CC BY
60
Муфтиев С.Р. Ми/Иву S.R.
аспирант кафедры «Физика» ФГБОУВПО «Уфимский государственный университет экономики и сервиса», Россия, г. Уфа
УДК 621.313
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО АВТОТРАНСФОРМАТОРА СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА
Статья посвящена вопросам проектирования импульсного высокочастотного силового автотрансформатора системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта. Рассматривается методика расчета с входным напряжением типа «меандр» с определением оптимальной рабочей частоты системы «инвертор на IGBT-модулях - автотрансформатор» с учетом «скин»-эффекта в проводящей среде на высоких частотах.
Полученная методика расчета силовых импульсных автотрансформаторов может быть использована при проектировании установок индукционного нагрева, силовых стабилизаторов постоянного напряжения, промышленных инверторных сварочных аппаратов.
Ключевые слова: силовой импульсный автотрансформатор, IGBT-модуль, меандр, система стабилизации напряжения.
DESIGN FEATURES OF THE PULSE TRANSFORMER VOLTAGE STABILIzATION OF CITY ELECTRIC TRANSPORT TRACTION SUBSTATIONS
The article is devoted to the design of pulsed high-frequency power transformer voltage stabilization of city electric transport traction substations. The method of calculation with an input voltage meander with the definition of an optimum operating frequency inverter system on IGBT-modules - autotransformer with subject «skin-effect in a conductive medium to high frequencies.
The technique of calculation of power pulsed autotransformers can be used when designing installations of induction heating power DC voltage stabilizers, industrial inverter welding machines.
Key words: power pulse autotransformer, IGBT-module, meander, the system of stabilization of voltage.
При выборе методики расчета автотрансформатора системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта целесообразно отталкиваться от уже разработанной для стабилизаторов [1]. Однако следует учесть, что в исходной методике предполагается, что входное напряжение автотрансформатора близко к синусоидальному, а в нашем случае - форме меандра (рис. 1).
Согласно этому рисунку, максимальная индукция
где и.0 - амплитудное входное напряжение; о>1 -число витков первичной обмотки автотрансформа-
тора; Qг - площадь поперечного сечения сердечника автотрансформатора. Напряжение V. 0 связано с выпрямленным напряжением стабилизатора следующим соотношением:
Ui.o= — U1. Подставляя (2) в (1), получаем
В г ~ Ul
(2)
(3)
С 5Г&) 1
Нетрудно видеть, что соотношение (3) отличается от данного в [1] коэффициентом 1,11. Именно этот поправочный коэффициент следует вводить в те формулы методики [1], которые основаны на свя-
Electrical facilities and systems
В
1 В Ui
"Г /
/ Г \ t
«— 41 *- -к-
Рис. 1. Зависимости напряжения и1 и индукции В от времени ^ Т - период; t - время импульса; В - индукция насыщения
зи напряжения на обмотках и амплитудой индукции в сердечнике.
Другим специфическим фактором проектирования нашего автотрансформатора является выбор оптимальной частоты f Чем выше частота инвертирования, тем более экономичен, согласно [1], расход активных материалов:
Э =
V
0.27 '
(4)
= /^ = 503 ¡1
yl^/i о AJ/
где Э - обобщенный экономический показатель (стоимость расхода активных материалов, стоимость потерь, капитальные затраты, связанные с габаритным объемом); Sн- расчетная мощность трансформаторного оборудования.
Однако с увеличением частоты возникает ограничение использования полупроводниковых элементов, в первую очередь ЮВТ-транзисторов большой мощности, существенно возрастают потери в обмотках автотрансформатора, обусловленные эффектом вытеснения («скин»-эффектом).
Рассмотрим эти ограничения более детально.
Динамические процессы в транзисторах ЮВТ (время восстановления управляемости, допустимое время нарастания напряжения в интервале закрытия и тока в интервале открытия) составляют 1-3 мкс [2]. Ясно, что период чередования интервалов открытия и закрытия должен быть по крайней мере на два порядка (102) дольше, чем суммарное время динамических процессов транзистора. Иными словами,
1
Т = ~ > (100-300) мкс, что соответствует частоте 3300-10000 Гц.
С другой стороны, глубина проникновения электромагнитной волны в проводящую среду равна [3]
г =1-2- = 503 (5)
Для медного провода (р = 0,0175-10-60м-м2/м) эта глубина равна
г = 0,067|м . (6)
При толщине провода порядка 1 мм выбираем частоту инвертирования f = 5000 Гц. Поскольку входное напряжение инвертора меняется в пределах от Ц мин до Ц макс, выбираем коэффициент трансформации автотрансформатора kw=ю1/(ю2+ю1) равным:
(7)
Расчетная мощность автотрансформатора: максУгнС!"^),
п 1-Д U
где а = (t/lM7~t/lMHH- - At/)(l-fcr) + 1- ДU,
и и
AU=U - U
1 макс. 1 мин.
(8)
(9)
Сечение сердечника автотрансформатора выбираем по формуле (9) [1] с учетом того обстоятельства, что коэффициент следует уменьшить в отно-
шении
1Д12
0,81:
(10)
Твтк 1 9 с 1т.п. где g0 и gc - удельные плотности материалов сердечника и провода; р - удельное сопротивление провода; qmn - допустимая мощность теплового излучения поверхности обмотки.
Поперечное сечение сердечника выбирается в виде ступенчатой фигуры, вписанной в круг [4]. Диаметр круга определяется по формуле
П = 2&.
■\1 п
Форму сердечника сделаем близкой к круглой. Для этого воспользуемся известными соотношениями (рис. 2).
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 9, 2013
67
Рис. 2. Соотношения диаметра окружности к сторонам вписанного прямоугольника
Размеры поперечного сечения ярма сердечника: h = 2а.
я
Высота окна сердечника:
Число витков первичной обмотки: _ 0,25 ■Ц1
f■Bг■2Qc
Число витков катушки вторичной обмотки:
W2 = ^(1-к) (11)
Ток в первичной обмотке:
11 = (1,02-1,1)/, / к, (12) Плотность тока в обмотках выбирается при проводе типа лицендрат:
АЛ = 2 Л/мм2; следовательно, диаметр одного провода равен_
с1| =1.13 —-—, где N - число проводников в ДдМл Л
лицендрате.
Масса обмотки:
G1 = 2gn-1 •м. dy,
1 °0 ср 1 1
где 1 - средняя длина витка обмотки.
ср
Масса сердечника:
h = (1,2-1,4)^(1+2,3
I кф-дф 'к o-go-ki
)а,
где k - коэффициент заполнения окна медью.
Gc = b(Aa + h)2 - h2b) ■ дс= fë-kch + h2(C + 2D))gc,
Масса автотрансформатора: Gд = G1+G2+Gс. В соответствии с этой методикой был рассчитан автотрансформатор системы стабилизации напряжения тяговых подстанций городского электротранспорта мощностью 480 кВт. На рис. 3 изображена конструкция стабилизатора с этим автотрансформатором.
Рис. 3. Компоновка основных узлов (вид сверху) ССН: 1 - радиатор жидкостного охлаждения; 2 - насос центробежный; 3 - электродвигатель вентилятора; 4 - автотрансформатор ТТЗ-800; 5 - блок питания, управления и сигнализации; 6 - теплообменник для охлаждения диодных и IGBT-модулей; 7 - диодные и IGBT-модули;
8 - блок коммутации
Список литературы 1. Бамдас А.М. Трансформаторы, регулируемые подмагничиванием [Текст] / А.М. Бамдас, С.В. Ша-
пиро. - М.: Энергия, 1964. - 160 с.
2. Колпаков А. Схемотехнические способы борьбы с защелкиванием в каскадах с IGBT-транзисторами [Текст] / А. Колпаков // Компоненты и технологии. - 2000. - № 7.
3. Энциклопедический словарь нанотехнологий [Электронный ресурс]. - URL: http://dic.academic. ru/dic.nsf/nanotechnology/192/скин (дата обращения: 17.03.2012).
4. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов [Текст] / С.С. Вдовин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отделение, 1991. - 208 с.
References
1. Bamdas A.M. Transformatory, reguliruemye podmagnichivaniem [Tekst] / A.M. Bamdas, S.V. Shapiro - M.: Jenergija, 1964. - 160 s.
2. Kolpakov A. Shemotehnicheskie sposoby bor'by s zashhelkivaniem v kaskadah s IGBT-tranzistorami [Tekst] / A. Kolpakov // Komponenty i tehnologii. - 2000. - № 7.
3. Jenciklopedicheskij slovar' nanotehnologij [Jelektronnyj resurs]. - URL: http://dic.academic.ru/ dic.nsf/nanotechnology/192/skin (data obrashhenija: 17.03.2012).
4. Vdovin S.S. Proektirovanie impul'snyh transformatorov [Tekst] / S.S. Vdovin. - 2-e izd., pererab. i dop. - L.: Jenergoatomizdat, Leningr. otdelenie, 1991. - 208 s.
