Фазовое регулирование напряжения
Лекция 1
Силовая электроника, как основа энергосберегающих технологий.
Силовая (энергетическая) электроника является одной из основ создания современной техники и технологии, обеспечивая увеличение производи-тельности и качества труда при минимальном расходовании различных ресурсов.. Широкомасштабное использование силовой электроники в различных сферах человеческой деятельности позволяет экономить значительную часть энергетических ресурсов.
По мнению учёных, дальнейшее развитие техники будет связано с успехами интеллектуальной энергетической электроники, с которой связаны решения проблем энерго- и ресурсосбережения. В подтверждение этого тезиса приведем некоторые факты.
1. Объем годового потребления энергии в мире по оценкам "Международного энергетического агентства" составляет кВт/часов. Ежегодные затраты на производство электроэнергии составляют (400-500) млрд. долларов, причем из них (~73) млрд. приходятся на прямые потери генерирующих, передающих и потребляющих объектов.
2. Основными потребителями электроэнергии являются:
–электропривода различного назначения - 51%;
– освещение - 19%;
– нагрев/охлаждение - 16%;
– телекоммуникации - 14%.
3. В настоящее время в мире менее 25% энергии используется оптимально путем применением высокоэффективных методов управляемого преобразования электроэнергии. Для России это около 50 ГВт установленной мощности.
Рассмотрим для примера проблемы в области электропривода:
· практически все механизмы требуют регулирование скорости вращение. В обычной схеме питания это не возможно;
· электродвигатель рассчитывается на максимальное напряжение сети, из-за соответствующей изоляции никакого ресурсосбережения нет;
· пусковые токи двигателей от 5÷11 раз больше номинальных, пусковые токи создают огромные динамические нагрузки, начинает быстро разрушаться двигатель.
С учетом устройств силовой электроники электропривод будет выглядеть следующим образом:
Здесь КА – коммутационная аппаратура.
Рис.1
Структурная схема регулирования электродвигателя
Достоинства применения регулируемого электропривода:
· возможность регулировать скорость;
· возможность ограничивать напряжение;
· Большой срок службы 100 - 150 тыс. часов нормальной работы;
· плавный запуск электропривода, исчезают динамические удары;
· за счет регулирования частоты и напряжения минимизируется уровень потребления электрической энергии из сети;
· Система управления обеспечивает минимум реактивной мощности вплоть до нуля, разница между активными мощностями сети и нагрузки стремится к минимуму, что сокращает расход энергоресурсов.
При наличии корректора коэффициента мощности преобразователя частоты удается достигнуть входного коэффициента мощности χ ≈ 0,99.
Силовые полупроводниковые приборы. В силовых полупроводниковых преобразователях в качестве управляемых ключей используются обычно IGBT транзисторы, тиристоры, симисторы и запираемые тиристоры. IGBT транзисторы |
Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor).Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного. IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. По быстродействию они значительно превосходят обычные биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения составляет 0,2 - 0,4 мкс, а время выключения 0,2 - 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи до 1200 А. IGBT-транзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразователей частоты и позволяют создать импульсные источники электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT-транзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 - 3,5В. ![]() ![]() ![]() |
Выводы.
Достоинство транзистора - Очень хорошие значения и
:
;
.
А у тиристоров они равны:
;
.
· tвкл и tвыкл = 10 и100нс.
· частота коммутации .
В последнее время разработанные приборы могут работать на частоте .
Недостаток - относительно высокое Uост = 1,7÷3В .
Тиристоры
Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.
Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим. Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами. ![]() ![]() |
Рисунок 1 - Схема однофазного регулятора переменного напряжения
Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров в течение полупериода частоты сети. При фазовом методе частота выходного напряжения соответствует частоте питающей сети, а регулирование производится путем изменения формы кривой выходного напряжения и тока. Форма тока зависит от характера нагрузки. Рассмотрим простой случай, когда . Нагрузка чисто активная характерная для электротермических установок и ламп накаливания.
Фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления ; с опережающим углом управления; либо с тем и другим (двустороннее фазовое управление).
Лекция 3
Лекция 4.
Энергетические показатели
Регулирование напряжения с помощью тиристорных регуляторов переменного напряжения сопровождается уменьшением cosφ и появлением в кривых напряжения и тока высших гармонических составляющих.
Для регуляторов, построенных по принципу фазо-импульсного управления, с увеличением угла управления тиристоров α в выходном напряжении резко возрастают нечетные высшие гармоники: 3-я, 5-я, 7-я и т.д. (рис.1). Гармонический спектр напряжения тиристорного переключателя, принцип работы которого эквивалентен широтно-импульсному управлению, содержит гармоники с частотой, как меньшей частоты питания, так и большей ее. Минимальная частота, определяемая периодом регулирования Тр, численно равна 1/ Три на практике составляет менее 1 Гц.
Рис. 1 Зависимость амплитуд напряжения гармоник регулятора
от угла отпирания тиристоров (1, 3, 5, 7, 9 – номера гармоник)
Рис.2. Зависимость cosφ (1) и среднеквадратичного значения тока высших гармоник (2) регулятора от глубины регулирования напряжения
При фазо-импульсном управлении активная мощность передается из сети к регулятору только основной гармоникой тока
, ……………………………(1)
где φ – угол сдвига между напряжением сети и первой гармоникой тока.
Сдвиг по фазе основной гармоники тока создает в сети реактивную мощность
Q = UcI1sinφ …………………………….. (2)
различие в формах кривых напряжения и тока характеризуется мощностью искажения
……………………………..(3)
и коэффициентом искажения
. ……………………………………….(4)
Полная мощность, потребляемая из сети, определяется из выражения
. ………………………………(5)
Из трех составляющих полной мощности лишь активная является полезной.
Коэффициент мощности установки при фазо-импульсном управлении равен
…………………………..…….. (6)
При чисто активной нагрузке определяем
………… (7)
Зависимость cosφ и среднеквадратичного значения токов высших гармоник
………………………..(8)
приведена на рис.2.
С помощью косинусных конденсаторов можно лишь частично улучшить коэффициент мощности за счет увеличения cosφ.
Мощность конденсаторной батареи, необходимой для повышения cosφ до единицы, равна:
, ………………………..(9)
где Рном– номинальная мощность нагрузки, кВ.А.
При этом результирующий коэффициент мощности при установке косинусных конденсаторов будет равен
. ……………………………..(10)
Рис. 3. Зависимость результирующего коэффициента мощности регулятора при установке косинусных конденсаторов от глубины регулирования напряжения
При широтно-импульсном управлении в случае активной нагрузки сдвиг между током I и напряжением сети Uc отсутствует, то есть φ = 0, и коэффициент мощности определяется только коэффициентом искажения:
, ………………………………(11)
где – относительная продолжительность включения (скважность); в свою очередь m – целое число; Тс – период напряжения сети и Тр – период регулирования.
Рис.4. Зависимость коэффициента мощности регулятора от глубины регулирования напряжения и числа установок
В случае активно-индуктивной нагрузки коэффициент мощности как при фазо-импульсном, так и при широтно-импульсном управлении зависит также от фазового угла нагрузки и ухудшается с его увеличением.
Особенностью широтно-импульсного управления является увеличение коэффициента мощности при одновременной работе нескольких установок, включенное состояние которых полностью или частично не совпадает.
Как показал анализ, проведенный, исходя из теории вероятности, результирующий (средневзвешенный) коэффициент мощности группы установок равен
, …………………………(12)
где п– число установок.
На рис.4 представлены соответствующие графики для разных значений п (в пределах 1 – 10) при активной нагрузке, из которых видно, что при широтно-импульсном управлении с ростом числа установок результирующий коэффициент мощности будет неограниченно приближаться к единице вследствие «усреднения» тока сети во времени.
Последнее говорит о существенных преимуществах широтно-импульсного управления при групповых установках.
Снижение коэффициента мощности тиристорного источника в процессе регулирования приводит к ухудшению КПД линии, так как циркуляция реактивной мощности Q и мощности искажения Тиск в линии от генератора до приемника электроэнергии вызывает дополнительные активные потери. Последнее означает, что полная мощность установки увеличивается не только для покрытия непроизводительных составляющих мощности Q и Тиск, но и для покрытия дополнительных активных потерь мощности в линии, связанных с их циркуляцией.
В одиночном регуляторе коэффициент мощности можно увеличить путем ступенчатого регулирования однофазного напряжения как показано на рис.5, а. На интервале от 0 до α1включен тиристор VS3. При угле отпирания α1включается тиристор VS2, к тиристору VS3 прикладывается обратное напряжение, и напряжение на нагрузке увеличивается. В момент u = p тиристор VS2 запирается и подается отпирающий импульс на тиристор VS4. В момент u = α2 отпирается тиристор VS1.
Относительное значение регулируемого напряжения, коэффициент сдвига и коэффициент мощности равны
………………………..(13)
а б
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема (а) и временные диаграммы (б) фазо-ступенчатого регулирования однофазного напряжения
……………………(14)
……………………(15)
. …………………………………(16)
Мощность искажения Тиск, обусловленная токами высших гармоник, вредно влияет на питающую сеть и подключенные к ней приемники, так как вызывает дополнительные потери в обмотках магнитопроводов, порождает при неблагоприятном сочетании параметров вредные резонансные явления и создает существенные помехи в расположенных вблизи линиях связи. Реактивная мощность может быть достаточно полно скомпенсирована, в то время как мощность искажения скомпенсировать более сложно. Поэтому в одиночной установке ухудшение коэффициента мощности более предпочтительно допускать за счет коэффициента сдвига.
Таким образом, несинусоидальные периодические переменные, например токи, характеризуются следующими величинами:
- Максимальное значение -
.
2.Действующее значение -
.
3.Среднее по модулю значение -
.
4.Среднее за период значение (постоянная составляющая) –
.
5.Коэффициент амплитуды (отношение максимального значения к действующему) –
.
6.Коэффициент формы (отношение действующего значения тока к среднему по модулю) -
.
7.Коэффициент искажений (отношение действующего значения первой гармоники к действующему значению всего тока)
- .
8. Коэффициент гармоник (отношение действующего значения высших гармонических к действующему значению первой гармоники) –
.
9.Коэффициент мощности - = Р /S.
Лекция 5
Лекция 1
Силовая электроника, как основа энергосберегающих технологий.
Силовая (энергетическая) электроника является одной из основ создания современной техники и технологии, обеспечивая увеличение производи-тельности и качества труда при минимальном расходовании различных ресурсов.. Широкомасштабное использование силовой электроники в различных сферах человеческой деятельности позволяет экономить значительную часть энергетических ресурсов.
По мнению учёных, дальнейшее развитие техники будет связано с успехами интеллектуальной энергетической электроники, с которой связаны решения проблем энерго- и ресурсосбережения. В подтверждение этого тезиса приведем некоторые факты.
1. Объем годового потребления энергии в мире по оценкам "Международного энергетического агентства" составляет кВт/часов. Ежегодные затраты на производство электроэнергии составляют (400-500) млрд. долларов, причем из них (~73) млрд. приходятся на прямые потери генерирующих, передающих и потребляющих объектов.
2. Основными потребителями электроэнергии являются:
–электропривода различного назначения - 51%;
– освещение - 19%;
– нагрев/охлаждение - 16%;
– телекоммуникации - 14%.
3. В настоящее время в мире менее 25% энергии используется оптимально путем применением высокоэффективных методов управляемого преобразования электроэнергии. Для России это около 50 ГВт установленной мощности.
Рассмотрим для примера проблемы в области электропривода:
· практически все механизмы требуют регулирование скорости вращение. В обычной схеме питания это не возможно;
· электродвигатель рассчитывается на максимальное напряжение сети, из-за соответствующей изоляции никакого ресурсосбережения нет;
· пусковые токи двигателей от 5÷11 раз больше номинальных, пусковые токи создают огромные динамические нагрузки, начинает быстро разрушаться двигатель.
С учетом устройств силовой электроники электропривод будет выглядеть следующим образом:
Здесь КА – коммутационная аппаратура.
Рис.1
Структурная схема регулирования электродвигателя
Достоинства применения регулируемого электропривода:
· возможность регулировать скорость;
· возможность ограничивать напряжение;
· Большой срок службы 100 - 150 тыс. часов нормальной работы;
· плавный запуск электропривода, исчезают динамические удары;
· за счет регулирования частоты и напряжения минимизируется уровень потребления электрической энергии из сети;
· Система управления обеспечивает минимум реактивной мощности вплоть до нуля, разница между активными мощностями сети и нагрузки стремится к минимуму, что сокращает расход энергоресурсов.
При наличии корректора коэффициента мощности преобразователя частоты удается достигнуть входного коэффициента мощности χ ≈ 0,99.
Силовые полупроводниковые приборы. В силовых полупроводниковых преобразователях в качестве управляемых ключей используются обычно IGBT транзисторы, тиристоры, симисторы и запираемые тиристоры. IGBT транзисторы |
Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor).Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного. IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. По быстродействию они значительно превосходят обычные биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения составляет 0,2 - 0,4 мкс, а время выключения 0,2 - 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи до 1200 А. IGBT-транзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразователей частоты и позволяют создать импульсные источники электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT-транзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 - 3,5В. ![]() ![]() ![]() |
Выводы.
Достоинство транзистора - Очень хорошие значения и
:
;
.
А у тиристоров они равны:
;
.
· tвкл и tвыкл = 10 и100нс.
· частота коммутации .
В последнее время разработанные приборы могут работать на частоте .
Недостаток - относительно высокое Uост = 1,7÷3В .
Тиристоры
Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.
Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим. Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами. ![]() Наши рекомендации
|