1.1.Понятие и классификация элементов аэп.
Элемент АЭП - это устройство, входящее в состав АЭП, как конструктивная единица, или объединенная конструктивно с другими элементами, выполняющая определенную энергетическую функцию или функцию управления.
Элементы АЭП подразделяются на:
Силовые элементы
Элементы управления
Информационные элементы
В перечне элементов АЭП кроме элемента “электрическая машина” можно выделить такой функционально важный элемент, как силовой преобразователь электропривода. Рассматриваемый курс посвящен именно ему, так как он играет решающую роль при реализации важнейшей функции АЭП - регулировании потока энергии, поступающей из электрической сети к двигателю, или обратно. Реализация именно этой функции позволяет решить с помощью электропривода многие сложные технологические проблемы.
1.2.Общие сведения о силовых преобразователях электропривода.
Силовой преобразователь является элементом, обеспечивающим требуемые параметры и количество электроэнергии, подводимой к электрической машине (напряжение, ток, частота переменного тока). От точности реализации заданных параметров зависит точность технологических операций, их быстродействие и качество.
Характер требуемого преобразования энергии определяется двумя факторами:
параметрами электрической энергии питающей сети;
параметрами электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой электрической машиной.
При питающей сети переменного тока (f=const, u=const) и при использовании в качестве электрической машины - машины постоянного тока силовой преобразователь (СП) должен выполнять функцию управляемого выпрямителя или ведомого сетью инвертора. Именно такой вид преобразователей будет нами рассматриваться и изучаться в начале нашего курса.
При питающей сети постоянного тока и электрической машины постоянного тока, напряжение к ней может подводиться через импульсный преобразователь, который, в этом случае, выполняет функцию регулятора напряжения. В связи с этим, нами будут изучаться импульсные преобразователи постоянного тока.
При питающей сети переменного тока и использовании электрической машины переменного тока регулировать поток энергии можно двумя способами:
Регулированием подводимого к электрической машине уровня переменного напряжения без изменения его частоты. Эту функцию могут выполнять регуляторы переменного напряжения;
Регулированием частоты, подводимого к электрической машине переменного напряжения с одновременным регулированием величины (амплитуды) этого напряжения. Эта функция может быть выполнена преобразователями частоты переменного напряжения.
2.0.Некоторые сведения о свойствах и характеристиках силовых полупроводниковых приборов.
Реализация всех устройств силовых преобразователей, которые рассматриваются и изучаются в данном курсе, осуществляется на базе силовых полупроводниковых приборов, которые получили в настоящее время широкое распространение. Такими приборами являются: силовые неуправляемые вентили, тиристоры и силовые транзисторы. Каждый из названных приборов имеет свои достоинства и недостатки и свою область применения. Но наиболее широкое применение получили силовые полупроводниковые управляемые вентили - тиристоры. Но рассмотрение свойств и характеристик полупроводниковых приборов начнем с силовых неуправляемых вентилей.
Неуправляемый полупроводниковый вентиль представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, величина которого зависит от величины и знака (полярности) приложенного к прибору напряжения. При одной полярности (прямой), когда к аноду подключен положительный полюс источника питания (+), а к катоду отрицательный, вентиль имеет малое сопротивление.
При противоположной полярности питающего напряжения сопротивление вентиля большое. Такая полярность напряжения называется обратной.
Вольт - амперная характеристика вентиля имеет прямую ветвь, расположенную в 1- ом квадранте координат “U - I” и обратную - в 3- ем квадранте. Масштабы при графическом изображении вольт - амперной характеристики принимают различные. Прямое напряжение (+U) измеряется единицами, или, даже, долями вольт, обратное напряжение (-U) - сотнями, или тысячами вольт. С другой стороны, прямые токи (+iв) могут составлять сотни ампер, обратные (-iв) - десятки миллиампер. На прямой ветви вольт - амперной характеристики можно выделить два участка: участок большого сопротивления (А) и участок малого сопротивления (Б). Участок Б близок к прямолинейному, поэтому часто пользуются приемом “спрямления” вольт - амперной характеристики вентиля, представляя его схему замещения при рассмотрении прямой ветви характеристики в виде последовательно включенных идеального вентиля, источника порогового напряжения (U0) и линейного сопротивления (Rд).
Рис 2 Рис 3
Обратная ветвь вольт - амперной характеристики может быть разбита на три участка: В - участок высокой проводимости (малого сопротивления)
Г - участок низкой проводимости
Д - участок высокой проводимости вследствие электрического пробоя.
Рис 4 Рис 5
Величины сопротивлений на прямой ветви вольт - амперной характеристики нельзя сопоставлять с величинами сопротивлений на обратной ветви.
Тиристор, как и диод, может пропускать большой ток только в одном (проводящем) направлении. Однако, он отличается от неуправляемого вентиля тем, что перевод его в открытое состояние может осуществляться только при выполнении двух условий:
Полярность приложенного к тиристору напряжения - прямая;
По цепи “управляющий электрод (УЭ) - катод” протекает управляющий ток iу (обычно в виде импульса) от отдельного источника управляющего напряжения. Перевод тиристора в закрытое состояние по цепи управления невозможен.
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо снизить анодный ток до величины, меньшей некоторого минимального значения, называемого током удержания. Чаще всего это делается снижением iа до нуля при изменении полярности напряжения Uпит.
Рис 6
На рисунке изображена “в - а” характеристика тиристора. Обратная ветвь “в - а” характеристики ничем не отличается от обратной ветви “в - а” характеристики неуправляемого вентиля.
Рассмотрим прямую ветвь при различных значениях iу:
iу=0. При этом изменение прямого напряжения в пределах от 0 до U0 н.в. приведет к протеканию по анодной цепи небольшого тока утечки, соизмеримого по величине с iобр. При дальнейшем увеличении +Uв.пр. до величины напряжения включения (U0 н.в.) ток утечки резко возрастает и в точке “В” становится равным току удержания. Тиристор переходит в открытое состояние. При этом величина его анодного тока (iв) определяется параметрами внешней цепи. Поэтому необходимо всегда ограничивать прямой ток до допустимого значения с помощью zнагр.
iу10. Подача небольшого тока управления приводит к уменьшению Uн.в.
При некотором значении iу=iу3, который называется током спрямления, “в - а” характеристика тиристора оказывается подобной “в - а” характеристике неуправляемого вентиля: тиристор переходит в открытое состояние при малых значениях Uв.пр. На практике перевод тиристора в открытое состояние производят подачей кратковременных импульсов iу, величина которых по уровню превышает iу спрямления. Необходимо отметить, что тиристор может самопроизвольно, без подачи управляющего импульса, перейти в открытое состояние, если:
Uв.пр.>Uо.н.в.
Велик уровень помех в цепи управляющего электрода.
При разработке преобразователей предусматривается защита от указанных явлений.
Рассмотрение и изучение различных видов силовых преобразователей начинаем с наиболее простого вида.