Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 800603

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.05.2022
Размер:
7.4 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

А. И. Зайцев

СИЛОВАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Воронеж 2003

УДК 621.38 (075.8)

Зайцев А. И. Силовая промышленная электроника: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2003. 238 с.

В учебном пособии рассмотрены основные вопросы дисциплины "Промышленная электроника". Учебное пособие предназначено для студентов обучающихся по специальностям: 311400 "Электрификация и автоматизация сельского хозяйства", 180100 "Электромеханика", 180400 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов", аспирантам и специалистам, занимающимся вопросами применения преобразовательной техники в промышленном и сельском хозяйстве.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле «Промэлектроника.doc».

Ил. 147. Библиогр.: 40 назв.

Научный редактор д-р техн. наук В.Л. Бурковский

Рецензенты: кафедра электротехники Воронежского государственного аграрного университета; д-р техн. наук В. Д. Волков

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©Зайцев А.И., 2003

©Оформление. Воронежский государственный технический

университет, 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная работа является учебным пособием по курсу "Промышленная электроника", который читается в вузах для студентов специальностей 311400 "Электрификация и автоматизация сельского хозяйства", 180100 "Электромеханика", 180400 "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов". Учебное пособие включает восемь глав.

Во введении приведены основные понятия и определения и обосновывается взаимосвязь изучаемого материала с будущей профессией. В первой и второй главах рассмотрены основные типовые схемы неуправляемых и управляемых преобразователей переменного тока в постоянный, проведен анализ основных режимов, энергетических показателей, рассмотрены методики определения параметров основных элементов. Третья глава посвящена рассмотрению особенностей работы выпрямительных установок в режиме инвертирования энергии в питающую сеть. В четвертой главе рассмотрены принципы построения систем управления преобразователями. Пятая глава содержит материал практического применения преобразователей для создания регулируемого электропривода постоянного тока. Шестая и седьмая главы посвящены рассмотрению работы импульсных преобразователей постоянного и переменного напряжений. В восьмой главе рассмотрены особенности режимов однофазных и трехфазных автономных инверторов.

Учебное пособие может быть полезно студентам, обучающимся по направлению 654500 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии".

ВВЕДЕНИЕ

―Промышленная электроника― относится к числу наиболее важных курсов для подготовки современных инженеров электриков, электромехаников.

Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле.

Промышленная электроника (применение электроники в промышленности, на транспорте, в электроэнергетике) и радиоэлектроника (применение электроники в радиотехнике, телевидении) являются важнейшими составными частями электроники, рассматриваемой в широком смысле.

В свою очередь, в промышленную электронику, обеспечивающую разнообразные виды техники электронными устройствами измерения, контроля, управления и защиты, а также электронными системами преобразования энергии, входят:

1. Информационная электроника, к которой относятся элек-тронные системы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами;

2. Энергетическая электроника (преобразовательная техника), связанная с преобразованием вида электрического тока для целей электропривода, электрической тяги, электротермии, электротехнологии, электроэнергетики и т. д.

Промышленная электроника постоянно развивается. Это определяется в первую очередь непрерывным совершенствованием ее элементной базы. Элементная база промышленной электроники прошла несколько этапов развития.

Начало развития этого направления было положено созданием электровакуумных и газоразрядных приборов. Низкая надежность, сложность эксплуатации, большая потребляемая мощность, громоздкость реализации явились в последующем тормозящими факторами расширения областей применения промышленной электроники, а газоразрядные приборы используются преимущественно в виде элементов индикации.

Дальнейшему развитию информационной электроники способствовало создание в 1948г. транзистора, а в энергетической электронике – разработка и последующее совершенствование силовых полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Состояние элемент-

ной базы силовой электроники ( свойства, параметры и характеристики электронных вентилей) определяют каждый этап ее развития.

Твердотельные полупроводниковые приборы, сменившие вакуумные и газонаполненные, произвели в силовой электронике настоящую революцию. Их малые масса, и габариты, удобство в эксплуатации, высокая надежность, широкий диапазон номинальных параметров по току и напряжению, простота группового соединения и другие известные преимущества обеспечили радикальное улучшение технико-экономических и эксплуатационных показателей преобразовательного оборудования.

Общая тенденция улучшения указанных показателей в условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры на дискретных компонентах ведет ее к интегральному исполнению. Начиная с 70-х годов большая часть электронной аппаратуры стала производиться на интегральных микросхемах с широким внедрением микропроцессорных систем непосредственного цифрового управления.

Развитие энергетической электроники стимулируется возрастающим требованием повышения удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе и на переменном токе нестандартной частоты, а также непрерывным совершенствованием элементной базы - увеличением единичной мощности силовых полупроводниковых приборов, улучшением их динамических показателей, появлением приборов новых типов в том числе запираемых тиристоров (GTO, IGCT) и мощных полевых транзисторов с запираемым затвором (IGBT).

Силовая промышленная электроника быстрыми темпами занимает ведущее место во всех областях хозяйственной деятельности. Все это позволяет создавать более мощные и эффективные преобразовательные установки с новыми свойствами и с улучшенными условиями электромагнитной совместимости с питающей сетью переменного тока.

1. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Струк-

турная схема системы преобразования электрической энергии показана на рис. 1.1.

U1

U2

Ud

Udф

Udнагр.

Рис. 1.1. Структура выпрямителя

Трансформатор выполняет функции согласования напряжения, если по условиям работы требуется увеличить или уменьшить напряжение на нагрузке при неизменном напряжении питающей сети.

Выпрямительное устройство преобразует переменное напряжение в постоянное. На входе этого устройства получается пульсирующее постоянное напряжение Ud, где постоянная составляющая Ud определяет среднее значение выпрямленного напряжения.

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения или тока с помощью специальных фильтров. Наличие сглаживающих фильтров оказывает существенное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Поэтому в силовой электронике применяемые элементы, из которых создается фильтр, должны иметь высокий коэффициент полезного действия. Этому условию полностью отвечают только фильтры, выполненные на базе чисто реактивных элементах (индуктивность, емкость).

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, который поддерживает постоянным по величине напряжение на нагрузке.

Включение в сеть переменного тока вентилей, способных проводить ток только в одном направлении, вносит существенные особенности в режим работы элементов преобразователя и источника питания переменного тока. Для обеспечения надежной работы всего преобразовательного комплекса необходимо определить основные режимы каждого элемента, по которым можно правильно выбрать вентиль, трансформатор, состав фильтра по условиям нормальной работы и нагреву этих элементов звена.

Наличие питающей сети переменного тока создает определенную общность электромагнитных процессов, протекающих в этих преобразо-

вателях. Принятая последовательность рассмотрения преобразователей позволяет перенести ряд положений, получаемых из анализа одного типа, на другие типы.

Все преобразователи строят с использованием диодов, транзисторов

итиристоров средней и большой мощности. Общим свойством этих приборов является то, что они могут находиться в двух резко различающихся состояниях:

1)закрытом при действии обратного напряжения; 2) открытом - при действии прямого напряжения. Приборы такого типа получили название электрических вентилей.

Кремневые диоды и тиристоры, используемые в преобразователях средней и большой мощности, имеют обратные токи минимум на 3-4 порядка меньше, чем прямые токи, протекающие через них в открытом состоянии. При этом прямые падения напряжения на вентилях обычно в 100-1000 раз меньше, чем действующие в их анодных цепях постоянного или переменного тока. Это позволяет при анализе процессов в преобразователе средней и большой мощности, как правило, пренебречь токами вентилей при их закрытом состоянии и падением напряжения на вентилях при их открытом состоянии. Поэтому при рассмотрении схем выпрямителя вентили будем считать идеальными и заменять их электрическими ключами.

При рассмотрении материала удобнее изучение схем выпрямителей

ивывод основных соотношений начать с изучения неуправляемых выпрямителей при работе на чисто активную нагрузку с последующим учетом режимов работы на активно-индуктивную, активно-емкостную, противо ЭДС, а также режимов коммутации вентилей при наличии индуктивности в анодной цепи.

Полученные соотношения для неуправляемых выпрямителей являются исходными для расчета тепловых режимов всех элементов преобразователя, энергетических и других показателей. Эти соотношения также являются исходными параметрами для управляемых выпрямителей при нулевых углах управления.

1.1. Однофазные неуправляемые выпрямители

Однофазные выпрямители на большие мощности применяются на железнодорожном транспорте, электрифицированном на переменном то-

ке. Их используют также в некоторых видах сварочных устройств, электровибраторов и т.д.

а) Однофазная однополупериодная схема выпрямления

На рис. 1.2 приведена схема и диаграмма однополупериодного выпрямителя при чисто активной нагрузке.

Рис 1.2. Схема (а) и линейные диаграммы (б) для однофазного выпрямителя

Расчет схемы следует начинать с установления связи между выпрямленным напряжением и переменным напряжением вторичной обмотки трансформатора. Среднее значение выпрямленного напряжения за период, равно постоянной составляющей этого напряжения и определяется интегрированием переменного напряжения в пределах полупериода, поскольку мгновенное значение выпрямленного напряжения за второй период равно нулю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2E2

 

 

 

 

Ud

 

2 E2 sin t d

 

t

 

0,45E2 ,

(1.1)

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E2

 

 

 

Ud

 

 

2,22Ud.

 

(1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее значение тока через вентиль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ia

 

Id

 

 

Ud

.

 

 

 

 

(1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rd

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальное значение этого тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iamax = Idmax =

 

 

2Е2

I a .

(1.4)

 

 

 

 

 

Rd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обратное напряжение, воспринимаемое вентилем, характеризуется

кривой обратного напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ub max

 

 

2E2

 

 

 

 

Ud .

 

(1.5)

По найденным значениям Ia, Iamax и Ubmax может быть на основе каталожных данных выбран требуемый вентиль.

Расчет параметров вторичной обмотки трансформатора

Действующее значение напряжения вторичной обмотки при заданном Ud определяется из формулы (1.2). Действующее значение тока этой обмотки определяется по выражению

 

 

1

 

 

1

 

e2

2

1 E2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

I2

 

i2

d t

 

 

 

 

d t

 

 

 

 

 

 

Id .

(1.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2 0

Rd

 

2 Rd 2

 

 

0

 

 

 

 

 

Заметное превышение действующего значения тока над средним является характерным для вентильных схем. Кривая первичного тока I1, построенная вместе с кривой первичного напряжения U1 на рис. 1.2 (в предположении, что коэффициент трансформации k=1), с первого взгляда мало напоминает кривую вторичного тока I2. В то время как ток I2 содержит только положительные значения, ток I1 имеет и положительные и отрицательные значения. При пренебрежении намагничивающим током, в уста-

новившемся режиме, кривая тока I1 отличается от тока I2 только своим положением по отношению оси абсцисс. Из этого следует, что кривая I1 смещена по отношению к этой оси на величину постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного тока Id.

Это значит, что нагрузочная составляющая в кривой первичного тока I1 отличается от кривой тока I2 только постоянной составляющей Id, которая при трансформации первичного тока исключается.

Величина постоянной составляющей в соответствии с формулой (1.6) определяется из равенства

Id

2

I2 .

 

 

(1.7)

Отличие первичного тока от вторичного на величину постоянной составляющей при учете коэффициента трансформации приводит к равенству

 

 

 

 

 

 

 

i

1

i

Id

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.8)

 

 

 

 

 

 

 

1

k

2

 

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ток холостого хода i0

может получаться значительным в силу нали-

чия постоянной составляющей магнитного потока.

 

 

 

 

 

 

Действующее значение первичного тока без учета тока холостого

хода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

2

 

 

1

2 i2

Id

1,21

 

 

 

I

1

 

i

 

d

t

 

 

 

 

 

 

d t

 

 

 

Id

.

(1.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

2

 

 

 

k

 

 

k

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определив токи первичной и вторичной обмоток и зная их напряжения, можно найти расчетные мощности обмоток трансформатора по условиям теплового режима.

Расчетная мощность вторичной обмотки

P2

E2 I2

 

 

 

 

 

Id Ud 3,49 Id Ud 3,49Pd .

(1.10)

 

 

2

2

 

 

 

 

 

Расчетная мощность первичной обмотки без учета повышенного значения тока холостого хода i0

P

U I

E

k I

 

 

 

1.21 Ud Id 2,69Pd

.

(1.11)

 

 

 

1

1 1

2

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При учете повышения первичного тока за счет тока намагничивания

Р1 может достигнуть значения Р1

(4 –5)Pd .