Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Политехнический институт Сибирского федерального университета ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Конспект лекций Красноярск 2007 УДК 621.314.2 Преобразовательная техника. Конспект лекций/ Сост.: А. А. Лопатин. Красноярск: ИПЦ ПИ СФУ, 2007. 144 с. Изложены принципы преобразования электрической энергии в базовых схемах выпрямления, инвертирования, преобразования частоты и напряже- ния. Предназначен для проведения лекционных занятий по курсу «Преобра- зовательная техника» для студентов, обучающихся по специальности 140604.65 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и тех- нологических комплексов», а также студентов других специальностей изу- чающих данную или смежные дисциплины. Печатается по решению Редакционно-издательского совета университета УДК 621.314.2 © ПИ СФУ, 2007 2 1 МОДУЛЬ 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1 Введение. Объем и содержание курса Дисциплина «Преобразовательная техника» предназначена для изуче- ния силовых электронных усилительно - преобразовательных устройств. В электроэнергетике существуют источники постоянного и переменного тока. Подавляющая часть электрической энергии для сетей общего пользования вырабатывается трехфазными синхронными генераторами со стандартным уровнем напряжения и частоты. В автономных системах электроснабжения для производства электрической энергии используют асинхронные генерато- ры, а в отдельных случаях - специальные электрические машины, как прави- ло, с повышенной частотой (400, 800, 1200 Гц и выше). К первичным источникам электроэнергии постоянного тока относятся генераторы, аккумуляторы, солнечные и тепловые элементы, МГД- генераторы. В соответствии с двумя видами источников существуют и два вида по- требителей переменного тока (одно и многофазные) и потребители постоян- ного или пульсирующего однонаправленного тока. Для наиболее эффективного использования электрической энергии, ге- нерируемой с постоянными параметрами, различные потребители требуют использования электрической энергии с нестандартными параметрами: час- тотой, регулируемым напряжением, другим числом фаз, нежели в источнике энергии, Поэтому необходимы преобразователи электроэнергии между ис- точником и потребителем. В развитых странах сегодня примерно 40 % выра- батываемой электроэнергии перед использованием подвергаются преобразо- ванию. Преобразовательная техника является сегодня электротехнической от- раслью, продукция которой жизненно необходима всем другим электротех- ническим и электроэнергетическим отраслям промышленности. Объем годо- вого потребления в мире равен 12 10 ) 12 8 ( ⋅ − кВт ч. Ежегодные затраты на производство электроэнергии составляют 400...500 млрд долл., причем из них 72...78 млрд долл. приходятся на прямые потери генерирующих, пере- дающих и потребляющих объектов. 3 Основными потребителями электроэнергии сегодня являются электро- приводы различного назначения (51%), освещение (19%), нагрев/охлаждение (16%), телекоммуникации (14%). При этом менее 25% энергии используются оптимально для совершения требуемой работы. Минимизация потерь дости- гается применением высокоэффективных методов управляемого преобразо- вания электроэнергии сети в энергию управления объектом. В основе боль- шинства таких методов лежит использование высокоэффективных преобра- зователей электрической энергии. Так, например, промышленный электро- привод, управляемый с помощью полупроводникового преобразователя электрической энергии, экономит до 40% электроэнергии по сравнению с не- регулируемым электроприводом. В настоящее время доля регулируемых электроприводов в мировых технологиях не превышает 40%. В связи с чем, развитие преобразовательной техники и расширение ее использования явля- ется актуальной задачей. Курс разбит на два модуля: преобразователи постоянного тока, преоб- разователи переменного тока. Для изучения тем первого модуля отводится шестой семестр, в течение которого проводится семнадцать лекций (34 часа), семнадцать лабораторных занятий (34 часа) и двадцать часов отводится на самостоятельную подготов- ку. На лекциях рассматривается двенадцать разделов (гл. 1.2 – 1.13), на лабо- раторных занятиях проводится восемь лабораторных работ, а за время само- стоятельной подготовки дополнительно изучается восемь разделов посвя- щенные характеристикам, устройству и принципам работы преобразователей постоянного тока. В конце шестого семестра проводится зачет. Для изучения тем второго модуля отводится седьмой семестр, в тече- ние которого проводится восемь лекций (16 часов), семнадцать лаборатор- ных занятий (34 часа) и десять часов отводится на самостоятельную подго- товку. На лекциях рассматривается четыре раздела (гл. 2.1 – 2.4), на лабора- торных занятиях проводится четыре лабораторных работы, а за время само- стоятельной подготовки дополнительно изучается четыре раздела посвящен- ные характеристикам, устройству и принципам работы преобразователей пе- ременного тока. В конце седьмого семестра проводится экзамен. По материа- лам шестого семестра в седьмом семестре выполняется курсовой проект, для выполнения которого отводится 34 часа самостоятельной работы. Выполне- ние курсового проекта заключается в проектировании реверсивного тири- сторного преобразователя постоянного тока. Курсовой проект включает в се- 4 бя расчет и выбор элементов преобразователя, построение регулировочных, внешних и мощностных характеристик. Основная литература: 1. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая Шк., 1982. 3. Горбачев Н.Г., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 4. Ковалева Ф. И. Полупроводниковые выпрямители. – М.: Энергия, 1978. 5. Электронные устройства. Методические указания по лабораторным работам 1, 2 / Сост. Л. Г. Агаханов, А. П. Образцов, В. М. Скрипников. Крас- ноярск: КрПИ, 1990. 36 с. 6. Электронные и преобразовательные устройства: Контрольные зада- ния и метод. Указания для студентов электротехнических специальностей всех форм обучения / Сост. В.М. Бычков, С.Р. Залялеев, А.В. Казанцев и др. Красноярск: КГТУ, 1997. 24 с. 7. Исследование выпрямителей и инверторов на ЭВМ: Метод. указания по лабораторным и курсовым работам для студентов электротехнических специальностей / Сост. А.В. Казанцев, В. М. Скрипников, А. П. Образцов. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 44 с. 8. Преобразовательная техника: Метод. указания по лабораторным ра- ботам для студентов электромеханического факультета / Сост. А.В. Казанцев, А. П. Образцов, В. М. Скрипников. Красноярск: КГТУ, 1998; КГТУ. 39 с. 9. Проектирование тиристорных преобразователей постоянного тока: Метод. указания по курсовому проектированию для студентов ЭМФ / Сост. А. П. Образцов, В. М. Скрипников. Красноярск: КГТУ, 1999. КГТУ. 87 с. Дополнительная литература: 1. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чижен- ко. – Киев: Техника, 1978. 2. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная тех- ника. - М.: Высшая шк., 1980. 5 3. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справоч- ник / Г. С. Найвельт, К. Б. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др.; Под ред. Г. С. Най- вельта. М., 1986. 4. Глух Е. М., Зеленов В. Е. Защита полупроводниковых преобразова- телей. – М.: Энергия, 1978. 1.2 Однофазные неуправляемые выпрямители Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, однако 25-30% производимой энергии используется на постоянном токе. Необходимость выпрямления тока на практике возникает: в электроприводе постоянного тока, системах возбужде- ния машин, химической промышленности, системах управления и регулиро- вания, электротяге, и т.д. Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяются вентильные установки, состоящие из компонентов: - силового согласующего трансформатора, с помощью которого полу- чают необходимое число фаз и величину выпрямленного напряжения; - электрических вентилей (диоды, тиристоры, транзисторы); - сглаживающих фильтров, уменьшающих амплитуды высших гармо- ник выпрямленного тока; - схем защиты и сигнализации. Основным элементом схем выпрямления является диод (вентиль). Дио- дом называется нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротив- лением при протекании тока в прямом направлении по сравнению с сопро- тивлением при протекании тока в обратном направлении. В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые диоды. Их свой- ства определяются PN-переходом – контактом двух областей полупроводни- кового материала с различными типами проводимости: электронной и ды- рочной. Вольтамперная характеристика (ВАХ), зависимость тока от напряже- ния, полупроводникового диода, например Д229Б, изображена на рисун- ке 1.2.1. 6 Рис. 1.2.1. Основными параметрами диодов являются максимальный ток max пр. I и допустимое значение обратного напряжения max обр. U . Номинальный ток ука- зывается как среднее значение прямого тока. При протекании через диод прямого тока, равного номинальному, падение напряжения на нем для гер- маниевых диодов составляет примерно 0.4 В, а для кремневых 0.8 В. Прило- женное к диоду обратное напряжение приводит к протеканию обратного тока величиной от нескольких микроампер до нескольких миллиампер. В маломощных выпрямителях при расчете необходимо учитывать ак- тивные сопротивления элементов, прямое падение напряжения на вентилях и их обратный ток. 1.2.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель Однополупериодная схема выпрямления содержит один диод, рису- нок 1.2.2. Вход схемы подключается к вторичной обмотке трансформатора, а к выходным клеммам схемы подключается нагрузка. Напряжение на входе схемы выпрямле- ния синусоидальное: ( ) ( ) t U t U m ω sin 2 2 = , где 2 U - действующее значение напряжения Рис. 1.2.2. 7 вторичной обмотки трансформатора; m U 2 - амплитудное значение напряже- ние вторичной обмотки трансформатора; f π ω 2 = - круговая частота сети, где f - частота сети. При положительном значении напряжения на аноде диода относитель- но катода во вторичной цепи трансформатора будет протекать ток, являю- щийся для диода прямым. При отрицательном напряжении на аноде относи- тельно катода к диоду будет приложено обратное напряжение, а ток в цепи будет равен обратному току диода, рисунок 1.2.3. Рис. 1.2.3. Мгновенное значение выпрямленного тока описывается: ( ) ( ) < < ≈ = = < < + = = ; 2 , 0 ; 0 , sin обр 2 2 2 π ω π π ω ω t i i i t R R t U i i d a d m d 8 где d i , 2 i , обр i - мгновенные значения выпрямленного тока, тока вторичной обмотки, и обратного тока диода; d R - сопротивление нагрузки; a R - сопротивление анодной цепи, включающее, активное сопротивление обмоток трансформатора, сопротивление проводов и диода. Мгновенное значение выпрямленного напряжения в любой момент времени меньше мгновенного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора, так как часть напряжения теряется на сопротивлении a R . Среднее значение выпрямленного напряжения: ( ) ( ) a a a m dm d U U t d t U t d t U U η π η ω ω η π ω ω π π π 2 2 0 0 2 45 0 2 sin 2 1 sin 2 1 ≈ = = = ∫ ∫ , где dm U - амплитудное значение выпрямленного напряжения; ( ) a d d a R R R + = η - коэффициент анодной цепи. Среднее значение выпрямленного тока в этой схеме равное среднему значению тока диода: π dm d d v d I R U I I = = = ср , где ( ) d a m vm dm R R U I I + = = 2 - амплитудное значение выпрямленного тока (тока диода). Максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора: a d m U U U η π = = 2 m обр. При расчете выпрямителя заданным параметром являются значения постоянного напряжения и сопротивления нагрузки. Диод выбирается по среднему значению тока диода, амплитудному значению тока диода и мак- симальному обратному напряжению. Согласно полученным выражениям ди- 9 од должен выдерживать амплитудные значения тока и обратного напряжения как минимум в π раз превышающие средние значения тока и напряжения нагрузки. Основная гармоника переменной составляющей выпрямленного на- пряжения и тока имеет частоту равную частоте сети. Для удобства вычисле- ния амплитуды основной гармоники пульсаций выберем начало координат в точке, где напряжение имеет максимальное значение. Тогда мгновенное зна- чение d U в диапазоне 2 2 π ω π ≤ ≤ − t можно представить как косинусои- дальную функцию: ( ) t U u dm d ω cos = Так как эта функция четная, то при разложении ее в ряд Фурье оста- нутся только косинусоидальные члены. Амплитуда первой гармоники на- пряжения: ( ) ( ) ( ) 2 2 cos 2 cos 1 2 0 2 2 2 1 π ω ω π ω ω π π π π d dm dm d m U U t d t U t d t u U = = = = ∫ ∫ − Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармо- нике: ( ) ( ) 2 1 1 п π = = d m U U K Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора: ( ) 2 2 sin 2 1 0 2 2 2 π ω ω π π d dm dm I I t d t I I = = = ∫ Действующее значение напряжения вторичной обмотки: 10 a d a d m U U U U η η π 22 2 2 2 2 2 ≈ = = Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора: a d a d d P U I I U S η η π 49 3 2 2 2 2 2 2 ≈ = ⋅ = , где d d d I U P ⋅ = - мощность, отдаваемая в нагрузку. Мгновенное значение тока первичной обмотки определяется из урав- нения магнитного равновесия трансформатора: d d i n w I i w i ⋅ − = − − = 1 2 2 1 ) ( , где 1 w , 2 w - число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора; 1 2 w w n = - коэффициент трансформации. Из последнего выражения следует, что временная диаграмма первично- го тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если исключить из него постоянную составляющую d I . Действующее значение тока первичной обмотки: ( ) d d d nI nI t d I i n t d i I 21 1 2 4 2 2 1 2 2 0 2 2 2 2 0 2 1 1 ≈ ⋅ − = − = = ∫ ∫ π ω π ω π π π Расчетная мощность первичной обмотки: a d d d a d P I U I n n U I U S η π η π π 69 2 2 4 2 2 4 2 2 2 1 1 1 ≈ ⋅ − ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ − ⋅ = ⋅ = Полная расчетная мощность трансформатора: 11 ( ) a d P S S S η 09 3 2 2 1 тр = + = Коэффициент использования трансформатора по мощности: a d S P K η 324 0 тр тр ≈ = В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, на- сыщающий сердечник. Это явление называют вынужденным намагничивани- ем сердечника трансформатора. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нор- мальном режиме работы. Это обуславливает увеличение сечения провода обмоток, массы и габаритов трансформатора. Однополупериодный выпрямитель применяется при выпрямленных то- ках до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокого качества выпрямленного напряжения. Схема характеризуется большими пульсациями выпрямленного напряжения, наличием вынужденно- го намагничивания сердечника трансформатора и высоким коэффициентом использования трансформатора. |