變流器主電路參數(shù)計(jì)算和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

1、第二章變流器主電路和保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)其基本組成部分，可分為主電路和控制電路兩大部分。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定主電路的接線方式和系統(tǒng)的控制方案后，就應(yīng)著手分別對(duì)主電路進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和元件選擇，它是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)。主電路參數(shù)計(jì)算和元件選擇的具體內(nèi)容是：整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算、晶閘管整流元件（或功率晶體管）的選擇與聯(lián)結(jié)、晶閘管的保護(hù)、電抗器參數(shù)的計(jì)算。第一節(jié)整流變壓器額定參數(shù)的計(jì)算在一般情況下，晶閘管變流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)供電電壓是不一 致的，并考慮盡可能減少電網(wǎng)和晶閘管裝置間的相互干擾，要求晶閘管主電路與電 網(wǎng)隔離，所以需配置整流變壓器。計(jì)算整流變壓器額定參數(shù)時(shí)，首先根據(jù)整流

2、電路的型式和負(fù)載所要求的整流電壓Ud取值過(guò)高，則晶閘管運(yùn)行時(shí)的控制角:過(guò)大，會(huì)造成直流電壓諧波分量增大，功率因數(shù)變壞，無(wú)功功率增加；若U2選擇過(guò)低，則有可能在控制角為:-min時(shí)整流橋輸出的直流電壓 Ud仍達(dá)不到負(fù)載要求的額定值。整流變壓器參數(shù)的計(jì)算， 首先根據(jù)整流電路的型式和負(fù)載所要求的整流電壓 和整流電流Id，計(jì)算二次電壓U2、二次電流丨2和一次電流丨1，進(jìn)而計(jì)算其一次、 二次容量Sl、S2及平均計(jì)算容量S。最后根據(jù)上述數(shù)據(jù)選用現(xiàn)有電力變壓器系列產(chǎn) 品或自行設(shè)計(jì)。、二次側(cè)相電壓u2變壓器二次測(cè)相電壓 U 2的計(jì)算公式為U2U d max RI dn -U VI 2A 2（C0S、min -

3、 Cu k ） I 2N在要求不太精確的情況下，U 2可由簡(jiǎn)化式確定:U2 =（1.2 -1.5）Udmax/A式中，Udmax為變流裝置的最大整流輸出電壓（ V）； R為整流變壓器內(nèi)阻和平波電 抗器之和（0）；山為電動(dòng)機(jī)額定電流（A）； Uvt為主電路中電流經(jīng)過(guò)幾個(gè)串聯(lián) 晶閘管的正向壓降 （V ）; A為a =0時(shí)Ud與u2之比，見(jiàn)表3-1; E為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù), 通常?。?0.9 ；為最小控制角，一般可逆系統(tǒng)：Fin =30 35，不可逆系統(tǒng)_：min =10 - 15 ； C 為線路接線方式系數(shù)， 見(jiàn)表3-1； uk為變壓器短路電壓比，100KV A以下uk =0.05，100 1000K

4、V A取 Uk =0.05 0.08，1000KV A 以上 Uk =0.08 0.1 ； I2/I2N 為變壓器二次實(shí)際工作電流與二次額定電流之比。表3-1幾種整流線路變壓器電壓計(jì)算系統(tǒng)電路型式AC電路型式AC單相全波0.90.707三相半波1.170.866單相橋式0.90.707二相橋式2.340.5表3-2整流變壓器計(jì)算參數(shù)線路型式負(fù)載性質(zhì)U doU2Id17S1UdldS2UdldSUdld單相半波電阻性負(fù)載0.450.6372.683.483.08電感性負(fù)載0.451.1411.111.571.34單相全波電阻性負(fù)載0.91.271.251.751.5電感性負(fù)載0.91.411.1

5、11.571.34單相半控橋電阻性負(fù)載0.90.91.231.231.23電感性負(fù)載0.911.111.111.11單相全控橋電阻性負(fù)載0.90.91.231.231.23電感性負(fù)載0.911.111.111.11晶閘管在負(fù)載側(cè)的單相橋式電阻性負(fù)載0.90.91.231.231.23電感性負(fù)載0.911.111.111.11三相半波電阻性負(fù)載1.171.731.241.511.38電感性負(fù)載1.171.731.211.481.34三相半控橋電阻性負(fù)載2.341.221.951.051.05電感性負(fù)載2.341.221.051.051.05三相全控橋電阻性負(fù)載2.341.221.051.051.

6、05電感性負(fù)載2.341.221.051.051.05雙反星形帶平衡電抗器電阻性負(fù)載1.173.401.051.511.28電感性負(fù)載1.173.461.051.481.26、二次測(cè)相電壓| 2和一次測(cè)相電壓I 1對(duì)不同型式的整流線路， 變壓器二次、一次電流有效值|2 . |1與負(fù)載電流I d的 關(guān)系見(jiàn)表3-2。如三相全控橋式電路有 |2 =0.816Id ,打=0.8161 d /K ;三相零式 電路，12 =0.577 ld，I = 0.471I d / K。K 為變壓器匝數(shù)比(K = N1 / N 2)。三、變壓器容量計(jì)算變壓器二次容量、一次容量、平均計(jì)算容量(視在容量)分別為S2 m

7、2 U 212S1 mrU 1111S(S1 S2)2式中，m1和m2為整流變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的相數(shù)。例3-1 某晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，其電動(dòng)機(jī)的額定值為U N二220V，I n =287A，Pn =55kW，采用三相全控橋式整流電路供電，電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)；=0.9，變壓器短路電壓比 Uk =0.05，管壓降厶Uvt =1V，n =2 , I2 /I2N =1，變壓器和平波電抗器的電阻不計(jì)。電網(wǎng)相電壓U1 =220V，試確定整流變壓器各額定參數(shù)。解：查表 3-1 得，A =2.34,C=0.5，: min =30 ,cos： min 二 cos30 = 0.866，忽略R時(shí)有：U d max

8、* RI d，n =U VTI2A (COS： min -CUk -)I 2N2202 1V -125V2.34 0.9 (0.866 -0.5 0.05 1)所以變壓器電壓比為：/U2 = 220/125 =1.76二次側(cè)相電流：丨2 = ld/1.22 = In /1.22 =287A/1.22 ： 235A一次側(cè)相電流：I11ld133.5A1.761.22二次容量：S2= m2U2l2 =3 125 235VA : 88kVA一次容量：$= m1U1I1 =3 220 133.5VA ： 88kVA平均計(jì)算容量：1S(S1 - S2) =88kVA2由表3-2可直接求出變壓器的額定參數(shù)

9、。第二節(jié)主電路器件的計(jì)算與選擇正確合理地選擇晶閘管元件是保證主電路可靠運(yùn)行的重要條件之一。所謂正確合理地選擇元件，系指晶閘管元件額定電流（通態(tài)平均電流）和額定 電壓一定要考慮合適的電流儲(chǔ)備和電壓儲(chǔ)備系數(shù)，通常稱安全系數(shù)。從設(shè)計(jì)和使用 的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其安全系數(shù)應(yīng)適當(dāng)選大些，以保證系統(tǒng)工作可靠，特別是對(duì)某些生產(chǎn) 上的關(guān)鍵設(shè)備更應(yīng)如此。一、整流元件的額定電壓 UtnUtN =（23）UTm式中，Utn為晶閘管元件的額定電壓（V）； UTm為晶閘管元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓（V）。對(duì)于不同型式整流電路的示于表3-3內(nèi)，表中U2為整流變壓器 二次側(cè)相電壓有效值。二、整流元件額定電流 ItnItn =(

10、1.52)KJd式中，Itn為晶閘管的額定電流(A )； K巾為計(jì)算系數(shù)，示于表 3-3內(nèi)；為 最大負(fù)載電流。表3-3整流元件的最大峰值電壓UTm和額定電流的計(jì)算系數(shù)K整流主電路單相半波單相雙半波單相橋式三相半波三相橋式帶平衡 電抗器 的雙反 星形U TmJ2u22丘U 2逅U 21 4）對(duì)大、中容量設(shè)備，以及經(jīng)常逆變的場(chǎng)合，采用直流快速開(kāi)關(guān)作直流側(cè)過(guò)載和適中保護(hù)?？焖匍_(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間只有2ms,完全分?jǐn)嚯娀〉臅r(shí)間也不過(guò)2530ms,它是目前較好的過(guò)流保護(hù)裝置。在晶閘管直流調(diào)速中，可按電動(dòng)機(jī)額定 電流選用。5）快速熔斷器是最簡(jiǎn)單有效的短路保護(hù)元件，是防止晶閘管損壞的最后一道 防線?？焖偃?/p>

11、斷器的接法有安裝在交流側(cè)、與元件串聯(lián)、安裝在直流側(cè)三種，見(jiàn)圖3-9。a)b)c)圖3-9快速熔斷器的接法a）交流側(cè)快速熔斷器b）與器件串聯(lián)快速熔斷器c）直流側(cè)快速熔斷器圖3-10晶閘管串接橋臂電抗器交流側(cè)快速熔斷器能夠?qū)υ搪泛椭绷鱾?cè)短路起保護(hù)作用，但它對(duì)晶閘管元件的保護(hù)作用較差。直流側(cè)快速熔斷器僅能對(duì)直流側(cè)短路與過(guò)載起保護(hù)作用。與元 件串聯(lián)快速熔斷器，由于兩者電流相同，故元件保護(hù)作用最好，應(yīng)用極為廣泛。對(duì) 中、小容量系統(tǒng)。一般只采用此種接法。還應(yīng)注意，各種過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作順序應(yīng)該是：電流調(diào)節(jié)器限流（觸發(fā)脈沖后移） T過(guò)流繼電器動(dòng)作跳開(kāi)關(guān)T直流快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作T快速熔斷器熔斷。選配與元件串聯(lián)的快速

12、熔斷器，其熔體的額定電流In 一般按下式選擇1.57Itn - In - Im，式中，Itn為晶閘管的額定電流；In為熔體的額定電流；扁為實(shí)際流過(guò)晶閘管的最大電流有效值。中、小容量系統(tǒng)中，常選用 In = Itn。目前生產(chǎn)的快速熔斷器產(chǎn)品主要有 RSO、RS3（匯流排式）與小容量的RLS （螺 旋式）。RLS額定電流為 3100A，額定電壓為 500V。RSO、RS3額定電流為10 450A，額定電壓為 250, 500, 750, 1000V。（三）電壓和電流上升率的限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求把作用于晶閘管的正向電壓上升率du/dt限制到晶閘管斷態(tài)電壓臨界上升率以下，把正向電流林片 上升率di. dt

13、限制到通態(tài)電流臨界上升率以下。對(duì)du dt和di. dt的限制措施是串橋臂電抗器L, L可 以是空心電抗器、 鐵心電抗器。采用空心電抗器時(shí) L的電感應(yīng)大于或等于2030丄H ,采用鐵心電抗器時(shí)，電感值可再大一些。其接線方法如圖3-10所示。阻容吸收裝置采用整 流式接法，如3-3d所示，對(duì)限制dL dt也有好處。還須特別指出的是，對(duì)于應(yīng)用晶閘管裝置所引起的功率因數(shù)惡化、高次諧波電流使得電網(wǎng)波形畸變等電力公害，除從電網(wǎng)方面采取補(bǔ)償措施外，還應(yīng)注意從晶閘 管裝置本身采取措施，以將其抑制在容許范圍內(nèi)。限于篇幅，關(guān)于改善功率因數(shù)、 防止諧波危害的具體措施，讀者可查閱有知文獻(xiàn)資料。第四節(jié)電抗器參數(shù)計(jì)算與選

14、擇在晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)中，常在直流側(cè)串有帶空氣隙的鐵心電抗器，使輸出電流連續(xù)、限制電流脈動(dòng)，并抑制環(huán)流，以提高裝置對(duì)負(fù)載供電的性能和提高運(yùn)行的安全可靠性。下面分別討論三種電抗器的電感量計(jì)算。一、使輸出電流連續(xù)的臨界電感量Lcr對(duì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載電流較小，會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)的現(xiàn)象，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，影響系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。電動(dòng)機(jī)電樞電感一般較小，不能滿足電流連續(xù)的要求，故必須在晶閘管輸出電路中串入電抗器，其臨界電感量Lcr計(jì)算公式為：U 2Lcr 二 Kcr-（mH）1 d m in式中，U2為晶閘管裝置交流側(cè)電源相電壓有效值（ V）； Idnm為要求連續(xù)的最小負(fù)載電流

15、平均值（A）； Ker為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，見(jiàn)表3-5序號(hào)2。例如，三相全控橋式整流電路U2Ler =0.693-Id min二、限制輸出電流脈動(dòng)電感量Lm為了使系統(tǒng)能正常工作，提高運(yùn)行的可靠性，必須在主電路中與負(fù)載串聯(lián)電抗器，其電感量Lm為L(zhǎng)m103Udm/U2 52fdSi I d(mH)式中，U dm . U 2為脈動(dòng)輸出電壓中最低頻率的電壓幅值U dm與交流側(cè)星形聯(lián)結(jié)時(shí)相電壓有效值U2之比，見(jiàn)表3-5序號(hào)1; fd為整流電路輸出電流的最低諧波頻率（Hz）,見(jiàn)表3-5序號(hào)1 ； Id為額定負(fù)載電流平均值；Si為電流脈動(dòng)系數(shù)，由運(yùn)行要求提出。單相整流電路Sj 0.2;三相整流電路 S

16、i 0.05 。表3-5計(jì)算電感量時(shí)的有關(guān)數(shù)值序號(hào)電感量的有關(guān)數(shù)值單相全控橋三相半數(shù)三相全控橋帶平衡電抗器的雙反星形fd （ Hz）1001503003001Lm最大動(dòng)脈a值900900900900U dm /U 21.20.880.80.82LcrKcr2.851.460.6930.3483LiK|3.186.753.97.8以上計(jì)算的使電流連續(xù)的臨界電感量 Lcr和限制電流脈動(dòng)的電感量 Lm都是指 電流路徑中所有的電感量，其中包括變壓器折算到二次側(cè)每相的漏電感量Ll和電動(dòng)機(jī)電樞的電感量 La。所以，為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電抗器，計(jì)算所得Lcr和Lm應(yīng)該扣除（L| + La ）。折算到變壓器二次側(cè)的每相漏電感量Ll為U 2Ll =KlUk 2（mH）Id式中，U2為變壓器二次相電壓有效值