпрямитель для обеспечения управления двигателем постоянного тока типа П42 с током не более номинального тока якоря и обеспечить длительную работу с номинальным моментом (током) при номинальной скорости вращения с постоянным потоком возбуждения. Параметры двигателя: Рн = 7400 кВт, Uян = 257 В, nн = 3000 об/мин. Допустимые пульсации тока якоря не более 7 % Idн. Обмотка возбуждения UB = 220 В. Требуется определить параметры сетевого трансформатора, параметры вентилей выпрямителей якорной цепи и обмотки возбуждения, параметры сглаживающих дросселей выпрямителей.

Проектирование нового выпрямителя содержит два качественно различных этапа.

1. Этап структурного синтеза, на котором определяется структура (принципиальная схема) выпрямителя.

2. Этап параметрического синтеза, на котором рассчитываются параметры элементов выбранной структуры (принципиальной схемы) выпрямителя. [13]

3.1 Выбор схемы выпрямителя (этап структурного синтеза)

Формальных (математических) методов синтеза структур вентильных преобразователей по требованию задания пока в силовой электронике практически нет, хотя исследования в этом направлении проводятся. Поэтому процедура синтеза схемы выпрямителя сводится к процедуре ее выбора из множества известных на основании знания их свойств. Таким образом, необходима база данных по схемам выпрямителей. В тех случаях, когда не удается выбрать подходящую схему выпрямителя из числа известных, потребуется или изобретение новой схемы, или корректировка задания на проектирование выпрямителя.

На рис. 3.1 дан пример алгоритма выбора схемы выпрямителя исходя из трех заданных параметров выхода выпрямителя (Pd0, Ud0, Id) с учетом в векторе свойств схемы только двух компонентов: использования типовой мощности трансформатора и использования вентилей по обратному напряжению.

Рисунок 3.1 – Алгоритм выбора схемы выпрямителя

В соответствии с заданием на проектирование и алгоритмом выбора схемы выпрямителя по рис. 3.1 наш выпрямитель должен быть трехфазным (Pd0 = 7400 кВт) и двухполупериодным (мостовая схема), так как требуется достаточно высокое выпрямленное напряжение. Выпрямитель обмотки возбуждения также трехфазный, но в связи с невысоким значением выпрямленного напряжения может быть выполнен по однополупериодной схеме. Поскольку коэффициенты преобразования по напряжению выбранных схем выпрямителей различаются в два раза и их требуемые выпрямленные напряжения также различаются в два раза, возможен вариант питания обеих схем от одной системы вторичных обмоток трансформатора.

3.2 Расчет параметров элементов схемы управляемого выпрямителя (этап параметрического синтеза)

На рис. 3.2 представлена упрощенная схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя для расчета параметров основных элементов.

Рисунок 3.2 – Упрощенная схема трехфазного управляемого выпрямителя

Напряжение питающей сети по стандарту на качество электрической энергии может максимально отклоняться от номинала до ±10%. Поэтому необходимо обеспечить номинальное выпрямленное напряжение и при минимально возможном напряжении сети, при этом угол регулирования α в выпрямителе рационально иметь равным нулю. Тогда, учитывая, что Uя.н. = Ud0, имеем:

                                                            (3.1)

полагая, что обмотки трансформатора будут соединены по схеме звезда звезда и коэффициент трансформации входного трансформатора:

                                                                   (3.2)

Среднее значение анодного тока вентиля:

                                                                           (3.3)

Действующее значение анодного тока вентиля:

                                                                 (3.4)

Выбираем тиристор по среднему значению анодного тока с учетом того, что здесь коэффициент амплитуды Ка=2, а рабочее обратное напряжение должно выбираться по формуле:

                                               (3.5)

где – расчетное обратное напряжение, равное амплитуде линейной Э.Д.С. трансформатора при максимальном напряжении питающей сети;

ККП=1,4 – коэффициент, учитывающий наличие коммутационных перенапряжений;

КЗ=1,1 – коэффициент запаса;

Кр=0,8 – коэффициент рекомендуемого соотношения между рабочим и допустимым повторяющимся напряжением на вентиле.

Это тиристор Т132-50, имеющий следующие параметры: динамическое сопротивление в открытом состоянии – Rдин = 4,6 мОм, пороговое напряжение – U0 = 1,03 В, максимально допустимая температура перехода – Тjm =125 оС. [15] Действующее значение вторичного тока трансформатора:

                                                        (3.6)

Действующее значение первичного тока трансформатора:

                                                (3.7)

Расчетная мощность обмоток трансформатора:

                            (3.8)

По справочным данным выбираем трансформатор типа ТСЗ-10/0,38. который имеет следующие параметры:

- номинальная мощность S = 10 кВА;

- номинальная частота f = 50 Гц;

- потери холостого хода Рх.х. = 650 Вт;

-потери короткого замыкания Рк.з. = 250 Вт;

- ток холостого хода Iх.х. = 7,5%;

- напряжение короткого замыкания Uк.з = 3,5%.

Через эти параметры трансформатора определим нужные нам параметры элементов Т-образной схемы замещения трансформатора.

Модуль полного сопротивления короткого замыкания трансформатора:

                                                        (3.9)

Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к первичной стороне:

                                                         (3.10)

Реактивное сопротивление рассеивания обмоток трансформатора, приведенное к первичной стороне:

                                     (3.11)

Тогда то же сопротивление, приведенное ко вторичным обмоткам трансформатора и называемое уже анодным сопротивлением Ха, будет равно:

                                                               (3.12)

                                                           (2.13)

3.2.1 Проверка вентилей по тепловому режиму

Проверяем тепловой режим выбранного вентиля по усредненной температуре полупроводниковой структуры:

                                                                (3.14)

где  – температура полупроводниковой структуры в стационарном режиме, оС;

 – температура окружающей среды, 40 оС;

 – тепловое сопротивление прибора и охладителя для выбранных условий охлаждения, оС/Вт;

 – мощность потерь в вентиле, Вт;

– максимально допустимая температура полупроводниковой структуры выбранного вентиля, оС.

Определим потери в вентиле:

(3.15)

где U0 =1,03 – пороговое напряжение вентиля, В;

Iа = 13,26 – среднее значение анодного тока вентиля, А;

Кф =  – коэффициент формы анодного тока вентиля;

Rд = 4.6*10-3 – дифференциальное сопротивление вентиля, Ом.

Охладитель выбираем типа О231-80, у которого тепловое сопротивление равно

= 0,2 оС/Вт

Тепловое сопротивление вентиля и охладителя с естественным охлаждением определяется таким образом:

r т = r1 + r2 + r3,                                                                                 (3.16)

где r1 – тепловое сопротивление переход-корпус прибора, °С/Вт;

r2 – тепловое сопротивление корпус прибора – контактная поверхность охладителя, °С/Вт;

 r3 – тепловое сопротивление охладитель – окружающая среда, °С/Вт.

Общее тепловое сопротивление равно:

rт = 0,5+0,2+0,85=1,55 °C/Вт                                                          (3.17)

Тогда температура структуры в стационарном режиме:

Qст = 40 + 1,55 ·16,35 = 65 °C                                                                  (3.18)

Максимально допустимая температура структуры приведена в справочнике и составляет = 125 °C. Таким образом, сравнивая расчетную и взятую со справочника температуру приходим к выводу, что тепловой режим вентиля нам подходит.

3.2.2 Ограничение коммутационных перенапряжений

При выключении силовых диодов и тиристоров из-за обрыва обратного тока на индуктивности коммутационного контура возникает ЭДС, которая суммируется с коммутирующей ЭДС. Эта ЭДС обычно называется коммутационным перенапряжением. Для ограничения перенапряжения применяются защитные RC – цепочки, включаемые параллельно полупроводниковым приборам.

Для расчета защитной цепочки необходимо знать амплитуду обратного тока защищаемого вентиля и индуктивность контура коммутации, которая в основном определяется реактивной составляющей сопротивления КЗ анодного трансформатора:

                                                      (3.19)

Амплитуда обратного тока вентиля зависит от величины наполненного заряда и скорости уменьшения анодного тока, которая может быть вычислена по формуле:

                            (3.20)

где  – скорость изменения анодного тока;

 – амплитуда коммутирующей ЭДС;

Lk – индуктивность коммутационного тока вентиля.

Для найденного значения скорости изменения анодного тока по зависимостях, приведенных в справочнике, определяем величины заряда и времени обратного восстановления.

Заряд обратного восстановления:

Время обратного восстановления:

Тогда амплитуда обратного тока вентиля равна:

                                                          (3.21)

Вычисляем сопротивление резистора защитной цепи, равное волновому сопротивлению контура.

                                                 (3.22)

Вычисляем емкость защитной цепочки:

                                                         (3.23)

Выбираем значения: Rд = 150 Ом, Сд = 68 нФ.

Мощность, рассеиваемая в резисторе защитной цепи, определяется энергией, запасенной в элементах колебательного контура при включении и выключении вентиля. Эта мощность вычисляется по формуле:

       (3.24)

Таким образом, выбираем следующие элементы:

1.                 Резистор – МЛТ2-0,125-270 Ом10% ОЖО.467.081ТУ;

2.                 Конденсатор – КМ 68 нФ-630 В ОЖО.462.141 ТУ.

3.2.3 Расчет индуктивности сглаживающего реактора

В большинстве случаев переменная составляющая выпрямленного напряжения (пульсация), действующая на выходе выпрямителя, недопустимо велика для потребителей. Сглаживающий фильтр, который включается между выходом выпрямителя и нагрузкой, предназначен для уменьшения пульсации.

Наиболее широко применяются сглаживающие фильтры, состоящие из индуктивности и емкости (типа LC) или из сопротивления и емкости (типа RC).

Все сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания q, который можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра U01~ к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе первого звена U11~:

К сглаживающим фильтрам предъявляются также требования, связанные с конструктивным исполнением (масса, габариты, КПД и т. п.), а также эксплуатационными особенностями (стоимость, надежность). Индуктивный фильтр (L-фильтр) применяется для выпрямителей средней и большой мощности, так как позволяет обеспечить непрерывность тока в цепи нагрузки и благоприятный режим работы выпрямителя. Индуктивный фильтр (рис. 3.3) представляет собой реактор, включенный между схемой выпрямления и нагрузкой. Напряжение на выходе выпрямителя содержит постоянную составляющую Ud и переменную U~. Пренебрегая изменением этих составляющих от нагрузки, можно заменить ими полупроводниковую часть схемы выпрямителя, т. е. считать, что на входе фильтра включены два последовательно соединенных источника напряжения: с постоянной ЭДС Ud и переменной ЭДС U~. Постоянная ЭДС не оказывает влияния на пульсацию, а в качестве переменной ЭДС можно рассматривать только ЭДС основной гармоники пульсации U1m (первой гармоники переменной составляющей), так как они преимущественно определяют коэффициент пульсации.

Рисунок 3.3 – Схема выходного L-фильтра

Индуктивность сглаживающего дросселя может определятся как из условия обеспечения заданного коэффициента пульсаций в токе нагрузки, так и из условия обеспечения заданной ширины зоны прерывистых токов. При проектировании выпрямителя необходимо проверить оба условия и выбрать большее значение индуктивности Ld. [14]

Поскольку амплитуда первой гармоники пульсаций выходного напряжения выпрямителя зависит от угла регулирования, необходимо определить максимальное значение этого угла:

                                          (3.25)

где U2 min – минимальное выпрямленное напряжение;

αmax – максимальный угол регулирования.

Максимальное значение выпрямленного напряжения:

                     (3.26)

Амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения определяется соотношением:

    (3.27)

где qm – пульсность схемы.

Коэффициент пульсаций выпрямленного тока:

                      (3.28)

где =2/35 – коэффициент пульсаций при α =0.

                      (3.29)

где  – амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного тока.

Требуемая суммарная индуктивность контура выпрямленного тока:

                                    (3.30)

отсюда индуктивность сглаживающего дросселя:

                                 (3.31)

3.2.4Конструктивный расчет сглаживающего реактора

Для получения достаточно хорошей фильтрации, как было показано выше, дроссель фильтра должен иметь достаточную индуктивность. Такую индуктивность можно получить, лишь применяя реактор с сердечником из ферромагнитного материала. Практически все реакторы фильтров выполняются с сердечниками из трансформаторной стали и по своей конструкции мало отличаются от трансформаторов.

Реактор, подобно трансформатору, состоит из сердечника, обмотки, каркаса и деталей, скрепляющих сердечник.

Для малых реакторов чаще всего применяются броневые сердечники таких же типов, что и для трансформаторов, но меньших размеров.

Вследствие того, что через реактор фильтра протекает значительная постоянная составляющая выпрямленного тока, сердечник реактора сильно намагничивается постоянным магнитным потоком. При этом, как известно из электротехники, намного уменьшается магнитная проницаемость материала сердечника. Для уменьшения постоянного подмагничивания сердечника в нем применяется воздушный зазор или зазор какого-либо другого немагнитного материала. Для каждого конкретного случая существует наивыгоднейшая длина зазора в сердечнике, при которой реактор обладает наибольшей индуктивностью.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5