- •Минобрнауки россии
- •Лекция № 1 общие сведения об электрических и электронных аппаратах
- •1.1 Предмет и задачи изучения дисциплины, её значение для подготовки дипломированных специалистов
- •1.2 Понятие об электрическом и электронном аппарате
- •1.2.1 Совершенствование электрических аппаратов как насущная необходимость повышения эффективности установок по производству, распределению и потреблению электрической энергии
- •1.3.1 Назначение и область применения электрических аппаратов (эа)
- •1.3.2 Классификация электрических аппаратов
- •1.4 Расположение электрических аппаратов в установке по производству по производству, распределению и потреблению электрической энергии
- •1.5. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам
- •1.6 Особенности схем электроустановок и общие требования к их выполнению
- •Лекция № 2 свойства электрической дуги и условия её гашения
- •2.1 Свойства дугового разряда
- •2.2 Вольт-амперная характеристика дуги (вах)
- •2.3 Условия гашения дуги постоянного тока
- •2.4 Энергия, выделяемая в дуге
- •2.5. Условия гашения дуги переменного тока
- •Лекция № 3 название
- •3.1 Способы гашения электрической дуги
- •3.2 Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока
- •3.2.1 Широкие и узкие продольные щели
- •3.2.2 Дугогасительные решётки
- •3.2.3 Гашение дуги высоким давлением
- •3.2.4 Гашение дуги в масле
- •3.2.5. Гашение дуги воздушным дутьём
- •3.2.6 Гашение дуги в элегазе
- •3.2.7 Гашение дуги в вакууме
- •3.3 Применение полупроводниковых приборов для облегчения гашения дуги
- •3.3.1 Коммутация цепей переменного тока
- •3.3.2 Коммутация цепей постоянного тока
- •Лекция № 4 электрические контакты
- •4.1 Общие сведения
- •4.2 Режимы работы контактов
- •4.2.1 Включение цепи
- •4.2.2 Проведение тока во включенном состоянии
- •4.2.3 Отключение цепи
- •4.2.4 Способы уменьшения износа контактов
- •4.3 Материалы контактов
- •Конструкция твёрдометаллических контактов
- •4.5 Жидкометаллические контакты
- •4.6 Расчёт контактов аппаратов
- •Лекция № 5 электродинамические усилия в электрических аппаратах
- •5.1 Общие сведения
- •5.2 Методы расчёта электродинамических усилий (эду)
- •5.3 Усилия между параллельными проводниками
- •5.4 Усилия и моменты, действующие на взаимно перпендикулярные проводники
- •5.5 Усилия в витке, катушке и между катушками
- •Лекция № 6
- •6.1 Усилия в месте изменения сечения проводника
- •6.2 Усилия при наличии ферромагнитных частей
- •6.3 Электродинамические усилия при переменном токе
- •6.4 Электродинамическая стойкость электрических аппаратов
- •6.5 Расчёт динамической стойкости шин
- •Лекция 7 нагрев электрических аппаратов
- •7.1 Общие сведения
- •7.2 Активные потери энергии в аппаратах
- •7.3 Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности
- •7.4. Установившийся режим нагрева
- •7.5 Нагрев аппаратов в переходных режимах
- •7.6 Нагрев аппаратов при коротком замыкании
- •7.7 Допустимая температура различных частей электрических аппаратов
- •7.8 Термическая стойкость электрических аппаратов
- •Лекция № 8 электромагнитные контакторы переменного тока
- •8.1 Назначение контакторов
- •8.2 Классификация контакторов
- •8.3 Область применения контакторов
- •8.4 Узлы контактора и принцип его действия; физические явления, происходящие в электрическом аппарате
- •8.5 Параметры контакторов
- •Лекция № 9 контакторы переменного тока, их конструкция и основные параметры
- •9.1 Контактная система
- •9.2 Электромагнитные системы: физические явления, происходящие в электрических аппаратах
- •9.3 Конструкция контакторов переменного тока
- •9.4 Контакторы серии кт6600
- •9.5 Контакторы серии кт64 и кт65
- •9.6 Контакторы серии мк
- •9.7 Контакторы переменного тока на напряжение 1140 в
- •9.8 Контакторы переменного тока вакуумные
- •9.9 Выбор, применение и эксплуатация контакторов
- •Лекция № 10 электромагнитные контакторы потоянного тока
- •10.1 Режимы работы контакторов, физические явления, происходящие в электрических аппаратах
- •10.2 Контакторы постоянного тока, их конструкция и основные параметры
- •10.3 Контакторы серии кпв-600
- •10.4 Контакторы типа ктпв-600
- •10.5 Контакторы типа кмв. Контакторы серии кп81
- •10.6 Выбор электрических аппаратов
- •11.3 Конструкция и схема включения
- •11.4 Магнитные пускатели серии пмл
- •11.5 Пускатели серии пма
- •11.6 Нереверсивные пускатели
- •11.7 Схема включения нереверсивного пускателя
- •11.8 Реверсивный магнитный пускатель
- •11.9 Схема включения реверсивного пускателя
- •11.10 Выбор магнитных пускателей
- •Лекция №12 электромагнитные реле
- •12.1 Назначение и область применения реле
- •12.2 Классификация реле
- •12.3 Принцип действия и устройство электромагнитных реле, физические явления в электрических аппаратах
- •12.4 Основные характеристики и параметры реле
- •12.5 Требования, предъявляемые к реле
- •12.6 Согласование тяговых и противодействующих характеристик реле
- •12.7 Электромагнитные реле тока и напряжения для защиты энергосистем, управления и защиты электропривода
- •12.8 Выбор, применение и эксплуатация максимально-токовых реле
- •Iуст. (1,3 – 1,5)I пуск ,
- •I уст 0,75i пуск .
- •Лекция № 13 герконовые реле (гр)
- •13.1 Назначение, принцип действия и устройство геркона; физическиеявления в электрическом аппарате
- •13.2 Основные параметры герконового реле
- •13.3 Конструкции герконовых реле
- •13.4 Реле тока на герконе
- •13.5 Поляризованные гр
- •13.6 Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана
- •Лекция № 14
- •14.1 Гр с магнитной памятью
- •14.2 Конструкция гезаконов
- •14.3. Силовые герконы
- •14.4 Расчёт обмотки геркона
- •Лекция № 15 тяговые электромагниты
- •15.1 Основные понятия, физические явления в электрических аппаратах
- •15.2 Энергия магнитного поля и индуктивность системы
- •15.3 Работа, производимая якорем магнита при перемещении
- •15.4 Вычисление сил и моментов электромагнита
- •15.5 Электромагниты переменного тока
- •15.6 Короткозамкнутый виток
- •15.7 Статические тяговые характеристики электромагнитов и механические характеристики аппаратов
- •Лекция № 16 тормозные устройства
- •16.1 Динамические характеристики электромагнитов
- •16.2 Уравнение движения подвижной системы
- •16.3 Замедление и ускорение действия электромагнита
- •16.4 Тормозные устройства, физические явления в электрических аппаратах
- •16.5 Поляризованные электромагнитные системы
- •Лекция № 17 предохранители низкого напряжения
- •17.1 Назначение, принцип действия и устройство предохранителя
- •17.2 Параметры предохранителя
- •17.3 Конструкция предохранителей
- •17.4 Предохранители с гашением дуги в закрытом объёме
- •17.5 Предохранители с мелкозернистым наполнителем (серии пн-2, прс)
- •17.6 Предохранители с жидкометаллическим контактом
- •17.7 Быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов
- •17.8 Предохранитель-выключатель
- •17.9 Выбор, применение и эксплуатация предохранителя для защиты электродвигателя и полупроводниковых устройств
- •Лекция № 18 автоматические воздушные выключатели (автоматы)
- •18.1 Назначение, классификация и область применения автоматов
- •18.2 Требования, предъявляемые к автоматам
- •18.3 Узлы автомата и принцип его действия, физические явления в электрическом аппарате
- •18.4 Основные параметры автомата
- •18.5 Универсальные и установочные автоматы
- •18.6 Быстродействующие автоматы
- •18.7 Автоматы для гашения магнитного поля мощных генераторов
- •18.8 Выбор, применение и эксплуатация автоматических воздушных выключателей
- •Лекция № 19 выключатели переменного тока высокого напряжения
- •19.1 Назначение выключателей вн
- •19.2 Основные параметры
- •19.3 Требования, предъявляемые к выключателям
- •19.4 Классификация выключателей
- •19.5 Принцип действия и устройство высоковольтных выключателей, физические явления в электрическом аппарате
- •19.6 Баковые масляные выключатели
- •19.7 Маломасляные выключатели
- •Лекция № 20
- •20.1 Приводы масляных выключателей
- •20.2 Воздушные выключатели
- •20.3 Элегазовые выключатели
- •20.4 Вакуумные выключатели
- •20.5 Электромагнитные выключатели
- •20.6 Выключатели нагрузки
- •20.7 Выбор, применение и эксплуатация выключателей вн
- •Лекция № 21 разъеденители
- •21.1 Назначение разъединителей
- •21.2 Требования, предъявляемые к разъединителям
- •21.3 Классификация разъединителей
- •21.4 Принцип действия, устройство и основные параметры разъединителей, физические явления в электрических аппаратах
- •21.5 Разъединители для внутренней установки
- •21.6 Разъединители для наружной установки
- •21.7 Блокировка разъединителей и выключателей
- •21.8 Выбор, применение и эксплуатация разъединителей
- •Лекция № 22 отделители и короткозамыкатели
- •22.1 Назначение и принцип действия короткозамыкателей и отделителей, физические явления в электрических аппаратах
- •22.2 Конструкция короткозамыкателей и отделителей
- •22.3 Основные параметры
- •22.4 Выбор короткозамыкателей и отделителей
- •Лекция № 23 токоограничивающие реакторы
- •23.1 Назначение, область применения и принцип работы реактора, физические явления в электрическом аппарате
- •23.2 Основные параметры реактора
- •23.3 Бетонные реакторы
- •23.4 Масляные реакторы
- •23.5 Сдвоенные реакторы
- •23.6 Выбор, применение и эксплуатация реакторов
- •Лекция № 24 разрядники
- •24.1 Назначение, область применения разрядников
- •24.2 Требования, предъявляемые к разрядникам
- •24.3 Основные параметры разрядников
- •24.4 Конструкции разрядников, физические явления в электрических аппаратах
- •24.5 Трубчатые разрядники, физические явления в электрическом аппарате
- •24.6 Вентильные разрядники, физические явления в электрическом аппарате
- •24.7 Разрядники постоянного тока, физические явления в электрическом аппарате
- •24.8 Ограничители перенапряжения, физические явления в электрических аппаратах
- •24.9 Выбор разрядников
- •Лекция № 25 предохранители высокого напряжения
- •25.1 Назначение предохранителей
- •25.2 Требования, предъявляемые к предохранителям вн
- •25.3 Принцип действия, устройство и основные параметры предохранителей вн, физические явления в электрических аппаратах
- •25.4 Предохранители с мелкозернистым наполнителем серий пк и пкт
- •25.5 Предохранители серии пктн
- •25.6 Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги
- •25.7 Выбор, применение и эксплуатация предохранителей вн
- •I отк. Пред I кз. Уст лекция № 26 измерительные трансформаторы тока (тт)
- •26.1 Назначение, принцип действия, схема включения трансформатора тока
- •26.2 Основные параметры трансформаторов тока
- •26.3 Режимы работы трансформаторов тока
- •I'1апер, i2апер, I'0апер – кривые апериодической составляющей первичного, вторичного тока и апериодической составляющей намагничивающего тока
- •26.4 Конструкция и принцип действия трансформаторов тока, физические явления в электрическом аппарате
- •26.5 Выбор трансформаторов тока
- •Лекция №27 измерительные трансформаторы напряжения (тн)
- •27.1 Назначение и основные параметры тн
- •27.2 Принцип действия тн, физические явления в электрическом аппарате
- •27.3 Схема включения однофазного тн
- •27.4 Конструкция тн
- •27.5 Выбор трансформаторов тн
- •Лекция № 28 бесконтактные коммутирующие и регулирующие устройства переменного тока (бкрпу)
- •28.1 Современные подходы при создании коммутационных аппаратов низкого напряжения и перспективы их совершенствования
- •28.2 Пускатели тиристорные серии пт
- •28.3 Тиристорные станции управления типа блэ
- •28.4 Тиристорные станции управления серии пту
- •28.5 Тиристорный регулятор мощности
- •Лекция № 29 бесконтактные выключатели и устройства коммутации и защиты
- •29.1 Принципы создания бесконтактных выключателей
- •29.2 Транзисторные устройства коммутации и защиты сетей постоянного тока
- •29.3 Выключатели тиристорные
- •Лекция № 30 микропроцессоры и электронные управляющие машины
- •30.1 Общие сведения
- •30.2 Функциональная схема эвм
- •30.3. Электронные и микропроцессорные аппараты, их классификация и физические явления в них
- •30.4Функциональная схема управления электродвигателем постоянного тока с помощью микропроцессора
- •Лекция № 31 полупроводниковые и гибридные электрические аппараты
- •31.1 Общие сведения
- •31.2 Реле тока с выдержкой времени, зависящей от тока
- •31.3 Реле защиты от замыкания на землю
- •31.4 Реле защиты асинхронных двигателей (рзд)
- •31.5 Трёхфазные реле напряжения
- •31.6 Полупроводниковые реле времени
- •31.7 Цифровые реле времени
- •31.8 Применение оптоэлектронных приборов в электрических аппаратах
- •Лекция № 32 силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
- •32.1 Однофазные управляемые выпрямители
- •31.2 Коммутация тока и внешние характеристики однофазных управляемых выпрямителей
- •31.3 Трёхфазные управляемые выпрямители
- •31.4 Энергетические характеристики управляемых выпрямителей
- •31.5 Ведомые сетью инверторы
- •31.6. Высшие гармонические первичного тока управляемых выпрямителей и ведомых сетью инверторов
- •31.7 Непосредственные преобразователи частоты
- •Лекция № 33 преобразователи постоянного напряжения
- •33.1. Одноплечевой шип с симметричным законом управления
- •33.2 Мостовой широтно-импульсный преобразователь
- •33.3 Энергетические характеристики широтно-импульсных преобразователей
- •33.4 Импульсные источники питания постоянного тока
- •33.5 Энергетические характеристики импульсных источников питания
- •Лекция № 34 автономные инверторы
- •34.1 Однофазные автономные инверторы
- •34.2 Трёхфазные автономные инверторы
- •34.3. Гармонический состав выходного напряжения трёхфазного инвертора
- •34.4 Трёхфазные тиристорные автономные инверторы
- •34.5 Многоуровневые инверторы
- •34.6 Выпрямительный режим работы автономных инверторов
- •34.7 Основные характеристики инверторов
- •Библиографический список
- •1 Основная литература
- •2 Дополнительная литература
- •3 Периодические издания
Лекция № 32 силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети
План:
Однофазные управляемые выпрямители.
Коммутация тока и внешние характеристики однофазных управляемых выпрямителей.
Трёхфазные управляемые выпрямители.
Энергетические характеристики управляемых выпрямителей.
Ведомые сетью инверторы.
Высшие гармонические первичного тока управляемых выпрямителей и ведомых сетью инверторов.
Непосредственные преобразователи частоты.
32.1 Однофазные управляемые выпрямители
Общие указания. К силовым полупроводниковым преобразователям с коммутацией от сети относятся выпрямители, управляемые выпрямители, ведомые сетью инверторы и непосредственные преобразователи частоты.
Выпрямители и управляемые выпрямители средней и большой мощности находят применение для питания постоянным током различных промышленных объектов и установок. Их используют для питания сети постоянного тока городского и железнодорожного транспорта, в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных тиристорных преобразователях, предназначенных для работы в системах управления двигателями постоянного тока.
Выпрямители и управляемые выпрямители, рассматриваемые в этой и последующих главах, строятся с использованием диодов и тиристоров. Выпрямительные установки средней и большой мощности выполняются преимущественно по многофазным схемам. Применение многофазных схем снижает загрузку полупроводниковых приборов по току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания. Вместе с тем существуют потребители постоянного тока, которые в силу тех или иных условий получают энергию от однофазных выпрямителей. Такие выпрямители применяют в электрифицированном транспорте. Их используют также в некоторых видах сварочных устройств, электровибраторов и т. д.
В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входит встречная э.д.с. (двигатели постоянного тока, электролитические ванны) и активное сопротивление. Встречная э.д.с. и активное сопротивление обычно сочетаются с последовательным соединением индуктивности, либо присущей самой нагрузке, либо дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.
Если учитывать достаточно большую величину индуктивности в цепи нагрузки (что часто имеет место на практике), то независимо от того, содержит ли потребитель встречную э.д.с. и индуктивность или его сопротивление имеет активно-индуктивный характер, режим работы выпрямителя остаётся одним и тем же. Это позволяет учитывать более простые параметры и в цепи нагрузки.
Однофазные управляемые выпрямители. В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения на нагрузке . Это обуславливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на нагрузке с целью обеспечения требуемого режима её работы (например, при управлении скоростью двигателей постоянного тока).
Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой схемы укажем лишь её особенности. При наличии значительной индуктивности нагрузки на выходе управляемого выпрямителя, как правило, включается обратный диод (рис. 160 а).
В дальнейшем рассматриваются управляемые выпрямители, работающие на нагрузку со значительной индуктивностью, при которой можно считать ток нагрузки идеально сглаженным.
Рис. 159. Однофазный управляемый выпрямитель (начало)
Временные диаграммы напряжений и токов, приведенные на рис. 159б – з, поясняют режим работы схемы.
На интервале 0 - тиристоры Т1 и Т2 закрыты, напряжение на выходе выпрямителя = 0 (рис. 160 в).
В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале - формируется напряжение (рис. 160 в), представляющее собой участок кривой напряжения ( - коэффициент трансформации трансформатора). Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток (рис. 160 д). при переходе напряжения питания через нуль () ток тиристора Т1 становится равным нулю и тиристор закрывается, а ток нагрузки поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности, протекает через обратный диод. Вследствие этого ток нагрузки, после перехода вторичного напряжения через нуль, переводится в цепь диода . Из-за шунтирования диодом выходной цепи выпрямителя в кривой выходного напряжения создаются нулевые паузы.
Очередной отпирающий импульс подаётся на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интервале проводимости тиристора Т2 напряжения двух вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие чего, с момента отпирания тиристора Т2, на тиристоре Т1 действует обратное напряжение (рис. 160 з). Максимальное обратное напряжение на тиристоре равно , где - действующее значение вторичного напряжения трансформатора. В последующем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным.
Потребляемый из сети ток является переменным с практически прямоугольной формой и амплитудой равной , где - ток нагрузки. Первая гармоника потребляемого тока (1) отстаёт от напряжения сети по фазе (рис. 160 б). Это приводит к потреблению выпрямителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических характеристиках.
Рис. 160. Однофазный управляемый выпрямитель (продолжение).
Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня входного напряжения управления . Функциональная схема такого управления приведена на рис. 161 а.
Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью устройства синхронизации (УС), подаётся на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь импульсов ФИ, затем на распределитель импульсов (РИ), на оконечные усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подаётся на управляющий электрод. Обычно между распределителем импульсов
и оконечными усилителями используются схемы гальванической развязки, что на рис. 161 а условно показано ломаной линией.
Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла (рис. 160).
При = 0 кривая выходного напряжения соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и среднее напряжение на нагрузке максимально. При угле управления = , = 0. Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 осуществляет регулирование напряжения в пределах от максимального значения, равного до нуля. Зависимость среднего напряжения от угла называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для среднего значения напряжения на нагрузке. Это выражение на интервале - соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 160 в), т. е.
(1)
Рис. 161. Функциональная схема вертикального управления управляемого выпрямителя
Результат расчёта даёт
= , (2)
где - среднее значение напряжения на нагрузке при = 0.
На рис. 162 показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя, построенная по выражению (2).
Рис. 162. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя
Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 163 а.
Режим работы и регулировочные характеристики мостового управляемого выпрямителя такие же, что и однофазного выпрямителя с нулевой точкой. Отличие проявляется в форме кривой обратного напряжения на тиристорах, которая в мостовой схеме определяется напряжением , а в схеме с нулевым выводом – напряжением 2. По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение , вдвое меньшее, чем в схеме с нулевой точкой. Формы кривых напряжений и токов в схеме однофазного мостового выпрямителя представлены на рис. 163 б – з. при = 0 все полученные соотношения действительны для неуправляемого выпрямителя.
Рис. 163. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель