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1、第 1 页共 18 页 格式 A1 档号编号 保管期限密级 阶段标记 名称 KWZL-110KW 整流柜 方案设计报告 会签 部门 编写 校对 审核 标审 批准 武汉科闻传感技术有限公司 第 2 页共 18 页 内容概要: 本报告就 KWZL-110KW 整流柜的设计情况进行了详细介 绍，阐述了实现方案的技术途径及主要工作内容、达到的主要 技术指标，并对设计情况进行了分析和说明，最后得出了各项 指标满足研制任务书、可以转入生产阶段的结论。 主 题 词 KWZL-110KW 整流柜设计报告 更 改 栏 更改单编号更改日期更改人更改情况及标记 第 3 页共 18 页 目 次 1概述.4 1.1任务
2、来源.4 1.2研制指导原则 4 1.3整流柜组成及功能4 2主要技术指标及设计要求4 2.1自然环境.4 2.2主要技术指标 4 3设计方案.5 3.1总体方案.5 3.2参数计算.6 3.3组成部分设计方案9 3.4系统结构图纸 15 3.5系统安全性设计17 4方案满足技术指标情况17 5风险分析.18 6结论.18 第 4 页共 18 页 1 1概述概述 1.1任务来源任务来源 KWZL-110KW 整流柜依据KWZL-110KW 整流柜研制任务书 开展设计。 1.2研制指导原则研制指导原则 所有零部件选用已定型的货架产品保证系统可靠性及研制周期； 1.3整流柜整流柜组成及功能组成及功
3、能 KWZL-110KW 整流柜的重要组成部分，由三相全波不控整流电路、无 功补偿器、三相交流断路器、直流保险丝、薄膜电容、多功能仪表、 直流表、 保险丝、 温度报警模块、 指示灯、 铜排、 电缆等组成。 KWZL-110KW 整流柜将额定电压 460V、频率 60Hz 的三相交流电整流为直流电，并配备无功补 偿器来提高系统的功率因素。 2 2主要技术指标及设计要求主要技术指标及设计要求 2.1自然自然环境环境 a）温度 最高温度：+50； 最低温度：-20； b）相对湿度：不大于 90%（+25时）； 2.2主要技术指标主要技术指标 a）输入额定电压：三相 460Vac，60HZ； b）输出
4、功率：不低于 300kW； c）补偿参数：电容器 20Kvar+30Kvar（2 路），电感率为 7 %;； d）谐波分量：不大于 20%； e）工作温度：-2050； f）防护等级：IP43； g）外形尺寸：1120mm700mm700mm。 第 5 页共 18 页 3 3设计方案设计方案 3.1总体方案总体方案 此方案主要目的在系统允许的条件下， 尽可能提高功率因素，改 善柴油发电机组的使用效率，同时也要防止功率因素过高造成系统不 稳定；并尽量减少系统的谐波分量。 产品的电路原理图如图 1 所示， KWZL-110KW 整流柜的重要组成部分， 三相全波不控整流电路、无功补偿器、三相交流断路
5、器、直流保险丝、 薄膜电容、多功能仪表、直流表、保险丝、温度报警模块、指示灯、 铜排、电缆等组成。考虑到整流柜的重要性，所以在设计该整流柜时， 考虑更多的是整流柜的稳定性和可靠性。 KWZL-110KW 整流柜的输入为柴油发电机组,柴油发电机组输出电压为 460HZ，频率为 60HZ 的三相交流电，经三相全波不控整流电路输出直流电。考 虑到现场实际运行时，例如：铭牌 88KW，功率因素 0.8 的柴油发电机组，在没 有无功补偿情况下，带载 40KW，柴油发电机组的功率因素为 0.75。现在本整流 柜的输入为在最大 120KW，功率因素 0.8 的柴油发电机组，而实际整流桥输出功 率需要满足 1
6、10KW，为满足实际要求，故必须提高功率因素，加入无功补偿器。 第 6 页共 18 页 图 1 .系统主电 气原理框图 3.2参数计算参数计算 本电源主要采用三相全波不控整流电路对三相交流电整流得到 110KW 直流电源。 3.2.13.2.1 三相全波不控整流电路三相全波不控整流电路 考虑到本整流柜的重要性，所以我们更多的考虑到整流柜的稳定 性和可靠性，故采用三相全波不控整流电路，电路由 6 个整流二极管 第 7 页共 18 页 构成。 由于本系统电路输出电压为 U0=460*1.35=DC621V，输出功率为 110KW，则输出电流为 DC177A，故我们在选择整流二极管时，留有一 定余量
7、， 选用 600A/1800V 的二极管。 散热器的选型由晶闸管厂家推荐， 采用风冷散热。 3.2.23.2.2 输入电流计算输入电流计算 根据系统技术指标柴油发电机最大功率 120KW，以效率为 0.9 计 算，可得：Pi=1.732U*I*cos=Po=120KW，cos=0.9，U=460V 得到 I=167A 根据输入电压 AC460V,输入电流 AC167A， 交流断路器我们均选取 额定电流为 250A 的器件。 3.2.33.2.3 滤波电容计算滤波电容计算 整流柜额定输出电压 DC620V，而本身本系统的负载并联了一个电 池，相当于一个无穷大的电容，故本系统设计时没有太多考虑纹波
8、的 要 求 ， 但 是 考 虑 到 整 流 桥 的 稳 定 性 以 及 可 靠 性 ， 输 出 并 联 有 6 个 450uF/1000V 的薄膜电容，主要消除尖峰电压及高次谐波等。 3.2.43.2.4 谐波值计算谐波值计算 对于三相全波不控整流电路，当忽略三相桥式可控硅整流电路换 相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，则交 流侧电流傅里叶级数展开为： 由上式可得以下结论： 电流中主要含有 5、7、11、13.等各次谐波，各次谐波的有效值 与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，所有 主要谐波为 5 次谐波。 一 般 三 相 全 波 不 控 整 流 电 路
9、电 压 谐 波 为 15%-20%， 电 流 谐 波 为 第 8 页共 18 页 20%-30%，本系统添加有无功补偿器，可消除一部分谐波量。 3.2.53.2.5 无功补偿器计算无功补偿器计算 本系统中柴油发电机组机的功率因素为 0.8，而整流柜最高输出功 率 110KW，则柴油发电机的视在功率 S=110KW/0.8=137.5KVA， 则无功功率Kvar82110-5 .137P-SQ 2222 ； 根据柴油发电机组的性能要求，柴油发电机组的最大功率因素不能 超过 0.95，否者会导致柴油发电机组运行在不稳定区域，会造成柴油 发电机的损伤， 留有一定余量， 我们通过无功补偿器将功率因素由
10、 0.8 上升到 0.9。 当 功 率 因 素 为0.9时 ， P=S*0.9=123KW, 则 无 功 功 率 Kvar5975.123-5 .137P-SQ 2222 ；则无功功率补偿了 82-59=23Kvar。则 无功补偿器的电容器为 23KVar，由于本系统的主要谐波分量为 5 次谐 波，故无功补偿器中的电抗器选用电抗率为 7%的电抗。 电容器 2 2fCUQ，其中 Q=23Kvar，f=60Hz,U=460V，则 C=288uF。 本系统可等效为该电路图： 图 2.等效电路图 In 为系统 n 次谐波电流，也看作由一恒流源发出，L2 为系统等值 电感，其基波电抗值为 X2，L1 为
11、电容器所串电抗器的电感，其基波电 第 9 页共 18 页 抗值为 X1，C 为补偿电容器的电容，其基波容抗值为 Xc，Ins 为流入 系统的 n 次谐波电流，Inc 为流入电容器的 n 次谐波电流， Ins =In(nX1 -Xc/n)/（nX2 + nX1 -Xc/n），X1/Xc 等于 K 代入， 即得：Ins =InXc(K-1/n 2)/(X2 + Xc（K-1/n2),(X1/Xc 等于 K) 当 K-1/n 2 =0 即 K=1/n 2 流入系统的 n 次谐波为零，说明 L-C 回路对 n 次谐波完全滤除，它 是一个单调谐滤波器。本系统主要功率为 5 次谐波，则 K=1/25， 则
12、 XC=25XL，XC=fc21=5.1,I=U/（XC+XL）=90A，则流经无功补偿 器的电流为 90A。 3.3组成部分设计方案组成部分设计方案 3.3.13.3.1 三相交流断路器三相交流断路器 三相交流断路器采用施耐德的交流断路器 NSX630/3P（3 个），其 中主回路断路器采用 250A， 无功补偿回路选用 2 路 160A。 NSX630/3P 额定绝缘电压为 800V，适用于交流 50HZ（或 60HZ），额定工作电 压 690V 的电路中作不频繁转换及点电机不频繁起动之用，交流断路 器具有过载和短路保护功能，能保护线路和电源设备不受损坏。 根据前面计算得出主回路电流为 1
13、70A，故主回路断路器选用 250A 可满足系统要求，而无功补偿回路电流为 70A，故选用 160A 断路器。 主要技术参数: a）额定绝缘电压：800V AC； b）额定工作电压：630V； c）额定冲击耐压：8000V； d）级数：3； e）额定极限短路分断能力：42KA/440VAC； f）额定运行短路分断能力：42KA/440VAC； g）操作次数：机械操作 15000 次，电气操作 4000 次； h）外形尺寸(WHD)：140mm255mm110mm； 第 10 页共 18 页 i）重量：6.2kg； j）飞狐距离：52mm。 实物图片: 图 3.三相交流 断路器实物图 3.3.2
14、3.3.2 无功补偿器无功补偿器 无 功 补 偿 器 采 用 指 月 集 团 有 限 公 司 的 电 容 器 BMSJ0.69-30-3 、 BMSJ0.69-20-3 以及电抗器 CKSG-2.1/0.69-7%、CKSG-1.41/0.69-7% ，其中 BMSJ0.69-30-3 为自愈式三相并联电容器，额定电压 690V，补偿功率为 30Kvar， BMSJ0.69-20-3 为自愈式三相并联电容器，额定电压 690V，补偿功率为 20Kvar， CKSG-2.1/0.69-7%为 30Kvar 匹配的电抗器，CKSG-1.41/0.69-7%为 20Kvar 匹配 的电抗器。 根据之
15、前计算的补偿电容器应该为 23Kvar，在我们进行选型采购电容器时， 由于市场上所有的电容器选型都是以 50HZ，额定电压计算而来。 我们将电容器 23Kvar 转化为 50HZ,690V 的电容器，由上述计算公式得到 C=288uF， 2 2fCUQ=2*3.14*50*288*10 -6*690*690=45Kvar。为方便 第 11 页共 18 页 现场调试， 故选用 2 路， 根据厂家选型， 比较合适的有 20Kvar 和 30Kvar 两种。可根据现场调试情况选择电容的投切。 3.3.33.3.3 整流二极管及散热器整流二极管及散热器 可控硅选用西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司
16、的烧结结构整流 管，适用于高压直流整流电源等装置。 根据本装置的技术指标，输入电压 AC460V，输出功率 110KW,根据计算出的 电流以及厂家推荐，最后选用二极管型号为 ZP600/1800，散热器为 SF14 型风冷 散热器，该型号二极管的工作电压为 DC1800V，工作电流为 600A，足以满足本 装置设计需求。 散热器安装条件：安装散热器时，器件和散热器的接触表面应平整，光洁， 安装前擦拭干净。紧固力应略大于规定的相应数值。风速应大于 6M/S，故使用 2 路 8 寸 220V 风扇进行散热。 图 4.二极管及 散热器实物图 3.3.43.3.4 直流滤波电容直流滤波电容 直流滤波电容选用株洲宏达电子股份有限公司的有机薄膜电容，以聚丙烯 薄膜为介质，金属化层为电极，采用无感卷绕结构，阻燃环氧树脂填充，螺柱 或内螺纹引出。自感低，ESR 低，高频损耗小，能承受大的纹波电流，高可靠性。 用于直流滤波或支撑电路，可替代铝电解电容。如牵引驱动器、磁化和焊接设 备、风能和太阳能等设备中的直流滤波和链接。 第 12 页共
