Содержание.
1. Введение
2. Преобразователи частоты
3. Преобразователь частоты с непосредственной связью
4. Расчет параметров элементов и их выбор
5. Выбор силового трансформатора
6. Схема замещения одной фазы силового трансформатора и ее параметры
7. Выбор тиристоров
8. Расчет потерь мощности в управляемых вентилях
9. Определение предельного тока через полупроводниковую структуру прибора для установившихся режимов работы
10. Допустимая мощность потерь в вентиле
11. Определение углов коммутации вентилей
12. Уточнение коэффициента трансформации с учетом падения напряжения на элементах силовой схемы
13. Приведение сетевого напряжения к вентильной стороне трансформатора
14. Защита тиристоров от перенапряжений
15. Определение индуктивности уравнительного реактора
16. Определение ударного тока при внешнем коротком замыкании
17. Выбор средств автоматической защиты от аварийных токов
18. Основные требования к схемам управления тиристорными преобразователями
19. Список литературы
Введение.
В электронной технике выделяют силовую и информационную электронику. Силовая электроника первоначально возникла как область техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значительно расширить функциональные возможности силовых электронных устройств и соответственно области их применения.
Устройства современной силовой электроники позволяют управлять потоками электроэнергии не только в целях её преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности и так далее. Эти функции, тесно связанные с традиционными задачами электроэнергетики, определили и другое название силовой электроники – энергетическая электроника.
Информационная электроника преимущественно используется для управления информационными процессами. В частности, устройства информационной электроники являются основой схем управления и регулирования различными объектами, в том числе и аппаратами силовой электроники.
Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц, в виде постоянного тока (свыше 20% всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы. Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии.
Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость её преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:
1) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);
2) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);
3) преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).
Основными элементами силовой электроники, ставшими базой для создания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы. Проводимость большинства из них в существенной мере зависит от приложенного напряжения: в прямом направлении их проводимость велика, в обратном – мала (то есть полупроводниковый прибор имеет два явно выраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемыми и управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокой проводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности.
Инвертирование – это преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока при заданном выходном напряжении или токе и частоте. Если в инверторе используются тиристоры, то необходимо применение схем принудительной коммутации.
Инверторы, работающие от источника постоянного напряжения и определяющие величину напряжения на нагрузке, в то время как ток нагрузки определяется сопротивлением нагрузки, называются инверторами напряжения.
Инверторы, работающие от источника постоянного тока, называются инверторами тока. Источник постоянного тока реализуется путём включения катушки индуктивности последовательно с источником постоянного напряжения. Преобразователи этого типа являются источниками тока по отношению к нагрузке.
В зависимости от характера нагрузки такие преобразователи могут стабилизировать выходное напряжение или мощность, могут изменять по определённому закону частоту выходного сигнала для регулирования количества оборотов двигателя переменного тока.
Выходной сигнал инвертора обычно содержит много гармонических составляющих. Их набор может изменяться путём применения специальных фильтров или широтно-импульсной модуляции.
Преобразователи частоты.
Различают следующие преобразователи частоты: с промежуточным звеном постоянного тока, непосредственной связью питающей сети и цепи нагрузки (циклоконверторы), промежуточным звеном переменного тока (циклоинверторы).
Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Переменное напряжение питающей сети (рис. 1) выпрямляется с помощью управляющего выпрямителя, фильтруется L-C фильтром и подается на автономный инвертор. Функции регулирования частоты выходного напряжения осуществляет инвертор, а напряжения – выпрямитель. Иногда обе функции осуществляет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым.
Рис. 1 Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока позволяют регулировать выходную частоту с помощью системы управляющего инвертора (СУИ) в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети.
Недостатком преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование энергии, что приводит к уменьшению КПД, к увеличению установленной мощности и массы преобразователя. Однако такой тип преобразователя частоты и схема управления им проще, чем преобразователя с непосредственной связью.
Вентильная часть НПЧ содержит 2m2 вентильных групп, где m2 – число фаз на выходе преобразователя. Преобразователь частоты с m2-фазным выходом состоит из m2 преобразователей с однофазным выходом, работающих со сдвигом 2?/m2 выходной частоты.
В конкретных установках структурная схема непосредственного преобразователя частоты может отличатся от описанной, в часности используется безтрансформаторное подключение преобразователя к сети, а вместо сигналов uf и uu на вход фазосмещающего устройства могут быть поданы сигнал задания по току и сигналы обратной связи по выходным параметрам преобразователя. Эти отличия на характер электромагнитных процессов в преобразователе существенно не влияют.
Преобразователи частоты с непосредственной связью могут выполняться с естественной и принудительной коммутацией.
Рис.3. Трехфазно-однофазный преобразователь частоты с непосредственной связью.
На рис.3 показана схема трехфазно-однофазного преобразователя частоты с непосредственной связью. Преобразователь состоит из двух трехфазных схем выпрямления, первая из которых присоединена к фазам трансформатора анодами тиристоров VS1 – VS3 (гр.I), а вторая – катодами тиристоров VS4 – VS6(гр.II).
Положительный полупериод выходного напряжения формируется при поочередной подаче отпирающих импульсов на тиристоры гр.I; отрицательной – при подаче отпирающих импульсов на тиристоры гр.II.
Открывая поочередно вентили групп I и II, получаем на выходе переменное напряжение с частотой f2. При активной нагрузке выходное напряжение на ней равняется:
Частота f2 регулируется дискретно. Для плавного регулирования частоты преобразователя необходимо вводить паузу tп. включением и выключением I и II групп тиристоров. Длительность паузы должна быть не меньше времени запирающих свойств вентилей (tпtо). При активно-индуктивной нагрузке длительность паузы определяется временем спадания до нуля тока вентиля, проводившего ток в момент прекращения подачи импульсов на управляющую группу. Тогда выходная частота будет:
f2=f1*m1*???(?n+m1)??п*m1
?п – пауза.
При работе НПЧ на активно-индуктивную нагрузку энергия, накопленная в магнитном поле должна быть возвращена обратно в первичную сеть. Для передачи энергии первичную сеть тиристоры обоих групп переводятся в инверторный режим: первые – при отрицательном, вторые – при положительном напряжении. Перевод групп из выпрямительного режима в инверторный осуществляется системой управления при увеличении угла регулирования ? до значений больших 90 эл. градусов.
Недостатком НПЧ является низкий коэффициент мощности при регулировании выходного напряжения вследствие изменения угла регулирования и несинусоидальной формы кривой выходного напряжения, для улучшения которой должен быть применен фильтр, увеличивающий мощность всего преобразователя.
Расчет параметров элементов и их выбор.
Для выбора элементов схемы выпрямителя определим мощность, которую необходимо получить на нагрузке. По условию необходимо регулировать уровнем напряжения до Uвых. max = 100 B на нагрузке с параметрами: Rн. = 1 Ом и Lн = 5 мГн. Отсюда определяем максимальную величину тока через нагрузку Id max = Ud max / Rн =100 /1= 100 А. Тогда максимальная величина мощности, отдаваемая в нагрузку равна Pmax = Ud max· Id max = 10 кВ·А.
Так как схема относится к семейству нулевых схем преобразователей, то необходимо использование трансформатора с выводом «нулевых» точек от двух вторичных обмоток. Необходимость в использовании трансформатора объясняется еще тем, что преобразователь будет работать в промышленных условиях со стандартным допуском напряжения питания .
Для выбора основных элементов силовой схемы (трансформатора, тиристоров) управляемого выпрямителя воспользуемся расчетными соотношениями (таб. 1).
Таблица 1.
Расчетные соотношения для условно-шестифазной схемы выпрямления.
Примечание: величины в скобках для идеального выпрямителя без потерь.
Выбор тиристоров.
Основными параметрами по выбору полупроводникового прибора для данного преобразователя являются:
– предельный средний ток тиристора при соответствующей температуре;
– действующее значение тока через прибор;
– повторяющееся напряжение;
– критическая скорость нарастания прямого тока;
– критическая скорость нарастания прямого напряжения и др.
Данный тиристор относится к разряду оптронных (оптотиристор). Кремниевый диффузионный типа p-n-p-n. Два полупроводниковых элемента: кремниевый фототиристор и арсенид галлиевый излучающий диод объединены в одну конструкцию. Предназначен для применения в помехоустойчивых системах автоматики и в цепях постоянного и переменного тока преобразователей электроэнергии. Выпускаются в металлостеклянном корпусе штыревой конструкции с жёсткими силовыми выводами. Анодом является основание. Масса мене 49 грамм.
Указания по монтажу: Чистота обработки контактной поверхности охладителя не хуже 2.5. Время пайки выводов управления паяльником мощностью 50-60 Вт при температуре припоя 220оС не должно превышать 5 с. Закручивающий момент не более 10 Н*м.
Для данного тиристора выбираем охладитель типа О241-80. Крутящий момент не более 10 Н*м.
Определение предельного тока через полупроводниковую структуру прибора для установившихся режимов работы.
Предельный ток прибора в установившемся режиме работы при заданных условиях охлаждения рассчитывается по формуле
В соответствии с заданием преобразователь работает в климатических условиях У3 по ГОСТ 15543-70. (Климат умеренный. Преобразователь работает в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, и воздействия песка и пыли существенно ниже, чем на открытом воздухе. Токр.ср. = -40 оС – +40 оС, DT=40oC/8часов.)
RT – общее установившееся тепловое сопротивление (при условии охлаждения). С выбранным охладителем типа О241-80 для данного тиристора Rт=Rп-к+Rкпо-ос=0,24+0,24=0,48 ОС/Вт. Где Rкпо-ос – переходное тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда.
U0 – пороговое напряжение предельной ВАХ прибора.
Используя параметры данного тиристора и температурные условия эксплуатации (tmax = 40 ?C) , определим предельный ток прибора.
А
Найдем предельный ток прибора в случае усреднения мощности в зависимости от коэффициента формы тока кф = IB / IB= . Для данной схемы коэффициент формы тока равен кф=55/33,3 = 1,652 (изменение величины кф в зависимости от угла отпирания прибора не учитываем).
Тогда
Как видно из расчетов токовый режим работы тиристоров в данном преобразователе примерно на 13% ниже максимально возможного.
Защита тиристоров от перенапряжений.
В силовых полупроводниковых преобразователях различают следующие виды перенапряжений:
– внешние перенапряжения, возникающие как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки;
– внутренние перенапряжения, возникающие при коммутациях в преобразователях;
– перенапряжения, обусловленные эффектом накопления носителей в полупроводниковых приборов при коммутации тока.
a) Для защиты силовых полупроводниковых вентилей от коммутационных перенапряжений в процессе их переключений, а также от коммутаций в цепи нагрузки, параллельно вентилям включают индивидуальные RC – цепочки.
Конденсатор и резистор должны как можно меньшую собственную индуктивность. Для того, чтобы защитная цепочка имела в целом возможно меньшую, она должна быть размещена непосредственно около вентиля.
Произведем расчет параллельной RC – цепочки для защиты прибора от коммутационных перенапряжений, возникающих при переключении тиристоров.
При выходе вентиля из работы на него действует величина линейного напряжения U2л. Изобразим расчетную схему (рис .5)
На схеме Ls? = 2Lsф.=2*866*10-4=5,732*10-4 – суммарная индуктивность рассеяния двух соседних фаз.
Применяемый тиристор имеет критическую скорость нарастания напряжения, равную (du /dt )кр. = 100 В/мкс. Выберем ограничение с запасом (du /dt ) = 50 В/мкс. Тогда (*), т.к. мало по сравнению с .
В момент коммутации | U2m л | = L(di/dt) (**). Из выражений (*) и (**) выразим величину сопротивления RC – цепочки:
Выбор средств автоматической защиты от аварийных токов.
Работоспособность полупроводниковых приборов при аварийных режимах восстанавливается с помощью защитных устройств, которые должны обладать максимальным быстродействием для ограничения амплитуды и длительности аварийного тока; иметь высокую надежность.
В тиристорных преобразователях различают следующие наиболее характерные аварийные режимы: перегрузка по току и внешнее короткое замыкание; внутреннее короткое замыкание, вызванное пробоем вентиля; нарушение в системе управления.
На стороне переменного тока устанавливаем выключатель А3711Б на номинальный ток Iн = 160 А, номинальное напряжение Uн = 380 В. Уставка по току срабатывния электромагнитных расцепителей Iуст.=400 А. Выключатель рассчитан на предельно допустимый ток короткого замыкания – Imax = 36 кА.
Рис.11. Ток на нагрузке
Рис.12. ток через R-C цепь.
Рис.13. Ток на уравнительном реакторе.
Рис.14. Напряжение на тиристоре.
Основные требования к схемам управления тиристорными преобразователями.
Схемы управления тиристорными преобразователями – это устройства, выполняющие ряд функций по обеспечению требуемого режима работы преобразователя, вида его энергетических и качественных характеристик. Структура и принцип работы схемы управления зависят от реализуемого способа управления, вида задания сигнала управления, схемы исполнительных органов и др.
Перечислим основные функции, выполняемые схемой управления:
1) Формирование значений сигналов управления исполнительным органом в соответствии с заданным сигналом управления. Этот сигнал может быть представлен в виде аналоговой величины, либо цифрой в параллельном, последовательном, двоичном или унитарном коде.
2)Распределение по интервалу повторения сигналов управления тиристорными ключами в соответствии с реализуемым способом управления.
3) Равномерное распределение сформированных сигналов управления по фазам с целью симметрирования нагрузки исполнительными органами на сеть.
4)Структурное преобразование значения сигнала регулирования с целью трансформации средних или действующих значений выходных параметров при необходимости согласования нагрузки с сетью.
5) Коррекция сигнала регулирования в соответствии со значениями сигналов обратной связи. Такая коррекция необходима при реализации управления преобразователем с обратной связью по возмущающему параметру (например, по изменению питающего напряжения, сопротивления нагрузки или иных аналогичных параметров), меняющему значение кванта энергии, подводимого к нагрузке. Использование обратной связи существенно улучшает качество управления тиристорными преобразователями, в особенности при инерционной нагрузке и наличии запаздываний в контуре регулирования вне цепи обратной связи по возмущению.
6) Линеаризация регулировочной характеристики тиристорного преобразователя с целью получения постоянного коэффициента передачи при использовании способов импульсного управления со ступенчато-нелинейными характеристиками.
7) Синхронизация сигналов управления с напряжением сети для обеспечения коммутации тиристоров с заданными значениями углов коммутации ? и ?.
8) Формирование импульсных сигналов требуемой формы, амплитуды и длительности для надёжного управления тиристорными ключами исполнительных органов.
Список литературы.
1) Уильямс Б. Силовая электроника. Приборы, управление, применение, справочное пособие. Москва, «Энергоатомиздат», 1993г.
2) Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. Москва, «Энергоатомиздат», 1992 г.
3) Скаржепа В.А., Шелехов К.В. Цифровое управление тиристорными преобразователями. Ленинград, «Энергоатомиздат» Ленинградское отделение, 1984 г.
4) Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. Москва, «Энергоатомиздат», 1985 г.
5) Славик А.С. , Замятин В.Я. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры. Справочник. Москва, «Радио и связь», 1987 г.
6) Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей, Москва, «Энергоатомиздат», 1989 г.
7) Энергетическая электроника, Справочное пособие, Лабунцов В.А., Москва, «Энергоатомиздат», 1987 г.
8) Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами, под общей редакцией Мовсесова Н.С., Храмушина А.М, Москва, «Энергоатомиздат», 1982 г.
9) Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. Москва, «Энергия», 1977 г.