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.

Лабораторний практикум. Трифазні випрямлячі та їх розрахунок

Навчально-методичний посібник

Вінниця ВНТУ 2010

УДК 621.314.6(075)

P60

Рецензенти:

В.І. Сенько, д.т.н., професор (НТУУ «КПІ»)

М.Й. Бурбело, д.т.н., професор (ВНТУ)

М.М. Юрченко, д.т.н., професор (ІЕД НАН України)

Затверджено Міністерством освіти і науки України

(лист № від )

В.І. Родінков

Силові напівпровідникові прилади та їх застосування. Лабораторний практикум. Трифазні випрямлячі та їх розрахунок:

Навчально-методичний посібник. – Вінниця: УНІВЕРСУМ- Вінниця, 2010. –167 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 практичне ознайомлення з найбільш поширеними типами силових перетворювачів електричної енергії. Розглянута методика розрахунку трифазних випрямлячів та згладжувальних 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…………………………………………………………………………5

Вступ………………………………………………………………………………7

Розділ 1. Елементна база сучасних перетворювачів та перспективи її роз-

витку……………………………………………………………………………...10

1.1. Силові діоди…………………………………………………………………11

1.2. Силові тиристори……………………………………………………………15

1.3. Силові транзистори…………………………………………………...…….21

Розділ 2. Лабораторний практикум……………………………………………..28

2.1. Лабораторна робота №1.Однофазний мостовий випрямляч……………..28

2.2. Лабораторна робота № 2. Комбіновані схеми випрямлячів...……………44

2.3. Лабораторна робота №3. Трифазні випрямлячі…………..………………51

2.4. Лабораторна робота №4.Тиристорний регулятор змінного струму……..77

2.5. Лабораторна робота №5. Імпульсний перетворювач постійної напруги 86

2.6. Лабораторна робота №6. Трифазний автономний інвертор струму…......96

2.7. Лабораторна робота №7. Перетворювач частоти в системі частотно-регульованого автоматизованого електроприводу………………..………...106

2.8. Лабораторна робота№8. Згладжуючіфільтри……………...….............…124

Розділ 3. Розрахунок трифазних випрямлячів…………………………….…135

3.1 Зміст завдання……………………………………………………………...135

3.2. Пояснення до виконання завдання……………………………………….136

3.3. Рекомендайії до виконання завдання……….……………………………136

3.4. Теоретичні відомості………………………………………………………138

3.5.Трифазний однотактний випрямляч з нульовою точкою. (Схема Міткевича). Теорія роботи та методика розрахунку………………………...139

3.5.1.Вибір типу силового приладу та його охолоджувача……………….…143

3.5.2 Розрахунок трансформатора випрямляча……………………………...145

3.5.3 Режим активно-індуктивного навантаження…………………………...147

3.5.4. Розрахунок індуктивного фільтру……………………………………...150

3.5.5 Трифазний однотактний керований випрямляч…………….……….…152

3.6. Трифазний мостовий випрямляч.(Схема Ларіонова)…… ………….…..157

Література……………………………………………………………………....161

Глосарій………………………………………………………………………....163

Алфавітний показчик…………………………………………………………..165

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.

1.1 Силові діоди

Принцип дії напівпровідникового діода оснований на використанні властивостей p-n – переходу, який виникає на границі розподілу двох шарів з різним типом провідності, що штучно утворюються в напівпровідниковому монокристалі.

На рис.1.2 наведена ВАХ діода, а також показані його структура та символ позначення на електричних схемах. Характеристика має дві вітки –пряму(А), яка відповідає відкритому стану діода та зворотну (В), яка визначає особливості діода в закритому стані.

Пряма вітка характерна малим рівнем напруги та значними струмами, а зворотна - малим рівнем струму та великим значенням напруги. Зворотна вітка має три характерні ділянки. На ділянці 1 струм Iо через зворотно зміщений p-n - перехід діода майже не залежить від напруги і має три складові :

• тепловий струм витоку Iко зворотно зміщеного p-n-переходу, рівень якого залежить від концентрації основних носіїв;

• струм генерації Iген, зумовлений кінцевою товщиною p-n-переходу;

• струм витоку Iвит, що зумовлений поверхневим забрудненням кристалу, а також порушенням цілісності його кристалічної решітки.

Рис.1.2 ВАХ діода та його структурна схема і електричне позначення

До певного рівня зворотної напруги сумарний струм витоку Iо вимкнутого діода є незначним і не впливає на його температурний режим. Якщо зворотна напруга досягає значення Uпроб, струм Iо, завдяки лавинному ефекту, різко зростає і діод переходить в режим лавинного пробою (ділянка 2 на зворотній вітці ВАХ діода). Якщо не знизити рівень зворотної напруги, то такий пробій розвивається в тепловий і діод руйнується (ділянка 3 на зворотній вітці ВАХ).

Існують силові діоди, в яких шляхом певних технологічних прийомів забезпечується зменшення втрат на ділянці лавинного пробою завдяки чому прилад може певний час працювати в режимі лавинного пробою.Такі діоди називаються лавинними і використовуються як в якості звичайних діодів, так і в якості обмежувачів напруги.

З наведеної ВАХ діоду слідують його основні властивості. Тобто діод це електронний ключ, стан якого визначаться полярністю напруги зовнішнього джерела живлення. Якщо потенціал анода стає рівним або вищим за потенціал катода, то діод вмикається і струм через нього обмежується тільки опором в його зовнішньому анодному колі. При цьому на діоді з’являється незначний спад напруги, зумовлений кінцевим опором напівпровідникового кристалу, а також омічним опором контактів між кристалом та анодним і катодним виводами. Для зниження прямих втрат на діоді, величина його сумарного опору у відкритому стані повинна бути якомога меншою.

Якщо полярність напруги між анодом та катодом змінити на протилежну, то p-n-перехід зміститься в зворотному напрямку і діод вимкнеться. Струм в його анодному колі спадає майже до нуля і відбувається безіскрове перемикання діода з відкритого в закритий стан. Тобто діод за електричними властивостями є приладом з односторонньою провідністю і використовується у випрямлячах для забезпечення однонаправленого протікання струму в навантаженні. Одностороння провідність діода використовується також і в інших перетворювальних пристроях ,наприклад в автономних інверторах напруги для забезпечення обміну реактивною потужністю між навантаженням та джерелом живлення. Така потреба виникає внаслідок того, що реактивна складова струму протікає в зворотному напрямі відносно до прямого струму перемикаючого приладу інвертора. Приклади шунтування зворотним діодом різних за типом керованих приладів наведені на рис. 1.3 а,б. В таких схемах діод виконує також і захисну функцію, захищаючи транзистор або тиристор від зворотної перенапруги. Слід зазначити, що в сучасних перетворювачах використовуються силові модулі, в яких зворотний діод та керований напівпровідниковий ключ виготовляються за інтегральною технологією і структурно невіддільні один від одного. Тобто в одному кристалі виготовляється декілька різних за властивостями приладів, які в процесі їх виготовлення технологічного з’єднуються за певною схемою. Такий набір приладів, об’єднаних в одному напівпровідниковому кристалі і розрахований на велику потужність носить назву силового модуля. Принципова схема одного з існуючих типів силових модулів наведена на рис. 1.3,в.

а) б) в)

Рисунок 1.3. Схеми вмикання діода реактивного струму та силового модуля

За принципом дії силовий діод нічим не відрізняється від випрямних діодів малої та середньої потужності. Основною відмінністю між ними є площа p-n- переходу. Тобто розміри напівпровідникового кристалу силового діода значно більші порівняно з розмірами кристалу діодів малої та середньої потужності. Ця відмінність відображена в маркуванні силового діода, яке складається з літерно–цифрового коду і відображає як експлуатаційні параметри приладу, так і конструктивні особливості його корпусу.

Приклад маркування силового діода, за діючим на даний час стандартом, наводиться нижче.

Усіх типів корпусів налічується п’ять:

1. Стержневий з гнучким виводом;

2. Стержневий з жорстким виводом;

3. Таблеточний;

4. Під запресовку або автотракторний;

5. Під фланець.

Діоди перших двох типів корпусів закручуються в охолоджувач за допомогою стержня з різьбою. В третьому випадку діод затискається між двома пластинами охолоджувача. В четвертому випадку запресовується в охолоджувальну пластину, яка одночасно є і контактом. П’ятий тип корпусу забезпечує кріплення діода до охолоджувача за допомогою фланця на його корпусі.

За своїми властивостями силові діоди поділяються на низькочастотні, які можуть експлуатуватись в мережах з частотою до 500 Гц, лавинні, які маркуються двома літерами ДЛ та частотні, в яких нормується час їхнього вимкнення і які здатні перемикатись з частотою до 200 кГц. Такі діоди маркуються додатковою літерою Ч.

Основними параметрами, що характеризують експлуатаційні можливості діодів є гранично допустиме середнє значення прямого анодного струму та амплітудне значення імпульсної зворотної напруги яка повторюється. На даний час максимально досягнуті параметри силового діода складають 10кВ амплітудного значення зворотної напруги та 10кА середнього значення прямого анодного струму.