Управляемые выпрямители

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

А.А. МАРТЫНОВ

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебно - методическое пособие

Санкт-Петербург

2013г

УДК 62-83.681.513.3

М29 А.А. Мартынов.

Силовая электроника.: Учебно-методическое пособие/ А.А.Мартынов. СПб.: СПбГУАП, 2013. 196 с.: ил.

Рецензенты: доцент каф.31 к.т.н. Бураков М.В.;

начальник лаборатории ФГУП НИИ ЭФА им. Д.В. Ефремова

к.т.н. Еникеев Р.Ш.

Учебно-методическое пособие содержит методические материалы, необходимые для подготовки и выполнения лабораторных работ по исследованию полупроводниковых преобразователей электрической энергии:

- системы импульсно фазового управления выпрямителей

- однофазного и трехфазных выпрямителей;

- зависимого инвертора;

- инвертора напряжения;

- однотактного и двухтактного преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение;

- однофазного регулятора напряжения переменного тока;

- трехфазного преобразователя частоты со звеном постоянного тока.

В процессе выполнения лабораторных работ студенты изучают устройство, принцип работы, характеристики полупроводниковых преобразователей. Так же приобретают навыки экспериментального исследования современных полупроводниковых преобразователей.

С целью повышения уровня подготовки студентов к выполнению лабораторных работ в учебно-методическом пособии приведены необходимые теоретические сведения по принципу работы, расчету характеристик и параметров исследуемых полупроводниковых преобразователей электрической энергии.

Учебно - методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения, изучающих курсы «Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника» и «Полупроводниковые устройства систем управления».

Содержание стр

Введение 4

1. Управляемые выпрямители 7

2. Исследование аналоговой системы импульсно - фазового

управления однофазного управляемого выпрямителя 17

3. Исследование однофазного мостового управляемого выпрямителя 30

4. Исследование трехфазного мостового управляемого выпрямителя 50

5. Исследование трехфазного однотактного управляемого выпрямителя 69

6. Исследование зависимого инвертора. 86

7. Исследование однофазного тиристорного регулятора напряжения 103

8. Исследование однотактного широтно-импульсного

преобразователя постоянного напряжения 118

9. Исследование двухтактного широтно-импульсного

преобразователя постоянного тока 138

10.Исследованиетрехфазного инвертора напряжения с широтно-

импульсным способом регулирования выходного напряжения 162

11. Исследование трехфазного преобразователя частоты со

звеном постоянного тока 178

Библиографический список 196

ВВЕДЕНИЕ

Цикл лабораторных работ по силовой электроники выполняется на универсальном стенде НТЦ-25 «Основы электропривода и преобразовательной техники» [1].

В стенде размещены блоки:

- управляемого выпрямителя (УВ);

- широтно – импульсного преобразователя (ШИП);

- инвертора напряжения (ИН);

- схемы управления (СУ) УВ, ШИП и ИН.

В стенде имеется электромашинный агрегат, состоящий из механически связанных между собой двух электрических машин - двигателя постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ) и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД КЗ).

В стенде имеются датчики тока, скорости и положения.

Управление режимами работы устройств стенда осуществляется с помощью платы релейно- контакторного управления (РКУ).

Схема РКУ приведена на рис.В.1.

На вертикальной панели стенда размещено наборное поле с условным обозначением элементов и блоков преобразователей. Исследуемая схема преобразователя собирается путем соединения необходимых элементов и блоков с помощью гибких перемычек.

При выполнении 10 лабораторных работ по дисциплине «Силовая электроника» РКУ используется только для подключения и отключения от схемы АД и ДПТ. Эти операции осуществляются с помощью выключателей и кнопок:

- SА70 – включает и отключает РКУ;

- SА71- переключает соединение обмотки статора АД с «звезды» на «треугольник». Положение «Включено» соответствует схеме соединения обмотки АД в «звезду», а положение «Выключено» - соединению обмотки в «треугольник».

- SВ70 –определяет направление вращения АД «Вперед».

- SВ71– определяет направление вращения АД «Назад».

- SВ74 –подает напряжение на обмотку контактора К5 для подключения обмотки якоря ДПТ к двухтактному ШИП.
Блок управляемого выпрямителя выполнен на 6 тиристорах, номинальные параметры которых : ток I_в.ср=25 А и максимальное обратное напряжение

U_{обр max}=800 В. Имеется возможность переключения на однофазную мостовую, трехфазную мостовую и трехфазную однотактную схемы.

Блок инвертора с широтно – импульсной модуляциейвыходного напряжения выполнен на 6 IGBT транзисторах в виде силового модуля и имеет встроенные узлы:

-драйверы управления каждым транзистором;

- защиту от токов короткого замыкания;

- защиту от перегрузок (150% в течение 1 минуты);

- защиту от пониженного напряжения на схемах управления;

- ток каждого транзистора -30 А.

Характеристика микропроцессорной системы управление ИН:

- частота модуляции 8 кГц;

- раздельное управление частотой и напряжением. Диапазон задания 0, …255 единиц. Шаг задания частоты 0,32 Гц;

Силовая схема ШИП выполнена на той же элементной базе, что и трехфазный ИН, поэтому схема ШИП называется трехфазной. Два плеча трехфазного ШИП используются для схемы двухтактного реверсивного ШИП, а оставшееся плечо – для схемы однотактного ШИП.

Двухдвигательный электромашинный агрегат содержит в своем составе:

- двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ НВ);

- асинхронный короткозамкнутый двигатель (АД КЗ);

- импульсный датчик положения, имеющий 90 отверстий, размещенный на валу электромашинного агрегата и используемый для измерения угловой скорости и углового положения вала электромашинного агрегата;

- маховик.

Для расширения объема исследований устройств преобразовательной техники с целью приближения их к требованиям ФГОС к уровню подготовки выпускников вуза, универсальный стенд НТЦ-25 дополнен измерительным комплектом К-50 и подключен к точке искусственного нуля трехфазной сети переменного тока, питающей стенд НТЦ-25.

В учебном пособия каждой из десяти лабораторных работ выделен отдельный раздел.

Нумерация рисунков, таблиц и формул выполнена с учетом номера соответствующего раздела.

Структура всех разделов учебного пособия, кроме первого, идентична и включает в себя подразделы:

- цель работы;

- краткие теоретические сведения по выполняемой лабораторной работе;

- порядок выполнения работы; - описание универсального лабораторного стенда и схемы соединений блоков стенда в той части, которая необходима для выполнения лабораторной работы;

- программа выполнения лабораторной работы; - контрольные вопросы, назначение которых – проверка степени готовности студентов к выполнению лабораторной работы; - требования к оформлению и содержанию отчета по лабораторной работе.

Рис.В.1 -Схема релейно - контакторного управления стенда

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Cтруктурная схема и классификация выпрямителей

Выпрямитель - это полупроводниковый преобразователь электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

На стенде НТЦ-25 выполняется исследование управляемых выпрямителей: однофазного мостового, трехфазного однотактного и трехфазного мостового выпрямителей. Управляемые выпрямители способны работать как в выпрямительном режиме, так и режиме зависимого инвертирования, т.е. обладают принципом обратимости. Зависимые инверторы предназначены для работы совместно с сетью, в ко­торой задана частота и величина напряжения, чем и определяется отно­сящееся к ним понятие "зависимые инверторы», или "инверторы ведомые сетью". Система импульсно - фазового управления (СИФУ) как выпрямителей, так и зависимых инверторов должна быть синхронизирована с сетью переменного тока, к которой они подключены [2].

Импульсы управления, вырабатываемые СИФУ, должны быть распределены по вентилям силовой схемы в соответствие с числом фаз и порядком следования фаз напряжения сети переменного тока, к которой подключен преобразователь.

Работа преобразователей, как в выпрямительном, так и инверторном режимах, осуществляется при ес­тественной коммутации тока вентилей. Под коммутацией понимается процесс перехода тока с одно­го вентиля на другой при открытии очередного вентиля сигналом управ­ления. Выключение работавшего ранее тиристора происходит после открытия очередного тиристора и приложения к выключаемому тиристору напряжения сети переменного тока в обратном (запирающем) направлении.

Отметим, что неуправляемые выпрямители, построенные на неуправляемых вентилях, (диодах) не обладают свойством обратимости. Теория неуправляемых выпрямителей может рассматриваться как частный

случай общей теории управляемых выпрямителей.

Блок-схема обобщенного выпрямителя в общем виде содержит [2]:

- сетевой трансформатор, необходимый для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя;

- вентильный блок, который собственно и осуществляет саму функцию выпрямления переменного ток; - cглаживающий фильтр, который устанавливается в цепи постоянного тока и служит для подавления (уменьшения) пульсаций выпрямленного тока и напряжения;

- схему управления и регулирования, которые содержатся только в управляемых выпрямителях;

- пуско - защитную аппаратуру, которая обеспечивает безопасный пуск и защиту выпрямителя от сверхтоков, токов короткого замыкания, повышения и понижения напряжения выше допустимого значении;

- систему диагностики и сигнализации, которая служит для оперативной диагностики состояния отдельных элементов и выпрямителя в целом, а также для сигнализации о возникших неисправностях этих элементов.

Схема управления осуществляет формирование управляющих сигналов вентилей, регулирова­ние фазы этих сигналов по отношению к анодным напряжениям вентилей для обес­печения стабилизации или регулирования величины выходного напряжения, а также обеспечивает построение систем защиты.

Рис.1.1 - Структурная схема управляемого выпрямителя

В некоторых выпрямителях перечисленные выше звенья могут отсутствовать. Например, управляемый выпрямитель, структурная схема которого приведена на рис.1.1, содержит только следующие основные узлы и блоки:

Т-трансформатор;

ВБ - вентильный блок преобразователя;

СФ - сглаживающий фильтр;

СИФУ – система импульсно-фазового управления.

Отметим, что в общем случае вентильный блок преобразователя может быть выполнен как на не управляемых, так и на управляе­мых вентилях.

Неуправляемые выпрямители выполняются на диодах, а управляемые выпрямитель выполняется на управляемых вентилях. Управляемые вентили подразделяются на однооперационные (тиристоры), двухоперационные (запираемые тиристоры) и полностью управляемые (транзисторы).

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются [2]:

- средние значения выпрямленного напряжения и тока, U_d, I_d, соответственно;

- коэффициент полезного действия η;

- коэффициент мощности χ;

- внешняя характеристика - зависимость напряжения нагрузки от тока нагрузки U_d=f(I_d) при постоянном и заданном значении угла регулирования α;

- регулировочная характеристика - зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования U_d=f(α);

- коэффициент пульсаций - отношение амплитуды высшей гармоники

(U_k.m) (обычно основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (U_d) (тока)

k_пk=U_km/Ud, (1.1)

где k - номер гармоники.

Для первой (основной) гармоники k=1. Коэффициент пульсаций для первой гармоники k_п1 определяется по формуле:

k_п1=U_1m/U_d. (1.2)