Силовая электроника шпорки. 1. Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития. Силовая электроника

• Название: 1. Силовая электроника, определение, современное состояние и основные направления развития. Силовая электроника
• Анкор: Силовая электроника шпорки.docx
• Дата: 17.02.2017
• Размер: 9.35 Mb.
• Имя файла: Силовая электроника шпорки.docx
• Тип: Документы; #2800
• страница: 2 из 9

11. Роль ЭВМ, микропроцессорной техники в развитии СЭУ.

Электроника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического управления и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. Обратимся к идеализированной системе управления некоторым объектом (рис. 1.1).



Рис.1.1. Структурная схема системы управления

Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект. Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры, усилители, силовые электронные устройства), цифровыми сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства, осуществляющие преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно. Характеристики электронных устройств определяются прежде всего характеристиками составляющих их элементов. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.

Бурное развитие современной промышленной техники неразрывно связано с успехами силовой электроники. Ее необходимость определяется большой потребностью в эффективных преобразователях и регуляторах электрической энергии.

12. Виды преобразования параметров электрической энергии, примеры использования преобразовательных СЭУ.

Основными видами преобразования электрической энергии являются:

выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный. Этот вид преобразования наиболее распространенный, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (сварочные устройства, электролизные установки и т. д.), другие же потребители (электропривод, системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения) имеют на постоянном токе более высокие технико-экономические показатели, чем на переменном;



инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный. Применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (аккумуляторные батареи, магнитогидродинамические генераторы);



преобразование частоты. Обычно переменный ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты (питание регулируемых электроприводов переменного тока, установки индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковые устройства и т. д.);





преобразование числа фаз. Иногда необходимо преобразование трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или наоборот, однофазного в трехфазный (электрифицированный транспорт). В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной частью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;

преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребителям требуется постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической аппаратуры).





Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов.
13. Основные пассивные компоненты, используемые в СЭУ: резисторы, конденсаторы, индуктивности, основные параметры и конструктивные особенности.

Резисторы: По конструкции и материалу токопроводящего элемента резисторы подразделяются на проволочные и непроволочные. По назначению резисторы подразделяются на постоянные (нерегулируемые) и переменные (регулируемые). Основные параметры резисторов: номинальное значение сопротивления R±, допустимое отклонение от номинального значения, номинальная мощностьP_r рассеяния. В зависимости от группы и свойств резисторов введена система сокращенных обозначений типов резисторов, состоящая из букв и цифр. Буквами обозначается группа резисторов: С — резисторы постоянные, СП — резисторы переменные. Цифры, стоящие после букв, обозначают конструктивную разновидность, например: 1 — непроволочные тонкослойные углеродистые; 2 — непроволочные тонкослойные металлопленочные и металлоокисные; 3__непроволочные композиционные пленочные; 4 — непроволочные композиционные объемные; 5 — проволочные. Кодированная маркировка номинальных значений сопротивлений резисторов и допустимых отклонений значений сопротивления от номинальных состоит из двузначного числа, указывающего номинальное значение сопротивления, и двух букв. Одна буква обозначает единицу измерения сопротивления, другая — допустимое отклонение его значения от номинального. Буква, обозначающая единицу измерения сопротивления, может стоять после числа, указывающего номинальное значение сопротивления перед ним или между цифрами, как бы вместо запятой десятичного числа. Е47, К47, 1МО, ПЭВ50- проволочный эмалестойкий водостойкий на 50 Вт.

Конденсаторы: используются в СУ в качестве элементов фильтров, в качестве коммутирующих, в элементах RC-цепочках защитных, для компенсации реактивной мощности. В зависимости от назначения и конструктивною исполнения выпускают конденсаторы: постоянной емкости, полупеременные (подстроечные), переменной емкости. Важнейшие характеристики, конструкция и область применения конденсаторов в основном определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки. Эта особенность учитывается при классификации конденсаторов. Основными параметрами конденсаторов являются: номинальная емкость, допустимое отклонение от номинальной емкости, номинальное напряжение, температурный коэффициент емкости (ТКЕ), тангенс угла потерь, сопротивление изоляции между выводами или ток утечки. Емкость конденсатора измеряют в фарадах. На конденсаторах достаточно больших габаритных размеров указывают тип, номинальное напряжение, номинальную емкость, допустимое отклонение в процентах от номинального значения емкости и температурный коэффициент емкости. На некоторых конденсаторах указывается ТКЕ путем окраски конденсатора в определенный цвет или цветными метками. На малогабаритных конденсаторах обычно тип не указывают, а номинальные обозначения емкости и допустимые отклонения от них отмечают специальным кодом. Такое кодовое обозначение состоит из числа, определяющего номинальное значение емкости и двух букв, одна из которых обозначает единицу измерения емкости М10. Система классификации и обозначения конденсаторов состоит из четырех элементов. Первым элементом является одна или две буквы (К — конденсатор постоянной емкости, КП — конденсатор переменной емкости, КТ — конденсатор подстроечный); вторым — последующие цифры, указывающие на тип диэлектрика в конденсаторе и группу по рабочему напряжению. Например, число 10 обозначает, что конденсатор керамический, предназначен для работы при напряжениях до 1600 В; 22 — стеклокерамический, 23 — стеклоэмале-вый, 40 — бумажный, на напряжение до 1600 В с фольговыми обкладками. Третьим элементом является буква, указывающая назначение конденсатора в каждой данной группе: Ч — для работы в цепях переменного тока (для конденсаторов бумажных); У — для работы в цепях постоянного и переменного тока в импульсных режимах (для бумажных конденсаторов с металлизированными обкладками) и т. д. В качестве четвертого элемента используют цифры, обозначающие разновидность конденсаторов каждого типа.

Индуктивности: Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах. Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн. В соответствии с Публикацией IEC 62 для индуктивностей кодируется номинальное значение индуктивности и допуск, т.е. допускаемое отклонение от указанного номинала. Наиболее часто применяется кодировка 4 или 3 цветными кольцами или точками. Первые две метки указывают на значение номинальной индуктивности в микрогенри (мкГн), третья метка — множитель, четвертая — допуск. В случае кодирования 3 метками подразумевается допуск 20%. Цветное кольцо, обозначающее первую цифру номинала, может быть шире, чем все остальные. Первые две цифры указывают значение в микрогенри (мкГн), последняя — количество нулей. Следующая за цифрами буква указывает на допуск. Например, код 101J обозначает 100 мкГн ±5%. Если последняя буква не указывается —допуск 20%. Исключения: для индуктивностей меньше 10 мкГн роль десятичной запятой выполняет буква R, а для индуктивностей меньше 1 мкГн — буква N. 22N- 22 нГн ±20%. R10M- 0,10 мкГн±20%.
14. Силовые полупроводниковые приборы (СПП), общие сведения, направления развития и классификация по степени управляемости.

Основными элементами силовой электроники являются нелинейные элементы, ВАХ которых приближается к идеализированной характеристике элемента ключевого или релейного типа. Элементы с такими характеристиками имеют 2 явно выраженных состояния: включенное, соответствующее высокой проводимости, и выключенное, соответствующее низкой проводимости. В настоящее время функции ключевых элементов в силовой электронике выполняют полупроводниковые приборы различных типов. Эти приборы представляют собой сочетание полупроводящих слоев с различными типами электронной проводимости. СПП можно классифицировать по различным признакам: по принципу действия, степени управляемости, назначению, применению и др. по управляемости: - неуправляемые- приборы работают по ВАХ, никаких выводов на управления нет(все диоды, стабилитроны, стабистры, защитные диоды, полупроводниковые ограничители напряжения), - частично управляемые- работают на включение (тиристоры, симисторы, оптотиристоры, фототиристоры), - полностью управляемые- запираемые тиристоры, биполярные транзисторы, полевые транзисторы вертикального типа, совмещенные транзисторы IGBT- биполярные транзисторы с изолированным затвором, - силовые полупроводниковые модули: модули из 2-х приборов, элементов (диод-транзистор), силовые многоключевые модули(модули в виде отдельных схем), силовые интеллектуальные приборы, силовые интеллектуальные схемы.

15. Силовые диоды (вентили), физические основы и конструкция, система обозначений и маркировок, система параметров и характеристик, специальные группы параметров.





Основными параметрами, характеризующими возможности диодов, являются предельно допустимые значения повторяющегося импульсного обратного напряжения и максимального среднего тока(усредненного по всему периоду для периодических токов). Кроме предельных параметров, важными параметрами являются: прямое напряжение(напряжение на выводах диода, обусловленное прямым током); обратный ток( ток через диод при приложении обратного напряжения); время обратного восстановления(параметр, характеризующий время восстановления блокирующих свойств диода). Также существует падение напряжения вентеля при прохождении среднего тока ( основной парметр по току, то значение тока, который вентель может проводить при стандартном охлаждении). Допустимое амплитудное значение тока, не должно превышать среднее значение тока. Ударный ток- максимально возможное амплитудное значение полусинусоидальной формы шириной 10мс, когда температура п-н перехода больше допустимой температуры. Рабочая токовая перегрузка даетс до минут. Температура перегрузки ≤ 140 ˚С. Интеграл квадрата тока- определяет перегрузочную способность полупроводника. Группа специальных параметров: 1 динамические: скорость изменения тока di_a/dt A/мкс, допускают до 1000 А/мкс. Скорость изменения напряжения dU_a/dt допускают более 1000 В/мкс.2 временные: время включения, время выключения. Определяют переходные процессы. 3 тепловые:полное установившееся тепловое сопротивление, максимальный возможный ток и др. Силовые диоды имеют различное конструктивное исполнение (штыревое, таблеточное), которое в свою очередь определяют конструкцию охладителя. В условном обозначении диода Д161-200-5-1,25-1,35 буква Д соответствует виду прибора, цифры 161 указывают на определенные конструктивные признаки. Максимальный допустимый ток 200 А, повторяющееся импульсное напряжение обратное 500В, пределы изменения импульсного прямого напряжения от 1,25 до 1,35 В.

16. Эквивалентная тепловая схема силового диода, внутреннее и общее установившиеся тепловые сопротивления.



Θ_к- температура корпуса, Θ_ох- корпус охладитель. Характеризует установившееся внутреннее сопротивление.

Тепловые сопротивления используются при тепловых расчетах так же, как электрические сопротивления при электрических расчетах. Они входят в расчетную формулу как последовательно или параллельно соединенные, образуя тепловую сеть. При расчете установившихся состояний в расчетные формулы теплопроводности входят только тепловые сопротивления. При расчетах переходных процессов приходится учитывать также теплоемкость и использовать дифференциальные уравнения первого порядка. От места своего возникновения тепло должно дойти до охлаждаемой поверхности. В полупроводниковых приборах тепло возникает прежде всего непосредственно в полупроводниковом переходе. Изготовители полупроводниковых приборов указывают в каталогах внутреннее тепловое сопротивление прибора. Если прибор установлен на охладителе, между источником тепла и окружающей средой действуют три тепловых сопротивления:внутреннее тепловое сопротивление прибора ;тепловое сопротивление контакта между корпусом прибора и охладителем ;тепловое сопротивление охладителя или, точнее, между охладителем и окружающей средой.

Для конструкции преобразователей решающее значение имеют установившиеся тепловые явления, которые определяют максимальные значения температуры во всех точках преобразователя.

Полное установившееся тепловое сопротивление






18. Составляющие дополнительных потерь в управляемых и неуправляемых СПП.

Составляющими дополнительных потерь P_дп являются потери: потери от прямой утечки P_пр, потери от обратной утечки P_об, утечки включения P_вк, утечки выключения P_вык и утечки управления P_у.

P_дп= P_пр + P_об + P_вк + P_вык + P_у

Потери в выпрямителях переменного тока частотой 50 Гц обусловлены, в основном, статическими потерями в диодах при протекании прямого и обратного токов.

Коммутационные потери незначительны ввиду малой частоты переменного тока.

Мощность потерь, выделяемую в мостовом выпрямителе при протекании прямого тока iF, можно рассчитать, интегрируя за один полупериод мгновенную мощность, выделяемую в одном диоде и удваивая результат, поскольку за полупериод одинаковый ток протекает через два диода.



где Vf - прямое падение напряжения на диоде.

За ноль отсчета в первом интеграле принят момент времени, когда входное напряжение проходит через ноль, а во втором интеграле – момент времени, когда ток через диод скачкообразно нарастает до максимальной величины IFm.

Таким образом, для расчета мощности потерь в диодном мосте с активно-емкостной нагрузкой по паспортным данным диодов (прямое падение напряжения при среднем токе нагрузки VF и ток утечки на максимальном обратном напряжении Irm) и основным параметрам выпрямителя (средний ток нагрузки и максимальное выпрямительное напряжение). Уменьшить мощность потерь в мостовом выпрямителе можно за счет уменьшения двух параметров: или VF или Irm, предварительно оценив их значимость в общих потерях.