Преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Содержание.

Введение________________________________________________03

Преобразователи частоты__________________________________04

Преобразователь частоты снепосредственной связью__________05

Расчет параметров элементов и их выбор ____________________06

Выбор силового трансформатора____________________________07

Схема замещения одной фазы силового

 трансформатора и ее параметры____________________________08

Выбор тиристоров_________________________________________09

Расчет потерь мощности в управляемых вентилях______________10

Определение предельного тока через полупроводниковую

 структуру прибора для установившихся режимов работы________11

Допустимая мощность потерь в вентиле_______________________12

Определение углов коммутации вентилей_____________________13

Уточнение коэффициента трансформации с учетом

 падения напряжения на элементах силовой схемы_____________14

Приведение сетевого напряжения к вентильной

 стороне трансформатора___________________________________15

 Защита тиристоров от перенапряжений_______________________16

Определение индуктивности уравнительного реактора__________17

Определение ударного тока при внешнем коротком замыкании___18

Выбор средств автоматической защиты от аварийных токов______19

Основные требования к схемам управления

 тиристорными преобразователями__________________________20

Список литературы________________________________________21

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).

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.

 С использованием таблицы 1 определяем величины токов и напряжений, которые будут действовать на управляемые вентили в данной схеме преобразователя:

среднее значение тока через вентиль

I_B= = 0, 333*I_d = 0, 333*100 = 33, 3 A;

максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю

U_{m обр.} = 2, 3U_d = 2, 3*100 = 230 B;

величина действующего значения тока тиристора 

I_B = 0, 55*I_d = 0, 55*100 = 55A;

Максимальная величина тока вентиля I_mB = 0.5I_d = 50 A.

Выбираем по справочной литературе тиристор типа ТО142–80, который имеет следующие предельно допустимые параметры:

повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Uзсп=600 – 1200 В;

повторяющееся импульсное обратное напряжение  

U_{m обр.}=600 – 1200 В;

максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии при f=50 Гц, b=180^o, Tk=70^oC

 I_п.к.=80 А;

максимальное действующее значение тока

 I_Bмакс = 125 A;

обратный ток и ток утечки при повторяющемся напряжении и температуре структуры 125 ˚ С 

I _обр. <  50 мА;

критическая скорость нарастания прямого тока

(di/dt)_кр. = 100 А/мкс;

критическая скорость нарастания прямого напряжения

(dU/dt)_кр = 100 В/мкс.

ударный ток при длительности 10 мс и температуре структуры 100 ˚ С

I_уд. = 1350 А.

динамическое сопротивление

r_дин. = 3, 7*10 ^{– 3} Ом.

отпирающий импульсный ток управления при Uзс=12 В

< 150 мА.

тепловое сопротивление переход – корпус < 0, 24 ^оС/Вт.

температура перехода: Тп= -40^оС – +100^оС.

    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 220^оС 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.

Аппроксимируем ВАХ данного тиристора линейной функцией, используя справочные данные.

 , где

Δ U₀ = 1, 1 B – прямое падение напряжения при токе I_п.к.;

Тогда аппроксимирующее выражение примет вид:

Δ U = 1, 1 + 3, 7*10 ^{– 3} · i B

 

 

Проектирование СИФУ.

Для корректной работы преобразователя необходимо, чтобы каждый тиристор открывался в определенный момент времени. Для подачи управляющего сигнала в нужный момент времени служит система импульсно-фазового управления (СИФУ). Углы управления a и b задаются уровнем управляющего сигнала, который может изменятся до U_max=10 В.

Принцип работы СИФУ представлен на рисунке.

Рис.8.

Здесь 1 канал СИФУ служит для тиристоров выпрямительной и инверторной групп фазы А.

В качестве сравнивающих элементов возьмем компаратор К554СА3 со следующими параметрами: U_п=5…15 В, U_{вх.диф.max}=13 В, I_вх=0, 1 мкА, К_u=150000, U_см.max=3 мВ, t_зад=300 нс.

Генератор пилообразного линейно нарастающего напряжения строится на базе сдвоенного операционного усилителя КР574УД2А.

Для синхронизации СИФУ с сетью используется следующий усилитель:

Рис.9

Зададим ток через делитель 10 мА. Суммарное сопротивление делителя R1+R2=226*1, 1/0, 01=24860 Ом.

Зададим напряжкние на выходе делителя 10 В. Тогда

R2=10/0, 01=1 кОм,

R1=24860-1000=23860 Ом.

Угол сдвига фаз, вносимый конденсатором примем равным 1^о. Найдем емкость конденсатора:

tgj=Ic1/Ic2=R2*wC1

C1= tgj/wR2=tg1/1000*314=56 пФ.

 

Повторный расчет.

Расчитаем мощность, выделяемую на одном вентиле:

DP_В1=DU*I_В=+ r_дин.*I²_В=1, 1*33, 3+3, 7*10^-3*55²=47, 823 Вт.

Тогда потери мощности на вентилях всех групп равны

Δ Р_В = 2m*Δ P_B1 = 2*3*47, 823 =286, 935 Вт.

Расчитаем мощность потерь в реакторе:

DP_Р=Id²_max*R_Р+I_УРmax*R_Р=

Мощность потерь в трансформаторе:

DP_ТР=Р_ХХ+(S_ТР/S_ГАБ)²*Р_КЗ=140+(14600/4866)²*550=5090 Вт.

Расчет КПД трансформатора:

h=Pd/(Pd+Δ Р_В+DP_Р+DP_ТР)=10000/(10000+287+ +5090)=  

Температура перехода тиристора.

Rth=R_П-К+R_К-О+R_О-С=0, 24+0, 2+3, 0= 0, 74, где

Rth – общее тепловое сопротивление,

R_П-К – тепловое сопротивление перход-корпус,

R_К-О – тепловое сопротивление корпус-охладитель,

R_О-С – тепловое сопротивление охладитель-окр. среда.

Tп=tокр+DP_В1+ Rth=40+47, 823+0, 74=88, 564 ^оС,

что ниже t_max=100 ^oC.

 

 

Анализ НПЧ.

Для анализа схемы воспользуемся пакетом программ PSPICE. Схема принцииальная здесь выглядит следующим образом:

Рис.10.

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 a и b.

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.

Содержание.

Введение________________________________________________03

Преобразователи частоты__________________________________04

Преобразователь частоты снепосредственной связью__________05

Расчет параметров элементов и их выбор ____________________06

Выбор силового трансформатора____________________________07

Схема замещения одной фазы силового

 трансформатора и ее параметры____________________________08

Выбор тиристоров_________________________________________09

Расчет потерь мощности в управляемых вентилях______________10

Определение предельного тока через полупроводниковую

 структуру прибора для установившихся режимов работы________11

Допустимая мощность потерь в вентиле_______________________12

Определение углов коммутации вентилей_____________________13

Уточнение коэффициента трансформации с учетом

 падения напряжения на элементах силовой схемы_____________14

Приведение сетевого напряжения к вентильной

 стороне трансформатора___________________________________15

 Защита тиристоров от перенапряжений_______________________16

Определение индуктивности уравнительного реактора__________17

Определение ударного тока при внешнем коротком замыкании___18

Выбор средств автоматической защиты от аварийных токов______19

Основные требования к схемам управления

 тиристорными преобразователями__________________________20

Список литературы________________________________________21

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 2p/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 u_f и u_u 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 схематрехфазно-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:

m1 – число фаз первичной сети.

a - угол регулирования выпрямителя.

Частота выходного напряжения ниже, чем частота питающей сети f1 и при отсутствии паузы между полупериодами будет:

n=0, 1, 2, 3…

Частота f2 регулируется дискретно. Для плавного регулирования частоты преобразователя необходимо вводить паузу t_п. включением и выключением I и II групп тиристоров. Длительность паузы должна быть не меньше времени запирающих свойств вентилей (t_п t_о). 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*p[p(2n+m1)+j_п*m1

j_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 a 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.

 

 

1234Следующая ⇒

Поделиться: