Министерство образования Российской Федерации
Марийский государственный университет
Кафедра электромеханики и электроэнергетики
Основы
энергетической электроники
Учебное пособие
Йошкар-Ола
2003
Министерство образования Российской Федерации
МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
И.И. Попов
Основы энергетической электроники
Рекомендовано УМО по образованию
в области энергетики и электротехники
в качестве учебного пособия для студентов электроэнергетических специальностей
высших учебных заведений
Йошкар-Ола
2003
УДК 62 50 + 681. 3/075
Рецензенты: профессор Марийского государственного технического университета, д.т.н. А. Н. Соболев
профессор Марийского государственного университета, д. ф.-м.н. А. А. Косов
Попов и. И. Основы энергетической электроники: Учеб. Пособие.- Йошкар-Ола: МарГу, 2003
Рассматриваются теоретические и практические вопросы, связанные с использованием полупроводниковых силовых преобразователей электрической энергии. Приведены схемы исполнения, режимы работы, технические характеристики преобразователей и устройств на их основе. Особое внимание уделено особенностям эксплуатации силовых преобразователей электрической энергии. Даны методические указания по выполнению лабораторных работ и практических расчётов основных схем преобразователей по дисциплине «Энергетическая электроника».
Предназначено для студентов электроэнергетических специальностей высших учебных заведений по направлению «Электроэнергетика».
Учебный курс “Промышленная электроника, часть 2” или “Энергетическая электроника” включает в себя основы современной преобразовательной техники, применяемой в электроэнергетике.
Задачей курса является изучение принципа работы и особенностей схем преобразовательной техники, характеристик их элементов и особенностей эксплуатации преобразователей.
В настоящее время 20-25 процентов электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Основное же потребление электроэнергии осуществляется в виде переменного тока.
Развитие современной техники и технологии ставит перед электроэнергетикой задачи выработки электроэнергии в виде постоянного тока, в виде переменного тока промышленной и нестандартной частоты с различным числом фаз, с регулируемой частотой, током и напряжением.
Усиливающиеся требования к экономии материалов и электроэнергии в электрическом оборудовании могут быть лучше всего выполнены с помощью современной энергетической электроники, в основном базирующейся на полупроводниковой технике.
По сравнению с классическими видами преобразования и преобразовательными устройствами использование силовых полупроводниковых преобразователей дает следующие преимущества:
Сокращение объема и массы в 3-7 раз, что приводит к сокращению затрат на элементы конструкции и позволяет в ряде случаев отказаться от подъемных механизмов и тяжелых фундаментов.
Уменьшение потерь за счет меньшего падения напряжения на вентилях (20-24 В ртутные, 0.5 В полупроводниковые диоды, 1.2 В тиристоры).
Входное напряжение до 380-660 В без последовательного соединения вентилей;
КПД до 98 процентов:
- выше 10-40 % по сравнению с двигательными агрегатами с неполной нагрузкой
- на 5-10 % с полной нагрузкой
- на 10-30 % при частичном использовании номинальной мощности
- на 30-50 % при частом холостом ходе (сварочные выпрямители)
В электрическом транспорте - отказ от пусковых реостатов и применение рекуперации энергии при торможении дает экономию электроэнергии до 20-30 процентов.
Снижение стоимости и потерь электроэнергии благодаря использованию новых схем, специальных импульсных малогабаритных конденсаторов, высокоэффективных магнитных материалов и постоянному улучшению параметров полупроводника.
Практически безынерционные и долговечные схемы на полупроводниковых элементах.
Возможность выбора силовых приборов на разные номинальные токи и напряжения в комбинации с различными охладителями, а также параллельное и последовательное соединение приборов.
На практике для питания электрохимических установок используются преобразовательные устройства на токи от нескольких ампер до более 100 кА.
Рис. 1.1. Режимы работы преобразователей
В - выпрямитель; И - инвертор; ПЧ - преобразователь частоты; Р1 - регулятор постоянного напряжения; Р2 - регулятор переменного напряжения