Электронные преобразовательные устройства

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Утверждено Редакционно-издательским отделом университета в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

УДК 612.314 (075,8)

Б61

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент, генеральный директор ЗАО «НИПО» Б.В. Васильев; кандидат технических наук, профессор Э.С. Заневский (Пермский государственный технический университет)

Билоус, О.А.

Б61 Электронные преобразовательные устройства: учеб. пособие / О.А. Билоус, А.П. Иванов – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – с.

ISBN 978-5-398-00430-4

Рассмотрены принципы преобразования электрической энергии – выпрямления, инвертирования, преобразования частоты. Проанализированы основные схемы преобразовательных устройств. При изложении материала особое внимание уделено физической стороне принципа работы того или иного устройства, анализу основных характеристик и показателей, подходам к расчету и выбору элементов схемы.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Автоматизация технологических процессов производства», «Автоматизация управлением жизненного цикла производства», «Электроснабжение», «Автоматизированный электропривод».

УДК 612 .314 (075,8)

Оглавление

2

3

Введение

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передается посредством трехфазной линии электропередачи стандартной частоты и стандартных номиналов напряжения. Однако для большого количества потребителей требуется для питания другой вид электроэнергии: электрическая энергия постоянного тока или электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты и т.д. Примерно 50 % всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии. Таким образом, технический прогресс современного общества во многом обусловлен успехами преобразовательной техники.

4

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.1.Автоматизированный электропривод (АЭП) – понятие и классификация элементов

Всовременном производстве наибольшее количество технологических процессов осуществляется с помощью электрической энергии, преобразуемой в механическую энергию посредством электромеханических устройств – электрических машин.

Требования, предъявляемые к качеству продукции, а также к производительности механизмов, реализующих ту или иную технологию, очень высоки. Они могут быть достигнуты в системах большой точности и высокой производительности. Такой системой чаще всего является система автоматизированного электропривода.

Понятие «электропривод» тесно связано с понятием «электрическая машина», которая является основным элементом электропривода. Чем более обширные функции возлагаются на электропривод и чем более жесткие требования к нему предъявляются, тем сложнее структура его элементов.

С понятием автоматизированный электропривод удобно познакомиться, рассматривая функциональную схему, составленную из основных входящих в него элементов (рис. 1.1).

Энергия, поступающая из сети (может иметь место и обратное направление энергии), на пути к рабочему органу РО механизма претерпевает целый ряд преобразований. Так, силовой преобразователь (СП) преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, в такой вид электрической энергии, которая может потребляться электродвигателем (ЭД).

Всвою очередь, ЭД преобразует эту электрическую энергию в механическую энергию вращающегося вала. Кинематическая цепь (КЦ) преобразует механическую энергию с одними

5

параметрами (момент, частота вращения) в механическую энергию с другими параметрами.

Рис. 1.1. Функциональная схема АЭП

Силовой преобразователь расположен в начальной части цепочки преобразования энергии при её прямом направлении, и в конечной части этой цепочки – при обратном направлении. Через СП проходит весь поток энергии, и, если удаётся найти рациональный способ воздействия на СП, можно регулировать этот поток энергии и тем самым реализовывать разнообразные функции, возлагаемые на электропривод.

Устройство, воздействующее на СП, является тем элементом, через который выполняется функция управления преобразователем. Управляющее устройство (УУ) можно подразделить на систему регулирования координат и систему управления силовым преобразователем (СУ СП). Регулируемыми координатами могут быть, например, такие, как напряжение, подаваемое на электродвигатель, ток в цепи питания электродвигателя, частота вращения электрической машины, перемещение рабочего органа исполнительного механизма и др.

На систему регулирования координат могут осуществляться различные воздействия – задающее воздействие, воздействие обратных связей, корректирующие воздействия, с

6

учетом которых управляющее устройство вырабатывает результирующий сигнал, поступающий на СУ СП. Для оценки результата регулирования той или иной координаты на систему регулирования координат непрерывно поступает информация о реальном значении переменной, подлежащей регулированию в виде стандартизованных электрических сигналов, вырабатываемых датчиками различного вида. Датчики (Д) – это информационные устройства, преобразующие тот или иной вид пе-

ременной (напряжение, ток, момент двигателя, частота его вращения, перемещение рабочего органа) в стандартизованный сигнал.

В ряде случаев некоторые виды элементов могут отсутствовать (те или иные датчики, корректирующие воздействия), в других случаях схема автоматизированного электропривода может быть усложнена.

Назовем элементом АЭП устройство, входящее в состав АЭП как конструктивная единица и выполняющее определенную функцию: энергетическую, информационную или функцию управления. Таким образом, элементы АЭП подразделяются на три группы:

1.Силовые элементы,

2.Элементы управления,

3.Информационные элементы.

Элементы АЭП разнородны и многофункциональны. Главным и важнейшим элементом (силовым) АЭП является электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую, или, наоборот, механической энергии в электрическую. Этот важнейший элемент настолько многогранен, что его рассматривают с различных точек зрения в таких дисциплинах, как «Теория общей электротехники», «Электрические машины», «Электромеханические устройства», «Теория автоматического управления» и в целом ряде специальных дисциплин.

Предмет изучения дисциплины ЭПУ. Рассматриваемый курс посвящен силовому преобразователю электропривода, так

7

как он играет решающую роль при реализации важнейшей функции АЭП – регулировании потока энергии, поступающей из электрической сети к двигателю или обратно.

1.2.Общие сведения

осиловых преобразователях электропривода

Силовой преобразователь обеспечивает требуемое количество электроэнергии, подводимое к электрической машине (выраженное в значениях таких параметров, как напряжение, ток, частота переменного тока).

От точности реализации заданных параметров зависит точность технологических операций, их быстродействие и качество.

Вид требуемого преобразования энергии определяется двумя факторами:

1)параметрами электрической энергии питающей сети;

2)параметрами электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой электрической машиной.

Возможны следующие варианты преобразования электрической энергии:

1.При питающей сети переменного тока и при использовании в качестве электрической машины – машины постоянного тока – силового преобразователя (СП), он должен вы-

полнять функцию или управляемого выпрямителя или ведомого сетью инвертора.

2.При питающей сети постоянного тока и электрической машины постоянного тока, регулирование потока энергии осуществляется с помощью преобразователей постоянного тока. Чаще всего напряжение к электромашине подводится через импульсный преобразователь, который в этом случае выполняет функцию регулятора напряжения.

3.При питающей сети переменного тока и использовании электрической машины переменного тока регулировать поток энергии можно двумя способами:

8

–регулированием подводимого к электрической машине уровня переменного напряжения без изменения его частоты. Эту функцию могут выполнять регуляторы переменного на-

пряжения;

–регулированием частоты подводимого к электрической машине переменного напряжения с одновременным регулированием величины (амплитуды) этого напряжения. Эта функ-

ция может быть выполнена преобразователями частоты пе-

ременного напряжения.

9

2. СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ (СПП)

2.1. Особенности и классификация СПП

Успехи автоматизации технологических процессов зависят от многих факторов, начиная от уровня организации производства, квалификации и психологической готовности обслуживающего персонала принять эту автоматизацию и кончая качеством технических средств её реализации. Последний фактор определяется техническими возможностями и свойствами элементов, из которых реализована та или иная автоматизированная система.

Реализация всех устройств силовых преобразователей, которые рассматриваются и изучаются в данном курсе, осуществляется на базе электронных силовых полупроводниковых приборов (СПП), которые получили в настоящее время широкое распространение. Главным достоинством этих приборов являются малые тепловые потери при управлении большими потоками энергии в процессе преобразования одного вида электрической энергии в другой вид. Это ценное качество полупроводниковых приборов обусловлено очень малым их активным сопротивлением во включенном состоянии, когда через них протекают большие рабочие токи, и очень большим активным сопротивлением в выключенном состоянии, когда рабочий ток прерывается.

Другим ценным качеством СПП, снижающим их тепловые потери, является высокая скорость переключения из одного состояния в другое. Это значит, что время среднего (переходного) состояния прибора, при котором происходит его интенсивный нагрев, очень мало (единицы микросекунд).

СПП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, конструктивному исполнению, применению и т.д.

10