1. Место силовых преобразователей в электроприводе.
Общие сведения и схемы силовых преобразователей.
Понятие “автоматизированный электропривод” удобно рассматривать на пр-ре функциональной схемы, составленную из основных, входящих в него элементов.
Рис.1 Энергия, поступающая из сети, на пути к рабочему органу механизма претерпевает целый ряд преобразований. Так, СП (силовой преобразователь) преобразует электрическую энергию, потребляемую из сети, которая потребляться электродвигателем (М). М преобразует эту электр. энергию в мех. энергию вращающегося вала. Кинематическая цепь преобразует мех. энергию с одними параметрами (момент, частота вращения) в мех. энергию с другими параметрами.
Через СП проходит весь поток энергии, который можно регулировать, и тем самым реализовывать разнообразные функции, возлагаемые на электропривод. Управляющее устройство УУ - функция управления СП. На входе УУ находится система регулирования координат СРК для регулирования переменных величин, напр-р, напряжение, ток, частота вращения электрической машины, перемещение рабочего органа исполнительного механизма и др.
На СРК могут осуществляться различные воздействия - задающее воздействие, воздействие обратных связей, корректирующие воздействия, в => СРК вырабатывает результирующий сигнал, поступающий на УУ. Информация о реальном значении той переменной, которая подлежит регулированию должна поступать непрерывно в виде стандартизованных электрических сигналов, вырабатываемых датчиками различного вида. Датчики ( Д1, Д2 и т.д.) - это информационные устройства, преобразующие тот или иной вид переменной в стандартизованный сигнал.
Пунктирной линией очерчены элементы, совокупность которых определяет понятие автоматизированный электропривод. В ряде случаев схема может быть упрощена или усложнена.
Понятие и классификация элементов АЭП.
АЭП - это конструктивная единица, выполняющая определенную энергетич. функцию управления.
Элементы АЭП:
Силовые элементы
Элементы управления
Информационные элементы
Функционально важный элемент – СП электропривода, т.к. он играет роль при реализации функции АЭП – регул-и потока энергии, поступающей из электрической сети к двигателю, или обратно, что позволяет решить с помощью электропривода сложные технологические проблемы.
Общие сведения о силовых преобразователях электропривода.
СП - элемент, обеспечивающий требуемые параметры и количество электроэнергии, подводимой к электрической машине. От точности реализации заданных параметров зависит точность технологических операций, их быстродействие и качество. Характер преобразования энергии определяется:
параметрами электрической энергии питающей сети;
параметрами электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой электрической машиной.
При питающей сети переменного тока и машины постоянного тока СП должен выполнять функцию управляемого выпрямителя или ведомого сетью инвертора.
При питающей сети постоянного тока и машины постоянного тока, напряжение к ней может подводиться через импульсный преобразователь, который выполняет функцию регулятора напряжения.
При питающей сети переменного тока и 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.
Общая характеристика схем управляемых выпрямителей.
В электроприводе постоянного тока находят применение преобразователи со следующими принципиальными электрическими схемами:
Однофазная однополупериодная схема
Самая простая схема и требует для реализации минимальное количество вентилей. Она обладает большим числом недостатков и используется редко.
Недостатки:
В схеме имеют место повышенные пульсации напряжения и тока нагрузки.
Схема загружает только одну из фаз трехфазной питающей сети, создавая, тем самым, асимметрию в загрузке фаз и, значит, асимметрию трехфазного питающего напряжения.
Схема создает асимметрию в загрузке “внутри” питающей фазы: работающая фаза загружается только в одну из полуволн питающего напряжения.
Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (мостовая).
Частота пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке в 2 р. ↑, чем в однополупериодной схеме. При использовании этой схемы загружается только одна из фаз трехфазной сети питающего напряжения, что также создает асимметрию напряжения. Однако “внутри” рабочей фазы асимметрии нет.
Трехфазная нулевая схема выпрямления
Это трехфазная схема однополупериодного выпрямления. Частота пульсаций напряжения на нагрузке в схеме в три раза выше частоты сети. Имеет место снижение пульсаций тока нагрузки. В схеме обеспечивается равномерная загрузка фаз, но остается асимметрия “внутри” каждой фазы. Это приводит к неудовлетворительному режиму работы питающего трансформатора, который в данной схеме обязателен. Его необходимость обусловлена тем, что только при его наличии есть возможность подключить нагрузку к нулевой точке звезды на вторичной стороне.
Трехфазная мостовая схема выпрямления
Широкое распространение на практике для преобразователей небольшой мощности, средней и большой мощности (до 12000 квт в серии АТ). Эта схема характеризуется:
а) Повышенной (шестикратной по отношению к частоте сети) частотой пульсаций напряжения и тока нагрузки. Чем выше частота пульсаций, тем легче она может быть сглажена.
б) Возможностью подключения питающего напряжения как непосредственно от сети, так и через согласующий трансформатор.
в) Минимальной мощностью согласующего трансформатора.
г) Симметрией как в загрузке отдельных фаз, так и “внутри” каждой фазы.
д) Наилучшим использованием вентилей по напряжению.
3. Важные св-ва и хар-тики силовых полупроводниковых приборов (неуправляемых вентилей, тиристоров).
Реализация СП (силовых преобразователей) осуществляется на базе силовых п/п приборов, таких как силовые неуправляемые вентили, тиристоры и силовые транзисторы. Они имеют свои достоинства и недостатки и свою область применения. Но наиболее широкое применение получили силовые полупроводниковые управляемые вентили - тиристоры.
Неуправляемый полупроводниковый вентиль представляет собой нелинейное несимметричное акт. сопр-е, величина которого зависит от полярности приложенного к прибору напряжения. При прямой полярности, когда к аноду подключен «+» полюс источника питания (+), а к катоду «-», вентиль имеет малое сопротивление. При обратной полярности питающего напряжения сопротивление вентиля большое.
Вольт - амперная характеристика ВАХ вентиля имеет прямую ветвь, расположенную в 1- ом квадранте координат “U - I” и обратную - в 3- ем квадранте. Прямое напряжение (+U) измеряется единицами или долями вольт, обратное напряжение (-U) - сотнями, или тысячами вольт. Прямые токи (+iв) составляют сотни ампер, обратные (-iв) - десятки миллиампер. На прямой ветви ВАХ можно выделить два участка: участок большого сопротивления (А) и участок малого сопротивления (Б). Участок Б близок к прямолинейному, поэтому представляют схему замещения прямой ветви, где характеристики в виде последовательно включенных идеального вентиля, источника порогового напряжения (U0) и линейного сопротивления (Rд)(рис.2 рис3).
Обратная ветвь ВАХ может быть разбита на три участка:
В - участок высокой проводимости (малого сопротивления)
Г - участок низкой проводимости
Д - участок высокой проводимости вследствие электрического пробоя.
Тиристор, как и диод, может пропускать большой ток только в одном (проводящем) направлении и перевод его в открытое состояние может осуществляться только при выполнении двух условий:
1. Полярность приложенного к тиристору напряжения - прямая;
2.По цепи “управляющий электрод (УЭ) - катод” протекает управляющий ток iу (в виде импульса) от отдельного источника управляющего напряжения.
Для перевода тиристора в закрытое состояние нужно снизить анодный ток до величины тока удержания, снижением iа до нуля при изменении полярности напряжения Uпит.
Рассмотрим прямую ветвь при различных значениях iу:
iу=0. При изменении прямого напряжения в пределах от 0 до U0 н.в. вызовет протекание по анодной цепи небольшого тока утечки, рвного iобр. При увеличении +Uв.пр. до напряжения включения (U0 н.в.) ток утечки резко возрастает и в точке “В” становится = току удержания. Тиристор переходит в открытое состояние. Величина анодного тока (iв) опр-тся параметрами внеш. цепи. Для ограничения прямого тока исп-т zнагр.
iу10. Подача небольшого тока управления приводит к уменьшению Uн.в.
При iу=iу3 (iу3-ток спрямления). Хар-ка тиристора оказывается подобной хар-ке 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. 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.