Надежность систем автоматического управления

  В курсовой работе будет осуществлен расчет, связанный с надежностью нереверсивного тиристорного агрегата по трехфазной мостовой схеме с токоограничивающими реакторами. Схема приведена на рисунке 1.

  Повышение быстродействия и снижение пульсаций в выпрямленном напряжении достигается за счет увеличения числа фаз (т.е. пульсности) схем выпрямления. Так в широко используемых ТП серий ПТ, ЭТ3, ЭТ6, и БТУ-3501 нашли применение трехфазные нулевые, шестифазные нулевые и трехфазные мостовые (рассматриваемые в данном курсовом проекте) схемы выпрямления. Диапазон выходных мощностей этих ТП лежит в пределах от 0,5 до 200 кВт, причем трехфазные мостовые схемы используются в диапазоне от 20 до 200 кВт. Источником первичного напряжения является сеть напряжений 380/220 В. Комплектные тиристорные устройства серий КТУ, КТЭ и тиристорные комплектные преобразовательные агрегаты серий ТРЗ, ТПЗ, ТЕРЗ, ТПРЗ, АТ, АТР выпускались на номинальные токи от 25 до 1600 А и выпрямленное напряжение 230, 345, 460, 660 В. В основу всех данных серий положена трехфазная мостовая схема выпрямления с подключением к сети через токоограничивающий реактора (рис.1) или трехфазный согласующий трансформатор. Трехфазная мостовая схема положена в основу и модифицированных комплектных электроприводов КТЭ с естественным охлаждением тиристоров, заменивших выпускавшиеся до этого агрегаты АТ, АТР, АТВ, АТРВ. Следующее поколение комплектных тиристорных агрегатов той же серии КТЭ расширила диапазон выходных мощностей преобразователей до 12 Мвт. Эти установки выпускаются на токи от 1,6 до 12,5 кА и напряжение 660, 825 и 1050 В.

  

  Рис. 1. Нереверсивный тиристорный агрегат по трехфазной мостовой схеме с токоограничивающими реакторами. 

  2.2. Функциональная схема тиристорного преобразователя. 

  В настоящее время основным видом преобразователей являются управляемые тиристорные выпрямители (далее УТВ). Они вытеснили все остальные виды преобразователей за счет более высокого КПД, отсутствия движущихся элементов, повышенной надежности и более высокой приспособленности к автоматическому регулированию. На выход системы управления (рис.2) выпрямителем (СУВ) поступает управляющее напряжение Uу, где оно преобразуется в соответствующее значение угла открытия тиристоров α. Изменение α ведет к регулированию выходного напряжения тиристорного блока Ud. Кривая выпрямленного напряжения Ud(ωt) может содержать значительные пульсации, что требует сглаживания выходного напряжения, осуществляемого блоком фильтрации (БФ). Согласование уровня первичного сетевого напряжения U1 и требуемого значения переменного напряжения, подаваемого на УТВ, осуществляется силовым согласующим трансформатором. Блок РПФ-БКА содержит коммутационную и защитную аппаратуру, осуществляющую рабочее и аварийное отключение (включение) ТП от первичной сети, а также может содержать радиоподавляющие фильтры, предотвращающие попадание высших гармоник, генерируемых преобразователем, в первичную сеть. Измерительное устройство осуществляет контроль параметров ТП (в частности тока и напряжения) и в случае аномальных режимов воздействует на коммутационную аппаратуру БКА и систему управления, вызывая запирание тиристоров (отключение преобразователя).

  

  Рис. 2.  Блок-схема ТП, где:

  РПФ – радиоподавляющий фильтр; БКА – блок коммутационной аппаратуры; УТВ – управляемый тиристорный выпрямитель; БФ – блок фильтров; СУВ – система управления выпрямителем. 

  2.3. Описание работы схемы ТП.

  Трехфазная мостовая схема нереверсивного ТП с токоограничивающими реакторами приведена на рис. 1.

  

  Рис.3. Структурная схема нереверсивного агрегата  (ТЕ, ТП):

  БВ - блок питания обмотки возбуждения двигателя, ОВ - обмотка возбуждения, I. - токоограничивающий реактор , QF - автоматический выключатель, ТТ - трансформатор тока, БТ - тиристорной блок, Д - двигатель, ТГ - тахогенератор, БУА - блок управления агрегатом, ЗУ - задающее устройство, ДТ - датчик тока, УЗ - узел защиты, РС - регулятор скорости, УТО - узел токовой отсечки, СИФУ - система импульсно-фазового управления, ДН - датчик напряжения, * - связь для работы с обратной связью по ЭДС, ** - связь для работы с обратной связью по скорости.

  Принцип работы агрегата основан на свойствах и характеристиках управляемых выпрямителей, а также ведомых сетью симметрично управляемых инверторов.

  Блок управления агрегатом обеспечивает регулирование частотой вращения двигателя преобразованием аналогового сигнала управления в фазу «α» импульсов управления тиристорами;

  Зашиты предусмотренные в агрегате:

• от токов короткого замыкания (кз),
• от токов перегрузки (по величине и длительности),
• от исчезновения принудительного охлаждения (ТП, ТПР),
• от обрыва фазы,
• от перегрева двигателя (при наличии в двигателе датчика температуры).

  Зашита от токов кз осуществляется системой: «автоматический выключатель, токоограничивающий реактор (трансформатор)» и узел зашиты, переводящий угол регулирования тиристорами в αmax.

  Основу силовой выпрямительной части нереверсивного агрегата составляет трехфазный мостовой выпрямитель с одним тиристором в плече.

  Нереверсивные агрегаты обеспечивают:

• плавный пуск,
• регулирование частоты вращения якоря двигателя,
• работу на установившейся частоте вращения двигателя,
• останов (на выбеге) двигателей постоянного тока.

 

  2.4. Обоснование выбора схемы выпрямления.

  Трехфазные мостовые схемы выпрямления с подключением к сети через токоограничивающий реактор рекомендуется применять при значениях выпрямленного напряжения U_d - 230, 354, 460, 660 В и номинальных токах от 25 до 1600 А.

  Можно приблизительно оценить КПД выпрямителя:

                                                                                 (1)           

  где      - падение напряжение на тиристоре в открытом состоянии (1,5 В); n - число тиристоров, последовательно проводящих ток нагрузки и в выпрямительной схеме (для мостовых схем n=2).

  Рассчитаем зависимость КПД как функции от для нулевых и мостовых схем (табл. 2).

  Таблица 2.

 

  Очевидно, что для выпрямителей с U_d>220 В влияние n становится не столь существенным, а КПД определяется потерями в других элементах: трансформаторах, дросселях и др.

  Для трехфазной мостовой схемы

   I_{oc, cp} – среднее за период значение тока через тиристор в открытом состоянии, I_oc – действующее значение тока через тиристор в открытом состоянии.

  Для проектируемой схемы

  3. Выбор основных элементов силовой схемы.

  3.1. Определение параметров нагрузки. 

  Номинальный ток якоря в двигателе можно рассчитать по формуле:

                                                                                                             (2)

  где - КПД двигателя (значение взято из методического пособия).

  Потери в электродвигателе оценим по формуле:

   =150000                                                                                          (3)

  Полагаем, что потери в меди якоря при номинальном токе составляют половину суммарных потерь. Это позволяет определить сопротивление якоря двигателя.

                                                                                                        (4)

  Индуктивность якорной цепи оценим по формуле Лицвилля:

                                                                                   (5)

  где p – число пар полюсов двигателя, ω – номинальная частота вращения, К – расчетный коэффициент (для компенсированных машин с большой мощностью равный 0,25). Значение для общепромышленных машин можно принять равным 314

  3.2. Расчет параметров идеального выпрямителя. 

  Идеальным является выпрямитель, выполненный на элементах, не имеющих потерь. Анализ схем выпрямления ведем, положив угол управления тиристорами равным нулю. В этом случае нет запаздывания в открытии тиристоров относительно точки естественной коммутации (ТЕК), а тиристоры можно условно заменить диодами. В этом режиме преобразователь обеспечивает на выходе максимальное выпрямленное напряжение, обозначенное Udo. Так как у идеального выпрямителя нет внутреннего падения напряжения, то Udo=Edo=Uян, где Edo - внутренняя ЭДС выпрямительной схемы при α=0. Очевидно, что при нагрузке на выходе выпрямителя R - либо RL - типа мощность, отдаваемая преобразователем, и загрузка его элементов будут максимальными при α=0. Поэтому выбор элементов преобразователя производится в данном режиме его работы.

  Кроме указанных выше допущений считаем, что ток нагрузки id(ωt) идеально сглажен, т.е. id(ωt)=Id=const. Это является ошибочным предположением при RL-нагрузке либо двигательной нагрузке. При работе на ДПТ допустимые пульсации в кривой выпрямленного тока id(ωt) как правило не должны превышать 5%. При больших уровнях пульсаций резко ухудшаются условия протекания коммутационных процессов на коллекторе ДПТ. Это проявляется в усилении искрения в щеточных контактах машин и обгорания коллектора.

  Необходимое соотношение между средним значением выпрямленного напряжения идеального выпрямителя Udo и вторичным напряжением трансформатора (для идеального трансформатора U2ф=E2ф) устанавливается на основании соотношения:

                                                                                                                  (6)

  где m - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения Ud(ωt) за период сетевого напряжения 2π.

  Численное значение для трехфазной мостовой схемы равно (из методического пособия). Основным показателем при выборе тиристоров по напряжению является значение максимального напряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии – Uзс,max. Отношение Uзс,max/Еdо назовем коэффициентом использования вентилей по напряжению Кvu.

   (значение для трехфазной мостовой схемы из методического пособия).

   Очевидно, что при заданном Еdо чем ближе Кvu к единице, тем на меньшее напряжение выбираются тиристоры по каталогу. Для большинства трехфазных схем выпрямленное значение Uv,max определяется амплитудой вторичного линейного напряжения (U_{3c, max}=U_2πm).

  Выбор тиристоров по току в идеальной схеме осуществляют по предельно возможному значению среднего тока, протекающему через него:

                                                                                                                                        (7)

  где - угол проводимости тиристора, определяемый по диаграммам работы схемы.

  Учитывая, что для большинства схем (за исключением схемы Кюблера) .

                                                                                                                                                            (8)

  Обычно токовую загрузку тиристоров определяют через коэффициент использования тиристоров по току:

                                                                                                                                                                                                                                   (9)

 (значение для трехфазной мостовой схемы из методического пособия).

  Для различных схем выпрямления продолжительность открытого состояния (угол ) и форма тока различны. Это означает, что при равных значениях токов через вентили их действующие значения могут отличаться. Как известно, эффективность (действующее) значение тока вентиля определяется выражением: