Разработка ветроэнергетической установки

На рис. 3.1 дан пример алгоритма выбора схемы выпрямителя исходя из трех заданных параметров выхода выпрямителя (Pd0, Ud0, Id) с учетом в векторе свойств схемы только двух компонентов: использования типовой мощности трансформатора и использования вентилей по обратному напряжению.

Рисунок 3.1 – Алгоритм выбора схемы выпрямителя

В соответствии с заданием на проектирование и алгоритмом выбора схемы выпрямителя по рис. 3.1 наш выпрямитель должен быть трехфазным (Pd0 = 7400 кВт) и двухполупериодным (мостовая схема), так как требуется достаточно высокое выпрямленное напряжение. Выпрямитель обмотки возбуждения также трехфазный, но в связи с невысоким значением выпрямленного напряжения может быть выполнен по однополупериодной схеме. Поскольку коэффициенты преобразования по напряжению выбранных схем выпрямителей различаются в два раза и их требуемые выпрямленные напряжения также различаются в два раза, возможен вариант питания обеих схем от одной системы вторичных обмоток трансформатора.

3.2 Расчет параметров элементов схемы управляемого выпрямителя (этап параметрического синтеза)

На рис. 3.2 представлена упрощенная схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя для расчета параметров основных элементов.

Рисунок 3.2 – Упрощенная схема трехфазного управляемого выпрямителя

Напряжение питающей сети по стандарту на качество электрической энергии может максимально отклоняться от номинала до ±10%. Поэтому необходимо обеспечить номинальное выпрямленное напряжение и при минимально возможном напряжении сети, при этом угол регулирования α в выпрямителе рационально иметь равным нулю. Тогда, учитывая, что Uя.н. = Ud0, имеем:

                                                            (3.1)

полагая, что обмотки трансформатора будут соединены по схеме звезда звезда и коэффициент трансформации входного трансформатора:

                                                                   (3.2)

Среднее значение анодного тока вентиля:

                                                                           (3.3)

Действующее значение анодного тока вентиля:

                                                                 (3.4)

Выбираем тиристор по среднему значению анодного тока с учетом того, что здесь коэффициент амплитуды Ка=2, а рабочее обратное напряжение должно выбираться по формуле:

                                               (3.5)

где – расчетное обратное напряжение, равное амплитуде линейной Э.Д.С. трансформатора при максимальном напряжении питающей сети;

ККП=1,4 – коэффициент, учитывающий наличие коммутационных перенапряжений;

КЗ=1,1 – коэффициент запаса;

Кр=0,8 – коэффициент рекомендуемого соотношения между рабочим и допустимым повторяющимся напряжением на вентиле.

Это тиристор Т132-50, имеющий следующие параметры: динамическое сопротивление в открытом состоянии – Rдин = 4,6 мОм, пороговое напряжение – U0 = 1,03 В, максимально допустимая температура перехода – Тjm =125 оС. [15] Действующее значение вторичного тока трансформатора:

                                                        (3.6)

Действующее значение первичного тока трансформатора:

                                                (3.7)

Расчетная мощность обмоток трансформатора:

                            (3.8)

По справочным данным выбираем трансформатор типа ТСЗ-10/0,38. который имеет следующие параметры:

- номинальная мощность S = 10 кВА;

- номинальная частота f = 50 Гц;

- потери холостого хода Рх.х. = 650 Вт;

-потери короткого замыкания Рк.з. = 250 Вт;

- ток холостого хода Iх.х. = 7,5%;

- напряжение короткого замыкания Uк.з = 3,5%.

Через эти параметры трансформатора определим нужные нам параметры элементов Т-образной схемы замещения трансформатора.

Модуль полного сопротивления короткого замыкания трансформатора:

                                                        (3.9)

Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к первичной стороне:

                                                         (3.10)

Реактивное сопротивление рассеивания обмоток трансформатора, приведенное к первичной стороне:

                                     (3.11)

Тогда то же сопротивление, приведенное ко вторичным обмоткам трансформатора и называемое уже анодным сопротивлением Ха, будет равно:

                                                               (3.12)

                                                           (2.13)

3.2.1 Проверка вентилей по тепловому режиму

Проверяем тепловой режим выбранного вентиля по усредненной температуре полупроводниковой структуры:

                                                                (3.14)

где  – температура полупроводниковой структуры в стационарном режиме, оС;

 – температура окружающей среды, 40 оС;

 – тепловое сопротивление прибора и охладителя для выбранных условий охлаждения, оС/Вт;

 – мощность потерь в вентиле, Вт;

– максимально допустимая температура полупроводниковой структуры выбранного вентиля, оС.

Определим потери в вентиле:

(3.15)

где U0 =1,03 – пороговое напряжение вентиля, В;

Iа = 13,26 – среднее значение анодного тока вентиля, А;

Кф =  – коэффициент формы анодного тока вентиля;

Rд = 4.6*10-3 – дифференциальное сопротивление вентиля, Ом.

Охладитель выбираем типа О231-80, у которого тепловое сопротивление равно

= 0,2 оС/Вт

Тепловое сопротивление вентиля и охладителя с естественным охлаждением определяется таким образом:

r т = r1 + r2 + r3,                                                                                 (3.16)

где r1 – тепловое сопротивление переход-корпус прибора, °С/Вт;

r2 – тепловое сопротивление корпус прибора – контактная поверхность охладителя, °С/Вт;

 r3 – тепловое сопротивление охладитель – окружающая среда, °С/Вт.

Общее тепловое сопротивление равно:

rт = 0,5+0,2+0,85=1,55 °C/Вт                                                          (3.17)

Тогда температура структуры в стационарном режиме:

Qст = 40 + 1,55 ·16,35 = 65 °C                                                                  (3.18)

Максимально допустимая температура структуры приведена в справочнике и составляет = 125 °C. Таким образом, сравнивая расчетную и взятую со справочника температуру приходим к выводу, что тепловой режим вентиля нам подходит.

3.2.2 Ограничение коммутационных перенапряжений

При выключении силовых диодов и тиристоров из-за обрыва обратного тока на индуктивности коммутационного контура возникает ЭДС, которая суммируется с коммутирующей ЭДС. Эта ЭДС обычно называется коммутационным перенапряжением. Для ограничения перенапряжения применяются защитные RC – цепочки, включаемые параллельно полупроводниковым приборам.

Для расчета защитной цепочки необходимо знать амплитуду обратного тока защищаемого вентиля и индуктивность контура коммутации, которая в основном определяется реактивной составляющей сопротивления КЗ анодного трансформатора:

                                                      (3.19)

Амплитуда обратного тока вентиля зависит от величины наполненного заряда и скорости уменьшения анодного тока, которая может быть вычислена по формуле:

                            (3.20)

где  – скорость изменения анодного тока;

 – амплитуда коммутирующей ЭДС;

Lk – индуктивность коммутационного тока вентиля.

Для найденного значения скорости изменения анодного тока по зависимостях, приведенных в справочнике, определяем величины заряда и времени обратного восстановления.

Заряд обратного восстановления:

Время обратного восстановления:

Тогда амплитуда обратного тока вентиля равна:

                                                          (3.21)

Вычисляем сопротивление резистора защитной цепи, равное волновому сопротивлению контура.

                                                 (3.22)

Вычисляем емкость защитной цепочки:

                                                         (3.23)

Выбираем значения: Rд = 150 Ом, Сд = 68 нФ.

Мощность, рассеиваемая в резисторе защитной цепи, определяется энергией, запасенной в элементах колебательного контура при включении и выключении вентиля. Эта мощность вычисляется по формуле:

       (3.24)

Таким образом, выбираем следующие элементы:

1.                 Резистор – МЛТ2-0,125-270 Ом10% ОЖО.467.081ТУ;

2.                 Конденсатор – КМ 68 нФ-630 В ОЖО.462.141 ТУ.

3.2.3 Расчет индуктивности сглаживающего реактора

В большинстве случаев переменная составляющая выпрямленного напряжения (пульсация), действующая на выходе выпрямителя, недопустимо велика для потребителей. Сглаживающий фильтр, который включается между выходом выпрямителя и нагрузкой, предназначен для уменьшения пульсации.

Наиболее широко применяются сглаживающие фильтры, состоящие из индуктивности и емкости (типа LC) или из сопротивления и емкости (типа RC).

Все сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания q, который можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра U01~ к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе первого звена U11~:

К сглаживающим фильтрам предъявляются также требования, связанные с конструктивным исполнением (масса, габариты, КПД и т. п.), а также эксплуатационными особенностями (стоимость, надежность). Индуктивный фильтр (L-фильтр) применяется для выпрямителей средней и большой мощности, так как позволяет обеспечить непрерывность тока в цепи нагрузки и благоприятный режим работы выпрямителя. Индуктивный фильтр (рис. 3.3) представляет собой реактор, включенный между схемой выпрямления и нагрузкой. Напряжение на выходе выпрямителя содержит постоянную составляющую Ud и переменную U~. Пренебрегая изменением этих составляющих от нагрузки, можно заменить ими полупроводниковую часть схемы выпрямителя, т. е. считать, что на входе фильтра включены два последовательно соединенных источника напряжения: с постоянной ЭДС Ud и переменной ЭДС U~. Постоянная ЭДС не оказывает влияния на пульсацию, а в качестве переменной ЭДС можно рассматривать только ЭДС основной гармоники пульсации U1m (первой гармоники переменной составляющей), так как они преимущественно определяют коэффициент пульсации.

Рисунок 3.3 – Схема выходного L-фильтра

Индуктивность сглаживающего дросселя может определятся как из условия обеспечения заданного коэффициента пульсаций в токе нагрузки, так и из условия обеспечения заданной ширины зоны прерывистых токов. При проектировании выпрямителя необходимо проверить оба условия и выбрать большее значение индуктивности Ld. [14]

Поскольку амплитуда первой гармоники пульсаций выходного напряжения выпрямителя зависит от угла регулирования, необходимо определить максимальное значение этого угла:

                                          (3.25)

где U2 min – минимальное выпрямленное напряжение;

αmax – максимальный угол регулирования.

Максимальное значение выпрямленного напряжения:

                     (3.26)

Амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения определяется соотношением:

    (3.27)

где qm – пульсность схемы.

Коэффициент пульсаций выпрямленного тока:

                      (3.28)

где =2/35 – коэффициент пульсаций при α =0.

                      (3.29)

где  – амплитуда первой гармоники пульсаций выпрямленного тока.

Требуемая суммарная индуктивность контура выпрямленного тока:

                                    (3.30)

отсюда индуктивность сглаживающего дросселя:

                                 (3.31)

3.2.4Конструктивный расчет сглаживающего реактора

Для получения достаточно хорошей фильтрации, как было показано выше, дроссель фильтра должен иметь достаточную индуктивность. Такую индуктивность можно получить, лишь применяя реактор с сердечником из ферромагнитного материала. Практически все реакторы фильтров выполняются с сердечниками из трансформаторной стали и по своей конструкции мало отличаются от трансформаторов.

Реактор, подобно трансформатору, состоит из сердечника, обмотки, каркаса и деталей, скрепляющих сердечник.

Для малых реакторов чаще всего применяются броневые сердечники таких же типов, что и для трансформаторов, но меньших размеров.

Вследствие того, что через реактор фильтра протекает значительная постоянная составляющая выпрямленного тока, сердечник реактора сильно намагничивается постоянным магнитным потоком. При этом, как известно из электротехники, намного уменьшается магнитная проницаемость материала сердечника. Для уменьшения постоянного подмагничивания сердечника в нем применяется воздушный зазор или зазор какого-либо другого немагнитного материала. Для каждого конкретного случая существует наивыгоднейшая длина зазора в сердечнике, при которой реактор обладает наибольшей индуктивностью.

При конструктивном расчете реактора необходимо определить следующие его данные:

1) тип и размеры сердечника;

2) количество витков обмотки ω;

3) диаметр провода d в мм;

4) длину воздушного зазора lz в мм.

Заданными величинами (известными из электрического расчета фильтра) при этом являются:

1) индуктивность реактора L в Гн;

2) ток, протекающий через реактор (выпрямленный ток) Id, в А.

Расчет реактора, подобно расчету трансформатора, целесообразно начать с выбора сердечника.

Выбор размеров сердечника реактор следует производить, исходя из заданной величины , которая характеризует магнитную энергию, запасаемую в сердечнике. Чем больше величина , тем больший объем должен иметь сердечник дросселя.

Для определения минимальной величины объема сердечника реактора V можно пользоваться следующей приближенной формулой:

                                       (3.32)

Если объем сердечника взять много меньше величины, найденной из формулы (3.32), то будет иметь место сильное магнитное насыщение сердечника. Это ведет к значительному уменьшению магнитной проницаемости материала сердечника и увеличению расхода провода на изготовление данного реактора. [17]

По справочнику основных габаритов сердечников [18] выбираем тип сердечника, удовлетворяющий выражению (3.32): стержневой ленточный магнитопровод типа ПЛ6,5х12,5х8, для которого Vсм = 2,69 см3; Sсм = 0,73 см2; lср.м = 3,69 см. Далее переходим к расчету обмотки реактора.

Если реактор работает при слабом подмагничивании постоянным током, то зазор в его сердечнике не делается. Если же реактор работает при значительном постоянном токе, когда необходимо делать в его сердечнике зазор, то число витков вычисляем по формуле:

                    (3.33)

где Sсм – активная площадь сечения магнитопровода;

Vсм – активный объем магнитопровода.

Наивыгоднейшая длина зазора сердечника может быть найдена из следующего приближенного соотношения:

                                                 (3.34)

Диаметр провода обмотки реактора находят по заданному выпрямленному току, исходя из допустимой плотности тока. При плотности тока ј = 2,5 А/мм необходимый диаметр проводов находим по формуле:

                                  (3.35)

Определяем полную массу реактора по формуле:

                                                                            (3.36)

Масса провода  определяется по формуле:

                                                       (3.37)

где ρ = 8600 кг/м3 – плотность меди;

 – площадь сечения провода;

 – полная длина провода.

Площадь сечения провода определяем по формуле:

                               (3.38)

Полная длина провода определяется из соотношения:

                                                     (3.39)

где lср.м – средняя длина витка.

Тогда полная масса реактора будет равна:

3.3 Электробезопасность экспериментальной установки

Основные требования к безопасности электрооборудования изложены в ГОСТ 12.2.007.0-75 системы стандартов безопасности труда.

Стандарт устанавливает общие требования безопасности конструкции изделий, т. е. требования безопасности, предотвращающие или уменьшающие до допустимого уровня воздействия на человека: электрического тока, электрической искры и дуги, движущихся частей изделия, частей, нагревающихся до высоких температур, опасных и вредных материалов, используемых в конструкции изделия, а также опасных и вредных веществ, выделяющихся при его эксплуатации, шума, ультразвука и вибрации, электромагнитных полей и теплового, оптического и рентгеновского излучения. [19]

3.3.1 Расчет заземления

При повреждении изоляции электроустановки, ее корпус и другие конструктивные элементы могут оказаться под напряжением. Если человек прикоснется к такому поврежденному оборудованию, через него пройдет ток замыкания на землю, который может быть опасным для жизни.

Для защиты человека при прикосновении к металлическим частям электроустановки, случайно оказавшимся под напряжением, применяют защитное заземление – преднамеренное соединение корпуса или других металлических конструкций установки с землей. Назначение защитного заземления – создание между корпусом электрического устройства и землей электрического соединения с малым сопротивлением.

При прикосновении человека к заземленному оборудованию, оказавшемуся под напряжением, через его тело пройдет ток малой величины, безопасный для организма. Основной ток замыкания на землю пойдет по заземляющему устройству. Заземляющее устройство – совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземлитель – металлический проводник, находящийся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляющие проводники соединяют заземляемые части электроустановки с заземлителем. Сопротивление заземляющего устройства в основном определяется сопротивлением растеканию тока с заземлителя в грунт.

Для заземления используют естественные и искусственные заземлители. Естественные заземлители – арматура железобетонных сооружений, фундаменты зданий, трубопроводы и другие металлические конструкции, имеющие надежный контакт с землей. В качестве искусственных заземлителей чаще всего используют вертикально заглубленные стальные трубы, стержни, уголки, соединенные поверху стальной горизонтальной полосой.

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали трансформаторов либо выводы источников однофазного тока, в любое время годе должно быть не более 4 Ом соответственно при линейном напряжении 380 В источника трехфазного тока.

Сопротивление растеканию тока не должно превышать нормативной величины. Для электроустановок напряжением до 1000 В нормативное значение составляет 4 Ом, а если подсоединенная к сети мощность не превышает 100 кВА – 10 Ом.

Монтажный участок по сборке силового блока привода постоянного тока находится на первом этаже двухэтажного отдельно стоящего кирпичного здания размером 20×10м. Мощность тока, потребляемая участком, превышает 100 кВА и поэтому нормативная величина сопротивления заземлителя Rн не должна превышать 4 Ом. Заземлитель предполагается выполнить из стальных вертикальных стержневых электродов длиной lв = 1,5 м, диаметром d = 0,02 м, верхние концы которых расположены на глубине t0 = 0,8 м. Вертикальные электроды соединены между собой с помощью горизонтального электрода – стальной полосы сечением 4x40 мм, уложенной в земле на глубине t0 = 0,8 м. Вертикальные электроды расположены на расстоянии а = 3м друг от друга. Тип заземлителя выбираем контурный по периметру участка.

Выбираем 3-ю климатическую зону.

Определяем коэффициент сезонности φ для однородной земли: φв =1,2, φг = 2.

Удельное сопротивление однородного грунта (суглинок) ρ0 = 100 Ом·м.

Рассчитываем удельное сопротивление грунта для вертикального электрода:

                                                           (3.40)

Удельное сопротивление грунта для горизонтального электрода:

                                                         (3.41)

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя:

                      (3.42)

Число вертикальных заземлителей:

                                                                               (3.43)

Длина горизонтальной полосы:

                                                                        (3.44)

Сопротивление горизонтального заземлителя:

                             (3.45)

где b – ширина стальной горизонтальной полосы.

Определяем сопротивление группового заземлителя:

                    (3.46)

где ηв – коэффициент использования вертикальных заземлителей;

ηг – коэффициент использования горизонтальных заземлителей.

По условиям безопасности заземление должно обладать малым сопротивлением (Rн < 4 Ом), обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров электродов или увеличив их число, соединенных в контур. Второй путь намного экономичнее по затратам металла и другим условиям. Кроме того, при применении нескольких электродов можно выровнять потенциальную кривую на территории, где они размещены. Поскольку расчетное Rз =4,72 Ом > Rн = 4 Ом, то увеличиваем количество вертикальных электродов до n = 24.

Тогда длина горизонтальной полосы:

                                                                       (3.47)

Сопротивление горизонтального заземлителя:

                        (3.48)

Сопротивление группового заземлителя:

                      (3.49)

где ηв = 0,624; ηг = 0,312.

Так как Rз = 3,6 Ом < Rн = 4 Ом, то этот результат принимаем как окончательный.

Таким образом, проектируемый заземлитель контурный, состоит из 24 вертикальных стержневых электродов длиной 1,5 м, диаметром d = 20мм, заглубленных в землю на 0,8 м и соединенных стальной горизонтальной полосой длиной 75 м, сечением 4х40 мм (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Схема заземления: 1 – монтажный участок, 2 – вертикальный заземлитель, 3 – горизонтальный заземлитель

3.3.2 Расчет автоматического защитного отключения

Защитным отключением называется система защиты, обеспечивающая автоматическое отключение всех фаз или полюсов аварийного участка сети с напряжением до 1000 В с полным временем отключения с момента возникновения однофазного замыкания не более 0,2 с.

Экспериментальный стенд питается напряжением 220 В, находясь в конце линии 380/220 В и будучи зануленным потребителем энергии. Вследствие удаленности ее от трансформатора возможны случаи отказа зануления. Вместе с тем по условию безопасности требуется безусловное отключение установки при замыкании фазы на корпус, причем напряжение прикосновения Uпр.доп не должно превышать длительно 60В. Для выполнения этих условий снабжаем установку защитно-отключающим устройством, реагирующим на потенциал корпуса. При этом используется реле напряжения, у которого напряжение срабатывания Uср = 30 В, сопротивление обмотки активное Rр = 400 Ом и индуктивное X = 200 Ом.

Принимаем, что при касании к корпусу человек стоит на сырой земле вне зоны растекания тока с заземлителей, т. е. считаем, что α1 = α2 = 1. В этом случае условие безопасности будет:

φз.доп = Uпр.доп , В                                                                             (3.50)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5