Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

__________________________________________________________________

Системы управления

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Учебное пособие

Екатеринбург

2007

Р е ц е н з е н т ы

кафедра "Автоматизированные системы электроснабжения"

Уральского государственного профессионально-педагогического университета; профессор кафедры "Электрооборудование

и автоматизация промышленных предприятий" УГППУ,

д-р техн.наук Р.Т.Шрейнер

Л65 Системы управления полупроводниковыми преобразователями электрической энергии: Учебное пособие

. Екатеринбург: УГТУ, 2007. 104 с.

ISBN 5-230-06500-1

Излагаются принципы построения и функционирования устройств, входящих в системы управления полупроводниковыми преобразователями электрической энергии, которые используются для управления электродвигателями. Приведены основные соотношения позволяющие выполнить поверочные расчеты параметров отдельных устройств. Описание дается в объеме, необходимом для наладки и ремонта систем управления пребразователями, а также выбора устройств при курсовом проектировании. Приступающие к изучению этого раздела должны быть знакомы с принципами работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии и основами промышленной электроники.

Пособие предназначено для студентов всех видов обучения специальности 18.04 - Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов при изучении дисциплины "Преобразовательная техника" и при выполнении курсового проекта (работы), а также для студентов специальности 18.01 - Электромеханика при изучении дисциплины "Силовая электроника". Пособие может быть также полезно наладчикам электроприводов с полупроводниковыми преобразователями.

Библиогр. 22 назв. Табл. 3. Рис. 41.

ISBN 5-230-06500-1

С Уральский государственный технический университет 2007

В В Е Д Е Н И Е

В состав полупроводникового преобразователя электрической энергии могут входить следующие функциональные и конструктивные узлы:

- один или несколько вентильных комплектов, которые осуществляют преобразование электрической энергии; комплекты состоят из тиристоров, транзисторов, диодов, силовых модулей, охладителей; устройств выравнивания токов параллельно соединенных вентилей и напряжений на вентилях, включенных последовательно; выполняются комплекты в виде печатных плат, кассет, блоков, панелей или шкафов;

- силовой трансформатор или токоограничивающие реакторы;

- сглаживающие и уравнительные реакторы;

- система управления вентилями;

- замкнутая САУ выходными параметрами преобразователя;

- САУ электроприводом в целом;

- устройство аварийного (обычно динамического) торможения;

- вводной щиток для подключения напряжения сети, двигателя, реак-торов и внешних цепей управления преобразователем;

- коммутационная аппаратура, предназначенная для включения и выключения входных и выходных силовых цепей, а также цепей питания системы управления, переключений в цепях управления (автоматические выключатели, контакторы, реле);

- устройства защиты преобразователя от перегрузки по току, обрыва фазы, работы при пониженном напряжении и других аварийных режимов (реле, контакторы, автоматические выключатели типов А3700, ВАТ, ВАБ и др.);

- устройства, ограничивающие перенапряжения, скорость нарастания аварийного тока, скорость нарастания прямого анодного напряжения на вентилях, фильтры, подавляющие радиопомехи, и т.п. (варисторы, накопители энергии, RC- и LC-цепочки и фильтры);

- измерительные приборы (вольтметры, амперметры и пр.);

- устройства индикации и сигнализации состояния и режима работы преобразователя (цветные сигнальные лампы, светодиоды, цифровые индикаторы, зуммеры, сирены);

- вторичый блок питания системы управления и всех остальных устройств (обычно требуются стабилизированные постоянные напряжения +5;+12 или +15; +24 ; -15 В иногда требуются +48; +110 и даже +220 В);

- устройства контроля параметров и обработки информации (датчики тока и напряжения, датчики состояния вентилей, устройства потенциальной развязки, датчики температуры корпусов вентилей, p-n переходов и охлаждающей среды, схемы на логических элементах, контроллер или микропроцессор, ветровое реле и др.);

- система охлаждения вентилей (охладители, на которых монтируются вентили, вентиляционные каналы и жалюзи, вентиляторы, устройства подвода и отвода охлаждающей воды, теплообменники, ионообменные фильтры);

- каркас, на котором крепятся все узлы; каркас часто заключают в кожух для защиты от внешних воздействий.

Преобразователи комплектных электроприводов обычно содержат преобразователь для цепи якоря и преобразователь для цепи возбуждения с их системами управления и системой управления электроприводом.

В зависимости от мощности преобразователя и требований к нему некоторые из перечисленных устройств могут отсутствовать или выполнять несколько функций одновременно. Могут быть добавлены и другие устройства. Например, в очень ответственных преобразователях устанавливаются автономные системы бесперебойного питания системы управления, использующие аккумуляторы и преобразователи. Иногда для повышения надежности и исключения сбоев делают двух- и трехкратное дублирование отдельных устройств.

В преобразователях различают силовые и информационные цепи и устройства. В силовых цепях протекают токи, которые подводятся в конечном итоге к двигателю. Они обеспечивают передачу необходимой мощности и управляют моментом, скоростью, положением. Информационные цепи производят обработку маломощных сигналов управления, которые задают моменты и длительности открывания силовых вентилей и в конечном итоге через силовые цепи управляют электроприводом. По мере развития электроники информационные цепи потребляют все меньшую мощность, величина которой мало зависит от мощности преобразователя, и выполняют все более сложные функции. Информационные цепи выполняются как на аналоговых, так и на цифровых элементах. Ко всем элементам и устройствам предъявляются требования высокой надежности, стабильности характеристик, минимальных стоимости, габаритов, массы и энергопотребления и др.

При анализе работы различных схем в пособии приняты следующие упрощающие допущения:

- открывание и закрывание вентилей происходит мгновенно, токи обратного восстановления вентилей не учитываются, поскольку они не оказывают существенного влияния на работу устройств;

- изменение выходного напряжения при переключениях нуль-органов, компараторов и управляемых вентилей происходит мгновенно;

- обратные токи коллектора и эмиттера не учитываются;

- пренебрегается падением напряжения коллектор - эмиттер откры-того транзистора, поскольку обычно оно менее 0,2 В, хотя возможны падения напряжения на транзисторах усилителей мощности до 3 В и более;

- падение напряжения база - эмиттер насыщенного (открытого) транзистора полагается неизменным; обычно=0,7...1,0 B, хотя возможны=0,3...2,0 B; на временных диаграммах показать это напряжение, как правило, не удается ввиду малости;

- отсчет времени ведется от момента перехода ЭДС фазы а через нуль.

В пособии рассматривается только минимальный набор информационных устройств, обеспечивающих работу преобразователя в нормальных условиях без САУ преобразователем. Этот набор в дальнейшем называется системой управления (СУ).

По принципу обработки информации СУ делятся на аналоговые, цифровые и цифроаналоговые. Цифровые СУ могут реализовываться аппаратно и программно. В аналоговых СУ все большее распространение получают специализированные гибридные и интегральные микросхемы. В случае программной реализации используются микропроцессорные наборы и ЭВМ. Конструктивно СУ выполняются на одной или нескольких печатных платах, каждая из которых представляет законченный функциональный узел или канал управления тиристором.