Projekt z Energoelektroniki

Temat: Zaprojektować prostownik, dobrać silnik prądu stałego i transformator do napędu przemysłowego

Wykonał :

Kirc Grzegorz

IV EDP

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

Dane:

Moc obiektu: P_N = 25 kW

Zakres prędkości obrotowej n₁-n₂ = 720-1000 obr/min

Charakter pracy odbiornika jednokierunkowy ze stałym momentem

obrotowym

Napięcie znamionowe sieci zasilającej U_n = 6 kV , f = 50 Hz

Moc zwarciowa sieci zasilającej S_z =150 MVA

1.Wybór rodzaju przekształtnika.

Ze względu na moc obiektu P_N = 25 kW i charakter pracy odbiornika (duży zakres obrotów) dobieram przekształtnik 6T

Schemat układu przekształtnika:

Dane katalogowe :

m = 6

b = 0,5

ω_N = 0,042

λ = 0,955

= 0,741

= 0,216

k_sv =
= 1,05

2. Dobór silnika prądu stałego.

Warunki doboru silnika:

n_Nsil n_Nmax

M_Nsil M_max

P_Nsil P_max

U_Nsil < U_do

n_min = 720 obr/min

n_max = 1000 obr/min

P_N = 25 kW

M_min =

M_max =

P_max =

Na podstawie powyższych wielkości dobierano silnik z katalogu Kt518, SWW 1111-51 TYP PZb 94b o danych znamionowych:

Dane rechniczne silnika budowy zamkniętej IP44 typu PZb 94b przy zasilaniu z przekształtnika tyrystorowego 3-fazowego gwiazdowego lub 3-fazowego mostkowego.

Moc: P_N = 37,5 KW

Moment obrotowy: M_N = 36,6 Nm kG = 359 Nm

Moment zamachowy M_N = 8,9 kGm²

Prędkość obrotowa: n_N = 1000 obr/min

Prąd I_N = 94 A

Napięcie: U_N = 440 V

Masa: M = 870 kg

Wyznaczenie parametrów dobranego silnika:

Obliczenie sprawności silnika gdyż nie została podana w katalogu:

Dla silnika obcowzbudnego przy stałym prądzie wzbudzenia słuszna jest zależność:

ponieważ
=const
stąd również wynika iż I_a = const

3.Dobór transformatora zasilającego.

W oparciu o dane znamionowe silnika i wytyczne, co do doboru transformatora zamieszczone w danych tablicowych „Projektowanie przekształtników tyrystorowych” zdecydowałem się na transformator:

Transformator o danych znamionowych:

Typ TNOSI

S_N= 250 [ kVA ]

U_1N = 6,3 [ kV ]

U_2N = 400 [ V ]

Napięcie zwarcia: U_z% = 4,5 %

Straty w rdzeniu: P_Fe = 550 [ W ]

Straty w uzwojeniu: P_Cu = 3000 [ W ]

Prąd stanu jałowego: I_0r = 2 %

Układ połączeń: Dy5

Parametry schematu zastępczego transformatora:

-przekładnia zwojowa

- przekładnia napięciowa

x_z^'- reaktancja zwarciowa transformatora przeliczona na stronę wtórną .

x_s- reaktancja sieci

L_k- indukcyjność komutacyjna

R_k- rezystancja komutacyjna

-prąd magnesowania

4. Obliczanie kątów wysterowania tyrystorów w celu uzyskania wymaganych prędkości

Napięcie wyprostowane przekształtnika 6T

U_do =

Napięcie musi zmieniać się w zakresie od 320 V do 432V. W celu uzyskania takiej zmiany napięcia musimy zastosować zakres zmiany kąta wysterowania :

Aby ograniczyć prąd rozruchu do wartości
dobrano kąt wysterowania
.

5. Dobór tyrystorów.

Manitius i inni: „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”

a.)Określenie klasy prądowej tyrystora czyli szczytowego prądu przewodzenia;
warunek uwzględniający niesymetryczność prądów

- warunek uwzględniający najgorsze warunki pracy

b.) Określanie klasy napięciowej tyrystora;

- współczynnik bezpieczeństwa

Manitius i inni: „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”

U_DRM - powtarzalne szczytowe napięcie w kierunku blokowania.

U_RRM - powtarzalne szczytowe napięcie w kierunku wstecznym.

k_b- współczynnik bezpieczeństwa w praktyce dobiera się jego górną granice.

Na podstawie tych wielkości dobieram tyrystor.

Tyrystor typu: T00-80 lub (T01-80)

Dobieramy tyrystor na podstawie wyżej obliczonych parametrów

T00-80 lub (T01-80)

Dane:

U_DRM = U_RRM = 1500 V

U_RSM = 1800 V

I_DRM = I_RRM = 10 mA

I_T(RSM) = 125 A

I_L = 600 mA

I_H = 140 A

I_TSM = 1450 A

I²⋅t = 10 500 A²s

U_TM = 2,2 V

t_q = 100μS

t_gt = 7 μS

7. Dobór radiatora (zgodnie z zaleceniem katalogu tyrystorów)

Radiator powietrzny typu RP 572 wykonany ze stopu aluminium metodą wytłaczania wypływowego.

Dane techniczne:

Masa : 0,9[kg]

Wymiary : 102 × 102 × 127 [mm]

1. Sprawdzenie doboru radiatora.

• Warunek który musi być spełniony

• R_thra> R_tha

rezystancja cieplna radiatora rezystancja cieplna tyrystora

T_j - temperatura złącza - 40 do 125,

T_a - temperatura otoczenia T_a =30 ^oC

P - moc odczytana z wykresu P = f(I_TV) i wynosi 80 W (katalog produktów półprzewodnikowych Kt 977/1 .

R_tha > R_thra warunek jest spełniony, ponieważ minimalna wartość R_thra =0.17 ^oC/W a maksymalna wynosi R_thra =0.27^oC/W

0.717 > (0.17 do 0.25)

8. Sprawdzenie warunku, doboru dławika sieciowego.

Żyborski” Zabezpieczenia diod i tyrystorów”

<

=
=
<

Warunek na stromość prądu jest spełniony, więc nie stosujemy dławika sieciowego.

9. 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;

a.) Dobór dławika ze względu na ograniczenia składowej zmiennej prądu wyprostowanego.

L_Dł = L_S - L_O

L_O -indukcyjność odbiornika (silnika)

L_S - całkowita indukcyjność obwodu

L_O = L_SIL + L_k

- Współczynnik, którego wartość zależy od tego czy silnik jest skompensowany czy nie. W naszym przypadku wynosi
= 0,25 (dla skompensowanego).
= 0,6

w₁ - falistość prądu od 0,04 do 0,1 przyjmujemy 0,08.

q = 6

D - wskaźnik tłumienia, uwzględniający wpływ liczby taktów układu i kąta wysterowania na amplitudy i częstotliwości wyższych napięć - odczytujemy z wykresu D = f(
)

D = 0,05 (Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych” str.81)

Kryterium I

=

Kryterium II

F - współczynnik granicy prądów przerywanych F od wysterowania przekształtnika i liczby taktów układu - odczytujemy z wykresu F = f(
)

F = 0,3

Ponieważ L_Dł>L_Dł2 ⇒ L_s= 9,01[mH]

L_o = L_sil - L_k =1,87 ⋅ 10^-3 - 89,73 ⋅ 10^-6 = 1,78[mH]

L_dł = L_s - L_o = 9,01 ⋅ 10^-3 - 1,78 ⋅ 10^-3 = 7,23 [mH]

Moc pozorna dławika

10. Dobór zabezpieczeń.

a) Dobór zabezpieczeń od przepięć łączeniowych - z wykorzystaniem tłumików RC wyłączonych bezpośrednio do obwodu zasilania .

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

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

Obl. energii pola magnetycznego zgromadzonej w transformatorze.

Warunek doboru pojemności obwodu zabezpieczającego:

Warunek doboru pojemności obwodu zabezpieczającego.

U_pocz - napięcie początkowe na kondensatorze

- najbardziej niekorzystny warunek

Pojemność kondensatora w zabezpieczeniu (Tabela 3,2 zbiór zadań z energo. Str 50)

Rezystancja rezystora w zabezpieczeniu (Tabela 3,2 zbiór zadań z energo. Str 50)

Sprawdzanie przekroczenia dopuszczalnej stromości napięcia na tyrystorze.

= 2 ^. 89,73 = 179,46 ^. 10^-6[H]

Dobór rezystora według typoszeregu rezystorów szereg E24.

Katalog „Rezystory” W-wa 1976;ciąg E24 rezystorów (lub, R197 z www.nikomp.com.pl/cgibin/ jak również kondensatory)

Moc rezystora w zabezpieczeniu.

b) Dobór zabezpieczeń od przepięć komutacyjnych.

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

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

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

U_R - napięcie wsteczne tyrystora w czasie komutacji

Największa wartość wystąpi, gdy

Obliczam stromość prądu wstecznego podczas komutacji.

Obliczam szczytową wartość prądu przejściowego I_RRM ze wzoru:

Obliczam największy dopuszczalny współczynnik przepięcia komutacyjnego.

-współczynnik bezpieczeństwa napięciowego (przyjmuję 1,25)

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

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

( rys. 3.66 - Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

A = 0,65

b = 0,25

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

(Żyborski wzór 5.1)

- największa szczytowa powtarzalna dopuszczalna wartość prądu

( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

- warunek nie jest spełniony (wyliczona wartość rezystancji jest dobra)

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

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

Według typoszeregu rezystorów i kondensatorów dobieram:

C =

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

Sprawdzenie stromości napięcia przy włączaniu prostownika do sieci.

- warunek spełniony

Znamionowe napięcie na kondensatorze.

7. Moc rezystora.

k- współczynnik charakteryzujący układ

k = 3 - dla układów trójfazowych

c) Dobór zabezpieczeń od zwarć.

(Manitius „Projektowanie przekształtników tyrystorowych”)

( Żyborski „ Zabezpieczenia diod i tyrystorów”)

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

1. Warunki doboru bezpiecznika.

Bezpieczniki będą włączone przy każdym tyrystorze.

- prąd płynący przez tyrystor

- dopuszczalny prąd skuteczny tyrystora określany według katalogu

n = 3 - liczba gałęzi zawierających tyrystory

ψ = 120° - kąt przewodzenia tyrystora w układzie trójfazowym

Wstępny dobór bezpiecznika na podstawie katalogu.

Typ D 02 ULTRA-QUICK^®

I_BN = 63 [A] - prąd znamionowy

U_BN = 400 [V] - napięcie znamionowe max.

I₁ = 50 [kA] - wyłączalny prąd zwarcia

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

I₁ =50 [kA] wyłączalny prąd zwarcia odczytany z ch-ki I_o =f(I_K);

Obliczenie współczynników uwzględniających rzeczywiste warunki pracy bezpiecznika.

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.

Sprawdzenie warunku:

- warunek spełniony

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) =

I_T(RMS) - wartość skuteczna prądu przeciążeniowego tyrystora

I_TSM - niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia

t₁ = 20ms

t₂ = 0,2s

I_T(0V) =1050[A]

I_TSM =1450 [A]

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

czas	Tyrystor	Bezpiecznik
	IT(RMS) [A]	IRMS [A]
20ms	725	350
0,2s	522	220

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

- odczytane z wykresu zamieszczonego w danych katalogowych dla bezpiecznika.

- warunek spełniony

Wykaz dobranych elementów:

- silnik budowy zamkniętej typu PZb6 - 9 (IP-44)

- transformator typu TNOSI - 400/6,5

• 6 × tyrystor typu T00-80 lub TO1-80

• 6 × radiator powietrzny typu RP 572

• dławik wygładzający w obwodzie stałoprądowym
  

• 6 × C₁ = 1,55 [μF]

• 6 × R₁ = 13[Ω]

• 6 × C₂ = 220 [nF]

• 6 × R₂ = 24 [Ω]

• 6 × bezpiecznik typu D 02 ULTRA-QUICK^®

LITERATURA

1. Pr. zb. „ Projektowanie przekształtników tyrystorowych”

2. Tunia H „Energoelektronika”

3. Barlik R „Technika tyrystorowa”

4. Czajkowski A „Napęd tyrystorowy prądu stałego”

5. Żyborski J „Zabezpieczenia diod i tyrystorów”

6. Katalogi:

Transformatory mocy

Silniki prądu stałego

Półprzewodnikowe przyrządy mocy i urządzenia energoelektroniczne

Schemat układu.

T1

T2

T3

B

B

B

B

B

B

R2

R2

R2

R2

R2

R2

C2

C2

C2

C2

C2

C2

L_D

R_a

L_tw

E

R1

R1

R1

C1

C1

C1

T4

T6

T5

Tr

L₃

L₁

L₂

I_GT = 150mA

U_GD = 0,25 V

U_GT = 3 V

I_FGM = 4 A

U_RGM = 5 V

P_GM = 16 W

P_G(AV) = 3W

R_thjc = 0,35 ⁰C/W

R_thcr = 0,12 ⁰C/W

T_jmin - T_jmax = -40 ...+ 125 ⁰C

T_Stg = -40 …+125 ⁰C

Radiator typu

RP - 127

k_s1 =
=1,05

= 0,333

= 2,09

Ψ = 120

= 1,05

Układ możliwych połączeń transformatora:

Dd0,YY0, Yd5, DY5

---