变流器主电路参数计算和保护环节设计

1、第二章变流器主电路和保护环节设计直流调速系统根据其基本组成部分，可分为主电路和控制电路两大部分。在系统设计确定主电路的接线方式和系统的控制方案后，就应着手分别对主电路进行参数计算和元件选择，它是系统设计中极其重要的一环。主电路参数计算和元件选择的具体内容是：整流变压器额定参数计算、晶闸管整流元件（或功率晶体管）的选择与联结、晶闸管的保护、电抗器参数的计算。第一节整流变压器额定参数的计算在一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网供电电压是不一 致的，并考虑尽可能减少电网和晶闸管装置间的相互干扰，要求晶闸管主电路与电 网隔离，所以需配置整流变压器。计算整流变压器额定参数时，首先根据整流

2、电路的型式和负载所要求的整流电压Ud取值过高，则晶闸管运行时的控制角:过大，会造成直流电压谐波分量增大，功率因数变坏，无功功率增加；若U2选择过低，则有可能在控制角为:-min时整流桥输出的直流电压 Ud仍达不到负载要求的额定值。整流变压器参数的计算， 首先根据整流电路的型式和负载所要求的整流电压 和整流电流Id，计算二次电压U2、二次电流丨2和一次电流丨1，进而计算其一次、 二次容量Sl、S2及平均计算容量S。最后根据上述数据选用现有电力变压器系列产 品或自行设计。、二次侧相电压u2变压器二次测相电压 U 2的计算公式为U2U d max RI dn -U VI 2A 2（C0S、min -

3、 Cu k ） I 2N在要求不太精确的情况下，U 2可由简化式确定:U2 =（1.2 -1.5）Udmax/A式中，Udmax为变流装置的最大整流输出电压（ V）； R为整流变压器内阻和平波电 抗器之和（0）；山为电动机额定电流（A）； Uvt为主电路中电流经过几个串联 晶闸管的正向压降 （V ）; A为a =0时Ud与u2之比，见表3-1; E为电网波动系数, 通常取；=0.9 ；为最小控制角，一般可逆系统：Fin =30 35，不可逆系统_：min =10 - 15 ； C 为线路接线方式系数， 见表3-1； uk为变压器短路电压比，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 为变压器二次实际工作电流与二次额定电流之比。表3-1几种整流线路变压器电压计算系统电路型式AC电路型式AC单相全波0.90.707三相半波1.170.866单相桥式0.90.707二相桥式2.340.5表3-2整流变压器计算参数线路型式负载性质U doU2Id17S1UdldS2UdldSUdld单相半波电阻性负载0.450.6372.683.483.08电感性负载0.451.1411.111.571.34单相全波电阻性负载0.91.271.251.751.5电感性负载0.91.411.1

5、11.571.34单相半控桥电阻性负载0.90.91.231.231.23电感性负载0.911.111.111.11单相全控桥电阻性负载0.90.91.231.231.23电感性负载0.911.111.111.11晶闸管在负载侧的单相桥式电阻性负载0.90.91.231.231.23电感性负载0.911.111.111.11三相半波电阻性负载1.171.731.241.511.38电感性负载1.171.731.211.481.34三相半控桥电阻性负载2.341.221.951.051.05电感性负载2.341.221.051.051.05三相全控桥电阻性负载2.341.221.051.051.

6、05电感性负载2.341.221.051.051.05双反星形带平衡电抗器电阻性负载1.173.401.051.511.28电感性负载1.173.461.051.481.26、二次测相电压| 2和一次测相电压I 1对不同型式的整流线路， 变压器二次、一次电流有效值|2 . |1与负载电流I d的 关系见表3-2。如三相全控桥式电路有 |2 =0.816Id ,打=0.8161 d /K ;三相零式 电路，12 =0.577 ld，I = 0.471I d / K。K 为变压器匝数比(K = N1 / N 2)。三、变压器容量计算变压器二次容量、一次容量、平均计算容量(视在容量)分别为S2 m

7、2 U 212S1 mrU 1111S(S1 S2)2式中，m1和m2为整流变压器一次侧、二次侧的相数。例3-1 某晶闸管直流调速系统，其电动机的额定值为U N二220V，I n =287A，Pn =55kW，采用三相全控桥式整流电路供电，电网电压波动系数；=0.9，变压器短路电压比 Uk =0.05，管压降厶Uvt =1V，n =2 , I2 /I2N =1，变压器和平波电抗器的电阻不计。电网相电压U1 =220V，试确定整流变压器各额定参数。解：查表 3-1 得，A =2.34,C=0.5，: min =30 ,cos： min 二 cos30 = 0.866，忽略R时有：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)所以变压器电压比为：/U2 = 220/125 =1.76二次侧相电流：丨2 = ld/1.22 = In /1.22 =287A/1.22 ： 235A一次侧相电流：I11ld133.5A1.761.22二次容量：S2= m2U2l2 =3 125 235VA : 88kVA一次容量：$= m1U1I1 =3 220 133.5VA ： 88kVA平均计算容量：1S(S1 - S2) =88kVA2由表3-2可直接求出变压器的额定参数

9、。第二节主电路器件的计算与选择正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。所谓正确合理地选择元件，系指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定 电压一定要考虑合适的电流储备和电压储备系数，通常称安全系数。从设计和使用 的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产 上的关键设备更应如此。一、整流元件的额定电压 UtnUtN =（23）UTm式中，Utn为晶闸管元件的额定电压（V）； UTm为晶闸管元件在电路中实际承受的最大电压（V）。对于不同型式整流电路的示于表3-3内，表中U2为整流变压器 二次侧相电压有效值。二、整流元件额定电流 ItnItn =(

10、1.52)KJd式中，Itn为晶闸管的额定电流(A )； K巾为计算系数，示于表 3-3内；为 最大负载电流。表3-3整流元件的最大峰值电压UTm和额定电流的计算系数K整流主电路单相半波单相双半波单相桥式三相半波三相桥式带平衡 电抗器 的双反 星形U TmJ2u22丘U 2逅U 21 4）对大、中容量设备，以及经常逆变的场合，采用直流快速开关作直流侧过载和适中保护。快速开关的开关机构动作时间只有2ms,完全分断电弧的时间也不过2530ms,它是目前较好的过流保护装置。在晶闸管直流调速中，可按电动机额定 电流选用。5）快速熔断器是最简单有效的短路保护元件，是防止晶闸管损坏的最后一道 防线。快速熔

11、断器的接法有安装在交流侧、与元件串联、安装在直流侧三种，见图3-9。a)b)c)图3-9快速熔断器的接法a）交流侧快速熔断器b）与器件串联快速熔断器c）直流侧快速熔断器图3-10晶闸管串接桥臂电抗器交流侧快速熔断器能够对元件短路和直流侧短路起保护作用，但它对晶闸管元件的保护作用较差。直流侧快速熔断器仅能对直流侧短路与过载起保护作用。与元 件串联快速熔断器，由于两者电流相同，故元件保护作用最好，应用极为广泛。对 中、小容量系统。一般只采用此种接法。还应注意，各种过流保护的动作顺序应该是：电流调节器限流（触发脉冲后移） T过流继电器动作跳开关T直流快速开关动作T快速熔断器熔断。选配与元件串联的快速

12、熔断器，其熔体的额定电流In 一般按下式选择1.57Itn - In - Im，式中，Itn为晶闸管的额定电流；In为熔体的额定电流；扁为实际流过晶闸管的最大电流有效值。中、小容量系统中，常选用 In = Itn。目前生产的快速熔断器产品主要有 RSO、RS3（汇流排式）与小容量的RLS （螺 旋式）。RLS额定电流为 3100A，额定电压为 500V。RSO、RS3额定电流为10 450A，额定电压为 250, 500, 750, 1000V。（三）电压和电流上升率的限制系统设计要求把作用于晶闸管的正向电压上升率du/dt限制到晶闸管断态电压临界上升率以下，把正向电流林片 上升率di. dt

13、限制到通态电流临界上升率以下。对du dt和di. dt的限制措施是串桥臂电抗器L, L可 以是空心电抗器、 铁心电抗器。采用空心电抗器时 L的电感应大于或等于2030丄H ,采用铁心电抗器时，电感值可再大一些。其接线方法如图3-10所示。阻容吸收装置采用整 流式接法，如3-3d所示，对限制dL dt也有好处。还须特别指出的是，对于应用晶闸管装置所引起的功率因数恶化、高次谐波电流使得电网波形畸变等电力公害，除从电网方面采取补偿措施外，还应注意从晶闸 管装置本身采取措施，以将其抑制在容许范围内。限于篇幅，关于改善功率因数、 防止谐波危害的具体措施，读者可查阅有知文献资料。第四节电抗器参数计算与选

14、择在晶闸管变流装置供电的直流调速系统中，常在直流侧串有带空气隙的铁心电抗器，使输出电流连续、限制电流脉动，并抑制环流，以提高装置对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性。下面分别讨论三种电抗器的电感量计算。一、使输出电流连续的临界电感量Lcr对晶闸管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。电动机电枢电感一般较小，不能满足电流连续的要求，故必须在晶闸管输出电路中串入电抗器，其临界电感量Lcr计算公式为：U 2Lcr 二 Kcr-（mH）1 d m in式中，U2为晶闸管装置交流侧电源相电压有效值（ V）； Idnm为要求连续的最小负载电流

15、平均值（A）； Ker为与整流电路形式有关的系数，见表3-5序号2。例如，三相全控桥式整流电路U2Ler =0.693-Id min二、限制输出电流脉动电感量Lm为了使系统能正常工作，提高运行的可靠性，必须在主电路中与负载串联电抗器，其电感量Lm为Lm103Udm/U2 52fdSi I d(mH)式中，U dm . U 2为脉动输出电压中最低频率的电压幅值U dm与交流侧星形联结时相电压有效值U2之比，见表3-5序号1; fd为整流电路输出电流的最低谐波频率（Hz）,见表3-5序号1 ； Id为额定负载电流平均值；Si为电流脉动系数，由运行要求提出。单相整流电路Sj 0.2;三相整流电路 S

16、i 0.05 。表3-5计算电感量时的有关数值序号电感量的有关数值单相全控桥三相半数三相全控桥带平衡电抗器的双反星形fd （ Hz）1001503003001Lm最大动脉a值900900900900U dm /U 21.20.880.80.82LcrKcr2.851.460.6930.3483LiK|3.186.753.97.8以上计算的使电流连续的临界电感量 Lcr和限制电流脉动的电感量 Lm都是指 电流路径中所有的电感量，其中包括变压器折算到二次侧每相的漏电感量Ll和电动机电枢的电感量 La。所以，为了准确设计电抗器，计算所得Lcr和Lm应该扣除（L| + La ）。折算到变压器二次侧的每相漏电感量Ll为U 2Ll =KlUk 2（mH）Id式中，U2为变压器二次相电压有效值