Силовая преобразовательная техника

Наиболее распространенными сглаживающими фильтрами в выпрямителях электронных приборов являются П-образныеLС-фильтры (рис. 12.12, а). В них постоянная составляющая выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие емкости С₁ и С₂ , в нагрузку не проходят.

При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный фильтр (рис. 12.12, б), а при малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис. 12.12, в), что и делается в переносных радиоприемниках и магнитолах. Во многих случаях дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но зато значительно удешевляет фильтр (рис. 12.12, г, д). В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр делают многозвенным, состоящим из нескольких П-образных или Г-образных LС или RС фильтров (рис. 12.12, е).

3. Стабилизаторы напряжения

Выходное напряжение выпрямителя может изменяться по двум причинам. Во-первых, может изменяться входное напряжение выпрямителя, что приводит к увеличению или уменьшению выходного напряжения. Во-вторых, может изменяться сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого тока.

Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи. Следовательно, выпрямитель должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Для того чтобы этого добиться, после сглаживающего фильтра ставят стабилизатор напряжения.

Существует два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные.Их названия определяются методом их соединения с нагрузкой. Параллельный стабилизатор подключается к нагрузке параллельно. Последовательный стабилизатор подсоединяется к нагрузке последовательно.Последовательные стабилизаторы более популярны, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность.Последовательный стабилизатор также работает в качестве управляющего устройства, защищая источник питания от короткого замыкания в нагрузке.

Рис. 12.13

На рис. 12.13 показана простая регулирующая цепь на основе стабилитрона. Это параллельный стабилизатор. Стабилитрон соединен последовательно с резистором. Входное постоянное напряжение прикладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Резистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на стабилитроне равно напряжению стабилизации стабилитрона. Падение напряжения на резисторе равно разности между входным напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.

Цепь, изображенная на рис. 12.13, обеспечивает постоянное выходное напряжение при изменениях входного напряжения. Любое изменение напряжения проявляется в виде изменения падения напряжения на резисторе. Сумма падений напряжения должна равняться входному напряжению. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и последовательно включенного резистора.

Ток через нагрузку определяется сопротивлением нагрузки и выходным напряжением. Через последовательно включенный резистор течет сумма тока нагрузки и тока стабилитрона. Этот резистор должен быть тщательно подобран таким образом, чтобы ток через стабилитрон удерживал его в области стабилизации.

Когда ток через нагрузку увеличивается, ток через стабилитрон уменьшается и сумма этих токов поддерживает напряжение постоянным. Это позволяет цепи поддерживать постоянное выходное напряжение при изменениях выходного тока так же, как и при изменениях входного напряжения.



Лекция № 5

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНВЕРТОРЫ АВТОНОМНЫЕ И ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ ИХ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ И СХЕМЫ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1. Тиристорные(автономные) инверторы. Назначение, применение

Тиристорные(автономные) инверторы - это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты.

Применение:

1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).

2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ)..

3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.

4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.

5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.

ВИДЫ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Автономные инверторы - это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток.

Коммутация тока в них осуществляется независимо от процессов во внешних электрических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя.

На его выходе можно получать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регулировать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями трехфазного тока.

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автономные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими особенностями процессов переключений тока.

Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из которых являются:

1.уменьшение прямого тока в одном тиристоре до нуля, 2.задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления его запирающей способности,

3.нарастание прямого тока во втором тиристоре.

Эти события могут совершаться совместно или последовательно.

Средства для осуществления надежной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных проблем в автономных инверторах.

Принципиально эти средства можно разделить на два класса.

К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые транзисторы и запираемые тиристоры).

Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (однооперационные тиристоры), дополненные специальными узлами принудительной коммутации, например, в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомогательных тиристоров.

2. Инверторы тока и напряжения

В зависимости от специфики электромагнитных процессов различают инверторы тока и инверторы напряжения (рис. 1а, б).

Рисунок 1: а)инвертор тока б)инвертор напряжения

В инверторах тока силовая цепь схемы подключается к источнику постоянного напряжения через дроссельL с большим индуктивным сопротивлением (источник тока должен иметь большое сопротивление).

В инверторах напряжения параллельно источнику питания включается конденсатор большой ёмкости, чем исключается влияние на работу устройства R_внутр источника (получаем источник напряжения с переменным током).

Таким образом, коммутация тиристоров в инверторах тока проводится при постоянном токе, а инверторах напряжения - при постоянном напряжении.

При работе инвертора схема управления поочерёдно включает пару тиристоров VS1, VS4 или VS2, VS3, благодаря чему на нагрузке появляется переменное напряжение - с помощью ключевой схемы нагрузка подключается таким образом, чтобы в ней протекал ток разных направлений.

Если нагрузка инвертора напряжения имеет индуктивный или активно-индуктивный характер, то параллельно тиристорам включают обратные диоды. Этим обеспечивается передача накопленной в индуктивности энергии назад в источник питания.

Основной проблемой при проектировании инверторов является обеспечение надёжного выключения тиристоров, которые находятся в открытом состоянии, перед выключением тиристоров, которые не проводили ток. Это реализуется с помощью схем принудительной коммутации, которые обеспечивают запирание тиристоров в цепях постоянного тока.В цепях постоянного тока включение тиристора осуществляется путём включения параллельно тиристору предварительно заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна относительно тиристора (принудительная коммутация).

3. Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора. Принцип работы схемы

В цепях постоянного тока выключение тиристора обеспечивается путём включения параллельно тиристору ранее заряженного конденсатора с напряжением, полярность которого обратна по отношению к тиристору (принудительная коммутация). Рис. 2.

Рис. 2 Мостовая схема параллельного тиристорного инвертора

По способу включения конденсатораСс нагрузкой тиристорные инверторы делят на: параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

Принцип действия мостового инвертора (рис. 2):

Тиристоры открываются попарно (VS1 и VS3, VS2 и VS4) на время равное Т / 2 под воздействием положительных импульсов тока, которые подаются от схемы управления в управляющие электроды тиристоров. Выходной ток инвертора распределяется между нагрузкой и конденсатором, заряжая конденсатор полярностью, указанной на рисунке 2 без скобок. При t = T/2 схема управления посылает импульсы и включает тиристоры VS2 и VS4. Конденсатор оказывается закороченным. Ток заряда конденсатора, протекая навстречу анодному току тиристоров VS1 и VS3, уменьшает его до 0 практически мгновенно из-за малости сопротивления в контуре разряда конденсатора через тиристоры.

После падения анодного тока тиристоров VS1 и VS3 до 0 к ним прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе. VS1 и VS3 запираются. Конденсатор перезаряжается через VS2 и VS4, приобретая противоположную. Полярность, необходимую для осуществления коммутации на следующем полупериоде, когда включаются VS1 и VS3. Перезаряд конденсатора должен быть медленным.

ИНВЕРТОРЫ, ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ

Как уже отмечалось, инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Если при этом приемная часть такого преобразователя (нагрузка) не имеет других источников питания, то инвертор называется автономным. Если же инвертор преобразует энергию постоянного тока и отдает ее в сеть, где есть другие источники, то он называется инвертором, ведомым сетью (ИВС), или просто ведомым.

ИВС выполняют практически по таким же схемам, что и управляемые выпрямители. На рис. 1, а показана простейшая схема однофазногодвухполупериодного ИВС. В качестве источника энергии используется обычная машина постоянного тока (МПТ), которая может работать в режиме как двигателя, так и генератора.

Рис. 1. Однофазный ведомый инвертор (а) и диаграммы его работы (б-д)

Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор, параметры которого (количество обмоток и число витков) определяют значение и число фаз получаемого переменного напряжения.

Для получения такого напряжения необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.

Чтобы изменить направление потока энергии, следует изменить знакмощности, развиваемой выпрямителем.

Так как направление токаизменить нельзя вследствие односторонней проводимости тиристоров, то изменить знак P_dможно только изменением знака, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления

При выпрямлении источником энергии является сеть, поэтому прикривая тока, потребляемого от сети, совпадает по фазе с напряжением питания(рис. 1,б). Если, то форма токаблизкак прямоугольной, тиристор VD1 работает в первом полупериоде, VD2 - во втором и машина работает в двигательном режиме (рис. 1, в, полярность на клеммах указана на рис. 1, а).

При работе схемы в качестве инвертора источником питания служит машина постоянного тока, причем полярность на ее клеммах - обратная (на рис. 1, а в скобках).

Изменение полярности источника постоянного тока одно из обязательных условий перехода схемы в режим инвертирования. При этом фазовый сдвиг междусоставит(рис. 1,г), а тиристоры будутработать в обратной последовательности: в первом полупериоде - VD2, во втором - VD1 (рис. 1, д).

Таким образом, тиристоры находятся в открытом состоянии при отрицательной полярности напряжений вторичных обмоток трансформатора, при этом осуществляются поочередное подключение обмоток трансформатора через дроссель к источнику постоянного тока и передача энергии в сеть.

Ранее проводивший тиристор запирается под действием обратного напряжения сети со стороны вторичных обмоток, отсюда и название инвертора - ведомый.

К ранее проводившему тиристору при отпирании очередногоприкладывается обратное напряжение, равное сумме напряжений двух вторичных обмоток только в том случае, если очередной тиристор отпирается в момент, когда на подключенной к нему обмотке имеет место напряжение положительной полярности. Т. е. реальное значение угла а должно быть меньше пна некоторый угол , иначе говоря, или

, или(рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма работы тиристора в ИВС

Если же очередной тиристор будет отпираться при, то условиезапирания ранее проводившего тиристора не будет выполнено, он останется открытым, будет создана цепь короткого замыкания источника постоянного тока через вторичные обмотки трансформатора и ИВС выйдет из строя. Такое явление называется опрокидыванием инвертора.

Таким образом, второе условие перехода схемы в режим инвертирования - протекание тока через тиристоры при отрицательном напряжении на обмотках.

Трехфазные инверторы применяются значительно чаще чем однофазные. Схема трехфазного ИВС подобна данной схеме, только вместо нагрузки последовательно с дросселем включается источник постоянного тока, а выходной частью схемы служит первичная обмотка трансформатора, включенная на ведомую сеть.Характеристики и параметры трехфазного ИВС аналогичны однофазному..34эм.03.12.14г.



Лекция № 6

СИЛОВЫЕ СХЕМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ПП)

В основе всех силовых ПП лежат трехфазные мостовые или, реже, лучевые (нулевые) вентильные группы (рис. 9.7).

Силовая схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя и трехфазного ведомого сетью инвертора состоят из одной мостовой вентильной группы. При этом силовые схемы выпрямителя и инвертора не отличаются между собой (рис. 9.7, б),

Рис. 9.7. Вентильные группы: а - лучевые; б - мостовые

Преобразователь частоты со звеном постоянноготока состоит из двух мостовых вентильных групп, включенных последовательно, одна из которых работает в режиме выпрямителя, а другая - инвертора.

В качестве выпрямителя применяют неуправляемый или управляемый выпрямитель, в качестве инвертора - автономный или ведомый инвертор.

Силовая схема двухзвенного преобразователя частоты на базе ведомого инвертора представлена на рис. 9.8.



Рис. 9.8, ППЧ со звеном постоянного тока на базе ВИ; 1 - управляемый выпрямитель; 2 - ведомый инвертор; 3 -дроссель

Данный преобразователь является обратимым, т.е. может проводить электроэнергию в обоих направлениях.

Двухзвенные преобразователи на базе Автономного Инвертора сложнее и дороже, однако могут работать на сеть с любой нагрузкой и не требуют источника ЭДС в питающей сети.

Принципиальная схема силовой части двухзвенного ПП на базе АИ представлена на рис. 9.9.

Рис. 9.9. ППЧ со звеном постоянного тока на базе АИ: 1 - неуправляемый выпрямитель;2 -автономный инвертор напряжения

Силовая схема автономного инвертора состоит из трех вентильных мостов.

Два диодных моста работают в режиме неуправляемых выпрямителей, а мост на транзисторах - в режиме автономного инвертора.

Второй неуправляемый мостовой выпрямитель на диодах, включенный встречно параллельно инвертору, необходим для исключения электрического пробоятранзисторов при их коммутации.

Конденсатор в звене постоянного тока является для преобразователя источником напряжения.

Непосредственные полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ) могут проводить электрическую энергию в обоих направлениях, т.е. являются обратимыми.

КПД у данных преобразователей несколько выше, чем у двухзвенных.

Недостатком является ограничение величины выходной частоты, как правило, на уровне 30 - 40 %от входной.

Кроме того, общее количество вентилей у данных преобразователей выше, что повышает их стоимость, усложняет систему управления, повышает массу и габариты.

По схеме соединения силовой цепи непосредственные ППЧ могут выполняться с нулевыми (лучевыми) или мостовыми вентильными группами.

Принципиальная схема преобразователя с лучевыми вентильными группами приведена на рис. 9.10.

Рис. 9.10. Непосредственный ППЧ с нулевыми вентильными группами

Силовая схема непосредственного ППЧ с нулевыми вентильными группами содержит 18 тиристоров, объединенных в шесть вентильных групп, включенных попарно встречно-параллельно.

Достоинства непосредственных ППЧ, выполненных по схеме с нулевыми вентильными группами, заключаются в:

-относительно малом числе тиристоров,

-простоте силовой схемы и системы управления,

-возможности включения нагрузки в трехфазную группу без применения многообмоточного трансформатора.

На рис. 9.11 представлена силовая схема непосредственного ППЧ, выполненного на базе шести мостовых вентильных групп.

Рис. 9.11. Непосредственный ППЧ с мостовыми вентильными группами

К достоинствам непосредственных ППЧ, выполненных с использованием трехфазных мостовых вентильных групп, следует отнести то, что амплитуда пульсаций в кривой выходного напряжения, по сравнению с трехфазной нулевой схемой, уменьшается примерно в два раза при одновременном увеличении вдвое частоты пульсаций.

Это существенно повышает качество выходного напряжения, позволяя на выходе преобразователя получить более высокое значение частоты.

Однако, из-за образования короткозамкнутых контуров, в преобразователе данного типа недопустима гальваническая связь между цепями нагрузки отдельных фаз. Поэтому в схемах непосредственных ППЧ с мостовыми вентильными группамидля исключения контуров короткого замыкания, возникающих при коммутации вентилей, необходимо обеспечивать потенциальное разделение фаз за счет применения силовых трансформаторов на входе или выходе преобразователей.31эм.01.12.14г.32.эм.05.12.14г.



Лекция № 7

УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ(АД) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТИРИСТОРНЫХПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ(ТПЧ)

В электроприводе ТПЧ в основном служат для регулирования частоты тока, поступающего на статор АД.

Изменяющийся по частоте ток приводит к изменению угловой скорости поля статора,в результате пропорционально изменяется угловая скорость ротора. Плавное изменение частоты тока статора и широкий диапазон ее изменения позволяют плавно изменять угловую скорость АД в широких пределах.

1. Управление пуском и торможением АД с использованием ТПЧ

Применение ТПЧ улучшает также другие качественные показатели регулируемого ЭП: прежде всего это относится к пусковым и тормозным режимам АД.

Следует отметить, что пуск АД проводят при уменьшенной частоте и по мере его ускорения частоту тока, подаваемого на статор, увеличивают.

Увеличенный пусковой момент способствует большему ускорению ротора АД и уменьшает время пуска, что очень важно для ЭП работающих в повторно-кратковременном режиме. В последующем для увеличения угловой скорости ротора АД до номинальной частоту тока статора постепенно увеличивают. Если в процессе ускорения вращения ротора частоту увеличивать медленно, то при работе на каждой частотной характеристике АД достигает угловой скорости на ее рабочей части и переход на большую скорость не сопровождается большими бросками тока. Такой частотный пуск называется «мягким». При «мягком» пуске АД потери энергии и потребляемая энергия сравнительно невелики, но увеличивается время пускового процесса. Если же скорость изменения частоты тока статора большая, то ротор АД не успевают достичь скорости, соответствующей критическому скольжению и переход с одной частотной характеристики на другую происходит в области их неустойчивых частей. Такой режим частотного пуска, характерный большими значениями тока и потерь, называют «жестким».

Очевидно, в ТПЧ наиболее рационально устанавливать такую скорость изменения частоты тока, при которой переход с одной частотной механической характеристики на другую будет происходить при максимальных моментах. Указанное условие будет выполняться, когда темп или ускорение частоты тока в статоре будет одинаковым с ускорением ротора.

На судах ТПЧ применяют в основном в реверсивных ЭП для которых характерны режимы торможения противовключением и рекуперативный.

Применение ТПЧ позволяет предварительно понизить частоту тока, подаваемого на статор АД, при этом пропорционально уменьшитсяиндуктивноесопротивлениеротора, соsф увеличится и это приведет к увеличению тормозного момента (соответственно время тормозного процесса сокращается). Одновременно при уменьшении частоты тока мгновенно снижается угловая скорость поля статора и скорость ротора оказывается выше скорости поля статора. Это способствует работе АД на небольшом отрезке времени в режиме рекуперации, что дополнительно сокращает время реверса.

Режим рекуперации может быть не только при реверсе, но и при регулировании угловой скорости в сторону уменьшения, когда приходится снижать частоту тока статора. В подобных случаях, так же как и в предыдущем, переход работы АД с одной механической характеристики на другую происходит в зоне рекуперативного торможения, Переход сопровождается бросками тока, значения которых зависят от скорости изменения частоты. Аналогично, как и при пуске, переходный режим может быть «мягким» и «жестким». Для уменьшения бросков тока и потерь при регулировании стремятся скорость уменьшения частоты иметь небольшую, т.е. переходный процесс выполняют по возможности «мягким». Задавая определенные законы изменения частоты с помощью системы управления ТПЧ, можно получить гамму механических характеристик АД, отвечающих оптимальному режиму работы АД.

2. Регулирование угловой скорости АД с помощью тиристоров

Кроме рассмотренного частотного управления АД, тиристорные схемы позволяют изменять угловую скорость АД и другими способами.Регулирование угловой скорости благодаряпереключающим способностям тиристоров в этих схемах построено на изменении рабочих параметров АД, которое достигается:

1.изменением напряжения, подаваемого на статор:

2.импульсным регулированием в цепи ротора;

3.введением добавочной ЭДС в цепь ротора.

Изменение напряжения, подаваемого на статор. При изменении напряжения тиристорным регулятором изменяется магнитный поток статора, а это приводит к изменению вращающего момента АД: тем самым нарушается условие равновесия, которым характеризуется установившееся движение. В случае уменьшения напряжения вращающий момент становится меньше момента сопротивления и ротор АД будет замедляться. Уменьшение скорости приводит к увеличению скольжения, ЭДС, тока ротора и вращающего момента, Когда при замедлении наступит равновесие моментов, то ротор АД будет вращаться с новой установившейся скоростью, которая будет меньше, чем до снижения напряжения на зажимах статора.

Применение тиристорных регуляторов напряжения позволяет осуществлять плавный пуск АД путем постепенного уменьшения угла б, а также динамическое торможение.

Устройство регуляторов напряжения значительно проще и дешевле описанных ранее схем ТПЧ. ОднакоКПД двигателей с регуляторами напряжения невысок, поэтому приходится увеличивать габаритные размеры АД во избежание превышения допустимой температуры вследствие роста тока и ухудшения вентиляции.

На судах тиристорные регуляторы напряжения используются в ЭП кранов и лебедок, где большие моменты при малых угловых скоростях требуются лишь в течение небольшой части рабочего цикла.

Импульсное регулирование в цепи ротора. Сущность импульсного регулирования состоит в том.что для изменения угловой скорости АД осуществляется периодическое кратковременное изменение его параметров, благодаря чему дозируется поток энергии, передаваемой от сети к АД и в обратном направлении.

Следует отметить, что вследствие небольшого значения мощности, необходимой для управления тиристорным ключом, данный способ позволяет получить бесступенчатое плавное изменение угловой скорости. Механические характеристики АД при данном способе регулирования можно получить более жесткими по сравнению с реостатными, так как при изменении нагрузки на валу АД имеется возможность изменять управляющий сигнал таким образом, чтобы скорость практическине менялась.

Введение добавочной ЭДС в цепь ротора. Путем подключения к цепи ротора АД независимого источника энергии переменная ЭДС этого источника подается в противофазе с ЭДС ротора.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Способ регулирования введением добавочной ЭДС связан с преобразованием энергии постоянного тока в переменный или наоборот, поэтому указанные схемы имеют пониженные значения коэффициента мощности и КПД.Такой способ регулирования наиболее целесообразен лишь при небольшом диапазоне регулирования скорости ЭП, что в условиях судна применимо для отдельных насосов,

3. Регулирование скорости в системе двойного рода тока (УВП - Д )

В таких системах исполнительный двигатель постоянного тока получает питание от судовой сети через управляемый вентильный преобразователь ВП ( рис. 9.5 ).



Рис. 9.5. Структурная схема тиристорного электропривода постоянного тока

В качестве вентилей используются управляемые полупроводниковые диоды - тиристоры.

В общем случае такой электропривод состоит из следующих основных элементов:

1. силовой трансформатор Тр;

2. вентильный преобразователь ВП;

3. сглаживающий фильтр СФ;

4. система управления СУ.

5. электродвигатель постоянного тока М;

Силовой трансформатор Тр служит для согласования номинального напряжения двигателя с выходным напряжением преобразователя.

Вентильный преобразователь выпрямляет напряжение и регулирует его в нужных пределах. Для питания цепей якоря двигателя применяют однополупериодные схемы с нулевым выводом ( рис. 9.6, а ) или двухполупериодные мостовые схемы ( рис.9.6., б ).



Рис. 9.6. Схемы включения якоря двигателей постоянного тока на вентильный преобразователь: с нулевым выводом ( а ); мостовая ( б )

В таких схемах обмотки возбуждения двигателей обычно получают питание от общей сети переменного тока через маломощные однофазные выпрямители.

Сглаживающий фильтр ( дроссель Дрна рис.9.6 ) предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. При этом улучшаются условия коммутации и уменьшается нагрев обмотки якоря двигателя.

Система управления СУ изменяет угол отпирания тиристоров б. Вследствие чего изменяется выпрямленное напряжение на якоре исполнительного двигателя, а значит, и его скорость.

31эм.12.01.15г.34эм.15.01.15.32эм.17.01.15г.

При этом, при малых скоростях якоря этот угол близок к 90є, а для разгона якоряСУ непрерывно уменьшает этот угол. При номинальном ( наибольшем ) напряжении на якоре угол б = 0є.

Механические характеристики двигателя при разных значениях угла отпирания тиристоров б приведены на рис. 9.7.

Они подобны механическим характеристикам исполнительного двигателя в системе Г - Д ( рис. 9.4 ).

Рис. 9.7. Электромеханические характеристики двигателя при разных значениях угла б

На рис. 9.7 штриховой линией показана граница между режимами непрерывного ( справа от пунктирной линии ) и прерывистого ( слева от этой линии ) токов якоря двигателя.

Электромеханические характеристики имеют такие особенности:

1. при уменьшении угла отпирания тиристоров от б = р / 2 = 90є ( характеристика 2 ) до б= 0є ( характеристика 7 ) скорость двигателя увеличивается, двигатель работает в двигательном режиме;

2. при увеличении угла б свыше 90є ( характеристика 1 ) ток якоря двигателя не изменяет направление, но двигатель реверсирует и переходит в режим тормозного спуска.при котором электромагнитный момент двигателя, направленный на подъем, ограничивает скорость спуска тяжелого груза или судового якоря с якорь-цепью.



Лекция № 8

АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ЗАЩИТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

В процессе эксплуатации полупроводниковых преобразователей возможно возникновение аварийных режимов. Аварийные режимы ПП, в зависимости от места повреждения, разделяют на внешние и внутренние.

К внутренним относятся режимы, возникающие при повреждении полупроводниковых вентилей в одном или нескольких плечах силовой схемы вследствие теплового или электрического пробоя.

Внешние аварийные режимы возникают при коротких замыканиях во входной или выходной цепи преобразователя, при перегрузке или коротком замыкании непосредственно у потребителя.

К основным видам аварийных режимов ПП относятся:

- внешние аварии, вызванные КЗ в нагрузке или в распределительной сети;

- внутренние аварии, вызванные отказами полупроводниковых вентилей;

- опрокидывание инвертора (КЗ в цепи постоянного тока через инвертор);

- появление уравнительных токов в реверсивных преобразователях или преобразователях частоты с непосредственной связью.

На рис. 9.12 представлены наиболее часто встречаемые на практике аварийные режимы мостового полупроводникового выпрямителя.



Рис. 9.12. Аварийные режимы трехфазного мостового выпрямителя: 1 - КЗ на шинах переменного тока; 2 - пробой тиристора; 3 -КЗ на шинах постоянного тока; 4 - КЗ вблизи потребителей.

Внутреннее короткое замыкание трехфазного мостового выпрямителя возникает при пробое тиристора одного плеча, причинами которого являются перегрев структуры вентиля при перегрузке по току или пробой обратным напряжением при всплесках напряжения в судовой сети.

В случае внешнего КЗ в нагрузке происходит сравнительно плавное нарастание тока короткого замыкания выпрямителя до установившегося значения.

Причиной аварийных режимов инверторов могут быть нарушения в системе управления (пропуск одного или всех сигналов управления тиристорами), кратковременное снижение напряжения сети переменного тока, увеличение тока и угла коммутации, пробой одного из тиристоров инверторного моста, сбои в системе управления и т.д.

В результате этих нарушений происходит одновременное открывание двух тиристоров в одном плече и протекание тока КЗ через инвертор. Такой аварийный режим называется опрокидывание инвертора (рис. 9.13).



Рис. 9.13. Аварийный режим опрокидывания инвертора

Опрокидывание наступает в случае, если тиристор после токопроводящего периода не запирается, а снова вступает в работу и начинает проводить электрический ток.

Ток КЗ при опрокидывании силовых инверторов можетдостигать 15 - 40-кратного значения от номинального значения, что может вызвать серьезные повреждения электрической аппаратуры.

Для ограничения скорости нарастания и величины аварийных токов после опрокидывания в цепь постоянного тока инвертора включают реактор со значительной индуктивностью.

Для автономных инверторов характерны те же аварийные режимы, что и для инверторов, ведомых сетью.

В виду чувствительности ПП к всплескам напряжения, токам перегрузки и КЗ, к системам их защиты предъявляются жесткие требования по быстродействию, что не всегда может быть обеспечено традиционной защитно-коммутационной аппаратурой.

На рис. 9.14 приведена принципиальная схема защиты трехфазного мостового полупроводникового выпрямителя с помощью быстродействующих плавких предохранителей.



Рис. 9.14. Схема защиты полупроводникового выпрямителя с помощью быстродействующих плавких предохранителей

Предохранители могут быть установлены:

- в фазных проводах переменного тока, обеспечивая отключение внешних КЗ;

- в цепях полупроводниковых вентилей для защиты от внутренних КЗ;

- в выходных цепях постоянного тока и в цепях отдельных потребителей.

В силовых полупроводниковых преобразователях, входящих в состав ВГУ и ГЭУ, запрещается использование плавких предохранителей, так как их перегорание приведет к обесточиванию или потере управляемости судна. В таких установках для защиты полупроводниковых преобразователей применяют быстродействующие автоматические выключатели или

полупроводниковые защитные устройства (тиристорныерасцепители или короткозамыкатели).

Тиристорнымрасцепителем называют защитное устройство выполненное, как правило, на основе одно- или двухоперационных тиристоров.

В нормальных режимах эксплуатации расцепитель, как и автоматическиевыключатели, проводит электрический ток.

В случае возникновения аварийных режимов по сигналу из системы управления ПП тиристорныйрасцепитель запирается, и ток начинает проходить через токоограничивающий резистор, который устанавливается параллельно расцепителю.

Короткозамыкатель, в отличие от расцепителя, в нормальных режимах эксплуатации электрический ток не проводит, а открывается только при возникновении аварийных режимов.

На рис. 9.15, а представлен короткозамыкатель, состоящий из тиристоров VD 7-9, подключаемых параллельно к основным тиристорам преобразователя VD 1-3.

Рис. 9.15. Защита полупроводникового преобразователя с помощью короткозамыкателя (а) и тиристорногорасцепителя (б)(схему см. в эл.виде)

При возникновении аварийных режимов тиристоры короткозамыкателя VD 7-9 открываются, а тиристоры преобразователя VD 1-3 запираются.

Аварийные токи начинают протекать через токоограничивающий резистор R, в результате чего достигается их снижение.

Полупроводниковый расцепитель на базе двухоперационного тиристора показан на рис. 9.15, б. (схему см. в эл. виде).

В нормальном режиме эксплуатации тиристор расцепителяVD 7 открыт и проводит электрический ток.

При возникновении КЗ и протекании аварийных токов расцепитель по сигналу из системы управления запирается, и ток протекает через токоограничивающее сопротивление R.

Способ защиты и выбор схем защитных устройств ПП зависит от вида преобразователя, его мощности, количества параллельно и последовательно включенных полупроводниковых приборов, нагрузки, частоты сети и др.34эм.21.01.15г.31эм.23.01.15г.32эм.24.01.15г.



Лекция № 9

ВЛИЯНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА СУДОВУЮ СЕТЬ

Полупроводниковые преобразователи электроэнергии искажают форму кривой напряжения, снижаякоэффициент мощности в судовой сети.

Влияние силовых ПП на качество электроэнергии в судовой сети весьма значительно, в связи с чем проблема обеспечения электромагнитной совместимости силовых преобразователей и других элементов СЭЭУ является весьма серьезной.

Под электромагнитной совместимостью понимается способность одновременного функционирования различных элементов электроэнергетической системы с сохранением заданных технических и эксплуатационных характеристик.

Искажение формы кривой напряжения в судовой сети приводитк:

1. нагреву электрических машин и трансформаторов, 2.снижению их КПД,

3.повышению вибрации и шума,

4.ускоренному старению и пробою изоляции в электрических сетях,

5.дополнительной нагрузке генераторов и т.д.

Работа ПП основана на процессе коммутации (переключениях) вентилей.

Во всех схемах преобразователей процесс коммутации вызывает провалы напряжения и потребление преобразователем несинусоидального тока.

Форма кривой напряжения и тока на входе трехфазного управляемого выпрямителя приведена на рис. 9.16.



Рис. 9.16. Мгновенные значения тока и напряжения на входе управляемого выпрямителя

Выходное напряжение автономного инвертора представляет собой последовательность прямоугольных импульсов различной полярности и длительности с одинаковой амплитудой.

Форма кривой напряжения на выходе автономного инвертора приведена на рис. 9.17.

Рис. 9.17. Мгновенное значение напряжения на выходе автономного инвертора

Из рис. 9.16 и 9.17 видно, что форма реальной кривой напряжения в судовой сети при наличии ПП существенно отличается от синусоидальной.

Любую периодическую кривую можно разложить на сумму синусоидальных гармонических составляющих. В кривой напряжения судовой сети, кроме синусоидального напряжения основной частоты (первой гармоники), присутствуют гармонические составляющие, частота которых кратна частоте сети. Отношение высшей гармоники к частоте сети называют порядком гармоники.

Так, в сети 50 Гц высшую гармонику частотой 150 Гц называют третьей гармоникой, 250 Гц - пятой и т.д.

В судовых сетях переменного тока одним из показателей качества электроэнергии является коэффициент нелинейных искажений напряжения сети, который показывает, насколько реальная форма кривой напряжения отличается от синусоидальной.

Характер вносимых ПП искажений существенно зависит от силовой схемы преобразователя, режима работы и способа управления.

Существенное влияние на форму потребляемого тока ПП оказывает индуктивность в цепи нагрузки: якорные обмотки машин постоянного тока, сглаживающие фильтры и т.д.

Искажения, вносимые ПП в сеть, могут быть также оценены мощностью искажений, которая обусловлена наличием токов высшей гармоники.

Даже в номинальных режимах эксплуатации коэффициент мощности ПП, как правило, не превышает 0,75 ... 0,9.

В судовых условиях для измерения искажений в сети используют:

1. специальные приборы (анализаторы)

2.или производится гармонический анализ кривых напряжения, полученных с помощью осциллографа.

Способы снижения искажений

Для снижения искажений, вносимых ПП, и повышения коэффициента мощности в судовых сетях применяют различные способы:

1)- использование многофазных схем преобразователей;

2)- применение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ);

3)- совершенствование систем управления ПП.

1-й способ-использование многофазных схем преобразователей

Одним из способов уменьшения высших гармоник в сети является повышение количества фаз ПП.

Для получения многофазных систем напряжения применяют трансформаторы с двумя и более вторичными обмотками, выполненными на одном или нескольких магнитопроводах.

Так, шестифазную систему напряжений можно получить с помощью двух двухобмоточных трансформаторов, при соединении обмоток по схеме Y / Y и Y / Д, или одного трёхобмоточного трансформатора, при соединении обмоток по схеме Х/Х/Д (рис. 9.18).

Рис. 9.18. Выпрямитель с последовательным соединением мостов и трехобмоточным трансформатором

2-й способ -применение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ)

Другим путем повышения качества напряжения с судовой сети является использование фильтрокомпенсирующих устройств. ФКУвыполняют роль фильтров высших гармоник и повышают коэффициент мощности судовой сети.

Наибольшее распространение среди фильтрокомпенсирующих устройства нашли пассивные индуктивно-емкостные фильтры (рис. 9.19).

Рис. 9.19. Пассивное фильтрокомпенсирующее устройство

Применение конденсаторных батарей приводит к возникновению резонанса токов высших гармоник.

Для устранения резонанса в ФКУ помимо конденсаторных батарей включают реакторы.

Для компенсации реактивной мощности в валогенераторных и гребных электрических установках находят применение синхронные компенсаторы.

3-й способ -совершенствование систем управления ПП

Решить проблему повышения качества электроэнергии можно путем внедрения новых способов управления ПП.31эм.26.01.15г.34эм.29.01.15г.32эм.31.01.15г.



Литература

Штумпф Э.П. Судовая электроника и силовая преобразовательная техника. - СПб: Судостроение, 1993. - 352 с.

Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М .: Высш. ж., 1982. - 496.

Руденко В.С, Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. шк., 1980. - 424 с.

Размещено на Allbest.ru

...