Лекции по ПТ. Лекция 1 Введение в преобразовательную технику

• Название: Лекция 1 Введение в преобразовательную технику
• Анкор: Лекции по ПТ
• Дата: 12.07.2022
• Размер: 2.22 Mb.
• Имя файла: Лекции по ПТ.docx
• Тип: Лекция; #629272

Лекция №1

Введение в преобразовательную технику


Примерно 100% электрической энергии производиться на электрических станциях трехфазного переменного тока частоты 50 Гц (60 Гц).

Примерно 30% электрической энергии переменного тока преобразуется в постоянный ток (с помощью выпрямителей). С учетом других видов преобразования, доля преобразованной электрической энергии составляет более 40 % от произведенной.
Ос новные виды преобразования

а- преобразовние преременного тока в постоянный (выпрямление)

применяется в тяговом электропиводе(ж/д), в промышленности –

электропривод (коллекторные двигатели постоянного тока);

b – преобразование электроэнергии постоянного тока с одними

параметрами, в электроэнергию постоянного тока с другими параметрами. Осуществляется с помощью импульсного преобразователя напряжения постоянного тока;

с –преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока –инвертирование.
Инверторы:

• 
  
  Зависимые – (ведомые сетью) работают на частоте сети 50 Гц. При электротяге на переменном токе зависимые инверторы устанавливаются на ЭПС (ВИП). При тяге на постоянном токе ВИП устанавливаются на тяговых подстанциях.
  
• 
  
  Автономные – служат для преобразования электричесой энергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока с возможностью плавного регулирования частоты и уровня напряжения.
  

+  f_вых=0,1..сотни герц

U = 0..Uн

-
Такой вид

создан для новых типов электровозов: ЭП=100, ЭП=200

ЭП=300

АИ – автономный инвертор

АСМ- асинхронная машина
d – преобразование электрической энергии переменного тока одних параметров в электрическую энергию переменного тока других параметров
^

Вид преобразования (d)

- преобразование электрической энергии однофазного переменного тока частоты 50 Гц в для асинхронного электропривода с звеном постоянного тока или с использованием непосредственного преобразователя частоты(НПЧ).


Примеры применения:

С ССР

Финляндия


ЗИ- зависимый инвертор

СПП –статические полупроводниковые преобразователи

СПВ – силовые полупроводниковые вентили(тиристоры, диоды)

КПД СПП достигает 99,5%

СПВ обладают почти идеальными характеристиками ключа 1-2 В, которые достигают тока 1000 А, а в закрытом состоянии через вентиль протекает очень маленький ток, следовательно, потерь электрической энергии в открытом и закрытом состоянии почти нет, потери коммутационные.

^

Силовые полупроводниковые приборы

1. 
   
   диоды
   

2. 
   
   тиристоры незапираемые
   

3. 
   
   тиристоры запираемые
   

4. 
   
   биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
   

5. 
   
   полевые силовые транзисторы(MOSFET)
   

Номенклатура изделий – несколько тысяч

Диапазоны по основным параметрам:

10А – 4500А

100В – 8000В

50Гц – 1МГц

Лекция №2

Параметры силовых полупроводниковых вентилей
^

В
ольтамперная характеристика(ВАХ) диода

Uo – пороговое напряжение

Rд – дифференциальное сопротивление

А – В –электрический пробой (обратимый)

В – С –тепловой пробой (необратимый), с нарушением структуры



С увеличение температуры ВАХ деформируется в сторону увеличения тока

Тпред = 140C (для диода)
 - тепловое сопротивление
^ Предельные параметры вентиля

• 
  
  по напряжению
  

Uп –повторяющееся напряжение – максимальное, длительно допустимое мгновенное значение напряжения, которое может прикладываться к вентилю в обратном направлении (или прямом направлении в закрытом состоянии для тиристора)

По повторяющемуся напряжению диоды делятся на классы:



Uнп – неповторяющееся напряжение – максимальное мгновенное значение напряжения, которое может прикладываться к вентилю редко ( грозовые перенапряжения)

Uнп=1,16Uнп (для тиристоров Uнп=1,11Uп)

• 
  
  по току
  

Iп- предельный ток – максимально допустимое среднее значение тока через вентиль.

Параметры определяются в однополупериодной схеме выпрямления, при работе на активную нагрузку (50Гц)

^


ВАХ лавинного диода



Iуд – ударный ток – максимально допустимое амплитудное значение синусоидального тока, протекающего через вентиль в течении 0,01 сек.

ВАХ динистора

динистор



В –напряжение включения и ток включения

С – ток удержания – минимальное значение тока в прямом направлении, при котором динистор остается во включенном состоянии. Если прямой ток станет меньше тока удержания, динистор переходит в непроводящее состояние.

Ес ли к динистору от одной из средних структур сделать вывод, то получится трехвыводной полупроводниковый прибор – тиристор.




+ -

Uупр + Uупр -


Tпред=120C – для не лавинного тиристора

Tпред=140C – для лавинного тиристора

Критическая скорость нарастания прямого напряжения dU/dt и прямого тока dI/dt

^

Лекция №3

Групповое соединеие вентилей

П

о следовательное соединение


П
ри переходе диода из проводящего состояния в непроводящее используются следующие эквивалентные схемы:

С
диф – диффузионная емкость Сб – барьерная емкость

п
рямое включение (проводящее состояние) обратное включение диода (непроводящее состояние)
Сдиф обусловлена большим количеством неосновных носителей в р и n областях.

^ П
араллельное соединение






Для выравнивания токов

применяют индуктивный делитель
Если Nпар<6, то используется замкнутая кольцевая схема.

Если Nпар>6, то применяется схема с задающим вентилем.

^

За мкнутая кольцевая схема Схема с задающим вентилем



^

Принципы и схемы выпрямления переменного тока


Схема выпрямления – схема соединения вентилей между собой и с вентильной обмоткой трансформатора.

Вентили – это коммутирующие элементы, поочередно подключающие обмотки соответствующих фаз трансформатора к приемнику постоянного тока. Этот процесс переключения называется коммутацией вентильных токов.

Число переключений за период соответствует пульсности преобразования Р

Р=2,3,6,12,24,48,…

Схемы выпрямлениея подразделяются:

1. 
   
   нулевая
   
2. 
   
   мостовая
   

m- число фаз; q – число вентилей

нулевая схема с общим катодом мостовая схема




Если Хd = ∞, то Id идеально сглажен.

В нулевой схеме выпрямления с общим катодом в проводящем состоянии находится тот вентиль, на аноде которого напряжение больше, чем на анодах других вентилей.


Катодная группа

ВО-вентильная обмотка

Во вне коммутационный период в проводящем

с
остоянии находится 1 вентиль катодной

угол коммутации группы и 1 вентиль анодной группы

ну левая схема с общим анодом


В нулевой схеме с общим анодом в проводящем

состоянии находится тот вентиль, на катоде которого

напряжение меньше, чем на катодах других вентилей
Выпрямитель является источником гармоник тока в сети.

Номера гармоник определяются по формуле: n=kp+/-1

p- пульсность

k =1,2,3…

p=6, k=1,2,3; n=5,7,11,12,17,19…

p=12,n=11+13;23,25,35,37

Одновременно выпрямитель является источником гармоник напряжения на стороне постоянного тока

Fосн=fс*р

Лекция №4

^

Выпрямительные агрегаты и их состав

1. 
   
   ВА на тяговых подстанциях
   

ПТ –преобразовательный трансформатор

ВУ – выпрямительное устройство

УР- уравнительный реактор

Ld- сглаживающий реактор

Lф,Cф- сглаживающий фильтр

СО –сетевая обмотка

ВО – вентильная обмотка

ПТ – преобразовательный трансформатор, назначение которого:

1. 
   
   трансформация напряжения
   
2. 
   
   гальваническая развязка цепей
   

3)Увеличение числа фаз – с целью увеличения пульсности преобразования, а это приводит к улучшению формы сетевого тока и уменьшения уровня пульсаций выпрямленного напряжения.

УР применяется в некоторых схемах выпрямления для уравнивания токов в параллельно соединенных выпрямительных устройствах.

Ld – предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока

Lф,Сф – предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения

На 1.01.2000г

947 тяговых подстанций постоянного тока

22 подстанции стыкования

2012 выпрямительных установок

47 инверторов и ВИП

54% выпрямительных установок – по схеме «две обратные звезды с УР» (шестипульсовая нулевая параллельного типа)

18% - по схеме шестипульсовая мостовя

28% - двеннадцатипульсовая (566 выпрямителей)

Программой 2000-2005гг планируется количество двеннадцатипульсовых ВУ довести до 50% и получить экономию электрической энергии до 0,5% на каждый агрегат



а) б) в )




1рис. Схемы выпрямления различной пульсности

а)однофазная нулевая;

б)трёхпульсовая нулевая;

в)шестипульсовая нулевая параллельного типа или две обратные звезды с уравнительным реактором (схема Кюблера);

г) шестипульсовая нулевая последовательного типа (схема Вологдина);


г)


шестипульсовая мостовая (схема Ларионова)

^ Двеннадцатипульсовые схемы выпрямления




Последовательного типа








Линейные напряжения секций «звезда» и «треугольник» вентильной обмотки имеют сдвиг по фазе 30


Параллельного типа




пульсовая схема выпрямления



Лекция №5

Коммутация вентильных токов в неуправляемых выпрямителях

Xc-сопротивление сети

Хт- сопротивление трансформатора

е_I,II – ЭДС вентильной обмотки

Хd - сглаживающий реактор




Схема замещения

До момента t₀

 

В момент to в проводящее состояние переходит вентиль V2, и оба вентиля на период коммутации будут в открытом состоянии. Это будет соответствовать режиму короткого междуфазного замыкания.

Во время коммутационного процесса:





Уравнение Кирхгофа для напряжений в контуре


e

I

Pi/q



e_II - e_I



e

2*Pi/q


q
II
– число вентилей коммутационной группе



амплитуда междуфазной ЭДС





из начальных условий при   и 



тогда



По завершению коммутационного процесса ik=Id; iI=0,  =

 

 










Коммутация вентильных токов в выпрямителях с управляемыми вентилями





Момент равенства напряжений коммутирующих фаз называют точкой естественной коммутации.

В Выпрямителях с управляемыми вентилями подача отпирающего импульса на очередной вентиль происходит с задержкой на угол  , относительно точки естественной коммутации, следовательно, и коммутационный процесс начинается с запозданием на угол   .

Уравнение процесса коммутации имеет тот же вид, что и для выпрямителей с неуправляемыми вентилями, т.е.







Во время коммутационного процесса:







Во время коммутационного процесса, напряжение на входе коммутационной группы равно полу сумме напряжений коммутирующих фаз.

Мгновенная потеря напряжения от коммутации:





Лекция №6

^

Двухпульсовые схемы выпрямления


Нулевая схема выпрямления

Xd =0 Работа на активную нагрузку.

Токи вентильных обмоток однонаправленные





Действующее значение тока вентильной обмотки:





Выразим   через 



   

Действующее значение тока сетевой обмотки:



Мощность вентильной обмотки:



Мощность сетевой обмотки:







Мощность трансформатора:








Xd=

при

Id=const


Форма выпрямленного напряжения не меняется, меняется форма тока вентильной и сетевой обмоток.



Действующее значение тока вентильной обмотки:



 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

=

Мощность вентильной обмотки:



Мощность сетевой обмотки:





Мощность трансформатора:



Для исключения подмагничивания сердечника трансформатора однонаправленными токами вентильных обмоток применяют расщепление вентильных обмоток с последующим соединением их по схеме «зигзаг»:



Uo- постоянная составляющая намагничивания


^ Двухпульсовые схемы выпрямления

мостовая схема выпрямления

Хd =


Действующее значение тока вентильной обмотки:



Мощность вентильной обмотки:



Мощность сетевой обмотки:









Мощность трансформатора:



Токи вентилей и обратные напряжения на вентилях в двухпульсовых схемах

Нулевая:
Средний ток вентиля 
Максимальное обратное напряжение 

Мостовая:
Средний ток вентиля 
Максимальное обратное напряжение 


Лекция №7

Трехпульсовая нулевая схема выпрямления


Хd=



 -сетевой ток

Ток вентильной обмотки имеет постоянную составляющую равную  , которая трансформируется в вентильной обмотке, поэтому форма сетевого тока будет повторять форму вентильного тока, за вычетом постоянной составляющей.

1.




Действующее значение тока вентильной обмотки:



 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Мощность вентильной обмотки:



Мощность сетевой обмотки:









Мощность трансформатора:



Средний ток вентиля:



Максимальное обратное напряжение на вентиле:


^ Трехпульсовая нулевая схема с расщеплением обмоток и соединением их в зигзаг




Шестипульсовая мостовая схема Ларионова

Х d=



Связь среднего выпрямленного напряжения с напряжением ВО за период повторения



Действующее значение тока вентильной обмотки:



 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Мощность вентильной обмотки:



Мощность сетевой обмотки:









Мощность трансформатора:



Средний ток вентиля:



Максимальное обратное напряжение на вентиле:



Лекция №8

Шестипульсовая нулевая схема параллельного типа
 - действующее напряжение ВО






 - мгновенное значение напряжения на входе шестипульсовой схемы выпрямления

- частота на зажимах уравнительного реактора, равная 150Гц


e_p создает уравнительный ток, который протекает по вентильным обмоткам четной и нечетной звезд.

Через цепь выпрямленной нагрузки уравнительный ток не протекает. Цепь протекания уравнительного тока представляет собой индуктивное сопротивление, следовательно, уравнительный ток отстает на 90градусов от напряжения на зажимах уравнительного реактора.


Действующее значение тока вентильной обмотки:



 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Действующее значение тока сетевой обмотки:



 - длительность протекания тока в вентильной обмотке
Мощность вентильной обмотки:



Мощность сетевой обмотки:







Мощность трансформатора:



Средний ток вентиля:



Максимальное обратное напряжение на вентиле:



Внешняя характеристика выпрямителя

схема выпрямления не в полной мере использует трансформатор, т.к. у нулевой схемы λ=2*π/3. Резкий подъём напряжения при х.х.



^

Способы регулирования выпрямленного напряжения (на ЭПС)

1. 
   
   В  случае использования неуправляемых вентилей, применяют секционирование ВО с помощью специальных секционных выключателей (контролеров), производят переключения выводов ВО, изменяя таким образом коэффициент трансформации.
   
2. 
   
   Управляемые вентили:
   

а) фазовое регулирование: используя угол   ,можно менять среднюю величину выпрямленного напряжения



коэффициент мощности





 - активная мощность;

 - полная мощность.
Ограничивают  ,чтобы не снижать 

Другое следствте больших углов  :искажение сетевого тока и увеличение уровня гармоник

б) Зонно-фазовое регулирование выпрямленного тока