Силовые преобразователи электрической энергии - Electrik-Ufa.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Силовые преобразователи электрической энергии

Преобразователи электрической энергии

Преобразователь – это электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию одних параметров или показателей качества в электроэнергию с другими значениями параметров или показателей качества. Параметрами электрической энергии могут являться род тока и напряжения, их частота, число фаз, фаза напряжения.

По степени управляемости преобразователи электрической энергии подразделяются на неуправляемые и управляемые . В управляемых преобразователях выходные переменные: напряжение, ток, частота — могут регулироваться.

По элементной базе преобразователи электроэнергии подразделяются на электромашинные (вращающиеся) и полупроводниковые (статические) . Электромашинные преобразователи реализуются на основе применения электрических машин и в настоящее время находят относительно редкое применение в электроприводах. Полупроводниковые преобразователи могут быть диодными, тиристорными и транзисторными.

По характеру преобразования электроэнергии силовые преобразователи подразделяются на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения переменного и постоянного тока, преобразователи числа фаз напряжения переменного тока.

В современных автоматизированных электроприводах применяются главным образом полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи постоянного и переменного тока.

Достоинствами полупроводниковых преобразователей являются широкие функциональные возможности управления процессом преобразования электроэнергии, высокие быстродействие и КПД, большие сроки службы, удобство и простота обслуживания при эксплуатации, широкие возможности по реализации защит, сигнализации, диагностирования и тестирования как самого электрического привода, так и технологического оборудования.

Вместе с тем, для полупроводниковых преобразователей характерны и определенные недостатки. К ним относятся: высокая чувствительность полупроводниковых приборов к перегрузкам по току, напряжению и скорости их изменения, низкая помехозащищенность, искажение синусоидальной формы тока и напряжения сети.

Выпрямителем называется преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока.

Неуправляемые выпрямители не обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости — диодах.

Управляемые выпрямители выполняются на управляемых диодах — тиристорах и позволяют регулировать свое выходное напряжение за счет соответствующего управления тиристорами.

Выпрямители могут быть нереверсивными и реверсивными. Реверсивные выпрямители позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке, а нереверсивные — нет. По числу фаз питающего входного напряжения переменного тока выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные, а по схеме силовой части — на мостовые и с нулевым выводом.

Инвертором называется преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания электропривода от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании электропривода от источника постоянного напряжения.

В схемах электроприводов наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока, реализуемые на тиристорах или транзисторах.

Автономные инверторы напряжения (АИН) имеют жесткую внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, вследствие чего при изменении тока нагрузки их выходное напряжение практически не изменяется. Тем самым инвертор напряжения по отношению к нагрузке ведет себя как источник ЭДС.

Автономные инверторы тока (АИТ) имеют «мягкую» внешнюю характеристику и обладают свойствами источника тока. Тем самым инвертор тока по отношению к нагрузке ведет себя как источник тока.

Преобразователем частоты (ПЧ) называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Полупроводниковые преобразователи частоты подразделяются на две группы: преобразователи частоты с непосредственной связью и преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Лабораторный преобразователь частоты

Преобразователи частоты с непосредственной связью позволяют изменять частоту напряжения на нагрузке только в сторону ее уменьшения по сравнению с частотой напряжения источника питания. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока не имеют подобного ограничения и находят более широкое применение в электроприводе.

Промышленный преобразователь частоты для управления электроприводом

Регулятором напряжения переменного тока называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в регулируемое напряжение переменного тока той же частоты. Они могут быть одно- и трехфазными и используют в своей силовой части, как правило, однооперационные тиристоры.

Регулятором напряжения постоянного тока называется преобразователь нерегулируемого напряжения источника постоянною тока в регулируемое напряжение на нагрузке. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи, работающие в импульсном режиме, а регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания.

Наибольшее распространение получил широтноимпульсный способ модуляции , при котором изменяется длительность импульсов напряжения при неизменной частоте их следования.

Силовые преобразователи электроэнергии

Содержание

Силовые преобразователи электрической энергии

Конспект лекций для студентов

Специальность 140604 – электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов

Введение. Общие вопросы преобразовательной техники. 4

  1. Классификация полупроводниковых преобразователей. 4

1.1. Базовые типы преобразователей. 5

1.2. Выпрямители. Общие понятия и определения. Основные параметры схем выпрямления. 5

1.3. Основные элементы преобразователей. 9

  1. Преобразователи постоянного тока. 14

2.1. Неуправляемые выпрямители. 14

2.1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель. 14

2.1.2. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой. 15

2.1.3. Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления. 18

2.1.4. Трехфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой. 20

2.1.5. Трехфазный мостовой выпрямитель. 21

2.1.6. Многомостовые схемы. 22

2.2. Управляемые выпрямители. 26

2.2.1. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой. 26

2.2.2. Однофазная мостовая схема. 28

2.2.3. Трехфазная схема со средней точкой трансформатора. 29

2.2.4. Трехфазный мостовой выпрямитель. 30

2.2.5. Гармонический состав выпрямленного напряжения и первичных токов

в схемах выпрямления. 32

2.3. Процессы коммутации в вентильных схемах и внешние характеристики

2.3.1. Процессы коммутации в однофазных схемах. 34

2.3.2. Процессы коммутации в трехфазных схемах. 37

2.3.3. Внешние характеристики выпрямителей. 38

2.4. Аварийные режимы выпрямителей. Фильтры. 41

3.1. Инверторы, ведомые сетью. 45

3.2. Внешние характеристики преобразователя в области прерывистых токов. 46

3.3. Двухкомплектные реверсивные схемы ТП. 47

3.3.1. Совместное управление реверсивными ТП. 47

3.3.2. Раздельное управление группами вентилей реверсивного ТП. 51

3.3.3. Системы управления преобразователями. 51

3.3.4. Функциональные схемы типовых трехфазных ТП промышленных серий. 52

3.3.5. Характеристики управления ТП. 54

4.1. Классификация инверторов. 55

4.2. Способы искусственной коммутации тиристоров в автономных инверторах. 55

4.3. Инверторы тока. 58

4.3.1. Параллельный инвертор тока. 58

4.3.2. Последовательный и параллельно-последовательный инвертор тока. 59

4.3.3. Инвертор тока с двухступенчатой коммутацией. 61

4.3.4. Трехфазные инверторы тока. 61

4.4. Инверторы напряжения. 61

4.4.1. Последовательное включение активно-индуктивной нагрузки. 61

4.4.2. Параллельное включение активно-индуктивной нагрузки. 63

4.4.3. Инверторы напряжения на тиристорах. 64

4.4.4. Трехфазные инверторы напряжения. 65

5.1. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока……………………….67

5.2. Преобразователи с непосредственной связью………………………………………….68

5.3. Современные ПЧ в электроприводе…………………………………………………….70

5.4. Современные ПЧ с АИН и тенденция их развития……………………………………73

5.5. Автономный инвертор напряжения на транзисторах………………………………….76

5.5.1. Принципы построения и управления ………………………………………………..76

5.5.2. Гармонический состав выходного напряжения инвертора ………………………. 83

5.5.3. Побочные эффекты при работе ПЧ…………………………………………………. 85

  1. Импульсные регуляторы постоянного напряжения……………………………………..87

6.1. Тиристорный ключ постоянного тока с параллельной коммутацией………………. 87

6.2. Тиристорный ключ постоянного тока с последовательной коммутацией…………. 88

6.3. Принципы импульсного преобразования постоянного тока…………………………. 88

6.4. Транзисторные преобразователи………………………………………………………. 92

6.4.1. Принципы построения и управления………………………………………………….92

6.5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения с пониженным выходным напряжением……………………………………………………………………………….96

6.6. Импульсные преобразователи постоянного напряжения с повышенным выходным напряжением………………………………………………………………………………98

6.7. Импульсные преобразователи постоянного напряжения с повышенным и пониженным выходным напряжением………………………………………………………………….100

6.8. Коммутационные процессы в двухпозиционных тиристорных прерывателях………104

  1. Тиристорные преобразователи переменного тока………………………………………..105

7.1. Силовые схемы тиристорных ключей…………………………………………………. 105

7.2. Тиристорные ключи переменного тока с искусственной коммутацией – ТКИ………108

7.2.1. ТКИ с независимым коммутационным узлом……………………………………….108

7.2.2. ТКИ с полузависимым коммутационным злом………………………………………108

7.2.3. ТКИ с зависимым коммутационным узлом…………………………………………..111

7.3. Преобразователи однофазного напряжения с фазным регулированием на базе тиристорных ключей с естественной коммутацией –ТКЕ………………………………111

7.4. Преобразователи трехфазного напряжения с фазовым регулированием на базе ТКЕ..112

7.5. Импульсные преобразователи переменного напряжения на базе ТКЕ………………. 113

7.6. Преобразователи переменного напряжения на базе ТКИ………………………………113

Практических – 20, 20

Лабораторные – 16, 16

Курсовой проект – дневники

Курсовая работа – сокращенники

  1. Розанов Ю.К. «Основы силовой преобразовательной техники» М.:Энергия, 1979
  2. Миронов Ю.М. «Электроснабжение электротермических установок» М.:Высшая школа, 1990

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 10036 – | 7813 – или читать все.

95.47.253.202 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Читайте также:  Расчет мощности циркуляционного насоса отопления примеры

СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: виды и структуру силовых преобразователей, характеристики типовых энергетических преобразователей;

уметь: проводить классификацию источников электропитания; владеть: технологией работы типовых энергетических преобразователей (выпрямителя, стабилизатора, инвертора).

Виды силовых преобразователей и элементная база

Преобразователи электрической энергии служат для электропитания устройств, управления исполнительными механизмами, регулирования температуры объектов и составляют неотъемлемый атрибут электронных устройств. Силовой электронный преобразователь (СЭП) представляет собой устройство, которое с помощью управляющего (информационного) сигнала хпреобразует энергию W электрической сети или автономного источника в энергию другого вида W‘2, обладающую параметрами, которые задает управляющий сигнал х (рис. 19.1, а).

Вид электрической энергии (напряжения и тока) на входе и выходе преобразователя служит одним из главных классификационных признаков устройств: выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока (рис. 19.1, 6); стабилизатор преобразует энергию постоянного тока в напряжение и ток с заданными параметрами (рис. 19.1, в); регулятор изменяет по заданному закону значение переменного напряжения (рис. 19.1, г); инвертор преобразует энергию постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 19.1, д). Более сложные преобразователи, например для уп-

Рис. 19.1. Силовой прибор (а), выпрямитель (б), стабилизатор (в), регулятор (г), инвертор (д) равления электродвигателем, можно построить с использованием соединения приведенных типовых блоков. Для силовых (энергетических) преобразователей в качестве базового параметра принимают экономичность, характеризуемую коэффициентом полезного действия (КПД), который определяют как отношение полезной выходной мощности преобразователя к подводимой мощности.

Указанный параметр обусловил требования к структуре и элементной базе силовых преобразователей. По определению СЭП представляет собой устройство, преобразующее с минимальными потерями энергию промышленной электрической сети или автономного источника в энергию нагрузки с заданными параметрами. В качестве управляемых элементов современных преобразователей нашли применение различные полупроводниковые приборы, преимущественно транзисторы. Энергетические и массогабаритные показатели силового оборудования обеспечиваются выбором принципа действия, схемы, элементной базы и режимов работы преобразователей. Для уменьшения потерь энергии используют импульсный режим управления, обеспечивающий работу полупроводниковых приборов в экономичных режимах переключения.

Типичная структура импульсного преобразователя содержит блок силовых полупроводниковых переключателей (Силовые ключи), схему сглаживания (Фильтр) и устройство управления (УУ) (рис. 19.2).

Под действием сигнала у (уставки), задающего режим работы преобразователя, и сигналов обратных связей по напряжениям хи и току Х-, нагрузки устройство управления вырабатывает сигналы gt. gn, определяющие работу силовых ключей, которые осуществляют преобразование напряжений (7ц. сети электропитания в напряжения U2i. U2k с заданными параметрами в нагрузке.

Особенности структуры и режимов работы силовых полупроводниковых приборов в энергетических преобразователях связаны с получением высокого КПД. Это предусматривает работу приборов в режимах с близкими к предельно допустимым значениями токов и напряжений. Эксплуатация элементов при больших уров-

Рис. 19.2. Структура импульсного силовою преобразователя нях сигналов требует использования при их анализе сложных моделей, учитывающих нелинейные и тепловые эффекты.

При несомненном преимуществе импульсных преобразователей коммутация больших токов при высоких напряжениях с малыми временами переключения служит причиной образования мощных электромагнитных помех, распространяющихся по линиям связи и в окружающем пространстве. Это требует применения дополнительных мер по конструктивному и схемотехническому обеспечению электромагнитной совместимости электрических и электронных устройств.

Непрерывное совершенствование полупроводниковой технологии и повышение степени интеграции позволили создать энергетические модули, объединяющие силовые приборы и информационные системы управления, что значительно повысило надежность устройств. Вместе с тем надежность системы в целом, массогабаритные параметры преобразователей и их характеристики зависят как от типа полупроводниковых элементов, так и от параметров фильтрующих устройств. Весьма актуальной при проектировании силовых преобразователей является проблема совместной миниатюризации и поиск возможностей использования интегральной технологии для построения устройств. Минимизация уровня рассеиваемой мощности требует решения задач расчета тепловых режимов.

Основу элементной базы составляют полупроводниковые структуры и приборы (диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны, варисторы). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы) применяются для задания режимов работы полупроводниковых приборов, а также в составе отдельных преобразователей.

Мощные силовые диоды, широко применяемые при преобразовании переменного напряжения в пульсирующий ток, как правило, имеют /? + -«-структуру и предназначены для работы в диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц. Основными параметрами силовых диодов являются максимально допустимое значение прямого тока — /,„ пр; допустимое значение прямого импульсного тока — /пр и; прямое напряжение открытого диода — Unp при 1т пр; максимально допустимое значение обратного напряжения — U0бр; максимальное значение обратного тока — 1т 0(–. Типовые значения прямого тока силовых диодов лежат в пределах от единицы до тысячи ампер при прямом напряжении около одного вольта, и они допускают обратные напряжения от сотен до тысячи вольт.

Силовые биполярные транзисторы используются преимущественно в ключевом режиме, характеризуемом быстрым переходом из состояния насыщения с большими токами в состояние отсечки с высоким обратным напряжением. Во время процессов переключения в активном режиме транзистор также работает при больших значениях напряжений и токов. Исходя из приведенных условий силовые транзисторы должны обеспечить большой ток коллектора /к (от единицы до сотен ампер); малое напряжение насыщенного транзистора [/„ (доли вольта); высокое пробивное напряжение [7Кэтах ( от сотен до тысячи вольт); малое время переключения tn (единицы миллисекунд).

Транзисторная структура, удовлетворяющая указанным условиям, имеет большие площади сечения базовой и коллекторной областей при малой ширине базы (рис. 19.3, а).

Рис. 193. Структуры силового (а) и составного (б) транзистора, эквивалентная схема (в)

Силовой транзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером (э), подключением нагрузки к выводу коллектора (к) и управлением по выводу базы (б). Основным недостатком мощного транзистора является небольшое значение коэффициента усиления (Р п 2

п с тремя взаимодействующими р-п-переходами и внешними выводами анода (А), катода (К) и управляющего электрода (У) (рис. 19.4, а).

Статические характеристики тиристора можно получить, условно представив его структуру разделенной на две части, кото-

Рис. 19.4. Структура (а), схема (6), характеристики (в) и обозначение(г)тиристора

рым соответствуют транзисторы Т и Т2 на эквивалентной схеме (рис. 19.4, б). При положительном напряжении на аноде относительно катода переходы п22 и П-р смещены в прямом, а переход п2-р — в обратном направлении, что определяет весьма малый ток закрытого перехода /ко через прибор. Из эквивалентной схемы при работе транзисторов в активной области можно получить выражение для тока / = /, + -типа, что ведет к увеличению сопротивления открытого транзистора. Достоинствами прибора являются весьма малое потребление по цепи управления, очень большой коэффициент усиления тока и простота сопряжения с параметрами управляющих логических элементов.

Совершенствование технологии привело к созданию комбинированной структуры, содержащей силовой биполярный (БП) и управляющий КМДП-транзисторы (19.6, а).

В типичную структуру р + -п -р + силового биполярного транзистора введена область гС, которая совместно с областями п

, р + и поликремниевым затвором образует управляющий нолевой транзистор с индуцированным каналом /7-типа. Ток стока МДП-тран- зистора является током базы силового транзистора Т (рис. 19.6, б). Управляемость улучшается за счет образовавшегося в структуре транзистора Г2, который вместе с Т образует составной транзистор. В целом структура обеспечивает весьма большой коэффициент усиления тока благодаря соединению полевого транзистора с составным биполярным транзистором.

Прибор (рис. 19.6, в) с приведенной комбинированной структурой называется биполярным транзистором с изолированным затвором, или IGBT-прибором (Insulated Gate Bipolar Transistor). В нем объединены преимущества полевых транзисторов (совместимость по уровням управления с цифровыми логическими эле-

Рис. 19.6. Структура (а), схема (б) и обозначение (в) БТ с изолированным затвором ментами, очень большое входное сопротивление) с достоинствами силовых биполярных транзисторов (малое выходное сопротивление, большие значения коммутируемых токов при высоких напряжениях). Производятся IGBT-приборы с широкой номенклатурой параметров в виде отдельных изделий или в составе силовых блоков, оснащенных системами контроля и управления.

Глэвэ 2 ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА_

СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

В замкнутых, а иногда и в разомкнутых структурах автоматизированного электропривода применяются главным образом полупроводниковые силовые преобразователи для управления двигателями постоянного и переменного тока. Достоинствами полупроводниковых преобразователей являются широкие функциональные возможности управления процессом преобразования электроэнергии, высокие быстродействие и коэффициент полезного действия, большие сроки службы, удобство и простота обслуживания при эксплуатации, широкие возможности по реализации защит, сигнализации, диагностирования и тестирования как самого ЭП, так и технологического оборудования, возможность программирования и перепрограммирования работы микропроцессорных средств управления в случае их использования.

Читайте также:  Почему не работает компрессор в аквариуме

Вместе с тем для этих преобразователей характерны и определенные недостатки. К ним относятся высокая чувствительность полупроводниковых приборов к перегрузкам по току и напряжению и скорости их изменения; низкая помехозащищенность, искажение синусоидальной формы тока и напряжения сети.

Преобразователь — это электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию одних параметров или показателей качества в электроэнергию с другими значениями параметров или показателей качества. Параметрами электрической энергии считаются род тока и напряжения, их частота, число фаз, фаза напряжения.

По характеру преобразования электроэнергии силовые преобразователи делятся на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения переменного и постоянного тока, преобразователи числа фаз напряжения переменного тока. По элементной базе (видам применяемых силовых приборов) преобразователи могут быть диодными, тиристорными и транзисторными, а по управляемости — неуправляемыми и управляемыми. В управляемых преобразователях выходные переменные — напряжение, ток, частота могут регулироваться.

Выпрямители. Выпрямителем называется преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока. Неуправляемые выпрямители не обеспечивают регулирования напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости — диодах, а управляемые выпрямители выполняются на управляемых диодах — тиристорах — и позволяют регулировать выходное напряжение за счет соответствующего управления тиристорами.

Выпрямители могут быть нереверсивными и реверсивными. Реверсивные выпрямители позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке, а нереверсивные — нет. По числу фаз питающего входного напряжения переменного тока выпрямители делятся на однофазные и трехфазные, а по схеме силовой части — на мостовые и с нулевым выводом.

Рис. 2.1. Схемы выпрямителей: а — однофазного с нулевым выводом трансформатора; б — трехфазного мостового

На рис. 2.1, а в качестве примера приведена схема однофазного тиристорного управляемого нереверсивного выпрямителя с нулевым выводом. В состав выпрямителя входят два тиристора VS1 и VS2, подключенные ко вторичным обмоткам трансформатора Т и обеспечивающие на нагрузке R двухполупериодное выпрямленное и регулируемое по величине напряжение. Управление тиристорами осуществляется с помощью подаваемых на их управляющие электроды от системы импульсно-фазового управления (С МФУ) импульсов управления Ua. Изменяя с помощью сигнала управления Uy момент подачи импульсов на тиристоры, можно осуществлять регулирование напряжения на нагрузке. На схеме показан реактор L, который включается в цепь выпрямленного тока /для сглаживания его пульсаций.

На рис. 2.1, б приведена схема трехфазного мостового нереверсивного выпрямителя на шести тиристорах VS1— VS6, нагрузкой которого является якорь двигателя постоянного тока М. На схеме показаны реактор L, который включается в цепь выпрямленного тока для сглаживания его пульсаций, трансформатор Т и обмотка возбуждения ОВМ. Другие возможные схемы выпрямителей рассмотрены в [21].

В табл. 2.1 приведены соотношения, которые связывают параметры цепей переменного и постоянного тока для разных схем выпрямления при активной нагрузке выпрямителя. В ней приняты обозначения: U2, /2 — действующие значения соответственно напряжения сети (вторичной обмотки трансформатора) и переменного тока; Ucp, /ср — средние значения выпрямленных напряжения и тока; максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю (диоду или тиристору); 5, — расчетная мощность переменного тока (типовая мощность трансформатора); Рср — мощность нагрузки на стороне постоянного тока.

Соотношения между токами и напряжениями в выпрямителях

T рехфазная нулевая

Реверсивные выпрямители состоят из двух нереверсивных выпрямителей, при управлении которыми используются совместное и раздельное управления. При раздельном управлении импульсы управления подаются на тиристоры работающего в данный момент неуправляемого выпрямителя, а на тиристоры другого выпрямителя импульсы не подаются и он не работает, «закрыт». При необходимости изменения полярности напряжения на нагрузке на противоположную выпрямители меняются ролями.

При совместном управлении импульсы управления подаются одновременно на оба выпрямителя, при этом за счет сдвига между импульсами управления один выпрямитель работает в выпрямительном режиме, а другой — в инверторном.

Инверторы. Инвертором называется преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания ЭП от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании ЭП от источника постоянного напряжения. В составе ЭП они обеспечивают, как правило, получение переменного напряжения регулируемой частоты, что требуется для регулирования скорости двигателей переменного тока.

Существует большое количество инверторов, различающихся своими схемами, характеристиками и областями применения. В схемах ЭП наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока.

Автономные инверторы напряжения (АИН) имеют жесткую внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, вследствие чего при изменении тока нагрузки их выходное напряжение практически не изменяется. Тем самым управляющим воздействием на двигатель переменного тока является напряжение регулируемой частоты.

Автономные регуляторы тока имеют «мягкую» внешнюю характеристику и обладают тем самым свойствами источника тока, в связи с чем при их использовании управляющим воздействием на двигатель является ток регулируемой частоты.

В схемах инверторов применяются управляемые полупроводниковые приборы — тиристоры и транзисторы. Схемы автономных инверторов приведены ниже при рассмотрении преобразователей частоты.

Преобразователи частоты. Преобразователем частоты называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Применительно к схемам ЭП одновременно с частотой в определенном соотношении регулируется и выходное напряжение преобразователя.

Полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ) делятся на две группы: преобразователи с непосредственной связью и преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока.

Силовая часть схемы трехфазного преобразователя частоты с непосредственной связью показана на рис. 2.2. Он образован тремя группами 2, 3 и 4-х тиристоров VS1— VS6, включенных между вторичными обмотками трансформатора 1 и нагрузкой Za, Zh и Zc. Регулируемое по частоте^ и величине напряжение (Jpcr на нагрузке формируется из напряжения источника питания (трансформатора) Ua, Ub и Uc, что и определило название этого типа преобразователя частоты. Частота напряжения на нагрузке может регулироваться только вниз от сетевой/, и ее максимальное значение обычно не превосходит 20 Гц, что определяет ограниченные возможности применения этого типа преобразователя частоты.

Рис. 2.2. Силовая часть схемы преобразователя частоты с непосредственной связью

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока в составе ЭП могут выполняться по двум основным схемам. На рис. 2.3 показана силовая часть схемы трехфазного преобразователя частоты с инвертором напряжения. Она состоит из нерегулируемого выпрямителя В, собранного на шести диодах VD1— VD6, и автономного инвертора напряжения ЛИН на шести управляемых клю-

Рис. 2.3. Силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором

чах, в качестве которых на схеме показаны модули, содержащие биполярные транзисторы с изолированным затвором VS 1— VS6и шунтирующие диоды VD7—VD12. Выпрямитель преобразует напряжение сети Ux стандартной частоты/ в выпрямленное напряжение, а инвертор — выпрямленное напряжение в напряжение U2 регулируемой частоты/. Регулирование напряжения U2 на нагрузке осуществляется широтно-импульсной модуляцией выпрямленного напряжения. Конденсаторы С выполняют роль фильтра и элемента, осуществляющего обмен реактивной мощности с нагрузкой.

На рис. 2.4 показана силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором тока. Она включает управляемый выпрямитель В на тиристорах VS1—VS6 и инвертор тока Яна запираемых тиристорах VS7— VS12. Конденсаторы С являются источником реактивной мощности для нагрузки, реактор L обеспечивает работу инвертора тока. Приведенная схема позволяет осуществлять рекуперацию (отдачу) энергии в сеть.

Рис. 2.4. Силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором тока

Регуляторы напряжения переменного тока. Регулятором напряжения переменного тока называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в регулируемое напряжение переменного тока той же частоты. Они могут быть одно- и трехфазными и используют в своей силовой части, как правило, тиристоры.

Схема однофазного тиристорного регулятора напряжения ТРН показана на рис. 2.5, а. Его силовая часть состоит из двух тиристоров VS1 и VS2, включенных по встречно-параллельной схеме между источником питания с напряжением t/j и нагрузкой ZH. Изменение с помощью входного сигнала Uy момента подачи импульсов управления Ua на тиристоры позволяет регулировать напряжение на нагрузке UH от нуля до сетевого С/, при той же частоте сети.

Читайте также:  Как крепить кабель канал к бетонной стене?

На рис. 2.5, б показана схема включения трехфазного тиристорного регулятора напряжения, нагрузкой которого являются обмотки статора двигателя переменного тока АД. Добавление в эту схему еще двух пар тиристоров позволяет изменять чередование фаз напряжения на статоре двигателя и тем самым изменять на противоположное направление его частоты вращения.

Рис. 2.5. Схемы регулятора напряжения переменного тока: а — однофазного; б — трехфазного

Регуляторы напряжения используются в качестве мягких пускателей двигателей переменного тока, ограничивающих их пусковые токи и моменты, а также регуляторов экономичности ЭП с асинхронными двигателями, обеспечивающих наилучшие энергетические параметры при их работе. На основе регуляторов напряжения может быть реализовано так называемое квазичастотное управление асинхронными двигателями и их динамическое торможение.

Регуляторы напряжения постоянного тока. Регуляторы этого типа преобразуют напряжение постоянного тока источника питания в регулируемое напряжение на нагрузке. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи — тиристоры и транзисторы, а регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания.

Принцип работы импульсного преобразователя напряжения иллюстрирует схема на рис. 2.6, где ZH, UH, — соответственно сопротивление и напряжение нагрузки; Е — напряжение источника питания; УПК— управляемый полупроводниковый ключ; VD — обратный диод. Регулирование напряжения на нагрузке осуществляется за счет периодического замыкания и размыкания УПК, при которых происходит подключение нагрузки к источнику питания и ее отключение. Изменяя длительность импульсов при неизменной частоте их следования (широтно-импульсный способ) или их частоту при неизменной длительности (частотно-импульсный способ), можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до напряжения источника питания.

Рис. 2.6. Регулятор напряжения постоянного тока

Наибольшее распространение получил широтно-импульсный способ, при котором среднее напряжение на нагрузке UH связано с напряжением источника питания Е, длительностью импульса /и и периодом их следования Тследующим соотношением:

где — относительная длительность (скважность) импульсов.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА / Силовые преобразователи в электроснабжении

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Б. В. Лукутин, С. Г. Обухов

СИЛОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ

Издательство ТПУ Томск 2007

УДК 621.314.075 Л84

Л84 Лукутин Б. В., Обухов С. Г. Силовые преобразователи в электроснабжении: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 144 с.

В учебном пособии рассмотрены характеристики наиболее распространенных силовых полупроводниковых приборов и основные типы силовых преобразовательных устройств в сетях переменного тока; коммутирующие и регулирующие устройства, выпрямители, сглаживающие фильтры, статические преобразователи частоты. Приведены сведения о физических процессах преобразования электроэнергии, даны типовые схемы преобразовательных устройств и основы их расчета.

Пособие предназначено для студентов дневного и заочного обучения по специальности 140211 «Электроснабжение по отраслям», а также для бакалаврской подготовки по направлению 140200 «Электроэнергетика».

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским Советом Томского политехнического университета.

Н. Н.Шкарпетин – зам. генерального директора по техническим вопросам, главный инженер ОАО «Томскнефтепродукт ВНК»;

М. И.Яворский – директор Регионального центра управления энергосбережением Томской области.

© Томский политехнический университет, 2007

Электроэнергия в промышленном производстве используется в электроприводе, разнообразными электротехнологическими и осветительными установками. Соответственно, параметры электроэнергии, необходимые для ее эффективного применения в конкретных случаях, должны быть различны. Нередко частота переменного напряжения, его величина требуют изменения непосредственно в течение технологического процесса. В то же время источники электроэнергии – энергосистемы, трансформаторные подстанции обеспечивают потребителей стандартной электроэнергией в виде трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и рядом

стандартных напряжений от 0,4 до 220 кВ.

Следовательно, для удовлетворения нужд производства

электроэнергии разных видов и параметров, а также для эффективного

преобразовательных устройств являются химические и алюминиевые предприятия, тяговые подстанции, электрифицированный железнодорожный транспорт, регулируемый электропривод, питание различного рода подъемников, лифтов, подземного шахтного оборудования, возбудителей синхронных машин и т. д. Среди разнообразных требований, предъявляемых к преобразователям, общими являются обеспечение высоких КПД и коэффициента мощности, а также максимальной надежности и устойчивости.

удовлетворяют перечисленным требованиям.

габариты и вес, потребляют очень малую мощность управления, обладают высоким быстродействием, а их универсальность позволяет создавать самые разнообразные устройства. Все эти качества открывают широкие возможности для их применения.

Силовая электроника является значительным резервом повышения энергоэффективности систем электроснабжения, поскольку основой большинства методов оптимизации энергопотребления является управление преобразованием электроэнергии сети в энергию управления объектом.

Теоретические основы процессов преобразования электроэнергии с помощью вентильных устройств были разработаны в начале текущего столетия. Но широкое внедрение в практику преобразовательная техника получила после создания в 50-х годах силовых полупроводниковых приборов (СПП): диодов и тиристоров. В учебном пособии рассмотрены характеристики основных силовых

полупроводниковых приборов, классификация и основные типы вентильных преобразователей электроэнергии.

1. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. Классификация силовых преобразователей электроэнергии

Широкий круг задач, решаемый полупроводниковыми преобразовательными устройствами, определяет большое разнообразие их схемных и конструктивных решений.

Схемную электронику условно делят на два класса.

К первому классу относят электронные средства малой мощности, широко применяющиеся в системах автоматического управления и регулирования. Это различного рода усилители, генераторы и т. д. Назначение элементов первого класса – генерирование и преобразование электрических сигналов определенной формы и амплитуды, осуществляющих передачу информации. Для таких электронных целей основными характеристиками являются амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, условия устойчивости работы и т. д. Такие же показатели, как коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, для них являются второстепенными, и их зачастую не учитывают.

Ко второму классу относят электронные средства, применяющиеся в различных системах и источниках электропитания. Электронные цепи второго класса служат для преобразования электрического тока и напряжения: переменного тока в постоянный, постоянного тока в переменный, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение и т. д. К этому же классу относят электронные устройства, осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками электронных цепей второго класса являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и другие электрические характеристики. Схемная электроника второго класса служит энергетическим целям, поэтому ее часто называют энергетической электроникой , а устройства этого класса – преобразователями электрического тока.

Рассмотрим основные типы преобразовательных устройств, работающих в сетях переменного тока. Силовые преобразовательные устройства можно разделить на две большие группы по принципу действия: без преобразования частоты и с преобразованием частоты

питающего напряжения (рис.1.1) . Устройства, не изменяющие частоту входного напряжения, включают в свой состав коммутаторы и регуляторы-стабилизаторы, которые могут строиться по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или фазового регулирования выходного напряжения (ФР). По способу коммутации тиристоров и коммутаторы, и регуляторы-стабилизаторы могут выполняться как с естественной (ЕК), так и с искусственной (ИК) коммутацией. На основе фазорегулируемых преобразователей с искусственной коммутацией могут строиться тиристорные источники реактивной мощности (ТИРМ).

Преобразовательные устройства, изменяющие не только величину, но и частоту выходного напряжения, включают в свой состав выпрямители и преобразователи частоты. Выпрямители могут быть неуправляемые (НУВ) и управляемые с естественной (УВЕК) и искусственной (УВИК) коммутацией вентилей. По схемным решениям выпрямители могут быть простые (нулевые, мостовые) и сложные (представляющие собой последовательное и параллельное соединение простых схем). Преобразователи частоты можно разделить на непосредственные (НПЧ) с естественной и искусственной коммутацией и выпрямительно-инверторные с управляемым (УВ-АИ) или неуправляемым (НУВ-АИ) выпрямителем.

Термин «преобразователи частоты» выделяет основную функцию данного устройства, заключающуюся в изменении частоты питающей сети переменного тока. В большинстве случаев практического использования преобразователей вместе с преобразованием частоты происходит преобразование величины выходного напряжения и числа фаз.

Приведенная классификация силовых преобразователей электроэнергии отражает их основные функциональные свойства.

При изучении электромагнитных процессов в мощных силовых преобразователях следует учитывать, что мощности преобразователя и питающей его трансформаторной подстанции соизмеримы. В этом случае, при эквивалентировании питающего источника переменного тока, необходимо учитывать его активное и индуктивное фазные сопротивления. Такая модель системы электроснабжения позволяет достаточно строго рассмотреть энергетические характеристики вентильного преобразователя и его влияние на питающую сеть.

Читайте далее:
Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector