W5. Obliczanie napięcia transformatora sieciowego, dobór napięciowy łączników, łączenie szeregowe

Transkrypt

1 W5. Obliczanie napięcia transformatora siecioweo, obór napięciowy łączników, łączenie szereowe 5.1 Wyznaczanie konieczneo napięcia przemienneo wyznaczenie przekłani transformatora Celem obliczeń jest wyznaczenie przekłani napięciowej transformatora tak by przy minimalnym napięci sieci i przy maksymalnych spakach napięcia w przekształtnik z wai na maksymalny prą obciążenia zapewnić wymaaną wartość napięcia na wyjści przekształtnika (lb przy ostrzejszych wymaaniach opowienią wartość napięcia wewnętrzneo obiornika 0 np. SEM silnika). Schemat obwo zasilania poprzez prostownik i ekwiwalentny schemat zastępczy przestawione są na rys.5.1 Rys.5. 1 Schemat zasilania obiornika z sieci za pośrenictwem prostownika: a) schemat oólny, b) moel etaliczny Napięcie wejściowe obiornika jest określone równaniem: i 0 Ri (5.1) t przy czym wyonie jest stosować zapis teo równania w jenostkach wzlęnych oniesionych o napięcia znamionoweo N i prą znamionoweo I N obiornika. 1

2 i 0 r i l (5.2) t zie: r =R /( N /I N ) ; : l = /( N /I N ) Poobnie określa się napięcie wyjściowe sterowaneo prostownika z wzlęnieniem spaków napięć występjących w torze o eneratora o zacisków wyjściowych: I ( I / I N) i0 cos DC ( Dx Dr ) D N I (5.3) N t zie: DC bezwzlęny spaek na zaworach [V] ; DX, DR bezwzleny spaek napięcia opowienio na inkcyjnościach obwo napięcia przemieneo oraz na rezystancjach [V] ; D bezwzlęny spaek napięcia proporcjonalny o szybkości zmian prą [Vs] W jenostkach wzlęnych oniesionych o iealneo napięcia bie jałoweo i0 równanie przyjmje postać: i cos C ( x r ) i (5.4) t Rys.5. 2 Charakterystyki napięciowo-prąowe przekształtnika i obiornika Dla stan równowai napięć w pnkcie pracy opowiaającym i max obowiązje N i0 co obrazje wykres na rys.5.2. ozwiercielający możliwą prace prostownikową oraz falownikową prostownika sterowaneo 2

3 Na postawie poanych wzorów można wyprowazić ostateczne zależności na wymaane napięcie różniące się la wóch trybów pracy. prostownikowej: i N( 0 r i l ) t i0( P) i (5.5) cos min C ( x r ) i t falownikowej: i N( 0 r i l ) t i0( F ) i (5.6) cos max C ( x r ) i t W powyższych wzorach oznaczono: wzlęne minimalne napięcie sieci (Przy 10% możliwym spaki = ~0.9 ) min, max - minimalny i maksymalny kąt wysterowania przy pracy prostownikowej i falownikowej opowienio. Jako wartość typową kąta min przyjmje się 5 el (cos min = 0.996) natomiast max wynika z warnk bezpiecznej pracy falownikowej i może wynosić el. C - wzlęny spaek napięcia na zaworach przekształtnika oniesiony o i0 Wzlęny spaek napięcia na zaworach C należy obliczyć jako stosnek bezwzlęneo spak napięcia n F (sma bezwzlęneo spak napięcia na n -przewozących szereowo połączonych zaworach). Gy wyznaczona wartość i0 różni się znacznie o wyliczonej konieczne jest skoryowanie C i iteracja obliczeń x - wzlęny smaryczny spaek na inkcyjnościach po stronie AC r - wzlęny smaryczny spaek na rezystancjach po stronie AC i DC W przypak, y przekształtnik pracje jako nawrotny(wkiernkowy) należy wybrać napięcie wyższe z wyliczonych na postawie wzorów 5.5 i 5.6 Do wyliczenia skłaników x i r moą posłżyć wzory: x - o inkcyjności sieci zasilającej: Pi0 k X (5.7) Q zie : P i0 = I N i0 - moc obliczeniowa przekształtnika; Q moc zwarciowa sieci w miejsc przyłączenia przekształtnika; k X współczynnik zależny o kła przekształtnika zonie z poniższą tabelką 3

4 Xtr - o inkcyjności rozproszenia transformatora: k e (5.8) Xtr xtr zie: e xtr skłaowa inkcyjna napięcia zwarcia transformatora k Xtr współczynnik zależny o kła przekształtnika kła prostownika 2-plsowy 3-plsowy 6-plsowy k X 0,78 1,05 0,52 kła prostownika 2-plsowy 3-plsowy 6-plsowy k Xtr 0,707 0,866 0,5 - o inkcyjności przewoów przyłącza fi bw Xb k Xb (5.9) i0 zie: bw inkcyjność 1 fazy przyłącza (inkcyjność na metr pomnożona przez łość przyłącza); k Xb współczynnik zależny o kła przekształtnika kła prostownika 2-2-plsowy 3-6- plsowy mostkowy plsowy plsowy k Xb o rezystancji linii: 2 3I R r (5.10) P i0 zie: R rezystancja fazy przyłącza - o rezystancji zwojeń transformatora: k e (5.11) Xtr rtr rtr zie: e rtr skłaowa inkcyjna napięcia zwarcia transformatora k rtr współczynnik zależny o kła przekształtnika 4

5 kła prostownika 2-plsowy 3-plsowy 6-plsowy k rtr 1,11 1,5 1,05 W przypak, y wymaania onośnie szybkości narastania prą są nieistotne we wzorach (5.5) i (5.6) można pominąć skłaniki otyczące szybkości zmian prą. Napięcie i0 wyznaczone na postawie wzor (5.5) la prostownika lb (5.6) la falownika stanowi postawę o wykonania projekt transformatora zasilająceo przekształtnik i obiornik. W przypak, y mamy o czynienia z przekształtnikiem sieciowym wkiernkowym należy wzlęnić w obliczeniach wartość większą zyskaną z obyw wzorów. Na postawie wartości napięcia iealneo bie jałoweo można la przewiywaneo kła prostownika korzystając z teoretycznej wartości współczynnika prostowania k η (wielkości wiążącej wartość śrenią napięcia wyprostowaneo z wartością skteczną napięcia fazoweo, strony wtórnej transformatora). W tablicy poano wartości k η la najczęściej spotykanych konfiracji przekształtników. kła prostownika k η 2-plsowy Jeno i wkiernkowy plsowy 6-pls. z ławikiem wyrównawczym 3 0,9 1, plsowy wkiernkowy 3 2 2,34 12-plsowy szereowy 6 2 4,68 Wyznaczone napięcie strony wtórnej transformatora stanowi postawę o określenia napięcia roboczeo jakie powinno być wzlęnione przy oborze napięciowym zaworów. Stanowi też ono postawę o napięcioweo Przykła: Napięcie wyznaczone z wai na parametry obiornika i0 = 1420V RMS Należy określić przekłanię transformatora zasilaneo z sieci 15 kv (wartość mięzyfazowa) oraz wyznaczyć maksymalna wartość napięcia na tyrystorach w przypak zastosowania jako przekształtnika mostka 3- fazoweo: Dla mostka trójfazoweo : i0 = 2,34 2 Napięcie strony wtórnej(mięzyfazowe ) 5

6 3 i0 1051V 2,34 2 a zatem konieczna przekłania transformatora η = 15000/1051= 14,27 Maksymalne znamionowe napięcie na zaworze to maksymalne napięcie mięzyfazowe a zatem TWmax =sqrt(2) 1051 = 1486V 5.2 Zasay obor napięcioweo łączników Wytrzymałość napięciowa io i tyrystorów, które współpracją z powszechnymi systemami zasilającymi sieciami eneretycznymi określana jest na postawie wartości napięcia roboczeo wyznaczaneo jak wyżej. W systemie eneretycznym można oczekiwać przepięć, które z wai na stosowane aparaty ochronne(oromniki) są oraniczone o wartości 2,5 N. Oznacza to, że przy oborze klasy napięciowej taki właśnie współczynnik bezpieczeństwa należy wzlęnić. W wiel przypakach, przy specjalnym inywialnym zabezpieczeni można zyskać współczynnik oraniczenia przepięcia poniżej 2. Klasa napięciowa zawor opisana przez wartość napięcia RRM (w tyrystorach także DRM z zasay równe RRM ) wynika z zależności: RRM k k s k N ( Wmax /n) (5.12) zie: k współczynnik bezpieczeństwa z wai na przepięcia w sieci (obierany 1,6 2,5) k s współczynnik stosowany w przypak y zawór tworzono przez szereowe połączenie n elementów( ks = 1,1) ; k N normatywna zwyżka napięcia pona nominalne(zwykle k N =1,1) W poanym przykłazie przy napięci roboczym Wmax = 1486V przy współczynnik bezpieczeństwa k=2 należy zastosować tyrystory lb ioy klasy napięciowej co najmniej 33 ( RRM 3300V) 5.3 Łączenie szereowe tyrystorów i io W przekształtnikach na napięcie przemienne powyżej 3kV występje konieczność szereoweo łączenia io i tyrystorów. Takie rozwiązanie wymaa by zyskać równomierny rozkła napięć na szereowo połączonych zaworach tej samej klasy napięciowej. Ponieważ przyczyną nierównomierneo rozkła napięć jest rozrzt parametrów przyrząów półprzewonikowych a selekcja tych parametrów jest niezwykle kosztowna konieczne jest zastosowanie śroków pomocniczych la wyrównania napięć. W pierwszym rzęzie zostanie rozpa- 6

7 trzony przypaek szereoweo połączenia 3 io(n=3) tak jak to przestawia rys.3. Napięcie, które występje na wszystkich trzech ioach przy polaryzacji wstecznej zieli się na poszczeólne ioy owrotnie proporcjonalnie o wartości prą wsteczneo a zatem la przyjęteo o analizy przykła obowiązje. R1 I ; I R1 R3 I I R3 Rys Szereowe połączenie io bez rezystorów wyrównawczych i z takimi rezystorami Dla przejrzystości i prostoty przykła przyjęto że ioy D1 i D2 mają taki sam prą wsteczny (I R1 =I ) natomiast prą ioy D3 jest o I R mniejszy przy czym przyjęto, że I R =ci R1 = 0,5I R1 (tzn. przyjęto c=0,5). Napięcie które wystąpi na ioach o większym prązie bęzie równe W (1 c) R 1, (5.13) n c( n 1) a w iozie o prązie mniejszym (I R3 =(1-c)I R1 ) W R 3 (5.14) n c( n 1) Dla przykłaowych anych(n=3, c= 0.5) R1 = = 0.25 W ; R3 =0,5 W Aby zyskać wyrównanie napięć tak by ochyłka in pls na iozie o najmniejszym prązie nie była większa niż założona wartość należy o stos io ołączyć rezystory wyrównawcze o równej rezystancji R S jak na schemacie 7

8 z rysnk 5.3. Można bez tr wykazać, że wzlęna ochyłka napięcia (oniesiona o napięcia na zaworze przy równym rozkłazie napięć) jest określona wzorem: n ni R [%] RS (5.15) W 2 W Stą la określonej wynikającej z rozrzt parametrów ochyłki prą I R i założonej wartości można wyliczyć konieczna wartość rezystancji oporników wyrównawczych - R S. Teo sameo rozaj rabinka rezystorów wyrównawczych zapewni równomierny rozkła napięcia w przypak stos tyrystorów pozostających statycznie w stanie blokowania lb zaworowym. W tyrystorach pracjących w typowych zastosowaniach postawowy problem wymaający rozwiązania jest zapewnienie ostatecznie równomierneo rozkła napięcia w stanach ynamicznych przy wyłączani i załączani tyrystorów w stosie. Oba stany ynamiczne zostaną rozpatrzone kolejno: Wyrównanie napięć przy wyłączani (komtacji) tyrystorów: Proces wyłączania stos trzech tyrystorów połączonych szereowo jest ilstrowany rysnkiem 5.4. Rys. 5.4 Szereowe połączenie tyrystorów z obwoami wyrównawczymi RC (a) i przebiei prą w zaworach (b) 8

9 W przypak yby o tyrystorów nie ołączono ałęzi zawierających konensatory C S to tyrystor T3 o mniejszym łank przejściowym niż pozostałe (T1,T2) wyłączy pierwszy i przejmie całe napięcie w. Taki przypaek jest nieopszczalny. Zastosowanie ałęzi pomocniczych RC, w których zasanicze znaczenie z pnkt wizenia rozkła napięcia mają konensatory. Prą przepływający przez konensator w ałęzi ołączonej równolele o T3 powoje nałaowanie konensatora o napięcia c proporcjonalneo o wartości łank Qrr który stanowi różnicę pomięzy Q rrt1,2 (łanek przejściowy w tyrystorach T1 i T2 założony jako ientyczny) i Q rrt3. Qrr C (5.16) Cs Jak można wykazać po wyłączeni tyrystora T3 wystąpi na nim napięcie, które możemy wyznaczyć z oólneo wzor wzlęniając liczbę tyrystorów n=3: 1 ( W ( n 1) ) (5.17) n R3 C a napięcie na każym z wóch pozostałych tyrystorów 1 ( W ) (5.18) n R1, C Jeżeli z powyższeo wyprowazi się zależność na wzlęną ochyłkę napięcia ( n 1) Q rr [%] (5.19) WCS to na jej postawie można wyliczyć wartość niezbęnej pojemności C s w każej ałęzi równolele z tyrystorem. Konensator nie moą być włączany bezpośrenio o tyrystora, yż w momencie jeo załączenia rozłaowywałyby sie implsowo rożąc zniszczeniem tyrystora. Stą konieczność włączenia szereowo z każym konensatorem rezystancji tak by oraniczyć prą rozłaowania. Wartość maksymalneo prą rozłaowania bywa poawana kataloowo (np. 40A) lb określana jako 1/3 prą nominalneo 9

10 Wyrównanie napięć przy załączani tyrystorów: Przyjmjąc, że stos szereowo połączonych tyrystorów msi być wyposażony w zestaw obwoów RC trzeba w rozpatrywani proces załączania wzlęnić schemat połączeń jak na rys prezentjący kompletny kła la zapewnienia równomierneo rozkła napięcia zarówno przy wyłączani jak i załączani tyrystorów W rozpatrywanym kłazie przy bliskiej zer wartości inkcyjności ten z tyrystorów, który załącza z opóźnieniem t wzlęem pozostałych wóch zostanie poany ziałani pełneo napięcia w. Jeżeli inkcyjność S 0 to w opisywanej sytacji na spóźniającym się tyrystorze wystąpi napięcie równe napięci ołączoneo o nieo konensatora C S powiększone o spaek napięcia na rezystorze R S wywołany przepływem prą I s narastająceo w ławik S po wpływem napięcia (n-1) w /n. Jeżeli wynikająca z występjąceo na ławik napięcia stromość narastająceo prą i/t jest równa (n-1) w / S n to po czasie t (wynikającym z kataloowo określoneo rozrzt czasów załączania) prą w rezystorze R S narośnie o wartości określonej wzorem ( n 1) W t RS (5.20) ns Z zależności w której wzlęniono założoną wartość wzlęneo wzrost napięcia na wolniejszym tyrystorze można wyznaczyć inkcyjności S ( n 1) t RS S (5.21) Rys. 5.5 Szereowe połaczenie tyrystorów z obwoami zapewniającymi wyrównanie napięć przy załączani W przypak y liczba tyrystorów n jest większa o trzech zwykle wartość czas t może być zmniejszona o połowy swej kataloowej wartości (jest to konsekwencją znania rozrzt wartości la poszczeólnych ezemplarzy) 10