POLITECHNIKA RZESZOWSKA

PROJEKT Z UKŁADÓW

ENERGOELEKTRONICZNYCH

Prowadzący: Wykonał:

Mgr inż. Dariusz Sobczyński Wojtaszewski Wojciech

Grupa: P-13

Temat:

Zaprojektować prostownik i dobrać silnik prądu stałego i transformator do napędu obiektu przemysłowego o podanej mocy znamionowej oraz zakresie zmian prędkości obrotowej.

Dane:

Moc obiektu: P_n = 14 kW

Zakres prędkości obrotowej: n₁- n₂ = 2500 - 3000 obr/min

Charakter pracy odbiornika: jednokierunkowy ze zwrotem energii

stałym momencie obrotowym

Napięcie znamionowe sieci zasilającej: U_n= 15 kV, f = 50 Hz

Moc zwarciowa sieci zasilającej: S_z = 260 MVA

1.Wybór rodzaju przekształtnika.

Po dokonaniu analizy własności, jakie musi spełniać układ zasilający dany obiekt przemysłowy wybrałem przekształtnik trójfazowy mostkowy pełnosterowalny. Układ mostkowy pełnosterowalny spełnia wymagania, co do mocy. Zaletą jego jest mniejsza falistość napięcia wyprostowanego i niższa zawartość wyższych harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci. Wadą tego układu jest większy nakład na urządzenia zapłonowe i zabezpieczające, gdyż jest tu duża liczba sterowanych zaworów. Układ ten jednak zapewnia możliwość zwrotu energii do sieci.

Schemat układu przekształtnika:

Liczba taktów przekształtnika:

q = 6

Współczynnik odkształcenia:

= 0,955

Możliwe układy połączeń:

Falistość napięcia wyprostowanego przy kącie wysterowania i kącie komutacji q=0:

w_n=0,042

Stosunek wartości względnej spadku napięcia wyprostowanego spowodowanego komutacją do wartości względnej napięcia rozproszenia transformatora:

b = 0,50

2.Dobór transformatora zasilającego.

[1] ,,Transformatory i autotransformatory mocy-olejowe ” SWW 1113-2 Warszawa 1975

Transformator musi spełniać następujące wymagania:

Możliwe grupy połączeń:

W oparciu o wytyczne co do doboru transformatora zamieszczone w danych tablicowych „Projektowanie przekształtników tyrystorowych” z katalogu ,,Transformatory i autotransformatory mocy-olejowe ” SWW 1113-2 Warszawa 1975 dobieram

transformator typu TAOa - 400/15 o grupie połączeń Dy5 i mocy znamionowej 400[kVA].

Dane znamionowe: [1] (str.6)

S_N= 400 [kVA]

U_1N = 15,75 [kV]

U_2N = 400 [V]

U_z% = 4,5 %

Grupa połączeń: Dy 5

P_Fe = 1000 [W]

P_Cu = 5,2 [kW]

I_0r = 2 [%]

Izolacja uzwojeń: klasa A

Rodzaje uzwojeń: napięcia górnego - warstwowe

napięcia dolnego - śrubowe

Liczę parametry schematu zastępczego transformatora:

Przeliczenie na stronę wtórną transformatora:

X_s- reaktancja sieci

L_k- indukcyjność komutacyjna

R_k- rezystancja komutacyjna

I_μ - prąd magnesowania

3.Dobór silnika prądu stałego.

[1] „Silniki prądu stałego budowy zamkniętej” SWW 1111-5 Warszawa 1975

Aby silnik mógł prawidłowo współpracować z obiektem musi spełniać następujące warunki:

n_N n_max

P_N P_max

M_N M_max

Określenie kryteriów jakie musi spełniać dobrany silnik prądu stałego

n_min = 750 [obr/min] = n₁

n_max = 900 [obr/min] = n₂

P_Ns ≥ 22,8 [kW]

M_Ns ≥ M_max

n_Ns ≥ n₂

Liczymy wartość napięcia wyprostowanego U_do czyli dla konta wysterowania przekształtnika , wartość ta powinna być co najmniej równa 1,2U_N silnika.

Zatem napięcie znamionowe silnika może być co najwyżej:

W oparciu o powyższe zależności na podstawie katalogu „Silniki prądu stałego budowy zamkniętej” SWW 1111-5 Warszawa 1975 dobrałem silnik Typ PZb 94a, parametry znamionowe tego silnika: [1] (str.36)

napięcie :

moc :

prędkość obrotowa:

prąd:

moment obrotowy:

moment zamachowy:

masa:

Obliczenie sprawności silnika gdyż nie została podana w katalogu:

Wyznaczenie parametrów dobranego silnika:

Dla silnika obcowzbudnego przy stałym prądzie wzbudzenia słuszna jest zależność:

ponieważ
=const z proporcji otrzymujemy:

Zakres zmian napięcia musi zmieniać się w zakresie od U₁ do U₂. W celu uzyskania takiej zmiany napięcia musimy zastosować zakres zmiany kąta wysterowania w zakresie:

Aby ograniczyć prąd rozruchu do:

liczymy kąt wysterowania zaworów przy założeniu:

4.Dobór tyrystorów.

[1] (Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

[2] (Półprzewodnikowe przyrządy mocy i urządzenia energoelektroniczne”

SWW 1156-422 Warszawa 1989 )

1. Określanie klasy napięciowej tyrystora.

U_DRM - powtarzalne szczytowe napięcie w kierunku blokowania

U_RRM - powtarzalne szczytowe napięcie w kierunku wstecznym

- współczynnik bezpieczeństwa (w praktyce dobieramy górną wartość współczynnika
)

(Tabela4.1) [1] (str.71)

2. Określenie klasy prądowej tyrystora (szczytowego prądu przewodzenia).

- warunek uwzględniający niesymetryczność prądów

(Tabela4.1) [1] (str.87)

- warunek uwzględniający najgorsze warunki

pracy

Na podstawie dokonanych obliczeń dobieram z katalogu ,, Półprzewodnikowe przyrządy mocy i urządzenia energoelektroniczne” SWW 1156-422 Warszawa 1989, tyrystoryTyp:T00-80-16 [2] (str.162-163)

Typ : T00-80-16

Dane znamionowe:

I_T(AV)M = 80 [A]

U_DRM = U_RRM = 1600 [V]

I_DRM = I_RRM = 10 [mA]

U_RSM = 1900 [V]

I_T(RSM) = 125 [A]

I_L = 800 [mA]

I_H = 140 [mA]

I_TSM = 1450 [A]

I²⋅t = 10500 [A²s]

U_TM = 2,2 [V]

t_q = 100 [μs]

t_gt = 7 [μs]

(du_D/dt)_crit = 320 [V/ μS]

(di_T/dt)_crit = 50 [A/ μS]

c) Dobór radiatora (zgodnie z zaleceniem katalogu tyrystorów)

Radiator powietrzny typu RT 127 wykonany ze stopu aluminium metodą wytłaczania wypływowego. Są przeznaczone do współpracy z elementami półprzewodnikowymi o konstrukcji śrubowej. [2] (str.401)

Dane techniczne:

Masa : 0,9 [kg]

Wymiary : 102 × 102 × 127 [mm]

Przy obciążeniu granicznym zarówno obudowa tyrystora, jak i linka stanowiąca jeden z zacisków głównych powinny znajdować się w strumieniu powietrza chłodzącego

5.Dobór dławika sieciowego.

( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

<

( Prąd zamyka się przez dwie linie)

=
=
<

Warunek na stromość narastania prądu został spełniony, więc nie stosujemy dławika sieciowego

6.Dobór dławika w obwodzie prądu stałego.!!!!!

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

Dławiki w obwodzie prądu wyprostowanego spełniają następujące zadania:

- ograniczenie składowej zmiennej prądu wyprostowanego;

- ograniczenie zakresu kąta wysterowania, przy którym prąd wyprostowany ma charakter przerywany;

- ograniczenie prędkości narastania prądu wyprostowanego w przypadku przeciążeń i zwarć;

- ograniczenie wartości składowej zmiennej prądu wyrównawczego w układach nawrotnych;

1. Dobór dławika ze względu na ograniczenie składowej zmiennej prądu wyprostowanego.

L_Dł = L_s - L_o

L_o -indukcyjność odbiornika (naturalne indukcyjności zasilanego obwodu wraz z indukcyjnością rozproszenia transformatora)

L_s - całkowita indukcyjność obwodu

L_o = L_sil + L_k

- współczynnik którego wartość zależy od tego czy silnik jest skompensowany czy nie.

= 0,25 - dla silnika skompensowanego

= 0,6 - dla silnika nieskompensowanego

p_n - liczba par biegunów

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

w₁ - falistość prądu od 0,04 do 0,1 (przyjmuję wartość 0,08)

- pulsacja przy częstotliwości sieciowej

- dla minimalnej wartości napięcia

D - wskaźnik tłumienia odczytujemy z wykresu D = f(
)

D = 0,035

L_S =
=

2. Dobór dławika ze względu na kąt wysterowania, przy którym prąd odbiornika ma charakter przerywany.

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

Zakres prądów przerywanych zależy od liczby taktów m, stopnia wysterowania
oraz indukcyjności w obwodzie prądu wyprostowanego.

- dla minimalnej wartości prądu odbiornika

F - współczynnik dla granicy prądów przerywanych odczytujemy z wykresu: F = f(
)

F ≈ 0,25

3. Przyjmuję większą wartość indukcyjności (ze względu na kąt wysterowania przy którym prąd odbiornika ma charakter przerywany)

4. Moc pozorna dławika.

S_Dł = (0,2 ÷ 0,4)^. I_­­²_­­amax ⋅L_Dł

L_o = L_sil + L_k = 7,35⋅10^-3 + 0,055418⋅10^-3 = 7,4 [mH]

L_Dł = L_s - L_o = 2500 ⋅10^-3 - 7,4⋅10^-3 = 2,492 [mH]

S_Dł = (0,2 ÷ 0,4) ⋅ 64,56² ⋅ 2,492⋅10^-3 = (2,07 ÷ 4,15) [VA]

7. Dobór zabezpieczeń.

7.1 Dobór zabezpieczeń od przepięć łączeniowych z wykorzystaniem tłumików RC włączonych bezpośrednio do obwodu zasilania.

[1] (Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

[2] ( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

[3] („Zbiór zadań z energoelektroniki” PWN W-wa 1983)

1. Obliczenie energii pola magnetycznego zgromadzonej w transformatorze.

A_m =
[3] (str.48)

A_m =

2. Warunek doboru pojemności obwodu zabezpieczającego

Pojemność kondensatora obliczeniowego zależy od wartości energii którą musi absorbować i od dopuszczalnego wzrostu napięcia na nim. Warunek doboru pojemności obwodu zabezpieczeniowego uwzględniający wytracenie energii pola magnetycznego w łuku elektrycznym w 50%.

[3] (str.48)

U_pocz - napięcie początkowe na kondensatorze, przyjmujemy wartość najniekorzystniejszą czyli wartość szczytową napięcia po stronie wtórnej transformatora.

U_pocz =

C^'=

3. Pojemność kondensatora w zabezpieczeniu dobiera się w zależności od układu połączeń zabezpieczenia.

( Tabela 3.2 ) [3] (str.50)

C =

Według typoszeregu pojemności kondensatorów dobieram:

4. Znamionowe napięcie na kondensatorze.

[1] (str.138)

5. Rezystancja rezystora obliczeniowego w zabezpieczeniu.

- indukcyjność komutacyjna

widziana od strony przekształtnika. [3] (str.53)

6. Wartość rezystora w zabezpieczeniu dobiera się w zależności od układu połączeń zabezpieczenia.

7. Sprawdzanie przekroczenia dopuszczalnej stromości napięcia na tyrystorze.

Zbyt duża wartość rezystancji mogłaby powodować samoczynne załączanie się tyrystora.

Warunek został spełniony - nie należy stosować obwodu RC włączonego przez prostownik diodowy w układzie mostkowym.

8. Dobór rezystora według typoszeregu rezystorów.

i) Moc rezystora w zabezpieczeniu.

[3] (str.49)

7.2 Dobór zabezpieczeń od przepięć komutacyjnych.

[1] (Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

[2] ( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

[3] („Zbiór zadań z energoelektroniki” PWN W-wa 1983)

a) Obliczam największą wartość napięcia komutacji zależną od kąta sterowania i kąta komutacji.

U_R - napięcie wsteczne tyrystora w czasie komutacji

[2] (str.132)

Największa wartość wystąpi, gdy

b) Obliczam stromość prądu wstecznego podczas komutacji.

3. Obliczam szczytową wartość prądu przejściowego I_RRM ze wzoru:

[2] (str.131)

4. Obliczam największy dopuszczalny współczynnik przepięcia komutacyjnego.

[2] (str.132)

-współczynnik bezpieczeństwa napięciowego (przyjmuję 1,25)

5. Określam wartość względną największego dopuszczalnego skoku napięcia ponad wartość napięcia zasilającego.

[2] (str.132)

6. Dla wyliczonego
   znajduję na podstawie wykresu pary parametrów A i b.

( rys. 3.66 ) [2] (str.134)

A = 1,1

b = 0,3

7. Sprawdzam czy wyliczona wartość rezystancji nie jest zbyt mała pod względem dopuszczalnego udaru prądu I_RCM rozładowania kondensatora C^' przy załączaniu tyrystora.

[2] (str.134)

- największa szczytowa powtarzalna dopuszczalna wartość prądu

- warunek nie został spełniony (wyliczona wartość rezystancji jest za mała)

8. Przeliczam wartości obliczeniowe R^' i C^' na wartości rzeczywiste zgodnie ze wzorami obowiązującymi dla wybranego typu przekształtnika.

C =
[1] (str.137)

Według typoszeregu rezystorów i kondensatorów dobieram:

C =

9. Sprawdzenie czy dobrane według typoszeregu wartości C i R nie powodują zwiększenia względnego podskoku napięcia.

Wyliczam nowe wartości pojemności i indukcyjności obliczeniowych:

Następnie z wykresu odczytuję:

- warunek został spełniony

10. Sprawdzenie stromości napięcia przy włączaniu prostownika do sieci.

- warunek został spełniony

k) Znamionowe napięcie na kondensatorze.

l) Moc rezystora.

[2] (str.135)

k- współczynnik charakteryzujący układ

k = 3 - dla układów trójfazowych

7.3 Dobór zabezpieczeń od zwarć.

[1] (Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

[2] ( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

[3] („Zbiór zadań z energoelektroniki” PWN W-wa 1983)

[4] (Półprzewodnikowe przyrządy mocy i urządzenia energoelektroniczne”

SWW 1156-422 Warszawa 1989 )

[5] Bezpieczniki - katalog firmowy POLAM-PUŁTUSK S.A. na rok 2000;

1. Warunki doboru bezpiecznika.

Bezpieczniki będą włączone przy każdym tyrystorze.

- prąd płynący przez tyrystor

- dopuszczalny prąd skuteczny tyrystora określany według katalogu

[3] (str.61)

n = 3 - liczba gałęzi zawierających tyrystory

ψ = 120° - kąt przewodzenia tyrystora w układzie trójfazowym

2. Wstępny dobór bezpiecznika na podstawie katalogu.

Typ D 02 ULTRA-QUICK^® [5] (str.47)

I_BN = 63 [A] - prąd znamionowy

U_BN = 400 [V] - napięcie znamionowe

I₁ = 50 [kA] - wyłączalny prąd zwarcia

(I²t)_B = 550 [A²s] - parametr przeciążeniowy bezpiecznika (całka cieplna okresu przedłukowego)

3. Obliczanie parametru przeciążeniowego bezpiecznika.

Ponieważ w danych katalogowych bezpiecznika nie ma charakterystyk na wyznaczenie współczynników k_ϕ , k_u , k_i oraz k_t uwzględniających rzeczywiste warunki panujące w obwodzie zwarciowym, do którego dobierany jest bezpiecznik, na podstawie wskazówek zawartych w Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych” i Żyborski ,,Zabezpieczenia diod i tyrystorów” w celu ustalenia wartości impulsu ∫ i²dt przepuszczanego przez bezpiecznik przy zwarciu w całkowitym czasie jego działania przyjmuję współczynnik k = 3 . Współczynnik ten zmienia się w granicach: k
.

[1] (str.132)

4. Sprawdzenie warunku:

- warunek został spełniony

5. Sprawdzenie charakterystyki przeciążeniowej bezpiecznika względem charakterystyki przeciążeniowej tyrystora.

Aby sprawdzić czy charakterystyka przeciążeniowa bezpiecznika leży poniżej charakterystyki przeciążeniowej tyrystora należy przeliczyć wartości maksymalne tyrystora na wartości skuteczne gdyż w tych wartościach podane są parametry bezpiecznika.

- odczytuję na podstawie danych katalogowych tyrystora

I_T(RMS) =
[3] (str.62)

I_T(RMS) - wartość skuteczna prądu przeciążeniowego tyrystora

I_TSM - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia

• t₁ = 20 [ms]

[4] (str.164)

• t₂ = 0,2 [s]

[4] (str.164)

Porównuję obliczone prądy z wartościami I_RMS bezpiecznika odczytanymi z katalogu dla tych samych wartości:

[5] (str.48)

czas	Tyrystor	Bezpiecznik
		IT(RMS) [A]	IRMS [A]
20ms	725	380
0,2s	522	270

Okazuje się, że wartości prądów I_T(RMS) dobranego tyrystora są większe od wartości prądów dla bezpiecznika dla tych samych czasów, czyli ochrona będzie skuteczna.

6. Sprawdzenie warunku na napięcie przebicia (przepięcia) podczas przerwania prądu zwarcia bezpiecznika.

- odczytane napięcie łuku z wykresu zamieszczonego w danych katalogowych dla bezpiecznika.

[5] (str.48)

- warunek został spełniony

1. Schemat układu.

2. Wykaz dobranych elementów.

- silnik budowy zamkniętej Typu PZb6-9 94a

- transformator typu TAOa - 400/15

• 6 × tyrystor typu T00-80-16

• 6 × radiator powietrzny typu RT 127

• dławik wygładzający w obwodzie stałoprądowym
  

• 6 × C₁ = 3 [μF]

• 6 × R₁ = 9,1 [Ω]

• 6 × C₂ = 220 [nF]

• 6 × R₂ = 24 [Ω]

• 6 × bezpiecznik typu D 02 ULTRA-QUICK^® 63 [A]

3. Literatura.

1. Praca zbiorowa „ Projektowanie przekształtników tyrystorowych”;

2. Żyborski J. „Zabezpieczenia diod i tyrystorów” WNT W-wa 1985;

3. Czajkowski A. „Napęd tyrystorowy prądu stałego” Skrypt Politechniki Łódzkiej 1979;

4. Praca zbiorowa „Zbiór zadań z energoelektroniki” PWN W-wa 1983;

5. Tunia H., Winiarski B. „Podstawy Energoelektroniki” WNT W-wa 1980;

6. Barlik R., Nowak M. „Technika tyrystorowa” WNT W-wa 1983;

7. Bajorek Z. „Maszyny elektryczne” Skrypt Politechniki Rzeszowskiej 1997;

8. Katalogi:

SWW 1113-2 „Transformatory i autotransformatory mocy olejowe” WEMA;

SWW 1111-5, „Maszyny prądu stałego” WEMA Warszawa 1975;

SWW1156-422 „Półprzewodnikowe przyrządy mocy i urządzenia

energoelektroniczne” Warszawa 1989;

Kondensatory, rezystory - Lista referencyjna 1985/86,1987/88 „UNITRA”;

Lista referencyjna 1987/88 „MIFLEX”;

Bezpieczniki - katalog firmowy POLAM-PUŁTUSK S.A. na rok 2000;

3

I_GT = 150 [mA]

U_GD = 0,25 [V]

U_GT = 3 [V]

I_FGM = 4 [A]

U_RGM = 5 [V]

P_GM = 16 [W]

P_G(AV) = 3 [W]

R_thjc = 0,35 [⁰C/W]

R_thcr = 0,012 [⁰C/W]

T_jmin ÷ T_jmax = - 40 ÷125 [⁰C]

T_stg = - 40 ÷ 125 [⁰C]

Masa: 125 [g]

---