Проектирование преобразователя для тяговой подстанции постоянного тока

     2) по принципу охлаждения. Одни  из первых и до сих пор  эксплуатируемых преобразователей тяговых подстанций электрифицированных железных дорог (УВКЭ-1, УВКЭ-1М, ПВЭ-3, ПВЭ-3М) имеют принудительное воздушное охлаждение вентилей. Преобразователи, выпускаемые в настоящее время, имеют естественное воздушное охлаждение с применением охладителей на базе тепловых труб.

     3) по конструктивному исполнению  приборов. Можно выбрать вентили штыревого или таблеточного типа.

     В последнее время наибольшее распространение  получили лавинные таблеточные вентили прижимной конструкции, значительно облегчающей работу прибора в условиях циклической токовой нагрузки и предотвращающей быстрое разрушение контактных соединений;

     4) по допустимому среднему току  прибора. Выбор по этому критерию  ответственный и трудный. Исходным является значение среднего тока вентильного плеча I_Vср, которое сравнивается с током одного вентиля.

     При реальном проектировании конструктор рассчитывает несколько вариантов с различными вентилями и выбирает оптимальный, для студента при выполнении данной курсовой работы главная цель – овладеть методикой расчета, поэтому допустим в какой-то степени субъективный подход.

     Нагрузочную способность силовых полупроводниковых приборов характеризует максимально допустимый средний ток – среднее за период значение прямого тока, протекающего через прибор в однофазной однополупериодной схеме выпрямления с активной нагрузкой при частоте 50 Гц,  синусоидальной форме тока с углом проводимости 180^о, когда при установившемся тепловом состоянии температура корпуса равна заданному значению, а температура перехода – максимально допустимой.

     Использование приборов в конкретной схеме с  отличной от 180° продолжительностью проводящего состояния, с иной формой тока и принятой системой охлаждения приведет к изменению значения максимально допустимого среднего прямого тока I_FAV по сравнению с приведенным в обозначении данного типа вентиля.

     Сравнивая значения допустимого тока одного вентиля с расчетным значением тока вентильного плеча I_Vср, необходимо иметь в виду сказанное выше.

     При выборе вентиля по току следует учитывать, что чем меньше значение допустимого  тока I_FAV, тем больше число параллельных ветвей в плече, что осложняет наладку и эксплуатацию, ведет к увеличению потерь энергии и т. п. Более десяти вентилей в параллель соединять не рекомендуется.

     Если  взять вентиль с неоправданно большим током, то может возрасти стоимость преобразователя, а резервные  вентили еще больше ее увеличат;

     5) по классу прибора. Выбор основан  на сравнении максимального напряжения на вентильном плече U_Vmax, рассчитанного с допустимыми напряжениями для выбранного вентиля, определяемыми его классом.

     При выборе класса вентиля следует учитывать, что чем меньше класс прибора, тем больше число последовательно соединенных вентилей в плече, что осложняет наладку и эксплуатацию преобразователя, ведет к увеличению потерь энергии и т. п. Если взять вентиль с неоправданно большим классом, то может возрасти стоимость преобразователя, а резервные вентили еще больше ее увеличат.

     Выбираем  вентиль типа Т 133-320 с охладителем О143-150 [2]. Необходимые для дальнейших расчетов их параметры приведены в таблице 1. 

   Таблица  1 – Параметры вентиля типа Т 133-320 и выбранного

охладителя  О143-150 

 
 

      4.2 Расчет допустимых токов вентилей в заданных условиях 

     Максимально допустимый средний прямой ток при  заданных условиях работы отличается от указанного в обозначении типа вентиля, так как прибор в конкретной схеме имеет иную продолжительность  открытого состояния, различные значения температуры охлаждающей среды, интенсивности охлаждения и т. п., поэтому для оценки реальной нагрузочной способности вентиля рассчитывается I_FAVm в заданных условиях по выражению: 

     ,   (4.1) 

где R_thja – тепловое сопротивление «переход – среда», ^оС/Вт, причем 

;    (4.2) 

        k_ф – коэффициент формы кривой тока, зависящий от характера нагрузки и схемы преобразователя, равный отношению действующего значения тока к среднему. При прямоугольной форме тока (I_d = const) и λ = 120° k_ф = 1,73;

       Т_а – температура охлаждающей среды (воздуха). В расчетах обычно принимается равной +40^оС, но может изменяться в зависимости от места установки преобразователя, климатических условий и способа эксплуатации.

      °С/Вт;

      .

     Критериями  оценки работоспособности полупроводниковых  приборов при токовых перегрузках  являются перегрузочные характеристики и ударный неповторяющийся ток. Исходными данными для расчета  перегрузочных характеристик являются типы прибора и охладителя, способ и интенсивность охлаждения, форма кривой тока.

     С целью уменьшения расчетов и с  учетом того, что заданием на курсовую работу (аналогично техническим условиям на преобразователи) перегрузка за время  t установлена в 10 с, рассчитывается допустимый ток перегрузки I_F(OV), который зависит и от предварительной нагрузки. В данном расчете допускается, что до перегрузки преобразователь работал с номинальным током.

     Допустимый  ток перегрузки определяется по формуле 

,  (4.3) 

где   T_j – температура перехода в результате нагрева его током предварительной нагрузки,

                                              ;                          (4.4) 

       P_F(AV) – мощность потерь в вентиле, обусловленная током предварительной нагрузки,

      ;    (4.5) 

        Z_(th)tja – переходное тепловое сопротивление «переход – среда» для продолжительности перегрузки t, с.

     При t = 10 с

      Z_(th)10ja = Z_(th)10jc + R_thch + Z_(th)10ha. (4.6) 

     Значения  величин, входящих в выражение (4.6), зависят от интенсивности системы охлаждения, однако это проявляется при t 100 с. При t = 10 с такой зависимости нет.

     При использовании уравнения (4.5) необходимо оговорить величину I_FAV. Наиболее тяжелым будет режим при номинальном токе до наступления перегрузки, т. е. при

       , (4.7) 

где а  – число вентилей, соединяемых  в плече параллельно.

      Предварительно  рассчитаем число параллельно соединенных в плече вентилей в режиме номинальной нагрузки:

      (4.8)

где I_FAVm – максимально допустимый средний прямой ток вентиля;

       – коэффициент, учитывающий возможное неравномерное распределение тока между параллельно соединенными вентилями, =0,85;

      ,

      ,

      ,

      ,

     Z_(th)10ja = 0,08 + 0,015 + 0,02 = 0,115°С/Вт;

      .

     Вентильные  конструкции должны выдерживать  и аварийные перегрузки, в том  числе сохранять исправность  при режиме короткого замыкания (к. з.). Перегрузочная способность вентиля характеризуется ударным неповторяющимся прямым током I_FSM – током, при котором превышается максимально допустимая температура перехода, но который протекает кратковременно и в единичных случаях за весь срок службы прибора. Нормируется допустимое значение ударного неповторяющегося прямого тока в виде одиночного импульса синусоидальной формы длительностью 10 мс в аварийном режиме. Обычно I_FSM » (15 – 20) I_FAVm.

     Этот  ток сравнивается с расчетным  ударным током к.з. в схеме преобразователя. Определить последний можно по упрощенной методике по              выражению:

       , (4.9) 

где – напряжение короткого замыкания, эквивалентное сопротивлению питающей системы с мощностью к. з. S_к.з.с, 

             . (4.10)

       ,

      

      Ударное значение тока к. з. определяется по выражению: 

      I_уд = 2,55 I_к.з. (4.11)

     I_уд = 2,55×13832,8 = 35273,65 А. 

      4.3. Расчет группового соединения вентилей 

     В преобразователях большой мощности, как правило, приходится использовать групповое соединение силовых полупроводниковых приборов с целью обеспечения нагрузочных режимов и необходимой надежности.

     Если  I_Vср > I_FAV или I_V пер > I_F(OV), или I_уд > I _FSM, то приходится применять параллельное соединение приборов. Аналогично, если U_Vmax > U_RWM или        U_Vпов > U_RRM, или U_Vнеп > U_RSM, то применяют последовательное соединение приборов. Из-за технологического разброса вольт-амперных характеристик при параллельном соединении отдельные приборы перегружаются по току, а при последовательном – по напряжению. Для предупреждения выхода вентилей из строя необходимо правильно рассчитать их число в плече и применять специальные устройства для равномерного распределения напряжения или тока.

     Порядок расчета числа параллельно соединенных  вентилей предусматривает определение его по трем режимам:

      1) номинальной нагрузки – найдено ранее по выражению (4.8);

2) технологической перегрузки –

       , (4.12) 

где I_Vпер – максимальное значение тока вентильного плеча при перегрузке, 

       , (4.13) 

       k_п – коэффициент перегрузки за t = 10 с принимаемый в соответствии с заданием, = 3,

     ;

      I_F(OV) – амплитуда допустимого тока перегрузки одного вентиля, рассчитанная по формуле (4.3),