Общие сведения об элементах силовых схем ПСП.

Основные виды ПСП.

Электроэнергия используется потребителями 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 (например, импульсной и др.). Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой потребителей.

В тоже время источники электроэнергии обеспечивают потребителей стандартной электроэнергией в виде трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и рядов стандартных напряжений от 0, 4 кВ до 220 кВ.

Следовательно, для удовлетворения нужд производства в электроэнергии различных видов и параметров необходимы различные преобразовательные устройства.

Традиционным для электротехники является преобразование электроэнергии посредством электромашинных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей, инерционность и др.

В настоящее время такие системы почти полностью вытеснены полупроводниковыми статическими преобразователями (ПСП), имеющими существенные преимущества:

· отсутствие вращающихся частей;

· отсутствие скользящих контактов;

· приемлемые массогабаритные показатели и др.

ПСП классифицируются по ряду признаков. По связи с сетью ПСП делятся на преобразователи ведомые сетью, в которых процессы происходят синхронно с частотой сети и автономные, которые либо не связаны с сетью, либо не зависят от частоты сети.

По назначению ПСП делятся:

а) на выпрямители, которые преобразуют переменный ток в постоянный ток;

б) на инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный ток;

в) на преобразователи частоты, которые преобразуют переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты;

г) на преобразователи переменного напряжения, изменяющие величину переменного напряжения. При этом частота и число фаз остаются неизменными;

д) на преобразователи числа фаз, изменяющие число фаз при неизменной частоте;

е) на компенсаторы и активные фильтры, которые повышают качество напряжения в сети;

ж) на преобразователи постоянного напряжения, изменяющие величину постоянного напряжения;

з) на генераторы импульсов, формирующие импульсы произвольной формы и частоты.

Основные параметры тиристоров.

I_ТА_V_т – максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток), определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе с частотой 50 Гц, угле проводимости 180°, допустимой температуре кристалла или корпуса и заданных условиях охлаждения. Т.е., он определяется точно так же, как и у диода. Предельный ток современных тиристоров достигает 10 кА.

U_RRM и U_DRM – повторяющееся импульсное напряжение в обратном и прямом направлении – максимальное напряжение, которое каждый период может прикладываться к тиристору.

U_RRM = (0, 7...0, 8) U_BR ; U_DRM = ( 0, 7 …0, 8) U_BO (1.2)

где U_BR – напряжение лавинного пробоя; U_BO – напряжение переключения тиристора. В современных тиристорах повторяющееся импульсное напряжение достигает 10 кВ. Как и у диодов, оно определяет класс тиристора;

U_TM – импульсное напряжение в открытом состоянии при протекании предельного тока, предельные значения составляют (1…3) В;

Однооперационный тиристорпереходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении иналичии управляющего импульса на электроде управления. Выключить однооперационный тиристор по цепи управления невозможно. Для его выключения необходимо поменять полярность анодного напряжения.

Двухоперационные тиристорыимеют такую же вольт-амперную характеристику, как и однооперационные тиристоры, но их можно (запереть) закрыть по цепи управления.

1.4. Транзистор

Также в качестве полностью управляемых вентилей в ПСП используются транзисторы.

Транзистор - это электропреобразовательный прибор, содержащий два и более p-n-переходов, имеющий три и более вывода и предназначенный для усиления мощности. В силовой электронике транзисторы практически всегда применяются только в ключевом режиме, то есть могут быть либо полностью открыты, либо полностью закрыты. Транзисторы обычно не допускают приложения к ним обратного напряжения и, поэтому, шунтируются встречно включенными диодами. Такое сочетание транзистора и диода будем называть транзисторным ключом.

Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные (управляемые током), полевые (управляемые электрическим полем) и IGBT-транзисторы. Аббревиатура IGBT – в переводе значит биполярный транзистор с изолированным затвором).

Полевые транзисторы делятся по принципу действия на транзисторы с затвором в виде p-n-перехода и на транзисторы с изолированным затвором. Последние по их структуре называют также МОП-транзисторами (металл - окисел - полупроводник) или МДП-транзисторами (металл -диэлектрик - полупроводник).

IGBT-транзисторы в настоящее время получили наибольшее распространение в устройствах силовой электроники при мощностях от сотен Вт до тысячи кВт.

Сравнивая предельные мощностные характеристики различных типов силовых вентилей, необходимо отметить явные преимущества силовых диодов и однооперационных тиристоров.

Вопросы к экзамену:

1. Классификация и назначение основных видов полупроводниковых статических преобразователей?

2. Основные параметры силовых диодов используемых в силовой части ПСП в качестве вентилей?

3. Основные параметры тиристоров используемых в силовой части ПСП в качестве вентилей?

4. Основные виды транзисторов используемых в силовой части ПСП в качестве вентилей?

ЛЕКЦИЯ 2. Общие сведения о полупроводниковых выпрямителях

План лекции:

1. Обобщённая структурная схема полупроводникового выпрямителя.

2. Классификация полупроводниковых выпрямителей.

3. Основные параметры, показателии характеристики полупроводниковых выпрямителей.

Энергетические показатели.

1. Коэффициент полезного действия

, (2.4)

где - активная мощность, выделяющаяся в нагрузке; - потери в силовом трансформаторе складывающиеся из потерь в стали магнитопровода и потери в обмотках; - потери в вентилях выпрямителя; - дополнительные потери во вспомогательных устройствах.

Коэффициент полезного действия может быть рассчитан по формуле

, (2.5)

где - коэффициент полезного действия трансформатора (0, 98 – 0, 99); - коэффициент полезного действия вентильной группы; - падение напряжения на проводящем вентиле.

2. Коэффициент мощности, показывающий степень потребления выпрямителем производительной активной мощности из сети

, (2.6)

где - активная мощность потребляемая выпрямителем из сети; - полная мощность потребляемая выпрямителем из сети.

3. Коэффициент использования мощности вторичной обмотки питающего трансформатора:

(2.7)

где - число фаз вторичной обмотки трансформатора;

- действующие значения тока и напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Г-образный L-C-фильтр

С помощью емкостных и индуктивных фильтров недостижим высокий коэффициент сглаживания. Для повышения коэффициента сглаживания, уменьшения вредного влияния преобразователя на питающую сеть и улучшения переходного процесса включения применяют Г-образные фильтры.

Схема выпрямителя с многозвенным Г-образным L-C-фильтром приведена на рис. 6. 3.

Рис.6.3. Схема выпрямителя с многозвенным Г-образным L-C-фильтром

На рис. 6.4. приведены результаты моделирования работы однополупериодного выпрямителя с различными сглаживающими фильтрами. Как видно из рисунка наименьшая глубина пульсаций получена при использовании в выпрямителе Г-образного L-C-фильтра.

Рис.6.4. Результаты моделирования работы однополупериодного выпрямителя с различными сглаживающими фильтрами

Вопросы к экзамену:

18. Принцип работы емкостного сглаживающего фильтра?

19. Принцип работы индуктивного фильтра сглаживающего?

20. Г-образный L-C-фильтр?

Инверторы ведомые сетью.

Инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. процесс обратный выпрямлению. Ведомые сетью (зависимые) инверторы осуществляют такое преобразование с передачей энергии в сеть переменного тока.

Условия передачи потока электроэнергиив инверторном режиме: в источнике направление ЭДС и тока совпадают, а в приемнике они направлены в противоположные стороны.

Инверторы выполняют по тем же схемам, что и управляемые выпрямители. Рассмотрим принцип инвертирования на примере инвертора с нулевым выводом (рис.8.1, а) при следующих допущениях:

· индуктивность цепи выпрямленного тока L = ∞, в этом случае форма тока абсолютно сглажена;

· ЭДС электрической машины (ЭМ) превышает ЭДС вторичных обмоток трансформатора (Е_эм > е₂₁(е₂₂).

Временной интервал 1-2:

Тиристор V1 открыт при отрицательной полярности напряжения обмотки 21 так как к катоду приложено отрицательное напряжение от генератора и при Е_ЭМ > и₂₁ потенциал анода больше потенциала катода. Тиристор V2 закрыт.

При открытом тиристоре V1 и закрытом V2 ток ЭМ i_d протекает по пути (+ ЭМ) – (L) – (обмотка 21) – (V1) –- (- ЭМ). При этомток через обмотку 21 и ЭДС обмотки имеют встречное направление – обмотка 21 приемник электроэнергии.

Ток ЭМ и ЭДС направлены одинаково – электрическая машина источник электроэнергии (генератор).

Рис.8.1. Инвертирование тока в инверторе с нулевым выводом

Временной интервал 2-3-4:

В точке 2 подается отпирающий импульс с углом управления α =π -β , на тиристор V2 потенциал анода которого больше потенциала катода. Тиристор V2 открывается. При этом к тиристору V1 прикладывается обратное напряжение со всей вторичной обмотки (плюс на катод, минус на анод), что приводит к запиранию тиристора V1.

Тиристор V2 остается открытым и при отрицательной полярности напряжения обмотки 22 так как к катоду приложено отрицательное напряжение от ЭМ и при Е_ЭМ > и₂₂ потенциал анода больше потенциала катода.

При открытом тиристоре V2 и закрытом V1 ток ЭМ i_d протекает по пути (+ ЭМ) – (L) – (обмотка 22) – (V2) –- (- ЭМ). При этомток через обмотку 22 и ЭДС обмотки имеют встречное направление – обмотка 22 приемник электроэнергии.

Тиристор V2 отпирается при угле управления π – β. За временный интервал 2-3 тиристор V1 должны успеть восстановить свои запирающие свойства. В противном случае позже точки 3 на аноде тиристора V1 появится положительный потенциал и его закрыть будет уже невозможно. Это, в свою очередь, создаст короткозамкнутую цепь с последовательно включенными вторичными обмотками трансформатора и источником постоянного тока (ЭМ). Указанное явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Угол β называется углом опережения инвертора.

Далее процессы повторяются.

Запирание проводившего тиристора, при отпирании очередного тиристора осуществляется под действием обратного напряжения, создаваемого напряжением сети со стороны вторичных обмоток трансформатора. Этим, в основном, и обусловлено название «ведомый сетью» (или зависимый) инвертор.

Напряжение и ток первичной обмотки трансформатора приведены на рис.8.1, в. На временных интервалах 1-2, 3-4, 5-6 и т.д. они находятся в противофазе, следовательно, на этих интервалах сеть переменного тока является приемником электроэнергии.

На временных интервалах 2-3, 4-5 и т. д. оба источника ЭДС работают как генераторы, электрическая энергия которых преобразуется в энергию магнитного поля индуктивности L.

Автономные инверторы.

Автономный инвертор – устройство, преобразующее постоянное напряжение (ток) в переменное напряжение (ток) с неизменной или регулируемой частотой и работающее на автономную (не связанную с сетью) нагрузку.

По характеру электромагнитных процессов, протекающих в схемах автономных инверторов, все схемы подразделяют следующим образом: автономные инверторы напряжения (АИН); автономные инверторы тока (АИТ); автономные резонансные инверторы (АРИ).

При реализации схем АИ важным (основополагающим) фактором является организация связи между источником питания и нагрузкой с помощью электронных ключей. Такая связь должна обеспечить двухполярную импульсную форму тока или напряжения на выходе инвертора. На рис. 8.2 представлена упрощенная схема, объясняющая принцип получения знакопеременного напряжения на нагрузке инвертора.

Из рис. 8.2видно, что при периодическом замыкании и размыкании попарно ключей К1, К3 и К2, К4 к нагрузке Rн прикладывается напряжение источника питания (постоянное напряжение ±Ed), но с разной полярностью.

Рис.8.2. Принцип получения знакопеременного напряжения на нагрузке инвертора

В АИН источник питания работает в режиме источника напряжения, обладающего малым внутренним сопротивлением. Для этого параллельно источнику питания включается конденсатор большой емкости, который практически исключает пульсации напряжения при коммутации тиристоров (рис. 8.3, а). При этом напряжение, формируемое на нагрузке имеет прямоугольную форму, а форма кривой тока близка к синусоидальной и зависит от параметров нагрузки (рис. 8.3, б).

Рис. 8.3. Упрощенные схемы и временные диаграммы автономных инверторов

АИТ работают в режиме источника тока, что достигается включением в электрическую цепь дросселя с большой индуктивностью (рис. 8.3, в). При этом ток, формируемый в нагрузке имеет прямоугольную форму, а напряжение близко к синусоидальному и зависит от параметров нагрузки (рис. 8.3, г).

В АИР нагрузка, имеющая, как правило, значительную индуктивность, образует с реактивными элементами инвертора колебательный контур, в котором наблюдается резонанс напряжений (рис. 8.3, д). Они имеют близкие к синусоидальной форме кривые напряжения и тока в нагрузке (рис. 8.3, е), то есть резонансные инверторы могут работать в режимах источника напряжения или источника тока.

Основные виды ПСП.

· отсутствие вращающихся частей;

· отсутствие скользящих контактов;

· приемлемые массогабаритные показатели и др.

По назначению ПСП делятся:

а) на выпрямители, которые преобразуют переменный ток в постоянный ток;

б) на инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный ток;

д) на преобразователи числа фаз, изменяющие число фаз при неизменной частоте;

е) на компенсаторы и активные фильтры, которые повышают качество напряжения в сети;

ж) на преобразователи постоянного напряжения, изменяющие величину постоянного напряжения;

з) на генераторы импульсов, формирующие импульсы произвольной формы и частоты.

Общие сведения об элементах силовых схем ПСП.

Все устройства преобразовательной техники состоят из силовой части и системы управления. Элементами силовой части являются: вентили; трансформаторы; реакторы; конденсатор; резисторы.

Принцип работы любого преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. Они обеспечивают преобразование электрической энергии и управление ее параметрами. Трансформаторы применяют для изменения переменного напряжения, изменения числа фаз и потенциального разделения частей схемы. Реакторы и конденсаторы обеспечивают накопление и отдачу энергии, выступают в качестве фильтров, замедляют скорость нарастания тока или напряжения. В резисторах рассеивается избыточная энергия в тех случаях, когда ее нельзя использовать. Элементы защиты вентильных преобразователей применяют для ограничения аварийных токов и перенапряжений.

Система управления может быть аналоговой, цифровой или комбинированной.

В силовой части ПСП в качестве вентилей используются диоды, тиристоры, транзисторы с предельным средним или действующим током не менее 10А, которые способны рассеивать мощность 10 Вт и более.

1.3. Силовой диод

Силовой диод - это двухэлектродный, неуправляемый полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий два вывода, содержащий один p-n-переход и обладающий односторонней проводимостью тока. Его основное назначение выпрямление переменного тока. Поэтому их называют выпрямительными диодами.

Основные параметры силовых диодов это численные значения величин, определяющих характерные точки ВАХ (рис.1.1) и допустимые режимы.

Рис.1.1. Вольтамперные характеристики силового диода:

идеальная (а), реальная (б), идеализированная (в)

1) повторяющееся импульсное обратное напряжение U_RRM – максимальное обратное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду которое примерно составляет 0, 7 напряжения пробоя U_BR. В современных диодах оно достигает 10 кВ. U_RRM в сотнях вольт определяет класс выпрямительного диода. Например, если U_RRM = 5000 В, то диод 50 класса;

2) максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток) I_FAVm, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе частотой 50 Гц, угле проводимости 180º и заданной температуре кристалла или корпуса. Предельный ток I_FAVm определяет тип вентиля, в современных выпрямительных диодах он достигает 8 кА;

3) максимальный обратный ток I_R ( доли мкА – десятки мА );

4) импульсное прямое напряжение U_FM – максимальное значение прямого напряжения, обусловленное максимально допустимым средним прямым током I_FAVm Оно составляет 1...3 В;

5) пороговое напряжение U₀ (0, 5 … 1, 5 В ) и дифференциальное сопротивление r_д.

1.4. Тиристор

В преобразователях, предназначенных не только для выпрямления, но и для регулирования выпрямленного напряжения и инвертирования, используют полупроводниковые управляемые вентили — тиристоры.

Тиристор – это полупроводниковый прибор, содержащий четыре слоя с разным типом проводимости, способный под действием управляющего сигнала переходить из закрытого в открытое состояние.

Вольтамперная характеристикасилового однооперационного тиристора и его основные параметры приведены на рис.2.1.

Рис.2.1. Вольтамперная характеристика силового однооперационного тиристора и его основные параметры

При отсутствии тока управления (I_у = 0) тиристор закрыт для напряжения любой полярности, если его величина не превосходит напряжение переключения U_B₀. Обычно величина U_B₀ соответствует классу прибора по напряжению. В этом состоянии через тиристор протекают только прямой и обратный токи утечки.

При подаче на управляющий электрод тиристора тока управления достаточной величины прямая ветвь ВАХ тиристора спрямляется и приобретает диодный вид. Ток управления в этом случае называется током управления спрямления.

Выключается однооперационный тиристор только по цепи силовых электродов, когда его прямой ток станет меньше тока удержания (I_уд). При работе в цепи переменного тока тиристор выключается при переходе его тока через нулевое значение. В этом случае коммутация тиристора называется естественной. В других случаях, когда тиристор необходимо выключить в произвольный момент времени, коммутация тиристора называется искусственной.

12 3 4 Следующая ⇒