Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
В.І. Родінков
Перетворювальна техніка
Навчально-методичний посібник
м. Вінниця
2010р.
Міністерство освіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
В.І. Родінков
Перетворювальна техніка
Силові напівпровідникові прилади та їх застосування
в перетворювачах різного типу. Лабораторний практикум.
Навчально-методичний посібник
Вінниця ВНТУ 2010
УДК 621.314
Рецензенти:
В.І. Сенько, д.т.н., професор (НТУУ «КПІ»)
М.Й. Бурбело, д.т.н, професор (ВНТУ)
Затверджено Міністерством освіти і науки України
(лист № від )
В.І. Родінков
Перетворювальна техніка. Силові напівпровідникові прилади
та їх застосування. Лабораторний практикум:
Навчально-методичний посібник. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2010. – с.
ISBN
В посібнику наведено огляд існуючих силових напів-провідникових приладів, їх властивостей та областей застосування в перетворювальних пристроях різного типу. Запропоновано вісім лабораторних робіт, виконання яких забезпечує ознайомлення з найбільш поширеними типами силових перетворювачів електричної енергії. Розглянута методика розрахунку трифазних випрямлячів та згладжуючих фільтрів різного типу. Матеріал подано в обсязі, достатньому для вивчення особливостей роботи перетворювальних пристроїв різного типу та засвоєнню методики їх розрахунку. Посібник розрахований на студентів, аспірантів та викладачів електротехнічних, електроенергетичних та електро-механічних спеціальностей, а також може бути корисним спеціалістам, що працюють в галузі перетворення електричної енергії.
УДК 621.314
ISBN
© В. Родінков. 2010
Зміст
Передмова…………………………………………………………………………4
Вступ………………………………………………………………………………7
Розділ 1. Елементна база сучасних перетворювачів та перспективи її роз-
витку……………………………………………………………………………...11
1.1. Силові діоди…………………………………………………………………13
1.2. Силові тиристори……………………………………………………………18
1.3. Силові транзистори…………………………………………………...…….27
Розділ 2. Лабораторний практикум……………………………………………..37
2.1. Лабораторна робота №1.Однофазний мостовий випрямляч……………..37
2.2. Лабораторна робота № 2. Комбіновані схеми випрямлячів...……………53
2.3. Лабораторна робота №3. Трифазні випрямлячі…………..………………59
2.4. Лабораторна робота №4.Тиристорний регулятор змінного струму……..85
2.5. Лабораторна робота №5. Імпульсний перетворювач постійної напруги 93
2.6. Лабораторна робота №6. Трифазний автономний інвертор струму…....103
2.7. Лабораторна робота №7. Перетворювач частоти в системі частотно-регульованого автоматизованого електроприводу………………..………...112
2.8. Лабораторна робота№8. Згладжуючіфільтри……………...….............…130
Розділ 3. Розрахунок трифазних випрямлячів…………………………….…141
3.1 Зміст завдання……………………………………………………………...141
3.2. Пояснення до виконання завдання……………………………………….142
3.3. Рекомендайії до виконання завдання……….……………………………142
3.4. Теоретичні відомості………………………………………………………144
3.5.Трифазний однотактний випрямляч з нульовою точкою. (Схема Міткевича). Теорія роботи та методика розрахунку………………………...145
3.5.1.Вибір типу силового приладу та його охолоджувача……………….…149
3.5.2 Розрахунок трансформатора випрямляча……………………………...150
3.5.3 Режим активно-індуктивного навантаження…………………………...153
3.5.4. Розрахунок індуктивного фільтру……………………………………...155
3.5.5 Трифазний однотактний керований випрямляч…………….……….…157
3.6. Трифазний мостовий випрямляч.(Схема Ларіонова)…… ………….….161
Література……………………………………………………………………....166
Передмова
“Перетворювальна техніка” як самостійна дисципліна читається студентам четвертого курсу і відноситься до категорії спеціальних. Курс базується на таких дисциплінах як “Вища математика”, “Фізика”, “Теоретичні основи електротехніки”, “Промислова електроніка”, та “Електричні машини” і забезпечує такі дисципліни як “ Електропривод”, “Енергозбереження” та “Електротехнологічні установки”. Тобто вивчення перетворювальних пристроїв одночасно з набуттям нових корисних знань демонструє логічний взаємозв’язок між різними дисциплінами, розуміння та вміння користуватись яким і забезпечує освітній рівень майбутнього спеціаліста.
Знайомство зі схемами перетворювальних пристроїв та вивчення принципу їхньої роботи обумовлено необхідністю створити у випускника вузу, який готується як спеціаліст з електропостачання, розуміння ролі та місця цих пристроїв у вирішенні задач реалізації ефективного та економічного електроприводу, динамічної компенсації реактивної потужності, забезпечення надійного постачання електричною енергією споживачів певного типу.
Вдосконалення та впровадження засобів перетворювальної техніки в сучасні технологічні процеси є одним з найголовніших напрямків розвитку електроенергетики. Силові перетворювачі є складовою частиною сучасних передових технологій і відображають стан їхнього розвитку та рівень досягнень в силовій електронній схемотехніці. Використання пристроїв перетворювальної техніки на транспорті, в металургії, машинобудуванні, легкій промисловості, засобах зв’язку та інших галузях виробництва дозволяє вирішувати такі проблеми як енергозбереження, підвищення якості та надійності готової продукції з одночасним зменшенням її собівартості . Тобто високоефективний виробничий процес незалежно від його характеру, неможливий без широкого впровадження пристроїв перетворювальної техніки. Наприклад, експлуатація частотно-регульованого електроприводу зі статичним перетворювачем частоти дозволяє економити від сорока до п’ятидесяти відсотків споживаної електроенергії .
Таким чином, володіння знаннями засобів перетворювальної техніки є необхідною умовою підготовки майбутнього спеціаліста. Виходячи з вищенаведеного, задачі які ставляться перед курсом “Перетворювальна техніка” можна сформулювати наступним чином:
студент повинен уміти розрізняти за схемою перетворювального пристрою його функціональне призначення та властивості ;
розуміти принцип роботи перетворювача та чітко уявляти межі його використання;
уміти розраховувати режими роботи та параметри елементів перетворювальних схем ;
знати типи та основні характеристики промислових зразків перетворювачів .
Структурно посібник складається зі вступу та трьох розділів. В першому з них розглядаються силові напівпровідникові прилади, їх типи та властивості. Пояснюється принцип дії цих приладів та функціональне призначення в силових перетворювачах.
Другий розділ за своїм змістом є лабораторним практикумом в якому пропонується вісім лабораторних робіт в кожній з яких досліджується певний тип перетворювача. Кожна з робіт доповнена теоретичними положеннями які подаються в розширеному вигляді. Перелік лабораторних робіт забезпечує вивчення практично усіх типів перетворювачів,що використовуються в сучасній електроенергетиці.
В теоретичних положеннях до кожної з робіт пояснюється принцип дії та призначення досліджуваної схеми перетворювача, а також наводиться аналіз електромагнітних процесів в системі «перетворювач-навантаження». Особлива увага приділяється особливостям цих процесів у випадках роботи перетворювачів на динамічне навантаження, тобто за умови їхнього використання в системах керованого автоматизованого електроприводу. Така особливість дає змогу використовувати запропонований лабораторний практикум при вивчені курсу “Силові перетворювачі автоматизованого електроприводу”
У третьому розділі розглядається методика розрахунку трифазних випрямлячів та згладжувальних фільтрів.
Вступ
Сучасна електроніка розвивається за двома напрямками: фізична електроніка та промислова електроніка. Остання, в свою чергу, ділиться на інформаційну та енергетичну. Цей поділ умовний, оскільки обидва напрямки не можуть функціонувати незалежно один від одного .
Фізична електроніка вивчає явища, що супроводжують процес протікання струму в рідких, газоподібних та твердих середовищах і використовує ці явища для вдосконалення існуючих та розробки нових електронних приладів. Цей розділ в посібнику не розглядається. Що стосується інформаційної електроніки, то вона вивчається в курсах “Промислова електроніка ” та “Мікропроцесорна техніка”, які закладаються в основу для вивчення силової електроніки .
Перетворювальна техніка як предмет є частиною курсу “Промислова електроніка” і вивчає схеми перетворювальних пристроїв, що призначені для перетворення електричної енергії з одними параметрами в електричну енергію з іншими параметрами. Наприклад, перетворення змінного струму в однополярний пульсуючий, струму однієї частоти – в струм іншої частоти, або постійного струму в імпульсний і таке інше.
Силовими ці схеми називаються тому, що вони забезпечують перетворення електричної енергії значної потужності. Тобто мова йде про перетворення енергетичних потоків в десятки, сотні та тисячі кіловат.
Незалежно від призначення, усі силові перетворювачі за своєю структурою є складними перемикачами, основними перемикаючими елементами в яких є керовані та напівкеровані силові напівпровідникові прилади. Саме з цієї причини схеми перетворювальної техніки відносять до схем силової електроніки.
За певної схеми з’єднання перемикаючих приладів та заданого алгоритму їх перемикання, на виході перетворювача формується напруга або струм потрібної форми. Інший тип перетворювачів, шляхом зміни форми напруги чи струму первинного джерела, забезпечує їх регулювання на навантаженні.
Електромагнітні процеси, що протікають в системі «перетворювач –навантаження» є достатньо складним і їх вивчення є необхідною перед умовою для розуміння роботи та функціональних властивостей перетворювального пристрою, а також меж його використання.
Існує три головних напрямки перетворення електричної енергії:
1.Перетворення змінної напруги та струму промислової мережі в однополярний пульсуючий струм та напругу, тобто випрямлення. Цей вид перетворення складає приблизно п’яту частину від усього об’єму генерованої електричної енергії, постійно розвивається та розширює межі свого використання.
2. Перетворення змінної напруги однієї частоти в змінну напругу та струм іншої частоти. Мається на увазі перетворювач частоти. Цей вид перетворення за останні десять років отримав потужний імпульс розвитку завдяки розробці нових силових повністю керованих приладів і на даний час займає провідне місце в електроенергетиці, забезпечуючи високоефективні та енергозберігаючі автоматизовані електроприводи змінного струму.
3. Перетворення постійного струму або напруги в змінний струм або напругу, тобто інвертування. Вказаний вид є складовою частиною перетворення частоти і в залежності від первинного джерела живлення та призначення має широке використання в гарантованих джерелах живлення, живленні бортових мереж та інших типів споживачів де поряд з частотою потрібне регулювання і рівня вихідної напруги
Окрім вказаних існує ряд інших перетворювачів, що забезпечують регулювання та стабілізацію змінного струму та напруги, перетворення постійного струму та напруги в пульсуючу напругу та струм, безпосередні перетворювачі частоти, або циклоконвертори, які здатні одночасно регулювати частоту та вихідну напругу, формуючи останню з частин синусоїд промислової мережі. Усі типи перетворювачів зведено в таблицю, яка наводиться нижче.
В посібнику розглядається більшість із наведених в таблиці перетворювачів. В підручник не включено безпосередній перетворювач,в силу його застарілості та відсутності практичного використання в сучасних системах електроприводу, а також не розглядаються резонансні інвертори як пристрої спеціального призначення у вузькоспеціалізованих технологічних комплексах.
Не важко зрозуміти, що силовий перетворювач вмикається між первинним джерелом живлення, яким може бути або промислова мережа,або будь-яке інше незалежне джерело живлення і споживачем. За цієї причини перетворювачі іноді називають вторинними джерелами живлення. Звідси формуються і основні вимоги, яким повинні задовольняти ці пристрої .В першу чергу це високий к.к.д., експлуатаційна надійність та мінімальні массогабаритні показники. Іншим, не менш важливим чинником, є зменшення впливу перетворювача на промислову мережу. По мірі зростання частки перетворюваної енергії фактор впливу стає визначальним оскільки основу будь-якого перетворювача складають напівпровідникові прилади з нелінійними характеристиками. Експлуатація таких пристроїв при приєднані їх до мережі, призводить до спотворення форми напруги цієї мережі і погіршення якості електроенергії, що в свою чергу підвищує експлуатаційну вартість інших споживачів. Ця проблема для спеціалістів з енергозбереження є надзвичайно актуальною і вони повинні знати ступінь електромагнітної сумісності того чи іншого перетворювача з мережею та способи її покращення.
На початку 80-х років минулого сторіччя, завдяки інтенсивному розвитку електроніки, починається створення нового покоління силових перетворювальних пристроїв. В основу була закладена розробка та створення нових напівпровідникових приладів: тиристорів з поліпшеними керувальними властивостями, МОН-транзисторів, гібридних транзисторів та інших. Одночасно суттєво підвищилась швидкодія приладів, зросли значення їх граничних параметрів. Нового імпульсу отримав розвиток інтегральних та гібридних технологій, що дозволило використовувати в силових схемах мікропроцесорні схеми керування, захисту та контролю. Все це призвело до створення нових перетворювальних пристроїв з високими техніко-економічними показниками, темпи розвитку та динаміка вдосконалення яких залишаються надзвичайно високими і в наш час.
Розділ 1. Елементна база сучасних перетворювачів та перспективи її розвитку
В основу роботи будь-якого перетворювача, незалежно від типу та призначення, закладено цілком визначену властивість силових напівпровідникових приладів. Мається на увазі їхня здатність перемикатись під впливом того чи іншого фактору в залежності від властивостей самого приладу.
Окрім напівпровідникових приладів в перетворювачах широко використовуються конденсатори та обмоткові пристрої: котушки індуктивностей та трансформатори з особливими характеристиками, експлуатаційні вимоги до яких дещо відрізняються від вимог до типових елементів, що експлуатуються в промислових мережах.
Для потреб силової електроніки розроблені силові напівпровідникові прилади .До них слід відносити прилади з максимально допустимим середнім або діючим значенням струму вище десяти ампер та здатних пропускати імпульси струму косинусоїдної форми з амплітудою вище ста ампер. Силові напівпровідникові прилади можна класифікувати за різними ознаками: принципом дії, ступенем керованості, призначенням, застосуванням та інше.
За принципом дії силові напівпровідникові прилади розділяються на три основні типи: діоди,тиристори та транзистори. В свою чергу, основні типи напівпровідникових приладів розділяють на групи, що відрізняються конструктивним та технологічним виконанням, характером фізичних процесів, виглядом вольт-амперної характеристики та за іншими ознаками. Наприклад, серед тиристорів можна виділити повністю керовані тиристори, фототиристори, симетричні тиристори, тиристорні оптопари та інші.
Серед транзисторів – біполярні, МОН-тразистори,гібридні транзистори, статичні індукційні транзистори та інші.
Всередині кожної групи прилади можуть класифікуватись за призначенням (низьковольтні, високовольтні, частотні, імпульсні та інші)
В силовій електроніці важливо кваліфікувати прилади за ступенем керованості. Ознакою керованості в даному випадку є здатність приладу перемикатись із провідного стану в закритий та навпаки. За ступенем керованості слід розрізняти напівкеровані та повністю керовані прилади. Перші можуть тільки вмикатись внаслідок подачі на їх керуючі електроди малопотужного сигналу (імпульсу струму або напруги).Перехід в закритий стан в таких приладах здійснюється шляхом зменшення їх анодного струму до нуля. Прикладом такого приладу може слугувати звичайний тиристор (SCR).
Другій групі приладів властиво вмикатись і вимикатись при подачі на керуючі електроди відповідних малопотужних вмикаючих та вимикаючих імпульсів. Прикладом можуть слугувати транзистори та повністю керовані тиристори (GTO).
Силові прилади розділяють також всередині кожної групи за основними експлуатаційними параметрами, наприклад за напругою або струмом, а також за імпульсним значенням прямого спаду напруги, динамічними властивостями та іншими.
Характерною особливістю роботи силових напівпровідникових приладів є їх дискретність. Тобто вони можуть займати лише один стійкий стан: відкритий або закритий і тривалий час знаходитись в цьому стані. Жоден проміжний стан при роботі таких приладів неможливий. Таким чином кожен з силових напівпровідникових приладів працює в режимі електричного ключа. Якщо врахувати рівень прямих струмів та напруг закриття силових перетворювачів, то спадом напруги на відкритому ключі та зворотним струмом у його вимкненому стані можна знехтувати. Тобто напівпровідниковий прилад можна розглядати, як ідеальний ключ з характеристикою, наведеною на рис. 1.1.
Рисунок.1.1.
Вольт-амперна характеристика ідеального ключа
Характеристика реальних приладів, звісно ж, відрізняються від ідеальної, але у більшості випадків аналіз процесів в перетворювачах та розрахунок його параметрів доцільно виконувати, виходячи з ідеальної моделі напівпровідникового ключа. Такий підхід дає можливість суттєво спростити розрахунки, зберігаючи при цьому їх високу точність.