UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI
PROIECT PROIECTAREA UNUI REDRESOR TRIFAZAT IN PUNTE NECOMANDAT NECOMANDAT
Student: PANCIU MUGUREL MIHAI Facultatea de Inginerie Electrica Anul II, Grupa 121A Profesor indrumator: CRISTIAN MIHALACHE
CUPRINS
●
Etape de proiectare .............................................................................. 3
●
Tema de proiect ................................................................................... 4
●
Datele de proiectare ............................................................................. 6
●
Alegerea diodelor semiconductoare de putere ..................................... 6 - Alegerea diodelor ………………………………………………... 6 - Alegerea sistemului de racire ......................................................... 7 - Verificarea diodei din punct de vedere termic ................................ 8
● Calculul
protectiilor la suprasarcina, scurtcircuit si supratensiuni .................................................................................. 8 > Calculul protectiilor la scurtcircuit si suprasarcina ........................ 8 - Stabilirea tensiunii nomnale a sigurantei (Un) ........................ 9 - Stabilirea curentului nominal al sigurantei .............................. 9 - Verificarea sigurantei la suprasarcina de scurta durata ........... 9 - Verificarea protectiei diodei la scurtcircuit ........................... 10 > Calculul protectiei impotriva supratensiunilor care apar in momentul comutatiei diodelor ........................... 11
2
ETAPE DE PROIECTARE
1. Alegerea diodelor semiconductoare de putere a) Alegerea diodelor b) Alegerea sistemului de racire c) Verificarea diodei din punct de vedere termic
2. Calculul protectiilor la suprasarcina, scurtcircuit si supratensiuni 2.1. Calculul protectiilor la scurtcircuit sisuprasarcina
a) Stabilirea tensiunii nomnale a sigurantei (Un) b) Stabilirea curentului nominal al sigurantei c) Verificarea sigurantei la suprasarcina de scurta durata d) Verificarea protectiei diodei la scurtcircuit 2.2. Calculul protectiei impotriva supratensiunilor care apar in momentul comutatiei diodelor
3
TEMA DE PROIECT
Tema proiectului consta in proiectarea unui redresor trifazat in punte necomandat (cu diode de siliciu).
Partea de forta a redresorului trifazar in punte
► Principiul de functionare al redresorului Primarul transformatorului poate fi conectat in stea sau triunghi. Sarcina redresorului este rezistiv-inductiva. Diodele conduc doua cate doua, pe rand, in functie de variatia tensiunilor din secundar. In orice moment, dintre diodele grupului de comutarie P (D1, D3, D5) va conduce dioda care are anodul cel mai pozitiv, iar dintre diodele grupului N (D2, D 4, D6) va conduce dioda care are catodul cel mai negativ. Tensiunea redresata ud este egalacu diferenta dintre potrentialul anodului si respectiv potentialul catodului diodelor care conduc, adica diferenta dintre infasuratoarele alternantelor positiva si respectiv negativa ale sistemului trifazat de tensiuni din secundarul transformatorului (u10, u 20, u 30). Fiecare dioda conduce unn intervalk egal cu o treime dintr-o perioada a tensiunii retelei si este supusa pe durata blocarii la o tensiune inverse maxima uRmax.
4
Formele de unda caracteristica functionarii redresorului trifazat in punte
5
DATELE DE PROIECTARE ● N=20 ● Udn =(90+n*100)=900+1600=2400 V ● Idn =(960+n*40)=960+640=1300 A ● f=50 Hz ● Conditii de suprasarcina 400 % timp de 1 min 200 % timp de ore ● TA=40˚C ● IP=5 kA ● LS=375 μH
1. Alegerea diodelor semiconductoare de putere a) Alegerea diodelor Se face astfel incat sa nu fie depasiti doi parametri: ● tensiunea inversa repetitiva maxima VRRM; ● curentul mediu direct maxim I Pentru stabillizarea acestora trebuei cunoscute formele de unda ale tensiunii inverse pe dioda si curentului direct prin dioda, forma de unda determinate de schema convertorului. Cunoscand formele de unda si valorile impuse pentru curent si tensiune la iesirea convertorului se deduc tensiunea inversa maxima VRM si curentul direct mediu I pe care le va suporta in functionare normala. Concret, pentru redresorul considerat se calculeaza, in prima aproximatie, considerand: ˆ 6 sin π U dn = U d 0 = U π 6 2400 ˆ = U dn U = = 2526,315V 6 π 6 sin * 0.5 π 6 π FAVM
FAV
Curentul mediu prin fiecare brat al puntii redresoare sa fie: I 1300 I FAV ( brat ) = dn = ≈ 541,66 A 3 * ci 3 * 0,8 Se determina apoi valorile minime admisibile pentru VRRM si
V RRM
≥V RM
cu
V RM
ˆ =1.1 * cυ * U
V RM
=1.1 * 2 * 2526,31
V RM
= 5557,88V
V RRM
I FAVM
:
≥ 5557,88V
Unde coeficientul 1.1 tine seama de faptul ca se admit variatii ale tensiunii intre 85% si 110%. Coeficientul c = 1.5 … 2.5 este un coeficient de siguranta si se υ
6
considera 2 in cazul aceasta (presupunem cunoasterea naturii si amplitudinii supratensiunilor). I I FAVM ≥ FAV ci Unde ci = 0.6 … 0.9 este un coeficient de siguranta ce tine seama de faptul ca se foloseste racire naturala. Pentru redresorul considerat rezulta cu c =2 si cs’=0.6 υ
I FAVM ( brat ) ≥
I FAV (brat ) 0.6
=
541,66 0.6
= 902,76 A
Consultand catalogul “Diode cu siliciu” al SC Baneasa SA se aleg 3 diode de 902 A si VRRM=5557,88V ce se vor monta in serie. tip D630N, cu I FAVM
=
b) Alegerea sistemului de racire Din catalog (Anexa 1) se noteaza marimile caracteristice diodei: rezistenta dinamica rT =0.6mΩ ; - tensiunea de prag VT0 = 0.82V. Se calculeaza puterea medie dezolvata in conductie in regim normal pe o dioda: P FAV = V TO * I FAV + r T * I 2 FRMS I Dn
P FAV
= V TO *
P FAV
= 0.82 *
P FAV
+ r T * ( I FAV *
3 1300
3 = 692,532W
3 )2 1300
+ 0.6 *10−3 * (
ο
RthCA
+ ∆r ≤ 0.12
C
W
∆r = 0.0075
RthCA
= 0.1
Alegem un radiator cu urmatoarele caracteristici: L = 150 mm R thJC=0.045 R thCA=0.1
c) Verificarea diodei din punct de vedere termic
7
3
* 3)2
T VJ = 40 + 692,532(0.045 + 0.1 + 0.0075) T VJ = 145,264 T C = T A + P FAV + RthCA Ο
T C = 40 + 692,532 * 0.1 = 109.253 C
Valoarea din catalog TCmax = 125 °C este mai mare decat TC din care rezulta un regim termic adecvat.
2. Calculul protectiilor la suprasarcina, scurtcircuit si supratensiuni 2.1. Calculul protectiilor la scurtcircuit si suprasarcina a) Stabilirea tensiunii nomnale a sigurantei (U n)
Date nominale: > tensiunea la bornele instalatiei Un instal = 400V, > curentul mediu redresat, nominal I dn =1100 A > conditii de suprasarcina clasa F (conditii grele, conform C.E.I.) - suprasarcina de 150% timp de 2 h (Isupr 1 ) cu valoarea medie I sup r 1
=
1.5 I dn
I sup r 1
=
1650 A
- suprasarcina de 300% timp de 1 min (Isupr 2 ) cu valoarea medie I sup r 2
=
3 I dn
I sup r 2
=
3300 A
> frecventa de lucru f = 50 Hz. > tensiunea inversa de varf, maxim admisibila la bornele circuitului V RM
=
2U n instal
V RM
=
2 * 400
V RM
= 565.68V
> inductivitatea totala a circuitului exterior: Ls=375 μH > curentul prezumat de scurtcircuit: I p=4.75 KA Pentru alegerea diodei in curent si tensiune folosim relatiile: I I I I D = dn I D = dn I FAVM = D 3 3 0.3 1100 1100 366 I D = = 366 A = 635 A I D = I FAVM ≥ = 1220 A 3 0.3 3 V RRM ≥ 2 *U n− Instal V RRM ≥ 2 * 565 = 1128V
-
In urma consultarii catalogului alegem diodele D1300N1400 ce au: VRRM>1128V cu valoarea 1300V ; IFAVM>1220A respectiv 1400V.
8
Tensiunea nominala a sigurantei trebuie sa fie mai mare sau egala cu tensiunea dintre ornele intre care este conectata (Uninstal). Un > Un instal Un sig=500V b) Stabilirea curentului nominal al sigurantei
Curentul nominal al sigurantei se alege in functie de valoarea efectiva a curentului de suprasarcina de lunga durata (Isupr 1). Pentru sigurante in serie cu diodele, curentul prin siguranta va fi acelasi cu cel prin dioda. Valoarea efectiva a curentului de suprasarcina de lunga durata printr-o siguranta IDs va fi: I Ds
= α s I dn
1
3 n p c s
= 1.5 * 1100 = 952 A 3
unde:
αs = coeficient de suprasarcina; αs=1.5 n p = 1 ,numarul de sigurante in paralel, conectate in serie cu dioda cs = coeficient care tine seama de neuniformitatea repartitiei curentilor prin sigurantele in paralel (daca este cazul). Se alege cs=0.6 … 0.9 -consideram n p*cs=1 Se alege curentul nominal al sigurantei: In > IDs Cu: Un=500V si In=1000A alese din catalog.
c) Verificarea sigurantei la suprasarcina de scurta durata
Siguranta fuzibila nu trebuie sa se topeasca pe durata supratensiunii de scurta durata. Pentru sigurante in serie cu dispozitivele, valoarea efectiva a curentului de suprasarcina de scurta durata (Isupr 2) va fi: I Dsd = β s
unde: β s
=
Idsd
I sup r 2 I dn -
I dn
1
=
I sup r 2
3 n p c s
3
1 n p c s
- coeficient de suprasarcina de scurta durata
valoarea efectiva a curentului de suprasarcina de scurta durata γ
=
I Dsd I n
= 1.9
Calculam raportul: Din caracteristaica t=f(γ) data in catalogul de sigurante, rezulta tp (timpul de prearc) care verifica conditia t p>tsd ,unde tsd = durata suprasarcinii de scurta durata; pentru conditiile de suprasarcina de tip F, tsd = 1 min. t prearc=500s > 60s d) Verificarea protectiei diodei la scurtcircuit
9
Pentru ca dioda sa nu se distruga in timpul regimului de scurtcircuit si siguranta ultrarapida sa-I ofere protectie trebuie indeplinite urmatoarele conditii: 1. Curentul limitat de catre siguranta I l sa fie mai mic decat curentul direct de suprasarcina accidentala la cald al diodei (I FSM = Surge Forward Maximum Current)
Il
Pentru sigurantele montate in serie cu diodele: k(I2t)totala siguranta < (I2t)la cald a diodei 0.8*1.1*106 A*s < 2000*103 A*s
(A)
3. Verificarea la tensiunea de arc
Pentru ca tensiunea care apare la arderea sigurantei sa nu distruga dioda trebuie indeplinita conditia: UA
2.2. Calculul protectiei impotriva supratensiunilor care apar in momentul comutatiei diodelor
Functionarea fiabila a diodelor redresoare impune mentinerea tensiunilor inverse de varf sub valorile limita repetitive specificare in datele de catalog.
10
Supratensiunile de comutatie apar periodic la blocarea diodelor datorita energiei inmaganizate in inductivitatile din circuit. Ele pot depasi VRRM , dar in general, nu au energie mare. De regula, tensiunea nominala a condensatorului trebuie sa fie cel putin egala cu VRRM, iar elementele de protectie trebuiesc montate in imediata vecinatate a diodelor cu fire cat mai scurte. Valorile orientative pentru grupul individula RC de limitate a supratensiunilor se pot calcula cu urmatoarele relatii: C= C =
2Q S VRM
[ µ F ]
2 ⋅ 750 564
R =
= 2.65 µ F
R =
Ls C
[Ω]
375 2.65
= 11.88Ω
unde: Qs=sarcina staocata la jonctiunea diodei Ls=inductivitatea totala a circuitului exterior diodei VRM=tensiunea inversa maxima care apare la bornele diodei. Sarcina stocata Qs=750 μC (din catalog) se afla din caracteristica Q s
di di = f − data in catalogul diodei, unde panta de scadere a curentului − o dt dt
determina in continuare:
− di = V RM [V ] = 654V = 1.5 A µ s dt L s [ µ H ] 375 µ H Puterea disipata in rezistenta de amortizare R se calculeaza cu relatia: PR =2 Qs VRM f 10-6 [W] PR =2*750*10-6*564*50=42.3W => PR = 50W
BIBLIOGRAFIE
11
1. F. Ionescu, S. Nitu, D Floricau, ‘Dispozitive semiconductoare de putere’, Editura Tempus, Bucuresti, 1997 2. F. Ionescu, S. Nitu, D. Flondor C. Mihalache, ‘Convertoare Statice de putere‘, Editura Tempus, Bucuresti, 1997 3. F. Ionscu, ‘Convertoare statice de putere’. Note de curs 4. Dan P.A. : ‘Diode cu siliciu’, Catalog, Editura Tehnica, Bucuresti, 1986 5. Catalogu “Diode cu siliciu” al SC Baneasa SA
12
