Силовая преобразовательная техника

Занятие 1 Введение. Цели и задачи дисциплины. Программа дисциплины «Силовая преобразовательная техника» предусматривает изучение принципов построения, расчета, проектирование полупроводниковых преобразователей электрической энергии, а также их узлов. Изучение курса «Силовая преобразовательная техника» базируется на изучении следующих дисциплин «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ), «Электрические машины», «Основы промышленной электроники». В результате изучения дисциплины учащиеся должны знать: - общие цели и задачи полупроводниковых преобразователей; - основные полупроводниковые приборы, принцип действия, область применения; - классификация полупроводниковых преобразователей; - схемы силовых полупроводниковых преобразователей; - основные узлы силовых элементов и элементов системы управления силовыми полупроводниковыми преобразователями; - принцип действия силовых полупроводниковых преобразователей; - анализировать принципы действия схем силовых полупроводниковых преобразователей; - читать принципиальные схемы; - рассчитывать и проектировать силовые полупроводниковые преобразователи; - пользоваться справочной литературой. Электропривод- это устройство преобразующее электрическую энергию в механическую и управляющее параметрами полученного движения. Электропривод использует более 50% вырабатываемойэлектроэнергии. По управляемости электропривод разделяют на нерегулируемый, который работает практически при постоянной скорости, и регулируемый, где скорость изменяется в соответствии с требованиями технологического процесса. Типовой регулируемый электропривод представлен на рисунке 1. 42 Рисунок 1 - Структурная схема регулируемого электропривода На рисунке приняты следующие обозначения: СП — силовой преобразователь; ЭД — электродвигатель; ПМ — передаточный механизм; У У — управляющее устройство; СИФУ — система импульсно-фазового управления; ИМ — исполнительный механизм; ДОС — датчик обратной связи. Он состоит из силового преобразователя СП, электродвигателя ЭД, передаточного механизма ПМ, связанного с исполнительным механизмом ИМ рабочей машины или механизма, и управляющего устройства УУ (рис. В.1). Силовой преобразователь изменяет параметры электрической энергии (напряжение, ток, частоту), посредством которых регулируется скорость и момент на валу электродвигателя. Передаточный механизм необходим для согласования параметров механической энергии (скорости, момента) исполнительного механизма и электродвигателя. Управляющее устройство в современном регулируемом электроприводе состоит из контроллера движения (скорость, положение) и электрического контроллера, посредством которого регулируется напряжение (или поток осцепление и момент) или ток электродвигателя. Контроллер специализированное техническое устройство, предназначенное для управления другими устройствами путем получения информации в виде цифровых данных или аналого-дискретного сигнала от внешнего устройства (ЭВМ, датчики или иное устройство), преобразования этой информации по специальному алгоритму и выдачи управляющих 43 воздействий в виде цифрового или аналого-дискретного сигнала. Чаще всего контроллеры представляют собой программируемые устройства, имеющие в своем составе программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) или специализированные процессоры. Управляющее устройство в общем случае через линии связи (интерфейс) подает управляющие сигналы (команды) на СП, ЭД и ПМ. С помощью датчиков (или наблюдателей) сигналы обратной связи (напряжение, ток, потокосцепление, момент, скорость, положение) по линиям обратной связи поступают в управляющее устройство, где анализируются и принимают участие в выработке управляющих команд. 44 Занятие 2 Раздел 1. Преобразовательная техника. Тема1.1 Назначение и область применения силового преобразователя. Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов. Термин «силовая электроника» получил широкое распространение сравнительно недавно. До его появления преимущественно использовался термин «силовая преобразовательная техника». В настоящее время из многообразия силовых электронных устройств можно выделить следующие основные их виды: — преобразователи электрической энергии: • выпрямители; • инверторы; • преобразователи частоты; • преобразователи постоянного тока в постоянный; —регуляторы и стабилизаторы напряжения (тока): • переменного тока; • постоянного тока; — статические аппараты управления и защиты постоянного и переменного тока: • реле; • контакторы; • защитные прерыватели; • ограничители перенапряжений; • пускорегулирующие аппараты; — статические компенсаторы реактивной мощности; — активные и гибридные фильтры; — формирователи мощных импульсов электроэнергии. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии (ППЭЭ) предназначены для преобразования параметров электрической энергии (рода тока, частоты, величины напряжения и т.д.) и для регулирования, то есть целенаправленного изменения потока мощности, передаваемого в нагрузку. ППЭЭ получили широкое применение в трех областях промышленности: 1) электропривод постоянного и переменного тока; 2) электротехнологические установки (станки); 3) электроэнергетические установки (печи, распределительные щиты, подстанции). Широкое применение устройств преобразовательной техники обусловлено преимуществами полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники – малыми габаритами, быстродействием, чувствительностью, надежностью, экономичностью и широкими возможностями преобразовательной информации. Принцип действия преобразователя основан на периодическом включении и выключении силовых полупроводниковых приборов (СПП, ключей). Под включением прибора понимается перевод его в открытое, 45 проводящее состояние, а под выключением - в непроводящее (закрытое) состояние по определенному алгоритму, выполнение которого приводит к достижению поставленной перед преобразователем цели. Приборы, работающие в ключевом режиме (открыт, закрыт) называются вентилями. Преобразователи, выполненные на вентилях, называются вентильными преобразователями. Основные виды СПП: 1) диоды (неуправляемые ключи); 2) тиристоры: обычные и запираемые (управляемые ключи); 3) симметричные тиристоры - симисторы; 4) транзисторы: биполярные, полевые, силовые типа IGBT и др. Важное значение для работы преобразователя имеет способ включения СПП, или его коммутации. Известно 2 вида коммутации ключей: 1) естественная коммутация (ЕК); 2) искусственная (принудительная) коммутация (ИК). Под естественной коммутацией понимается выключение прибора под действием изменяющего свой знак напряжения источника питания преобразователя. Под принудительной коммутацией понимается выключение прибора с помощью дополнительного источника питания (коммутирующий конденсатор и коммутирующий ключ), которые вводятся в схему для коммутации основного ключа. Каждый преобразователь электрической энергии является законченным устройством, включающим в себя ряд функциональных узлов. Классификация ППЭЭ ППЭЭ делятся на простые и сложные. В свою очередь простые преобразователи имеют классификацию, которая представлена в виде блоксхемы на рисунке 1. Рисунок 1 – Классификация простых преобразователей Инвертор – устройство, предназначенное для преобразования постоянного напряжения в переменное. Зависимый инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение сети с постоянной амплитудой и 46 частотой. Автономный инвертор предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение сети с регулируемой амплитудой и частотой. Однако, простые преобразователи не всегда могут обеспечить режимы, которые необходимы для работы технологических установок. В таких случаях используются сложные преобразователи, в которых несколько простых схем преобразователей соединены тем или иным образом. Сложные преобразователи бывают: 1) с однократным преобразованием энергии; 2) с многократным преобразованием энергии. 47 Занятие 3 Тема 1.2 Основные элементысилового преобразователя и их характеристики. Применяемые в преобразовательной технике полупроводниковые вентили подразделяются на две основные группы: - диоды (неуправляемые вентили); - тиристоры (управляемые вентили). Процессы, происходящие в полупроводниковых вентилях, определяются явлениями, возникающими на границе раздела полупроводника с различными типами электропроводимости дырочной (р-тип) и электронной (n-тип). В связи с тем, что области применения полупроводниковых вентилей чрезвычайно широки и многообразны, разрабатываются и выпускаются вентили различного целевого назначения: - общепромышленные; - высоковольтные; - высокочастотные; - импульсные и тд. В настоящее время для изготовления силовых полупроводниковых вентилей в качестве полупроводникового материала используют кремний. Полупроводниковыми диодами называют полупроводниковые приборы с одним p-n переходом и двумя выводами. Они применяются для выпрямления переменного тока, стабилизации напряжения в цепях постоянного тока. По назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные,стабилитроны, варикапы, светодиоды, фотодиоды и т.д.Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. В качестве материала применяют германий и кремний. Основной характеристикой выпрямительного диода является его ВАХ. Высокочастотные диоды – это диоды, которые способны работать на 48 частотах до 300 МГц. Диоды, работающие на частотах выше 300 МГц, называются сверхвысокочастотными. Варикапами называются полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения. Варикап используют в качестве элемента с электрической управляемой емкостью. Для использования свойств варикапа к нему необходимо подвести обратное напряжение. Основное применение варикапов – это электронная настройка колебательных контуров. Стабилитроном называется полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока. Рисунок - ВАХ стабилитрона Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n перехода. Фотодиод сочетает в себе достоинства полупроводниковых приборов с более высокой чувствительностью по сравнению с другими фотоэлементами. Когда он неосвещен в цепи протекает обратный ток, при освещении происходит увеличение тока в цепи. Светодиодом называется излучающий полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, предназначен для преобразования электрической энергии в энергию светового излучения. Транзистором называется полупроводниковый прибор имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности. Транзисторы бывают полярные и биполярные, IGBT –биполярный транзистор с изолированным затвором. 49 Аббревиатура IGВТ - это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).IGBT -транзисторы являются гибридными, в них сочетаются положительные свойства биполярных и полевых транзисторов.IGBT обладает хорошими частотными свойствами, крайне низким значением мощности управления, имеет низкое падение напряжения в проводящем состоянии.Благодаря этим качествам используется в инверторах и в системах управления электрическими приводами. Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который имеет 3 и более p-n переходов, может переключаться из открытого состояния в закрытое и наоборот. Тиристор с двумя выводами называется динистором, а с тремя выводами тринистором. 50 Занятие 4 Тема 1.3 Структурная схема преобразователя. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЙ Основные элементы Полупроводниковые преобразователи электрической энергии (ППЭЭ) предназначены для преобразования параметров электрической энергии (рода тока, частоты, величины напряжения и т.д.) и для регулирования, то есть целенаправленного изменения потока мощности, передаваемого в нагрузку. Функциональная схема представлена на рисунке 1 51 Рис 1 – Функциональная схема ППЭЭ 1. Коммутирующая аппаратура: выключатели, АВ (автоматические выключатели), контакторы, через которые к преобразователю подключается входная или выходная сеть. Контактор предназначен для нулевой защиты промышленной установки. Для того, чтобы обеспечить нулевую защиту электроустановки, необходимо, чтобы в составе схемы управления были контактор и кнопки управления. 2. Измерительная аппаратура, предназначенная для контроля за входными и выходными величинами (ток, напряжение, частота и т.д.). 3. Фильтры, предназначенные для исключения (ослабления) помех, воздействующих как на преобразователь, так и на сеть и окружающую среду. 4. Трансформаторы, или токоограничивающие реакторы. Трансформатор предназначен для согласования параметров сети с параметрами нагрузки.  Трансформатор- устройство которое служит для преобразования переменного напряжения одного уровня ,в переменное напряжение другого уровня. Электрическая связь между первичной и вторичной обмоткой отсутствует. 52 Токоограничивающий реактор предназначен для ограничения токов короткого замыкания, возникающих при коммутации вентилей на уровне, не превышающем ударный ток вентиля.  Реактор – устройстово предстовляющее собой катушку индуктивности,в слаботочной электронике эти же устройства называются дросселями. 5. Устройство защиты вентилей. 6. Вентильный комплект - основной узел ППЭЭ. 7. Блок питания СУ и вспомогательных устройств. 8. Система пуска, защиты и отключения преобразователя. 9. Система управления вентилями (система импульсно-фазового управления). 10. Система автоматического управления выходными параметрами преобразователя. 11. Система охлаждения. 12. Вспомогательный источник питания (аккумулятор АКБ). 53 Занятие 5 Раздел 2 Выпрямители. Тема 2.1 Однофазные выпрямители. Общие сведения о выпрямителях. Основные схемы выпрямителей. Выпрямитель – это преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный. Состоит из: 1) трансформатора (Тр), 2) блока полупроводниковых элементов (V), 3) выходного фильтра (Ф) 1 Классификация выпрямителей: 1) по виду вентилей: - управляемые (на тиристорах) - неуправляемы (на диодах) - полууправляемые (на диодах и тиристорах) 2) по числу фаз питающей сети: -однофазные -трехфазные 3) по способу подключения к сети: - через согласующий трансформатор -через токоограничивающий (анодный) реактор 4) по способу включения нагрузки: -нулевые, где нагрузка включается между нулевой точкой трансформатора и общей точкой анодов (катодов) вентилей -мостовые, где нагрузка включается между общей точкой анодов и общей точкой катодов комплекта вентилей. 3 54 Однофазный однополупериодный УВ изменение момента отпирания тиристора за счет сдвига фаз между анодным напряжением U2 и напряжением Uу. Сдвиг фаз называют углом управления . 4 Однофазный нулевой выпрямитель 6 55 Однофазный мостовой выпрямитель 7 Трехфазный нулевой УВ Изменение  изменение значений Ud. При   6 выпрямленный ток непрерывен. Тиристоры открыты при угле   23. 9 56 Трехфазный мостовой УВ (схема Ларионова) Ud  Ud  1 угол управления меньше или равен 60º: ( 6 ) 3 2U 2 cos tdt  U d 0 cos   2,34 U 2 2 6 ( 6) 1 2 6 (  2   угол управления больше 60º:   6U 2 cos tdt  U d 0 1  cos 600   6 )  11 57 Занятие 6 Схема однофазного однополупериодного выпрямителя. 1 Схема однофазного однополупериодного неуправляемого выпрямителя Рисунок 1 - Однопулупериодная схема однофазного выпрямителя Рисунок 2 – Кривые изменения тока и напряжения 2 Схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя представлена ниже. 58 Диаграммы работы выпрямителя на R-нагрузку показаны на рис. 2.4. Для того чтобы открыть тиристор, необходимо выполнение двух условий: 1) потенциал анода должен быть выше потенциала катода; 2) на управляющий электрод должен быть подан управляющий импульс. Таким образом выпрямленная ЭДС е и ток i представляют собой , следующие друг за другом отрезки положительных полусинусоид постоянные по направлению, но не постоянные по величине. Поэтому выпрямленная ЭДС и ток имеет пульсирующий характер. Процесс регулирования напряжения на нагрузке путем изменения альфа называется фазовым регулированием. Данная схема имеет ряд недостатков: 1) высокое содержание высших гармонических в выпрямленной ЭДС; 2) большие пульсации ЭДС и тока; 3) прерывисты режим работы схемы; 4) низкий коэффициент использования схемы Ксх=0,45 . Ксх – это коэффициент схемы по ЭДС , это отношение постоянной составляющей Е0 к действующему значению фазного напряжения источника питания Ксх= Е0/U1. 𝑈 Ксх = 𝑑=0,45 𝑈2 Режимом прерывистого тока (РТП) работы выпрямителя называется такойрежим, при котором ток в цепи нагрузки выпрямителя прерывается, т.е.становится равным нулю. 59 Занятие 7 Схема однофазного нулевого выпрямителя. Однофазная схема с нулевым выводом приведена на рисунке 1  Рисунок 1 – Двухполупериодная схема выпрямления с нулевой точкой Эта схема имеет трансформатор и два диода по которым попеременно протекает ток. Рисунок 2 – Кривые изменения тока и напряжения Средняя точка трансформатора соединяется с проводом нулевого потенциала. Работает схема следующим образом. Напряжение 𝑈2𝐴 , 𝑈2Б , измеренные на концах А и Б вторичной обмотки трансформатора относительно средней точки 0, являются противофазными. Во время положительного полупериода напряжение 𝑈2𝐴 открывается VD1, а VD2 закрыт. Поэтому через нагрузку 𝑅Н протекает ток 𝑖а1 , создаваемый верхней 60 половиной вторичной обмотки трансформатора. В следующий полупериод сетевого напряжения относительно точки 0 положительным оказывается напряжение 𝑈2Б , а 𝑈2𝐴 − отрицательным. Открытым окажется VD2, VD1 – закрыт. Через нагрузку потечет ток 𝑖а2 , создаваемый напряжением 𝑈2Б . Таким образом ток через нагрузку протекает в каждый полупериод сетевого напряжения в одном и том же направлении, создавая на ней пульсирующее напряжение. Среднее значение выпрямленного напряжения : 𝑈𝑑 = КСХ 𝑈2 = 0.9𝑈2 Максимально значение обратного напряжения, приложенному к запертому диоду: 𝑈обр.𝑚 = √2𝑈2 Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора: 𝑈2 = 1,11𝑈𝑑 Расчетная мощность силового трансформатора двухполупериодного выпрямителя 𝑆т = 1,48𝑃𝑑 В данной схеме коэффициент пульсаций 0,67.В двухполупериодной схеме лучше используются возможности трансформатора, меньше коэффициент пульсаций, а значение среднего тока на диоде в 2 раза меньше ,чем на нагрузке. 61 Занятие 8 Схема однофазного мостового выпрямителя. 62 Рисунок 4.2- Диаграммы работы однофазного выпрямителя на активную нагрузку протекать в том же направлении. Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку приведены на рисунке 4.3. 63 Коэффициент формы тока Кф𝑖 = 1,41. Этот выпрямитель имеет более простую конструкцию трансформатора. Среднее и действующее значение тока вентиля: 𝐼 𝐼 𝐼в.ср = , 𝐼в = 2 √2 64 Занятие9 Тема 2.2 Трехфазные выпрямители.Схема трехфазного нулевого выпрямителя. 65 66 Среднее значение выпрямленного напряжения : 𝑈𝑑 = КСХ 𝑈2 = 1,17𝑈2 , КСХ = 1,17 Максимально значение обратного напряжения, приложенному к запертому диоду: 𝑈обр.𝑚 = √2 ∙ √3𝑈2 = √6𝑈2 Среднее и действующее значение тока вентиля: 𝐼 𝐼 𝐼в.ср = , 𝐼в = 3 √3 Расчетная мощность силового трансформатора двухполупериодного выпрямителя 𝑆т = 1,345𝑃𝑑 Преимущества данной схемы – простота, небольшое количество диодов, с незначительными потерями в них. Данная схема работает наиболее экономично. Явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора В схеме трехфазного нулевого выпрямителя существует явление вынужденного намагничивания трансформатора. Из-за того, что по обмоткам трансформатора протекает пульсирующий ток, имеющий постоянную составляющую и ряд высших гармонических, при соединении обмоток трансформатора по схеме звезда-звезда потоки вынужденного намагничивания содержат постоянную и переменную составляющие. В результате сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают тепловые потери за счет действия вихревых токов, индуктируемых переменной составляющей потока вынужденного намагничивания. Для устранения потерь, вызванных переменной составляющей потока вынужденного намагничивания, первичные обмотки трансформатора соединяются в треугольник. Для устранения в трансформаторе постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания, каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и соединяют в зигзаг (рис. 12.1). При соединении обмоток в треугольник третья и кратные ей гармоники исчезают. 67 68 Занятие 10 Схема трехфазного мостового выпрямителя. Рассмотрим режим работы выпрямителя при L=0, α=0. Коммутация с одного вентиля на следующий происходит в моменты, соответствующие пересечению синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Как видно 69 из диаграммы вентили схемы проводят ток 1/3 периода. Рисунок 13.2 – временные диаграммы работы трехфазного мостового выпрямителя Среднее значение выпрямленного напряжения : 𝑈𝑑 = КСХ 𝑈2 = 2,34𝑈2 , КСХ = 2,34 Максимально значение обратного напряжения, приложенному к запертому диоду: 𝑈обр.𝑚 = √2 ∙ √3𝑈2 = √6𝑈2 Среднее и действующее значение тока вентиля: 𝐼 𝐼 𝐼в.ср = , 𝐼в = 3 √3 70 Занятие 11 Тема 2.3 Расчет и выбор силовых элементов выпрямителя Выбор силовых вентилей заключается в сопоставлении параметров режима работы преобразователя с параметрами силового вентиля. Методика расчета СПП : 1)Выбор СПП потоку 2) Проверка СПП по максимальному току 3) Проверка СПП по перегрузочной способности 4) Выбор СПП по напряжению Выбираем диоды и тиристоры для нормального режима работы и нормальных условий охлаждения, которые характеризуются следующими параметрами: - частота напряжения питающей сети, f = 50 Гц; - коэффициент формы тока для однофазных Кфi=1,41, для трехфазных 1,57; - угол проводимости вентиля, =180; - температура окружающей среды, Та=40С; - скорость охлаждающего воздуха, V=6 м/с. Для выбора СПП рассчитывается номинальный ток нагрузки IН , А по формуле IН  PН , U Н (1.1) где РН – номинальная мощность двигателя, Вт (по заданию); UН – номинальное напряжение на якоре двигателя, В (по заданию); Н – номинальный КПД двигателя (по заданию). Зная величину номинального тока якоря, можно рассчитать среднее IВ.СР, А I В.СР  IН , К 2 Фi (1.2) также действующее IВ.Д, А значение тока через вентили по формуле I В.Д  IН К Фi (1.3) Тиристоры выбираются по среднему значению тока через вентиль I TAVm, А по формуле ITAVm КЗ.P.I КЗ.ОIВ.СР, (1.4) где КЗ.P.I– коэффициент запаса по рабочему току. Принимаем КЗ.P.I = 1,1; КЗ.О - коэффициент запаса, учитывающий отклонение условий охлаждения и режима работы вентиля от нормальных. Принимаем КЗ.О = 1,1. Диоды выбираются по среднему значению тока через вентиль I FAVm, А по формуле 71 IFAVm КЗ.P.I КЗ.ОIВ.СР (1.5) По справочнику [1] предварительно выбираем необходимый тиристор или диод (в соответствии с заданием) с нужным охладителем. Для проверки правильности выбора тиристора и диода производится * перерасчет максимального тока в прямом направлении I FAVm , А для диода по формуле 2 U (2ТО)  4k фi rT * I FAVm  T jm  Ta  U (ТО) Rth ja (1.6) , 2 2k фi rT * также I TAVm , А для тиристора по формуле 2 U T2(ТО)  4k фi rT * I TAVm  T jm  Ta Rth ja 2 2k фi rT  U T (ТО) , (1.7) где UT (TO) - пороговое напряжение открывания тиристора, В; U (TO) - пороговое напряжение открывания диода, В; rt- динамическое сопротивление в открытом состоянии, Ом; Тjm -максимальная температура перехода,С; Та - температура окружающей среды, С; Rthja– установившееся тепловое сопротивление переход–среда, С/Вт. Установившееся тепловое сопротивление переход–среда Rthja, С/Втопределяем по формуле Rthja= Rthjc +Rthch+ Rthha, (1.8) где Rthjc - тепловое сопротивлениепереход-корпус, С/Вт (см. приложение А); Rthch - тепловое сопротивлениекорпус-контактная поверхность охладителя, С/Вт(см. приложение Б); Rthha– тепловое сопротивлениеконтактная поверхность охладителя охлаждающая среда, С/Вт. Принимаем Rthha = 2,1С/Вт. При выполнении условия для диода * k з. р.i I FAVm  I FAVm , (1.9) и при выполнении условия для тиристора * k з. р.i I TAVm  I TAVm , (1.10) считается, что прибор по току выбран правильно. Если условия 1.9 или 1.10 не выполняются , то необходимо повторить расчет с формул (1.4), (1.5) , выбрав из справочника прибор с током на ступеньку выше или ниже. 72 Занятие 12 Тема 2.4 Системы управления выпрямителей. Структура и функции СИФУ. 73 Занятие 13 Классификация системуправления. 74 Занятие 14 Структурная схема СИФУ. Типовые блокиСИФУ. неискаженного, синусоидального напряжения, потенциально развязанного с сетью, с соответствующей амплитудой и фазой. УС отмечает переходы через ноль сетевого напряжения (Uсинх) и формирует разрешающие сигналы Up1 и Uр2, соответствующие положительным и отрицательным полупериодам сетевого напряжения. ГРН - генератор развертываемого напряжения формирует, в данном случае пилообразное опорное напряжение Un на основании входного сигнала Uon, возвращаясь в исходное состояние в момент подачи импульсов Uсинх. 75 НО - нуль-орган (компаратор) сравнивает на входе пилообразное напряжение Uпил с напряжением управления Uу в момент их равенства меняет свое выходное состояние. Компаратор К преобразует Uу в фазовый сдвиг, т. е. угол а. ФДИ - формирователь длительности импульсов по переднему фронту сигнала Uно формирует прямоугольные импульсы с длительностью, достаточной для надежного открывания тиристоров силового блока. РИ - распределитель импульсов управляется сигналами Up1 и Up2 с выхода УС и служит для распределения импульсов Ugt пj тиристорам VS1...VS4. Он формирует на выходе открывающие импульсы Ugt1 и Ugt2. ВФ1, ВФ2 - выходные формирователи формируют открывающие импульсы по мощности, необходимой для надежного включения тиристоров, и обеспечивают потенциальную развязку СУ с силовым блоком. ГВИ - генератор высокочастотных импульсов генерирует импульсы высокой частоты. Он необходим, если управление тиристорами осуществляется широкими импульсами (для исключения насыщения импульсных трансформаторов ВФ). 76 При изменении Uy изменяется угол α, что приводит к изменению длительности проводящего состояния тиристоров СБ и регулированию величины выпрямленной ЭДС Е. В данном случае, уменьшению Uy соответствует уменьшению угла α и, следовательно, увеличению выходной ЭДС Е, что неудобно, т.к. при Uy = 0, Е=Еmax, а необходимо, чтобы при Uy = О Е=0. Для исключения этого вводится напряжения смещения Ucм подаваемое на компаратор К дополнительно к Uу и Uсм. 77 Занятие 15 Характеристика управления СИФУ. Характеристикой управления СИФУ называется зависимость угла открывания вентилей α от напряжения управления UУ на входе СИФУ, или  = f(UУ). Характеристика управления СИФУ, с учетом напряжения смещения. Описывается уравнением  U У  U СМ    , U ОП.MAX где UСМ – напряжение смещения, В. UОП.MAX – максимальное значение опорного напряжения, В. Изменяя величину напряжения управления UУ в пределах от 0 до UСМ производится значений α по формуле, результаты расчетов сводятся в таблицу. По результатам расчетов строится график характеристики управления СИФУ. 78 Занятие 16-17 Тема 2.5 Реверс двигателя при питании от выпрямителя. Реверсивный преобразовательэто двухкомплектный рекуперирующий преобразователь, обеспечивающий передачу мощности в обоих направлениях, как за счет изменения направления напряжения, так и за счет изменения направления тока. Реверсивный преобразователь содержит два комплекта вентилей. Второй комплект предназначен для того, чтобы изменять направление тока. Схемы реверсивных преобразователей носят названия перекрестной и встречнопараллельной. 79 Наиболее часто комплекты вентилей проводят ток по очереди. Комплекты могут выполняться на основе ранее изученных схем выпрямителей. В перекрестной схеме требуется применение более сложного трансформатора. 80 Во встречно-параллельной схеме сложнее система управления. В настоящее время преимущественно применяется встречно-параллельная схема. 81 Существует два способа управления комплектами вентилей: • раздельное управление, при котором всегда работает только один комплект вентилей. Чтобы включить второй комплект, надо подождать, пока через первый полностью прекратится ток, и выдержать для надежности бестоковую паузу; • совместное управление, при котором одновременно работают оба комплекта. При этом один комплект работает в выпрямительном, а второй - в инверторном режиме. Преимущества раздельного управления: •отсутствие токоограничивающих уравнительных реакторов, снижение потерь и габаритов из-за отсутствия реакторов. 82 Преимущества совместного управления • большее быстродействие • (нет бестоковых пауз), проще система управления, устраняется участок • прерывистых токов на внешней характеристике. В настоящее время применяется в основном раздельное управление, и, только если очень важны динамические показатели, применяется совместное управление. 83 Занятие 18 Тема 2.6 Внешняя и регулировочная характеристики выпрямителя Внешней характеристикой преобразователя называется зависимость выходной ЭДС выпрямителя Еd от тока нагрузки IН при постоянном угле открывания тиристоров , или Еd = f(I) при  = const. Выходную ЭДС выпрямителя можно приравнять к напряжению на якоре двигателя Еd =U. В общем случае, без учета зоны прерывистого тока, внешний характеристика представляет собой семейство прямых параллельные между собой, наклоненных к оси абсцисс (оси тока). Напряжение на якоре двигателя определяется выражением U  се   Н  I Н   R ЯЦ , (1) где Се - конструктивная постоянная электродвигателя при номинальном потоке возбуждения, Вс (здесь и далее считаем, что поток возбуждения соответствует номинальному значению). Воспользовавшись номинальными значениями скорости двигателя, тока якоря, напряжения на якоре и сопротивления якоря из формулы (1) можно найти коэффициент Се U Н  I Н  RЯЦ Се  (2) Н Суммарное активное сопротивление якорной цепи двигателя рассчитывается по формуле ∑RЯЦ = RЯ + RДП + RТР(АР) + RДР + RП , (3) где RЯ - сопротивление якоря двигателя, Ом (по заданию); RДП - сопротивление дополнительных полюсов, Ом (по заданию); RТР(АР) - активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора (анодного реактора), Ом; RДР - активное сопротивление сглаживающего дросселя, Ом; RП - сопротивление перекрытия анодов вентилей, Ом. Активное сопротивление сглаживающего дросселя определяем по формуле 84 PКЗ (4) I Н2 Сопротивление перекрытия анодов вентилей рассчитывается по формуле mп  LЯЦ RП  (5) 2 Для расчета и построения внешней характеристики необходимо: 1 Рассчитать углы открывания вентилей, соответствующих скорости двигателя Н, 0,5 Н и 0,1 Н. а) для однофазных и трехфазных мостовых  2  (Ce  WН  I Н   R ЯЦ )    arccos   1 (6) E   б) для трёхфазных нулевых  (Ce  WН  I Н   R ЯЦ )    arccos  (7)  E0   R ДР  2 Зная значения угла открывания  по формуле (8), (9) рассчитывается значение напряжения на якоре двигателя для токов равных номинальному току и IН=0, т.е. по двум точкам построим внешнюю характеристику выпрямителя для каждого из значении угла открывания . а) для однофазных и трехфазных мостовых E  (1  cos ) U 0  I Н   R ЯЦ   U В , (8) 2 где  - угол открывания тиристоров, град; ∑RЯЦ - суммарное активное сопротивление якорной цепи, Ом; ∑∆UВ - суммарное падение напряжения на СПП, В. Принимаем ∑∆UВ = 2В. б) для трёхфазных нулевых U  E 0  cos   I Н   R ЯЦ   U В (9) Е𝟎 = Ксх 𝑼𝟐 Однако в области малых токов существует, так называемая зона прерывистого тока, представляющая собой эллипс с полуосями, равными соответственно Ео и IГР.MAX= (0,05...0,15)IH. В зоне прерывистого тока внешние характеристики представляют собой отрезки параболы, соединяющей точку пересечения границы зоны прерывистого тока и прямой, имеющей значение Рассчитанные значения представляются в виде таблицы и строятся внешние характеристики. 85 86 Занятие 19 Тема 2.7 Источники возникновения помех в выпрямителях. Переходные процессы в цепях преобразователей электрической энергии часто сопровождаются перенапряжениями. Основными из которых являются: перенапряжения, обусловленные процессами в полупроводниковых приборах в момент коммутации тока; коммутационные перенапряжения, возникающие в момент отключения внешних цепей с индуктивностями; перенапряжения вызванные резонансными явлениями в преобразователях; внешние перенапряжения, поступающие из питающей сети. Перенапряжения могут привести к электрическому пробою приборов, вызывающему как правило, возникновение коротких замыканий. При всех повреждениях, вызывающих протекание опасных для полупроводниковых вентилей токов кз или перегрузки должна срабатывать токовая защита. Назначение защиты – это контроль и предупреждение превышения токов сверхдопустимой нормы. При больших перегрузках и токах кз защита должны отключать преобразователь или его поврежденную часть. Ввиду чувствительности полупроводниковых вентилей к перегрузкам, коротким замыканиям и перенапряжениям для обеспечения надежной работы преобразователей предъявляются следующие основные требования к системам защиты: 1) максимальное быстродействие с целью ограничения аварийных токов по длительности и амплитуде; 2) ограничение всех видов внешних и внутренних перенапряжений до допустимого уровня; 3) отключение поврежденного участка не должно вызывать дополнительных нагрузок на оставшиеся в работе вентили и недопустимых перенапряжений на них. 4) возможность применения автоматического повторного включения (АПВ) преобразователей после срабатывания защиты при условии ликвидации аварийного процесса. Почти все переходные процессы в цепях вентильных преобразователей сопровождаются перенапряжениями, как правило, обусловленными резким изменением тока в индуктивностях. Основные виды перенапряжений, воздействующих на полупроводниковые вентили: - перенапряжения, обусловленные физическими процессами в полупроводниковых ключах в моменты коммутации тока за счет эффекта накопления носителей; - коммутационные перенапряжения, возникающие в моменты отключения цепей с индуктивностями; - перенапряжения, обусловленные резонансными явлениями в преобразователях; - внешние перенапряжения, поступающие из питающей сети при 87 прерывистых коротких замыканиях на землю, при разрядах молнии и др. Перенапряжения могут привести к электрическому пробою вентилей, как правило, вызывающему возникновение коротких замыканий. Причины протекания больших токов: - внешние аварии, вызванные короткими замыканиями в нагрузке или в распределительной сети; - внутренние аварии, обусловленные повреждением отдельных вентилей в результате перенапряжений; - внутренние аварии, обусловленные нарушениями в системе управления преобразователей; - заряд больших емкостей фильтров при включении; - бросок тока при включении трансформатора. 88 Занятие 20 Способы подавления помех на стороне постоянного и переменноготока. Применение фильтров в выпрямителях. Для ограничения от перенапряжений на вентилях тиристорных преобразователей применяют RC-цепочки. Защитные RC-цепи предназначены для ограничения скорости нарастания напряжения и снижения перенапряжений на вентилях схемы. Для защиты вентилей от перенапряжений ,возникающих при включении и выключении трансформатора применяются RC-цепочки между фазами. Для защиты СПП от аварийных токов используют анодные реакторы, которые ограничивают ток короткого замыкания на уровне, не превышающем ударный ток Iуд. прибора. Параметры RC-цепей, защищающих полупроводниковые приборы от внутренних перенапряжений, можно определить ориентировочно. Для защиты преобразователей от аварийных токов применяют защитнуюаппаратуру - быстродействующие автоматические выключатели и быстродействующиеплавкие предохранители. Для защиты от внешних коротких замыканий (КЗ) и опрокидываний инверторачаще всего применяют автоматические выключатели, устанавливаемыена стороне переменного и постоянного тока. Для защиты от внутреннихКЗ, вызванных повреждениями вентилей, последовательно с вентилямиустанавливают плавкие предохранители. В маломощных установкахплавкие предохранители могут устанавливаться также для защиты отвнешних КЗ вместо автоматических выключателей. Быстродействующие плавкие предохранители являются самымипростыми защитными аппаратами. К быстродействующим плавким предохранителям, предназначеннымдля защиты полупроводниковых вентилей, предъявляются более жесткиетребования, чем к общепромышленным плавким предохранителям. Эти требования сводятся к следующему: 1) полное или частичное согласование характеристик предохранителя схарактеристиками полупроводниковых вентилей; 2) высокая отключающая способность; 89 3) минимальные потери при номинальном токе; 4) отсутствие изменений характеристик во времени при длительномпротекании номинального тока; 5) эффективное токоограничение; 6) минимальная энергия, выделяющаяся в полупроводниковых вентиляхза время протекания аварийного тока; 7) минимальное напряжение дуги, возникающее при срабатываниипредохранителя, которое не должно приводить к пробою неповрежденных вентилей. Быстродействующие плавкие предохранители, как правило, обеспечиваютзащиту полупроводниковых вентилей лишь от токов короткого замыканияи не защищают от перегрузки. Фильтры включаются на входе и на выходе преобразователей. Фильтры, выполненные только на реактивных элементах (индуктивностях и емкостях), называют пассивными. Часто в состав этих фильтров входят и резисторы, демпфирующие колебания, возникающие в высокодобротных контурах. Входные фильтры служат для уменьшения вредного влияния преобразователей на питающую сеть. Кроме того, они защищают преобразователь от электромагнитных помех, передающихся из сети. Их часто называют сетевыми фильтрами. Сетевые фильтры могут существенно улучшить качество напряжения в сети и одновременно уменьшают проникновение помех из сети к потребителю. Выходные фильтры улучшают форму выходного напряжения преобразователя и называются сглаживающими. Сглаживающие фильтры бывают емкостные, индуктивные и Г-образные. Недостатки емкостного фильтра - начальный бросок тока при включении, тяжелые условия работы вентилей выпрямителя и вредное влияние на питающую сеть из-за малого угла проводимости вентилей. Преимущество емкостного фильтра - его простота. Индуктивные фильтры применяется в преобразователях средней и большой мощности, например, при питании двигателей постоянного тока от управляемых выпрямителей. 90 С помощью емкостных и индуктивных фильтров недостижим высокий коэффициент сглаживания. Для повышения коэффициента сглаживания, уменьшения вредного влияния преобразователя на питающую сеть и улучшения переходного процесса включения применяют Г-образные фильтры. Г-образные фильтры обеспечивают достаточно хорошее сглаживание и находят широкое применение, когда требуется более высокое качество постоянного напряжения. 91 Занятие 21 Раздел 3 Инверторы.Тема 3.1 Классификация и областьприменения инверторов. Основные схемы. Инвертор – это устройство предназначенное для преобразования постоянного напряжения в переменное. В качестве нагрузки к инвертору подключают двигатели переменного тока. Инверторы делятся на две группы: 1) автономные 2) зависимые • Зависимый инвертор (ведомый) – преобразует постоянное напряжение в нерегулируемое переменное. • Автономный инвертор – преобразует постоянное напряжение в переменное по напряжению и частоте. 92 К основным схемам инверторов относятся: • 1) Однофазный инвертор с нулевым выводом от трансформатора • 2) Однофазный мостовой инвертор • 3) Трёхфазный мостовой инвертор Однофазный инвертор с нулевым выводом от трансформатора. 93 Однофазный мостовой инвертор. Трёхфазный мостовой инвертор. 94 В зависимости от особенности протекания электро-магнитных процессов автономные инверторы делятся на три группы: • Автономный инвертор напряжения (АИН) • Автономный инвертор тока (АИТ) • Резонансный инвертор(АИР) В системах ЭП наибольшее применение получили АИН и АИТ. 95 Занятие 22 Однофазный автономный инвертор 96 97 Занятие 23 Раздел 4. Широтно-импульсные преобразователи.Тема 4.1 Тиристорные ШИП. Схемы тиристорных ШИП. ШИП с параллельной емкостной коммутацией. Шип постоянного тока можно классифицировать по следующим признакам: І) По способу включения вентилей: ІІ) По типу используемых ключей: ІІІ) По использованию ШИП делятся на : 98 99 Занятие 24 ШИП с последовательной емкостной коммутацией. 100 101 Занятие 25 Тема 4.2 Транзисторные ШИП. Схемы транзисторныхнереверсивных ШИП. 102 103 Занятие 26 Схема транзисторного реверсивного ШИП с диагональной и симметричной коммутацией •Реверсивный преобразователь с широтно-импульсным управлением (ПШИУ) (рис.1) выполняется по мостовой схеме с четырьмя ключами VT1 VT4. При активно- индуктивной в силовую схему преобразователя вводится мост возрастных (обратных ) диодов VD1-VD4. 104 Назначение: преобразование входного постоянного неизменного по амплитуде напряжения в постоянное регулируемое по амплитуде напряжение на нагрузке с возможностью изменения его полярности. В зависимости от алгоритма работы ключей преобразователя различают следующие способы коммутации ключей: 1) диагональная коммутация; 2) симметричная коммутация; 3) несимметричная коммутация. 105 Занятие 27 Схема транзисторного реверсивного ШИП снесимметричной коммутацией 106 107 Занятие 28 Раздел 5 Преобразователи частоты и напряжения. Тема 5.1 Преобразователь переменного напряжения. Преобразователи переменного напряжения (ППН) предназначены для преобразования входного переменного напряжения U1 с неизменной амплитудой и частотой в регулируемое переменное напряжение U на нагрузке с той же частотой Однофазный ППН Если в схеме однофазного однополупериодного выпрямителя встречно параллельно тиристору VS1 включить другой тиристор VS2, то получим схему однофазного преобразователя переменного напряжения (ППН). 108 Пока тиристоры VS1 и VS2 закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. При открывании в момент времени 0=α, тиристора VS1 к нагрузке прикладывается положительные полупериод питающего напряжения U1, которое сохраняется до момента времени 0=π. При 0=π U1 меняет свой знак, под действием которого VS1 закрывается. В момент времени 0=π/α2 открывается тиристор VS2 и к нагрузке прикладывается отрицательный полупериод напряжения U1, которое сохраняется до 0=2π. Для симметрии напряжения на нагрузке относительно оси 0 необходимо, чтобы α1=α2. Регулируя угол α, мы изменяем действующее значение выходного напряжения. Трёхфазный ППН ППН используются для регулирования освещения, регулирования мощности тепловых приборов и сварочных аппаратов, регулирования напряжения на первичной стороне трансформатора и высоковольтных выпрямителях, которые выполнены на диодах, для управления асинхронными двигателями. 109 Характеристики АД при регулировании питающего напряжения 110 Занятие 29 -30 Тема 5.2 Двухзвенные преобразователи частот. Классификацияпреобразователей частоты. ДВУХЗВЕННЫЕ Частотный преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. Частотные преобразователи разделяют на два основных типа: - двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ); - непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). 111 В ДПЧ первое звено представляет собой выпрямитель (упр. или неуправляемый) с фильтром на выходе, а второе − автономный инвертор. Таким образом, нагрузка связана с сетью через два звена, и происходит двукратное преобразование энергии. Второе звено в ДПЧ может быть выполнено как на основе автономного инвертора напряжения (АИН), так и на основе автономного инвертора тока (АИТ). ДПЧ позволяют получить на выходе частоты как меньшие, так и большие входных. 112 Занятие 31 Схеме электрическая принципиальнаядвухзвенного ПЧ. Принцип действия двухзвенного ПЧ заключается в том, что переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем инвертируется, т.е. преобразуется в переменное напряжение требуемой, регулируемой частоты посредством инвертора. В системах электропривода применяются автономные инверторы. Они способны функционировать как при наличии, так и при отсутствии в цепи нагрузки источников активной энергии. Достоинства двухзвенных ПЧ со звеном постоянного тока: - возможность получения на выходе ПЧ широкого диапазона частот, независимого от частоты, в том числе высокоскоростных, среднескоростных и тихоходных, прецизионных приводов с широким и сверх широким диапазоном регулирования скорости; - возможность использования относительно простых силовых схем и систем управление ПЧ для приводов с невысокими требованиями в области изменения, быстродействия и других показателей; - возможность наращивания системы и системы управления ПЧ соразмерно повышения требований к приводу без чрезмерной избыточности системы; - возможность реализации в сравнительно малоэлементной структуре ПЧ разнообразных алгоритмов управления, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к ЭП различного назначения; - легкость трансформации ПЧ для работы в установках с питанием электрооборудования от автономных источников или локальной сети постоянного тока. 113 Основные недостатки двухзвенных ПЧ со звеном постоянного тока: - двукратное преобразование энергии, что увеличивает потери энергии, ухудшает массогабаритные показатели преобразователя; - наличие в звене постоянного тока силового фильтра, содержащего батарею конденсаторов видов емкости (в схемах с АИН) либо реактор сотовой индуктивности (в схемах с АИТ). Также приводит к ухудшению массогабаритных показателей, а наличие электролитических конденсаторов - к повышению надежности. 114 Занятие 32 Тема 5.3 Непосредственный преобразователь частоты.   Помимо требований качества потребляемой электроэнергии преобразователи частоты должны обеспечивать возможность рекуперации энергии в питающую сеть. Рекуперация-это такой процес,в котором возвращение части эл.энергии для повторного использования в том же технологическом процессе. В тиристорных преобразова телях частоты эта задача решается включением в состав преобразователя дополнительного вентильно го комплекта, работающего в режиме зависимого инвертора. Для маломощных ПЧ используется транзистор с рекуперативным резистором в звене постоянного тока. Однако такие подходы не решают отмеченных выше проблем потребления реактивной мощности и вносимых в сеть искажений. 115  Однако сегодня наибольший интерес вызывает вторая группа преобразователей непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), в структуре которых отсутствует промежуточный фильтр. Как следствие, НПЧ обладает лучшими массогабаритными и динамическими показателями по сравнению с активными двухзвенными ПЧ и также как и они, представляет собой многомерный, многосвязный объект, который требует использования современных методов Каждая фаза НПЧ состоит из двух встречно-параллельно включенных выпрямителей. Структурная схема однофазнооднофазного НПЧ представлена на рисунке 1. Рисунок 1 Структурная однофазного НПЧ. схема однофазно- 116 На рис. 2 а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных нулевых схем, преобразующего трехфазное напряжение сети частотой 50 Гц в однофазное с регулируемой частотой. При переключении комплектов В и Н на выходе формируется двуполярное напряжение. Рисунок 2 Структурная схема трехфазно-однофазного ННЧ. 117 Занятие 33-35 Раздел 6 Направление развития преобразовательной техники. 6.1 Современные СПП. Тема 6.2 Развитие элементной базы управляющих устройств. Тема 6.3 Промышленные преобразователи. Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц. Рис. 2. Конструкция корпусов тиристоров: а) – таблеточная; б) – штыревая 118 119 120 121