Силовая преобразовательная техника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебная дисциплина

«Силовая преобразовательная техника»

Преподаватель - Чечевицын Сергей Алексеевич



Лекция № 1

1. ВВЕДЕНИЕ

Вопрос №1. Объясните назначение силовых полупроводниковых преобразователей?. Что является их основным показателем качества?

Силовые полупроводниковые преобразователи -- это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида. В их главных цепях используются силовые полупроводниковые приборы, а основнымпоказателем качества является коэффициент полезного действия (КПД). Практически вся электрическая энергия в настоящее время вырабатывается и передается в виде трехфазного переменного тока постоянной частоты. Для обеспечения возможности регулирования и повышения КПД при использовании этой электрической энергии возникает необходимость преобразовывать ее в электрическую энергию постоянного тока или переменного тока регулируемой частоты. Электрическую энергию постоянного тока, полученную от электрохимических источников, очень часто приходится регулировать, стремясь сделать это с наименьшими потерями энергии. В еще недавнем прошлом это преобразование осуществлялось с помощью электромеханических вращающихся преобразователей, а функции регулирования зачастую перекладывались на механические узлы (редукторы, вариаторы, дроссельные заслонки и т. п.), имеющие низкий КПД. Такое устаревшее оборудование находится в эксплуатации и в настоящее время.

Развитие полупроводниковых приборов, которое привело в 60-е годы к появлению на рынке силовых кремниевых диодов и тиристоров, позволило создать силовые полупроводниковые преобразователи, которые являются почти идеальным средством преобразования электрической энергии.Так, на атомных ледоколах" типа «Арктика» использованы неуправляемые выпрямители в контурах главного тока ГЭУ мощностью свыше 10 тыс. кВт и управляемые выпрямители для питания обмоток возбуждения главных генераторов и гребных двигателей, в том числе реверсивные. На ледоколах типа «Капитан Измайлов» применен управляемый выпрямитель в цепи главного тока ГЭУ. Ледоколы типа «Таймыр» оснащены гребной

электрической установкой переменно-переменного тока с тиристорным преобразователем частоты мощностью 3x12,5 тыс. кВт. Менее мощные преобразователи используются в электроприводах постоянного тока для кранов, лебедок (в том числе буксирных), где необходимо обеспечить режимы реверса и рекуперативного торможения.

Вопрос №2. Объясните что такое силовые, управляющие и регулирующие цепи полупроводниковых преобразователей?

Полупроводниковые преобразователи(ПпП) состоят из силовых, а также управляющих и регулирующих цепей.

Силовые цепи включают в себя электрически соединенные между собой силовые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы и диоды), защитные и коммутационные аппараты, резисторы, конденсаторы, дроссели и трансформаторы, контактные зажимы. К силовым цепям относятся также питающие и выходные сборные шины, кабели, а также силовые розетки и вилки. К силовой части нужно отнести и узлы системы охлаждения, такие, как охладители (радиаторы), вентиляторы, воздуховоды, насосы, теплообменники, фильтры, вентили и т. п. Все это конструктивно объединяется несущим каркасом или шкафом.

Управляющие и регулирующие цепи, а также цепи контроля состоят из маломощных дискретных и интегральных полупроводниковых элементов, пассивных элементов, миниатюрных реле, маломощных трансформаторов, переходных контактов, которые чаще всего устанавливаются на платах с печатными соединениями. Платы размещаются в кассетах или закрепляются в преобразователях иными способами. К цепям контроля относятся устройства сигнализации, диагностики, датчики, измерительные приборы и т.п.

Вопрос № 3. Объясните статический и бесконтактный характерполупроводниковых преобразователей и какова их эффективность?

Силовые полупроводниковые преобразователи(ПпП) являются статическими, бесконтактными и имеют высокую эффективность.

Статический характерсиловых полупроводниковых преобразователей обусловлен тем, что преобразование электрической энергии осуществляется в полупроводниковой структуре без механического движения и, следовательно, без износа деталей под влиянием трения. Здесь существует только движение электрических зарядов и их носителей, которое подчиняется законам электродинамики.

Бесконтактный характерэтих преобразователей определяется тем, что включение и отключение электрического тока происходит без видимого прерывания цепей, без электрической дуги и без износа материала коммутирующего перехода.

Высокая эффективностьполупроводниковых преобразователейобусловленавольт-ампернымихарактеристиками(ВАХ) силовыхполупроводниковых приборов, которые приближаются к идеальным характеристикам устройств коммутации, не имеющих потерь. Они обладают высокой электрической проводимостью (малое падение напряжения) в прямом проводящем направлении и высоким электрическим сопротивлением (малый ток утечки) в обратном направлении и в закрытом состоянии. Следовательно, преобразование электрической энергии происходит с минимальными потерями. При преобразовании электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока происходит экономия энергии на 10-40% по сравнению с классическими вращающимися

и контактными устройствами. Кроме того, высокая эффективность обеспечивает высокую надежность, готовность к работе, быстродействие икачество регулирования. Эти свойства позволяют повысить производительность промышленного оборудования с полупроводниковыми преобразователями на 30-50%, благодаря чему возникает вторичная экономия энергии, которая обычно гораздо выше, чем прямая (непосредственная) экономия.

В то же время устройствасиловой электроники в большинстве случаев дороже классических преобразователей и требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала. Часто они оказывают неблагоприятное влияние на электрическое напряжение питающей сети вследствие низкого коэффициента мощности (соsф) по первой гармонической составляющей и несинусоидальной формы потребляемого тока. Однако при комплексной оценке эффективности использования силовых преобразователей необходимо учитывать общий долговременный эффект, а не только единовременные капитальные затраты. Длительная практика внедрения силовой электроники доказывает ее абсолютное преимущество перед устаревшими вращающимися и контактными устройствами и высокую долговременную экономическую эффективность.

Вопрос № 4. Объясните где используются силовые полупроводниковые преобразователи на судах?

В ближайшем будущем силовые полупроводниковые преобразователина судахполучат еще большее распространение, во-первых, для регулирования электроприводов с вентиляторной нагрузкой (центробежных насосов и вентиляторов), обеспечивающих заметное повышение КПД при частичной нагрузке; во-вторых, в валогенераторных установках, работающих с изменяющейся частотой вращения, но с постоянной частотой вырабатываемого напряжения; в-третьих, для питания нагрузки постоянного тока с переменными параметрами (системы зарядки аккумуляторов, устройства защиты корпуса и винта судна от коррозии). В четвертых, дальнейшее развитие получат и ГЭУ различного типа, в том числе для малотоннажных аккумуляторных экологически чистых судов.

2. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (СПпП)

Вопрос №5. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствии с принципиальными особенностями схемы и их функциональным назначением?

Силовые полупроводниковые преобразователи можно систематизировать по различным критериям. Чаще всего такая систематизация проводится в соответствии с принципиальными особенностями схемы и функциональным назначением; с областью применения; с мощностью; с особенностями конструкции; со способом охлаждения.

Систематизация преобразователей в соответствии с принципиальными особенностями схемы связана с их функциональным назначением, как это схематически показано на рис. 1. Стрелкаапоказывает преобразование переменного тока (или напряжения) в постоянный (выпрямители), стрелка bсоответствует преобразованию постоянного тока в постоянный ток с другими параметрами, чаще всего регулируемыми (импульсные преобразователи постоянного тока), стрелка созначает преобразование постоянного тока в переменный (инверторы), а стрелка d-- преобразование переменного тока в переменный с другими параметрами (преобразователи переменного тока с фазовым или импульсным управлением). На рис. 1 показаны только основные типы прямого преобразования. Чаще встречаются различные комбинированные способы преобразования, например преобразование переменного тока в постоянный, а затем снова в переменный с постоянными или регулируемыми частотой и напряжением.

Рис. 1. Наглядное изображение четырех основных видов преобразования электроэнергии при помощи силовых полупроводниковых преобразователей

На рис. 2 показана обзорная классификация важнейших типов преобразователей в соответствии со схемными особенностями и функциональным назначением.

Рис. 2. Классификация важнейших видов преобразователей

Вопрос № 6. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствиис областью применения?

С учетом области примененияпреобразователи можно систематизировать по следующим группам:для промышленных электроприводов;тяговых электроприводов; агрегатов бесперебойного ирезервного питания; гальванотехники и электрохимии; индукционного нагрева; печей сопротивления и освещения; устройств коммутации переменного и постоянного тока; сварки; возбуждения синхронных машин; питания электромагнитов; зарядки аккумуляторных батарей; электростатических установок; катодной, защиты металлических конструкций; линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения; компенсации реактивной энергии.

Эта классификация не является исчерпывающей и полной. Применение полупроводниковых преобразователей распространяется на новые области человеческой деятельности. Преобразователи не только вытесняют изготовленное ранее и эксплуатируемое до настоящего времени оборудование, но и позволяют осуществлять новые технические решения, которые вообще не были возможны при использовании классических электротехнических аппаратов и устройств.

Вопрос № 7. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствиис мощностью?

Систематизация преобразователейв соответствии с мощностьюне имеет в литературе единых, нормализованных критериев и используется редко. В обычной практике и с учетом специфических особенностей преобразователей в отдельных диапазонах мощностей можно разделить силовые преобразователи на следующие группы:

малой мощности - до 10 кВт;

средней мощности - от 10 до 250 кВт;

большой мощности - от 250 кВт до 1 МВт;

сверхбольшой мощности - более 1 МВт.

Преобразователи малой мощности до 10 кВт имеют в большинстве случаев компактное или встроенное исполнение и специальное целевое назначение. Серийность их изготовления относительно велика. Если они не имеют встроенного исполнения, то, как правило, имеют высокую степень защиты, а иногда масляное охлаждение. В последнее время в качестве основных элементов силовых цепей в них используются силовые транзисторы.

Преобразователи средней мощности от 10 до 250 кВт являются наиболее распространенными. Они выполняются конструктивно в виде шкафа, в последнее время с использованием унифицированных блоков и узлов. В них применяются тиристоры и диоды со штыревым корпусом и интегральные силовые полупроводниковые модули с номинальным током до 160-250 А. Они обычно имеют собственное естественное или принудительное воздушное охлаждение и относительно низкую степень защиты. Шкафы имеют обычно стандартизованные размеры, чтобы обеспечить возможность их установки в общий щит с односторонним доступом. Обычно их выпускают в различном исполнении по мощности в виде стандартных преобразовательных установок со стандартными цепями управления и специально не приспосабливают к устройствам, которые они питают. Шкафы устанавливают в обычных помещениях с нормальными климатическими условиями. Питаемые от них устройства могут находиться на расстоянии десятков и даже сотен метров, причем часто используются дистанционные управление и контроль.

Преобразователи большой мощности от 250 кВт до 1 МВт также относятся к изделиям силовой электроники. Конструктивно они выполняются в виде шкафов. В них используются таблеточные тиристоры и диоды, часто с водяным охлаждением. Они обычно имеют специальное назначение, например: преобразователи для тяговых электродвигателей, для прокатных станов, для возбуждения синхронных машин, для транспортеров, для насосов, для индукционного нагрева и т. п. Они все чаще поставляются совместно с тем технологическим оборудованием, для питания которого предназначены. Сложные технологические регуляторы обычно размещают в специальном шкафу информационной электроники. В последнее время такие преобразователи снабжаются микропроцессорным управлением или же управляются от той же управляющей ЭВМ, что и вся технологическая линия или весь производственный процесс.

Преобразователи сверхбольшой мощности свыше 1 МВт всегда имеют специальное назначение. В них часто используются параллельное и последовательное соединения таблеточных полупроводниковых приборов с водяным или испарительным охлаждением. Они применяются в электроприводах предельной мощности, например в электроприводах вращающихся цементных печей, мельниц, шахтных подъемников, прокатных станов, локомотивов, судов, а также для линий электропередачи сверхвысокого напряжения, в статических компенсаторах и для установок индукционного нагрева. Конструктивно они выполняются в виде ряда шкафов или в виде самостоятельной части строительной конструкции -- в специальном климатизированном зале.

При систематизации преобразователей в соответствии с мощностью необходимо учесть, что этот критерий применим только к преобразователям одинакового функционального назначения и с приблизительно одинаковыми техническими параметрами.Например, преобразователь частоты с определенной выходной мощностью будет примерно в 2 раза больше, чем управляемый выпрямитель такой же мощности, так как кроме выпрямителя он содержит еще и такой же или даже больший инвертор. Аналогично этому инвертор с большим диапазоном регулирования будет больше и дороже инвертора той же мощности, но с меньшим диапазоном регулирования. На габариты и цену преобразователя оказывают существенное влияние также климатические условия, степень защиты и другие технические требования.

Вопрос № 8. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствиис особенностями конструкции?

Систематизация преобразователей в соответствии с особенностями конструкциитесно связана с двумя предыдущими видами систематизации (в соответствии с областью применения и мощностью). Конструкция преобразователей должна отвечать климатическим условиям, в которых они будут работать, и мощности потерь, которую нужно от них отвести. Вопрос о том, нужно ли преобразователь приспособить к условиям окружающей среды или лучше создать соответствующие климатические условия для данного преобразователя, является по существу экономическим вопросом, который решается простым экономическим расчетом. Изготовление преобразователя в исполнении, удовлетворяющем неблагоприятным климатическим условиям, увеличивает его стоимость, однако немало стоит и создание нормальных климатических условий в помещении для преобразователя. Как правило, оказывается дешевле купить обычный серийно выпускаемый преобразователь и разместить его в помещении с нормальными климатическими условиями.

В соответствии с конструкцией преобразователи можно разделить на встраиваемые, компактные, шкафы и камерные.

Встраиваемый преобразователь представляет собой комплектное устройство, которое обычно без всякого защитного кожуха устанавливается и закрепляется внутри оборудования, для которого преобразователь предназначен. Электрические соединения силовых и управляющих цепей обеспечиваются винтовыми зажимами или электрическими разъемами. Встраиваемые преобразователи используются, например, в обрабатывающих и текстильных станках, подъемниках, транспортных механизмах и т. д. Преобразователь в этом случае является неотъемлемой составной частью этого оборудования, он приспособлен к нему своей формой, способом охлаждения, степенью защиты и климатическим исполнением.

Компактная конструкция преобразователя характерна тем, что конструктивные решения ее механической и электрической частей направлены на возможно более тесное размещение всех его элементов и узлов с учетом допустимых расстояний между токоведущими частями и минимальных путей токов утечки по поверхности изоляции. Преобразователь оформляется в виде единой конструкции и закрывается защитным металлическим, а иногда изоляционным кожухом. Силовые и управляющие цепи находятся в тесной близости, иногда прямо на общей панели. Так как компактные преобразователи имеют относительно небольшую мощность потерь, их охлаждение в большинстве случаев выполняется естественным воздушным. Иногда используется небольшой вентилятор для обеспечения хотя бы минимального принудительного движения воздуха в преобразователе. Элементы, в которых возникают наибольшие потери тепла (такие, как диоды, тиристоры, транзисторы, шунты, резисторы и т. п.), иногда крепятся через прокладку к внутренней поверхности кожуха, что обеспечивает тепловой контакт и охлаждение через кожух. В качестве прокладки используются электроизоляционные, но хорошо проводящие тепло пластинки из слюды, полиэтилена или корунда. Большим прогрессом в этом направлении является применение интегральных силовых полупроводниковых модулей с изолированным основанием, которые можно устанавливать непосредственно на стенки кожуха преобразователя, служащие охладителями. Компактная конструкция отличается от встраиваемой практически только тем, что компактный преобразователь является самостоятельным изделием ссобственным кожухом, предназначенным для крепления на стене, в распредустройстве или на оборудовании, которое он питает. Сюда относятся различные зарядные устройства, небольшие преобразователи частоты

электродвигателей, импульсные преобразователи для регулирования постоянного тока и т. п. Конструкция силовых и управляющих цепей компактного преобразователя разрабатывается специально для данного преобразователя с тем, чтобы обеспечить минимальные массу и габарит и, как правило, не предполагает их.использование в преобразователе другого типа или в серии преобразователей с рядом исполнений по мощности. Обычно такие узлы и невозможно выделить из единой конструкции компактного преобразователя.

Конструкция преобразователей типа шкафа чаще всего используется для преобразователей средней и большой мощности. Шкафы изготавливаются из листового металла с помощью сварки или резьбовых креплений и имеют различные поверхностные покрытия. Шкафы отдельных изготовителей имеют в большинстве случаев стандартизованные размеры и форму, а также унифицированную технологию изготовления. Элементы в шкафах крепятся на планках, рамах, скобах, панелях и т. д. Отдельные узлы относительно часто повторяются и используются во многих типах преобразователей. Управляющие цепи конструктивно выполняются на больших платах и часто размещаются на дверях шкафа или в кассете, но всегда отдельно от силовых цепей. Шкафы обычно имеют принудительное воздушное охлаждение с нагнетательной или вытяжной вентиляцией. Водяное охлаждение используется пока только в преобразователях большой и сверхбольшой мощности. Модули с изолированным основанием (фланцем) принесли с собой новые возможности использования водяного охлаждения также и в области малых и средних мощностей.

Преобразователи самой большой мощности выполняютсякамерной конструкции.При таком конструктивном решении защитная оболочка отсутствует полностью и оборудование размещается в электропомещениях (камерах), которые специально строятся для этого преобразователя, или в помещении распредустройств вместе с другим электрооборудованием. Так выполняются преобразователи для передачи электроэнергии сверхвысоким напряжением постоянного тока, а также преобразователи для получения сверхбольших токов в электрохимии. Преобразователи на сверхбольшие токи устанавливаются в непосредственной близости от потребителя этого тока, чтобы длина токоподводов сверхбольших токов, была минимальной. Это необходимо не только для уменьшения расхода цветных металлов, но и для снижения потерь электроэнергии в этих токопроводах. Эти преобразователи, как правило, охлаждаются водой.



Вопрос № 9. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствиисо способами охлаждения ?

По способу охлажденияпреобразователи можно разделить на преобразователи с 1)естественным воздушным охлаждением; 2)с принудительным воздушным охлаждением; 3)с проточным жидкостным охлаждением; 4)с объемным жидкостным охлаждением; 5)с испарительным охлаждением.

Существуют также различные комбинации этих способов охлаждения,

например с двумя водяными контурами, одним воздушным и одним водяным контурами, комбинация испарительного и водяного охлаждения.

В качестве охлаждающей жидкости для систем с проточным жидкостным охлаждением обычно используется вода, реже масло. Для испарительного охлаждения используется жидкость с низкой температурой кипения при самотечном возврате конденсата в резервуар или испаритель. В большинстве случаев тепловые потери не утилизируются, а отдаются в окружающее пространство.

Вопрос № 10. Классификация простых полупроводниковых преобразователей ?

Простые преобразователи, классификация которых показана на рис. 3, могут реализовать не все необходимые на практике режимы работы. Так, простой преобразователь может работать лишь в одном или двух квадрантах диаграммы ток -- напряжение, поскольку ток через него может протекать только в одном направлении. Для повышения мощности диоды и тиристоры, ток и напряжение которых ограничены, включаются в простых преобразователях параллельно или последовательно. С учетом необходимости улучшения коэффициента мощности, снижения содержания высших гармоник как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока, а также для повышения нагрузочной способности необходимо при мощности свыше 1 МВт включать несколько простых преобразователей последовательно или параллельно; такие преобразователи относятся к комбинированным (рис. 4). Встречно-параллельное включение простых преобразователей может понадобиться для изменения направления тока.

Вопрос № 11. Классификация комбинированных полупроводниковых преобразователей ?

Кроме того, определенные схемы, например преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока (двухзвенные преобразователи), основаны на многократном преобразовании энергии. Это также отражено па

Лекция № 2

НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Вопрос № 12. Назначение и область применения судовых полупроводниковых преобразователей ?

Основным назначением судовых полупроводниковых преобразователей (ПП) является преобразование параметров электроэнергии, в частности, рода тока, величины напряжения и частоты.

На судах силовые полупроводниковые преобразователи применяются:

- в качестве выпрямителей общего назначения для питания общесудовых потребителей напряжением постоянного рода тока;

- в составе зарядных устройств для зарядки щелочных и кислотных ак-|кумуляторных батарей;

- в сварочных выпрямительных агрегатах;

- в системе катодной защиты корпуса судна для устранения электро -химической коррозии;

- в системах возбуждения синхронных электрических машин;

- в валогенераторных и гребных электрических установках;

- в судовом регулируемом электроприводе (подруливающие устройства, буксирные лебедки) и т.д.

Вопрос № 13. Состав и элементы силовых полупроводниковых преобразователей ?

ПП состоят из силовой схемы, собираемой на полупроводниковых вен тилях (ключах), и системы управления (СУ). В состав ПП также включают-ся трансформаторы, силовые дроссели, конденсаторы.

Полупроводниковые вентили могут быть неуправляемыми (диоды), не полностью управляемыми (однооперационные тиристоры) и полностью управляемыми (транзисторы и двухоперационные тиристоры).

Диоды открываются тогда, когда к ним приложено прямое напряжение положительной полярности и закрываются, когда ток уменьшается до величины тока запирания.

Не полностью управляемые вентили открываются подачей сигнала на управляющий электрод и запираются, как и диоды, при уменьшении тока до величины тока запирания.

Полностью управляемые вентили могут не только открываться, но и запираться подачей (снятием) сигнала управления на управляющий электрод.

Назначением систем управления ПП является формирование и подача импульсов управления на управляющий электрод силового вентиля в определенный момент времени. После подачи импульса на управляющий электрод полупроводниковый вентиль открывается и начинает проводить электрический ток.

Наибольшее распространение для управления ПП нашли системы им-пульсно-фазового управления (СИФУ). В СИФУ управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать.Схема и временные диаграммы одноканальной СУ однофазным мостовым выпрямителем представлены на рис. 9.1.

Блок синхронизации (БС) синхронизирует работу СУ с фазой питающего напряжения выпрямителя. Генератор пилообразного напряжения (ГПН) выполняет функцию интегратора.

Началом процесса интегрирования ГПН является момент перехода фазного напряжения через ноль. В момент равенства величины напряжения ГПН (U_гпн) и напряжения управления (U_у) устройство сравнения (УС) формирует импульс управления. Распределитель импульсов (РИ) распределяет импульсы по силовым вентилям преобразователя, а формирователь импульсов (ФИ) и блок выходных каскадов (ВК) усиливают сигнал до необходимой величины.

Изменяя величину U_yможно управлять моментом подачи импульса управления на силовой вентиль, благодаря чему регулируется выходное напряжения выпрямителя.

Рис. 9.1. Блок-схема (а) и временные диаграммы (б) системы управления однофазного мостового выпрямителя

Вопрос № 14. Классификация судовых полупроводниковых преобразователей электроэнергии ?

Классификация полупроводниковых преобразователей электроэнергии представлена на рис. 9.2.

Вопрос № 15. Типы силовых полупроводниковых преобразователей ?

Основными типами силовых ПП являются:

- выпрямители - преобразуют электроэнергию переменного тока

в электроэнергию постоянного тока;

- инверторы - преобразуют электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного тока;

- преобразователи частоты - преобразуют электроэнергию переменного тока одной частоты в электроэнергию переменного тока другой частоты.

Вопрос № 16. Назначение , виды, состав и применение полупроводниковых выпрямителей ?

Выпрямители могут быть неуправляемыми и управляемыми. Напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя (HB) зависит от величины входного напряжения и не может регулироваться. ВHB отсутствует система управления. Силовая схема HB строится на неуправляемых вентилях -диодах. Данные выпрямители дешевле, чем остальные преобразователи, и вносят наименьшее искажение в питающую сеть.21эм.

Управляемым называется выпрямитель, который позволяет изменять величину выходного напряжения при постоянном значении входного. Силовую часть управляемых выпрямителей (УВ) составляют тиристоры или транзисторы.

Вопрос № 17. Назначение, виды, состав и применение полупроводниковых инверторов ?

Инверторы делятся на автономные инверторы и инверторы, ведомые сетью.Инверторы, ведомые сетью, могут работать только на сеть, в которой присутствует источник ЭДС. Источник ЭДС, направленный встречно напряжению в звене постоянного тока, необходим для уменьшения тока, протекающего через тиристор, и его запирания.

Автономные инверторы (АИ) строятся на базе полностью управляемых вентилей - двухоперационных тиристоров или транзисторов. Данные инверторы могут автономно работать на любую электрическую нагрузку.22эм.13.01.2016г.

Вопрос № 18. Назначение , виды, состав и применение полупроводниковых преобразователей частоты?

Полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ) могут быть двух-звенными (со звеном постоянного тока) или непосредственными. Двух-звенный ППЧ состоит из последовательно включенных выпрямителя и инвертора. В непосредственных ППЧ отсутствует явно выраженное звено постоянного тока.

Оба типа ППЧ имеют свои достоинства и недостатки, их применение зависит от режима эксплуатации и типа электрической установки.

Так, в ВГУ, где на выходе преобразователя частота выше входной, чаще используют ППЧ со звеном постоянного тока на базе ведомых инверторов. В гребных электрических установках традиционной комплектации с малооборотным электродвигателем нашли применение непосредственные ППЧ.В ГЭУ на базе винторулевых колонок и других судовых электропривода чаще используют ППЧ со звеном постоянного тока на базе автономный инверторов.



Лекция № 3

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Наибольшее распространение в составе силовых ПП нашли диоды, тиристоры и транзисторы.

Вопрос № 19. Назначение, виды, состав и применение полупроводниковых тиристоров?

Тиристор является многослойным полупроводниковым прибором, обладающий двумя устойчивыми состояниями с высоким сопротивлением (закрытое состояние) и с низким сопротивлением (открытое состояние).

По способу управления тиристоры делятся на:

- обычные,

-фототиристоры и

-оптотиристоры.

Тиристоры управляются внешним электрическим сигналом по управляющему электроду,

фототиристоры - с помощью внешнего светового сигнала, оптотиристоры - с помощью внутреннего световогосигнала от светодиода, встроенного в корпус тиристора.

Фототиристоры и оптотиристоры менее чувствительны к электромагнитным помехам.



Рис. 9.3. Условные обозначения полупроводниковых вентилей: а - диод; б -- однооперационный тиристор;в - двухоперационный тиристор; г - биполярный транзистор

Тиристоры могут быть однооперационными (незапираемыми) и двух-операционными (запираемыми).

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора, в двухоперационных тиристорах - отпирание и запирание тиристора.

Условные обозначения полупроводниковых вентилей представлены на рис. 9.3.

Помимо тиристоров и диодов широкое применение в силовой преобразовательной технике нашли транзисторы.

Вопрос № 20. Назначение, виды, состав и применение полупроводниковых транзисторов?

Транзистор является полностью управляемым полупроводниковым прибором, который обладает свойствами усиления электрических сигналов.

Основными режимами работы транзисторов являются: режим насыщения (большой ток и малое напряжение), режим отсечки (малый ток и большое напряжение) и активный режим.

В силовой преобразовательной технике транзисторы работают только в ключевом режиме, то есть находятся в состоянии насыщения или отсечки.

Среди транзисторов наибольшее распространение нашли биполярные транзисторы

Однооперационные тиристоры и биполярные транзисторы охватывают практически весь диапазон мощностей судовой силовой преобразовательной техники.

Однако им присущ ряд недостатков, среди которых следует отметить: неполная управляемость и низкая рабочая частота у однооперационных тиристоров, значительная мощность управления и низкая надежность у биполярных транзисторов.

В связи с этим, помимо традиционно применяемых однооперационных тиристоров и биполярных транзисторов все большее распространение находят двухоперационные тиристоры, в том числе с полевым управлением, а так же полевые и гибридные транзисторы.

Вопрос № 21. Основные виды отказов полупроводниковых вентилей?.

К основным видам отказов полупроводниковых вентилей следует отнести:

- электрический пробой;

- тепловой пробой;

- потеря управляющей способности;

- механические повреждения.

Электрический пробой наступает при приложении к вентилю напряжения, превышающего допустимое значение по амплитуде и

продолжительности. Электрический пробой является обратимым, т.е. после снятия напряжения вентиль восстанавливает запирающие свойства.

Тепловой пробой наступает при токе, превышающем допустимую величину или нарушении режима охлаждения и является необратимым. 21эм.08.02.2016г.Превышение критического значения скорости нарастания тока у тиристоров так же вызывает местный перегрев полупроводниковой структуры и тепловой пробой.

Потеря управляющей способности тиристоров характеризуется самопроизвольным переключением в проводящее состояние при отсутствии управляющего импульса.

Причиной этого является превышение приложенного к вентилю прямого напряжения или превышение критического значения скорости нарастания напряжения. Потеря управляющей способности может произойти и при превышении допустимой температуры структуры тиристора, которая приводит к снижению напряжения переключении. Самопроизвольное переключение тиристоров может наступить при снижении сигнала управления, наличии помех, старении прибора.

В процессе эксплуатации происходит старение вентилей, что приводитк изменению параметров, таких как напряжение переключения, критические значения скорости нарастания напряжения или тока, уменьшение напряжения и тока управления, увеличение обратного тока и тока утечки, падения напряжения. Старение обусловлено главным образом нарушением теплового режима структуры вентиля или скрытыми дефектами. В послед нем случае изменение параметров проявляется в начальный период эксплуатации полупроводникового прибора.

В процессе эксплуатации ПП возможны отказы, вызванные чисто механическими повреждениями, такими как обрыв управляющего электрода, нарушение пайки и т.д. Вследствие низких значений максимальной допустимой рабочей температуры перегрузочная способность полупроводниковых вентилей ограничена десятыми долями секунд.

Вопрос № 22. Способы и схемы групповых соединений полупроводниковых вентилей и распределение токов , напряжения и сопротивлений между ними.?

Для уменьшения вероятности электрического и теплового пробоя вППприменяют последовательное или параллельное соединение полупроводниковых вентилей (рис. 9.4)

Рис. 9.4. Способы соединений полупроводниковых вентилей: а -- последовательное соединение; б -- параллельное соединение

Последовательное соединение вентилей применяется в случае, когда в процессе эксплуатации к вентилю может быть приложено напряжение, превышающее номинальное значение. В судовой сети всплеск напряжения может, в частности, возникнуть при отключении электропотребителей.

При последовательном соединении полупроводниковых вентилей необходимо обеспечить равномерное распределение напряжения между ними.

На практике, из-за разброса вольтамперных характеристик, некоторые включенные последовательно вентили, могут перегружаться по напряжению (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Вольтамперные характеристики тиристоров, включенных последовательно



Неравномерное распределение напряжения имеет место и при коммутации вентилей.

При отпирании последнего вентиля силовой схемы к нему прикладывается полное напряжение. При запирании полное напряжение прикладывается к вентилю, первым восстановившему запирающие свойства. При этом возможно его самопроизвольное включение.

Для выравнивания напряжения в установившихся и переходных режимах применяются шунтирующие конденсаторы и RC-цепочки, которые включаются параллельно вентилю.

Параллельное соединение вентилей необходимо, если ток превышает допустимую величину.

В связи с тем, что вольтамперные характеристики

полупроводниковых вентилей имеют статический разброс, равенства полных сопротивлений ветвей практически не существует. В динамических режимах полупроводниковый вентиль, имеющий меньшее время включения, воспринимает весь ток цепи, что может привести к тепловому пробою.

При параллельном соединении вентилей необходимо обеспечить равномерное распределение тока между параллельными ветвями в статических и переходных режимах, в том числе и при возникновении аварийной ситуации.В нормальных эксплуатационных режимах допускается неравномерность распределения тока в параллельных ветвях не более 10 %.

Для равномерного распределения тока в параллельных цепях применяют следующие методы:

- подбор вентилей с близкими вольтамперными характеристиками;

- включение последовательно с каждым вентилем выравнивающих сопротивлений;

- применение индуктивных делителей тока.

На практике часто применяют групповое соединение вентилей, которое не только ограничивает величину тока и напряжения в ветвях, но и повышает надежность ПП.

В преобразователях применяется параллельно-последовательное и последовательно-параллельное соединение вентилей

с выравнивающими сопротивлениями (рис. 9.6).

Разброс электрических и тепловых параметров полупроводниковых вентилей снижает эффективность групповых соединений, увеличивая потери в ПП.

Рис. 9.6. Схемы групповых соединений полупроводниковых вентилей: а - параллельно-последовательное; б-последовательно-параллельное; в - последовательно-параллельное соединение с выравнивающими сопротивлениями



Лекция № 4

НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ И УПРАВЛЯЕМЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

1. Выпрямители. Общие сведения. Структурная схема

Выпрямители предназначаются для преобразования переменного напряжения в напряжение одной полярности (однонаправленное, выпрямленное).21эм.08.02.2016г

Электрическая энергия вырабатывается и распределяется, как правило, на переменном токе, но значительная ее доля потребляется при использовании постоянного тока (электролиз, электропривод и т.д.), получаемые с помощью выпрямителей. Кроме того, выпрямители применяются как промежуточные звенья в преобразователях переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (например, в блоках питания компьютеров).

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают однофазные и многофазные выпрямители, причем из последних наиболее широко используются трехфазные.

Выпрямители на диодах называют неуправляемыми, а содержащие управляемые силовые приборы - управляемыми.

Рис. 1Структурная схема выпрямительного устройства

Выпрямительное устройство (Рис.1) состоит из основных узлов: трансформатора, схемы выпрямления и сглаживающего фильтра, а также стабилизатора напряжения.

Трансформатор в схеме выпрямления предназначен для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя. Кроме этого трансформатор устраняет непосредственную электрическую связь цепи выпрямленного тока с питающей сетью, что необходимо, в случае если один полюс нагрузки заземлен или соединен с корпусом устройства.

Комплект вентилей осуществляет процесс выпрямления. Он может состоять из одного или нескольких вентилей, соединенных по определенной схеме.

Сглаживающий фильтр предназначен для ослабления пульсаций, то есть для уменьшения переменных составляющих, содержащихся в спектре выпрямленного напряжения.Сглаживающий фильтр наиболее часто состоит из индуктивных и емкостных элементов, соединяемых по определенной схеме.

Помимо элементов показанных на структурной схеме, выпрямитель может содержать стабилизатор напряжения (или тока), который поддерживает напряжение (или ток) постоянным, с определенной степенью точности при измерениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки. Выпрямительное устройство может также выполнять функции регулятора напряжения и содержать устройства контроля, коммутации, защиты и др.

1. Основные схемы выпрямления переменного тока

Нарисуйте схему однополупериодного выпрямителя и объясните его работу.

Каковы недостатки однополупериодного выпрямителя?

Нарисуйте схему двух полупериодного выпрямителя и объясните его работу.

Каковы недостатки двух полупериодного выпрямителя?

Нарисуйте мостовую схему выпрямителя и объясните ее работу.

Нарисуйте схему трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой и объясните ее работу.

Нарисуйте мостовую схему трехфазного выпрямителя и объясните ее работу.

Одним из главных применений полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока. Выпрямитель служит для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямленное напряжение еще содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Для обеспечения неизменной величины выходного напряжения используется стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения удерживает выходное напряжение на постоянном уровне.

Основными параметрами, характеризующими выпрямители, являются: номинальное среднее выпрямленное напряжение U₀, номинальный средний выпрямленный ток I₀ и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения k_п.

Коэффициентом пульсаций к_пназывается отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

Основными параметрами, характеризующими диоды в выпрямителях, являются: среднее значение прямого тока, максимальное значение обратного напряжения и рассеиваемая мощность.

Трансформаторы, работающие в выпрямителях, характеризуются действующими значениями токов и напряжений первичной и вторичной обмоток и номинальной мощностью.

Наиболее распространены три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная и мостовая.

Схема однополупериодного выпрямителяизображена на рис. 12.1, гдеТ - трансформатор, VD - полупроводниковый диод, а R- нагрузка.

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки подан положительный полупериод переменного тока, на диод подается прямое напряжение, и он пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через нагрузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис. 12.2).

Обратное напряжение на диоде более чем в 3 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

Однополупериодная схема очень редко используется в современных выпрямителях, поскольку вторичная обмотка трансформатора работает только половину периода, и поэтому габаритная мощность трансформатора должна превышать мощность выпрямленного тока примерно в 3 раза. Кроме того, выпрямленное напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 12.3 изображена двухполупериодная схема, где Т -трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, VD₁и VD₂ - полупроводниковые диоды, а R- нагрузка.34эм.14.11.14г.

Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD₁и VD₂оказываются открытыми в разные половины периода переменного напряжения, и поэтому ток черезнагрузку Rпротекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой.

Каждый диод здесь работает как в однополупериодной схеме. Токи диодов складываются.

В отсутствие нагрузки напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое больше напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя.

В двухполупериодной схеме максимальное обратное напряжение, действующее на каждый диод, находящийся в закрытом состоянии, равно сумме амплитуд напряжений обеих половин вторичной обмотки:

т. е. по сравнению соднополупериодной в двухполупериодной схеме через каждый диод протекает вдвое меньший ток. Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно ниже.

Двухполупериодная схема довольно часто используется на практике. Ее недостатками являются:

1.необходимость отвода от середины вторичной обмотки трансформатора;

2.неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению.

Эти недостатки устранены в мостовой схеме.

Мостовая схема выпрямления изображена на рис. 12.5 и состоит из трансформатораТи четырех диодов: VD1- VD₄.

Диагональ АВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ СD - к нагрузке. Полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется каждую половину периода.

Таким образом, выпрямленный ток идет через нагрузку Rв течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной.32эм07.11.14г.

Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения по сравнению со схемой с отводом от середины вторичной обмотки в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Вследствие этого обратное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки:

В мостовой схеме ток через каждый диод идет только в течение одного полупериода, тогда как через вторичную обмотку трансформатора - в течение всего периода.

Частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такие же, как и в схеме с отводом от середины вторичной обмотки.

Рассмотрим теперь трехфазные схемы выпрямления. Простейшая трехфазная схема выпрямления тока с нейтральной точкойизображена на рис. 12.6, а.

Рис. 12.6

В этой схеме первичные обмотки трехфазного трансформатора соединяются звездой или треугольником, а вторичные - звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду.

В этом случае в каждый момент выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с зажимом обмотки, имеющим наибольший положительный потенциал по отношению к нейтральной точке трансформатора.

Поэтому выпрямленное напряжение будет изменяться по кривой, являющейся огибающей положительных полуволн фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора (рис. 12.6, б).

Переключение диодов происходит в моменты, соответствующие пересечению положительных полусинусоид напряжения.

В нагрузке R_нтоки, проходящие через три диода, суммируются.

Существенным недостатком этой схемы является то, что проходящие только через вторичные обмотки токи одного направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный магнитный поток.Чтобы не допустить насыщения магнитной системы за счет этого дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней и габариты трансформатора.Трехфазную схему выпрямления с нейтральной точкой применяют только в маломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямленияпеременного тока изображена на рис. 12.7. В ней сочетаются принципы мостовой схемы и схемы многофазного выпрямления.В этой схеме нулевая точка трансформатора для выпрямления не нужна и поэтому первичные и вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником.

Шесть диодов образуют две группы - нечетную VD₁, VD₃ и VD₅ и четную VD₂ , VD₄и VD₆ . У нечетной группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с положительным потенциалом, а у четной группы - аноды соединены вместе и служат точкой вывода с отрицательным потенциалом. При работе этой схемы выпрямляются обе полуволны переменных напряжений всех вторичных обмоток трансформатора, благодаря чему пульсации выпрямленного напряжения значительно уменьшаются. В схеме на рис. 12.7 в каждый момент работает тот диод нечетной группы, у которого анод в этот момент имеет наибольший положительный потенциал, а вместе с ним тот диод четной группы, у которого катод имеет наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал. Выпрямленное напряжение будет изменяться по огибающей с двойной частотой пульсаций (рис. 12.8).

В мощных выпрямителях в основном используется мостовая трехфазная схема. Она получила широкое применение в управляемых выпрямителях, в которых, регулируя моменты открывания и закрывания диодов (тиристоров), можно в широких пределах регулировать среднее значение выпрямленного тока.

2. Сглаживающие фильтры(СФ)

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно создает фон переменного тока, вызывает искажения сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Для устранения пульсаций (сглаживания) применяют сглаживающие фильтры.

Сглаживающий фильтр состоит из реактивных элементов: конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей). Сущность работы сглаживающего фильтра состоит в разделении пульсирующего тока i(t) на постоянную I₀и переменную i_nсоставляющие (рис. 12.9). Постоянная составляющая направляется в нагрузку, а нежелательная переменная замыкается через конденсатор, минуя нагрузку.



Физическая сущность работы в фильтре конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия ЭДС самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель можно рассматривать как некие резервуары энергии. Они запасают ее, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это и приводит к сглаживанию пульсаций. полупроводниковый преобразователь судовая сеть

...