Введение

В настоящее время в сетях передачи тока используется переменный ток частотой 50 Гц. Многие потребители электрической энергии, нуждающиеся в другом виде тока, на собственных электроустановках производят преобразование получаемого от энергетических систем тока в необходимый им вид.

Сейчас около 30% всей вырабатываемой в Российской Федерации электроэнергии преобразуется из энергии трёхфазного переменного тока преимущественно в энергию постоянного тока. Для этой цели применяются электрические преобразователи, основными элементами которых являются управляемые и неуправляемые электронные приборы.

Полупроводниковые приборы имеют ряд преимуществ как перед электровакуумными, так и перед и газоразрядными вентилями. Они компактны, имеет во много раз меньшие габариты и массу при равных токах. Падение напряжения в этих приборах мало зависит от тока, что обусловливает высокий к.п.д. преобразователей и возможность применения воздушного охлаждения в широком диапазоне токов вентилей.

В настоящее время на электроподвижном составе существуют два основных способа регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям: за счет изменения момента открытия вентилей выпрямителя (электровозы ВЛ80 р, ВЛ85), а так же посредствам изменения подаваемого со вторичной обмотки трансформатора переменного напряжения (ВЛ80с, ВЛ80т).

Целью курсовой работы является расчет управляемого преобразователя, предназначенного для плавного регулирования напряжения на тяговом двигателе.

Данный курсовой проект содержит общие сведения для расчета преобразовательных устройств и анализа происходящих в них электромагнитных процессов. Все это послужит базой для проектирования выпрямительно-инверторных преобразователей электроподвижного состава.

1. Расчет исходных данных для проектирования трансформатора

1.1 Определяем углы коммутации ₁ и ₂:

Для расчета принимаем

рад

Угол сетевой коммутации ₂ определим по формулам:

,

где I_d – ток нагрузки, I_d = 1150 А;

I_dн – номинальный ток нагрузки, I_dн = 1150А;

u_к – относительное значение напряжения короткого замыкания, u_к = 0,13

₂ = arccos (cos ₂) рад

Отсюда:

Подставляя, числовые значения в формулу получаем:

₂ = arccos (0,909) = 0,429 рад

Угол фазной коммутации ₁ определим из выражения:

Получим:

рад

Определяем амплитудное значение Е_2т и действующее значение Е₂ ЭДС вторичной обмотки трансформатора

Условие получения заданного выпрямленного напряжения при номинальном режиме U_dн:

Принимаем: =р, при I_d = I_dн

Величина Е_2т определяется из условия по формуле:

,

где U_dн – номинальное выпрямленное напряжение, U_dн = 1050В:

Находим действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора по формуле:

Определяем коэффициент трансформации трансформатора К_Т

,

где Е₁ – ЭДС первичной обмотки трансформатора, В

Принимаем, что ЭДС первичной обмотки Е₁ равна напряжению питания U:

Е₁ = U₁ = 25000 В

Подставим в формулу получим:

Определяем токи первичной и вторичной обмоток трансформатора в номинальном режиме

Токи обмоток рассчитываются для значения угла регулирования

Найдем ток:

Действующее значение тока первичной обмотки рассчитывается по формуле:

Найдем ток:

Определяем типовую мощность трансформатора в номинальном режиме.

Подставляя числовые значения в формулу получаем:

ВА

2. Расчет и построение кривых тока протекающих через вентили во время коммутации

2.1 Определяем токи во время сетевой коммутации

Токи протекающие, через вентили VD1 и VD2 во время сетевой коммутации ₂ определяются по формулам:

Подставляя числовые значения в формулы, приведенные ниже формулы, получаем значения с интервалом времени t₁, представленные в таблице 1

Результаты расчётов заносим в таблицу 1

Таблица 1 Токи во время коммутации

Рисунок 1. Диаграмма сетевой коммутации

2.2 Определяем токи фазной коммутации

Рассчитаем несколько значений i_vs1 и i_vs2 с интервалом времени t₂:

Результаты расчётов по формулам заносим в таблицу 2

Таблица 2 Токи во время фазной коммутации

Рисунок 2 Диаграмма фазной коммутации

3. Расчет и построение характеристик выпрямителя

3.1 Расчет внешней характеристики выпрямителя

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения U_d от тока нагрузки I_d при постоянном угле регулирования

Расчет производим для трех значений угла .

Расчёты производим по формуле:

Это выражение представляет собой уравнение прямой линии, поэтому для построения каждой внешней характеристики достаточно две точки

= ₂ при I_d = 0

1 = ₂ при I_d = I_dн

= _р при I_d = 0

= _р при I_d = I_dн

3.1.3 = 1,4_р при I_d = 0

= 1,4_р при I_d = I_dн

Рисунок 3. Диаграмма внешней характеристики выпрямителя

3.2 Расчёт регулировочной характеристики выпрямителя

Расчёт производится по формуле для заданных значений угла регулирования _р при I_d = 0 и I_d = I_dн

Результаты расчётов заносим в таблицу 3

Таблица 3 – Значения регулировочных характеристик выпрямителя

Рисунок 4. Регулировочная характеристика

4. Выбор вентилей выпрямительной установки

Определяем число параллельно включенных ветвей вентилей

При включении в плече выпрямителя n_пар параллельных ветвей максимальный удельный ток короткого замыкания, проходящий через один вентиль рассчитывается по формуле:

Выразив получим:

,

где I_удпасп – ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии, А

К_Н – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по ветвям, К_Н = 0,9;

I_КУД – ударный ток в момент возникновения короткого замыкания, А.

Ударным током называется амплитудное значение тока в диодах, которое достигается в момент t = (t = 0,01 сек.) и рассчитывается по формуле:

где z – общее сопротивление контура короткого замыкания, Ом;

– угол сдвига между током короткого замыкания и напряжением вторичной обмотки трансформатора;

– постоянная составляющая контура короткого замыкания, t = 0,01 с

Общее сопротивление z находим по формуле:

,

где R_T – активное сопротивление, Ом;

X_T – индуктивное сопротивление, Ом

Активное сопротивление R_T находим по заданной величине мощности потерь короткого замыкания P_КЗ, которое определяется как 6–7% от типовой мощности трансформатора.

P_КЗ = 0,06S₁, ВА

P_КЗ = 0,061350000=81000ВА

,