Курсовая работа (т): Проектирование и расчет надежности тиристорного преобразователя

Проектирование и расчет надежности тиристорного преобразователя

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО СПбГПУ

Санкт-Петербургский институт машиностроения(ВТУЗ-ЛМЗ)

Кафедра автоматизации технологических комплексов и процессов

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Проектирование и расчет надежности тиристорного преобразователя»

Выполнил: студент:

Руководитель работы: к.т.н. доцент :Поляхов Д.Н.

Санкт-Петербург

г.

Введение

Расчеты надежности автоматизированных систем управления относятся к категории наиболее сложных расчетов. Им должны предшествовать:

1.         Уяснение принципа работы и физической сущности явлений элементной базы, используемой в системах автоматического управления. Эти вопросы изучаются в курсах промышленной электроники, электрических машин и элементов систем автоматического управления.

2.      Расчет и выбор основного оборудования, а также оптимальных систем автоматического управления. Эти вопросы изучаются в курсах автоматизированного электропривода и систем автоматического управления.

.        Определение параметров и характеристик элементом и систем автоматического управления; определения границ возможных изменений параметров и характеристик их влияния на работоспособность системы. Это вопросы курсов автоматизированного электропривода, систем автоматического управления и специальных курсов, завершающих теоретическую часть подготовки специалистов по автоматизации производственных систем.

Только после уяснения физики явлений, свойств элементарной базы и системы автоматического управления, влияния параметров и характеристик на работу системы автоматического управления можно приступать к расчету надежности, являющимся таким образом завершающим этапом проектирования.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

.1 ЦЕЛЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

На базе основного схемного решения тиристорного преобразователя (ТП) разработать преобразователь, отвечающий техническим требованиям по надежности, изложенным в настоящем техническом задании.

.2 ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

§  Обоснование выбора схемы выпрямителя;

§  Расчет и выбор основных элементов силовой цепи с учетом реальных условий эксплуатации;

§  Формулирование понятия отказа ТП на основании изучения физических процессов, протекающих при его работе;

§  Поэлементный (поблочный) расчет надежности с учетом режимов работы элементов и расчет надежности основного соединения ТП в целом;

§  Повышение надежности изделия за счет применения резервирования;

§  Разработка комплекса организационных и технических мероприятий (регламентные и восстановительные работы), направленных на предупреждения отказов при эксплуатации изделия;

§  Разработка технических средств диагностирования работоспособного состояния некоторых блоков (элементов).

.3 ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

ТП предназначен для регулирования напряжения на якоре двигателя постоянного тока (ДПТ).

Условия эксплуатации изделия - внутрицеховые. Диапазон изменения температуры окружающей среды .

Режим работы изделия в технологической установке - непрерывный, односменный, с длительностью рабочей смены 8 часов. Выполнение профилактических и регламентных работ осуществляется вне рабочей смены.

Гамма-процентный срок службы изделия  (время календарное с учетом рабочих и нерабочих смен) при вероятности отказа .

Полагаем, что конструктивное исполнение ТП является блочным со временем замены вышедшего из строя блока на резервный блок не более 0,5 часа. Исключение составляет замена отказавших силовых трансформаторов. Для их замены в случае отказа предусмотрены следующие нормы (см. табл. 1.)

Таблица 1.

Для каждого из блоков ТП предусмотреть замену на резервный блок при выработке гамма-процентного ресурса при вероятности достижения своего предельного состояния  и при экспоненциальном законе распределения времени безотказной работы.

Считаем, что в цехе эксплуатируется не менее 10 аналогичных ТП. Необходимый годовой резерв ЗИП рассчитать на 10 изделий.

1.4 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ (Вариант № 345)

Номинальная мощность ДПТ ;

Номинальное напряжение якоря ;

Напряжение питающей сети . Возможные колебания первичного напряжения ;

Схема силовой части ТП - нереверсивный тиристорный агрегат по трехфазной нулевой схеме;

Способ подключения ТП к первичной сети - через согласующий трансформатор;

Схема соединения обмоток трансформатора - треугольник - звезда (Δ/Y);

Диапазон регулирования скорости ДПТ - 32;

Допустимые пульсации тока якоря ;

Допустимый граничный ток ;

Кратность тока якоря при срабатывании токоограничения ;

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

В настоящее время основным видом преобразователей являются управляемые тиристорные выпрямители (УТВ). Они вытеснили все остальные виды преобразователей за счет более высокого КПД, отсутствия движущихся элементов, повышенной надежности и более высокой приспособленности к автоматическому регулированию.

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

Рис. 2. Блок-схема ТП.

На выход системы управления (рис. 2.) выпрямителем (СЧВ) поступает управляющее напряжение , где оно преобразуется в соответствующее значение угла открытия тиристоров . Изменение  ведет к регулированию выходного напряжения , которое может содержать значительные пульсации, что требует сглаживания выходного напряжения, осуществляемого блоком фильтрации (БФ). Согласование уровня первичного напряжения  и требуемого значения переменного напряжения, подаваемые 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 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).

.2 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Трёхфазная нулевая схема тиристорного преобразователя. Данная схема получила широкое распространение для построения трёхфазных управляемых выпрямителей.

В момент (точка пересечения фазы А и фазы С) подается управляющий импульс на тиристор VS1, который переходит в открытое состояние, длительностью . Затем он запирается. Управляющие импульсы подаются на тиристоры VS1, VS2 и VS3 последовательно, с интервалом , что обеспечивает выпрямление трёхфазного переменного тока в ток на нагрузке  с относительной частотой пульсации .

.3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Нулевые схемы выпрямления рекомендуется применять при низких значениях выпрямленного напряжения . Обычно к низким значениям относят напряжения 24, 40, 60, 110 и в некоторых случаях 154 В. Это связанно с тем, что при низких значениях выпрямленного напряжения  существенное влияние на КПД преобразователя оказывает падение напряжения на тиристорах.

Можно приблизительно оценить КПД выпрямителя:

,     (1)

где:

 - падение напряжение на тиристоре в открытом состоянии (1,5 В);

 - число тиристоров последовательно проводящих ток нагрузки и выпрямительной схеме ().

Расчетное значение КПД УТВ .

3. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИЛОВОЙ СХЕМЫ

.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗКИ

Номинальный ток якоря в двигателе можно рассчитать по формуле:

,       (2)

где:

 - коэффициент полезного действия двигателя. Для ДПТ, номинальная мощность которого , лежит в пределах .

Для проектируемого преобразователя:.

Потери в двигателе оценим по выражению:

,    (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:

 - число пар полюсов двигателя;

 - номинальная частота вращения;

 - расчётный коэффициент, принимаемый равным:

§  0,6 для некомпенсированных машин с

§  0,25 для компенсированных машин с большой мощностью;

Значение  для общепромышленных машин постоянного тока серий П2 и П можно принять равным 314 с-1.

.2 РАСЧЁТ 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 . Так как у идеального выпрямителя нет внутреннего падения напряжения, то

,

где  - внутренняя ЭДС выпрямительной схемы при .

Очевидно, что при нагрузке на выходе выпрямителя R, либо RL типа, мощность, отдаваемая преобразователем, и загрузка его элементов будут максимальными при . Поэтому выбор элементов преобразователя производиться в данном режиме работы.

Кроме указанных выше допущений считаем, что ток нагрузки идеально сглажен, т.е. . Это является ошибочным предположением при RL-нагрузке либо двигательной нагрузке. При работе на ДПТ допустимые пульсации в кривой выпрямленного тока , как правило, не должны превышать 5%. При больших уровнях пульсации 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  и вторичным напряжением трансформатора (для идеального трансформатора ) устанавливается на основании соотношения:

,      (6)

где:

 - число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения  за период сетевого напряжения . Для проектируемой схемы

Для нулевых схем выведена общая расчетная формула:

,     (7)