Учебнометодическое пособие по учебной дисциплине Силовая преобразовательная техника
 Скачать 6.05 Mb.
|
|
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 49 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. 50 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. 51 Занятие 4 Тема 1.3 Структурная схема преобразователя. Основные элементы ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЙ 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 52 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. 53 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). 54 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 55 4 Однофазный однополупериодный УВ изменение момента отпирания тиристора за счет сдвига фаз между анодным напряжением U 2 и напряжением U у . Сдвиг фаз называют углом управления . Однофазный нулевой выпрямитель 6 56 Однофазный мостовой выпрямитель 7 9 Изменение - изменение значений Ud . При 6 выпрямленный ток непрерывен. Тиристоры открыты при угле 2 3 . Трехфазный нулевой УВ 57 11 Трехфазный мостовой УВ (схема Ларионова) 2 ) 6 ( 0 0 2 60 cos 1 cos 6 6 2 1 d d U t td U U 2 0 2 ) 6 ( ) 6 ( 34 , 2 cos cos 2 3 6 2 1 U U t td U U d d угол управления меньше или равен 60º: угол управления больше 60º: 58 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. 59 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. К сх = 𝑈 𝑑 𝑈 2 =0,45 Режимом прерывистого тока (РТП) работы выпрямителя называется такойрежим, при котором ток в цепи нагрузки выпрямителя прерывается, т.е.становится равным нулю. 60 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 𝑈 2𝐴 , 𝑈 2Б , измеренные на концах А и Б вторичной обмотки трансформатора относительно средней точки 0, являются противофазными. Во время положительного полупериода напряжение 𝑈 2𝐴 открывается VD1, а VD2 закрыт. Поэтому через нагрузку 𝑅 Н протекает ток 𝑖 а1 , создаваемый верхней 61 половиной вторичной обмотки трансформатора. В следующий полупериод сетевого напряжения относительно точки 0 положительным оказывается напряжение 𝑈 2Б , а 𝑈 2𝐴 − отрицательным. Открытым окажется VD2, VD1 – закрыт. Через нагрузку потечет ток 𝑖 а2 , создаваемый напряжением 𝑈 2Б . 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 : 𝑈 𝑑 = К СХ 𝑈 2 = 0.9𝑈 2 Максимально значение обратного напряжения, приложенному к запертому диоду: 𝑈 обр.𝑚 = √2𝑈 2 Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора: 𝑈 2 = 1,11𝑈 𝑑 Расчетная мощность силового трансформатора двухполупериодного выпрямителя 𝑆 т = 1,48𝑃 𝑑 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. 62 Занятие 8 Схема однофазного мостового выпрямителя. 63 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. 64 Коэффициент формы тока К ф𝑖 = 1,41 Этот выпрямитель имеет более простую конструкцию трансформатора. Среднее и действующее значение тока вентиля: 𝐼 в.ср = 𝐼 2 , 𝐼 в = 𝐼 √2 65 Занятие9 Тема 2.2 Трехфазные выпрямители.Схема трехфазного нулевого выпрямителя. 66 67 Среднее значение выпрямленного напряжения : 𝑈 𝑑 = К СХ 𝑈 2 = 1,17𝑈 2 , К СХ = 1,17 Максимально значение обратного напряжения, приложенному к запертому диоду: 𝑈 обр.𝑚 = √2 ∙ √3𝑈 2 = √6𝑈 2 Среднее и действующее значение тока вентиля: 𝐼 в.ср = 𝐼 3 , 𝐼 в = 𝐼 √3 Расчетная мощность силового трансформатора двухполупериодного выпрямителя 𝑆 т = 1,345𝑃 𝑑 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. 68 69 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 70 из диаграммы вентили схемы проводят ток 1/3 периода. Рисунок 13.2 – временные диаграммы работы трехфазного мостового выпрямителя Среднее значение выпрямленного напряжения : 𝑈 𝑑 = К СХ 𝑈 2 = 2,34𝑈 2 , К СХ = 2,34 Максимально значение обратного напряжения, приложенному к запертому диоду: 𝑈 обр.𝑚 = √2 ∙ √3𝑈 2 = √6𝑈 2 Среднее и действующее значение тока вентиля: 𝐼 в.ср = 𝐼 3 , 𝐼 в = 𝐼 √3 71 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 К фi =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 I Н , А по формуле , Н Н Н U P I (1.1) где Р Н – номинальная мощность двигателя, Вт (по заданию); U Н – номинальное напряжение на якоре двигателя, В (по заданию); Н – номинальный КПД двигателя (по заданию). Зная величину номинального тока якоря, можно рассчитать среднее I В.СР , А Фi К 2 Н В.СР I I , (1.2) также действующее I В.Д , А значение тока через вентили по формуле Фi К Н В.Д I I (1.3) Тиристоры выбираются по среднему значению тока через вентиль I TAVm , А по формуле I TAVm К З.P.I К З.О I В.СР , (1.4) где К З.P.I – коэффициент запаса по рабочему току. Принимаем К З.P.I = 1,1; К З.О - коэффициент запаса, учитывающий отклонение условий охлаждения и режима работы вентиля от нормальных. Принимаем К З.О = 1,1. Диоды выбираются по среднему значению тока через вентиль I FAVm , А по формуле 72 I FAVm К З.P.I К З.О I В.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 * FAVm I , А для диода по формуле T фi ТО ja th a jm T фi ТО FAVm r k U R T T r k U I 2 ) ( 2 2 ) ( * 2 4 , (1.6) также * TAVm I , А для тиристора по формуле T фi ТО T ja th a jm T фi ТО T TAVm r k U R T T r k U I 2 ) ( 2 2 ) ( * 2 4 , (1.7) где U T (TO) - пороговое напряжение открывания тиристора, В; U (TO) - пороговое напряжение открывания диода, В; r t - динамическое сопротивление в открытом состоянии, Ом; Т jm -максимальная температура перехода, С ; Та - температура окружающей среды, С; R thja – установившееся тепловое сопротивление переход–среда, С/Вт. Установившееся тепловое сопротивление переход–среда R thja , С/Втопределяем по формуле R thja = R thjc +R thch + R thha , (1.8) где R thjc - тепловое сопротивлениепереход-корпус, С/Вт (см. приложение А); R thch - тепловое сопротивлениекорпус-контактная поверхность охладителя, С/Вт(см. приложение Б); R thha – тепловое сопротивлениеконтактная поверхность охладителя - охлаждающая среда, С/Вт. Принимаем R thha = 2,1 С/Вт. При выполнении условия для диода * FAVm FAVm i р з I I k , (1.9) и при выполнении условия для тиристора * TAVm TAVm i р з I I k , (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. |