201

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 модуляцией выходного 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

1. 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)

Коммутация тока в выпрямительных преобразователях

В выпрямителях коммутация тока с вентиля на вентиль осуществля­ется естественно за счет спада волны фазного напряжения. Практичес­ки такой процесс осуществляется в течение конечного интервала вре­мени, выражаемого в угловых единицах через γ.

Угол γ принято называть углом коммутации.

Причиной конечно­го значения угла γ >0 является наличие в фазных цепях на входе выпрямителя индуктивных сопротивлений х_ф, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора, индуктивностями кабелей линии передачи, индуктивностями генераторов переменного тока, создающих питающую сеть.

В общем виде для любой схемы выпрямления угол коммутации можно определить по формуле (1.3):

(1.3)

Анализируя выражение (1.3), можно установить, что угол коммутации γ возрастает при увеличении индуктивного сопротивления рассеяния обмоток трансформатора x_ф и тока нагрузки I_d, а увеличение напряжения переменного тока U₂ приводит к уменьшению угла коммутации γ.

Рис.1.2 - Контур коммутации (а) и временные диаграммы (б), поясняющие коммутационный процесс

Угол коммутации оказывает влияние на величину выходного напряжения выпрямителя. Падение выпрямленного напряжения от явления коммутации принято называть индуктивным падением напряжения и обозначать как ΔU_dх

, (1.4)

или

.

где

k_т - коэффициент тактности преобразователя.

Коэффициент мощности выпрямителя определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники P₁₍₁₎ к полной мощности S₁, потребляемой

выпрямителем из питающей сети [2]:

, (1.5)

где

P₁₍₁₎ =m₁U₁I₁₍₁₎cosφ₍₁₎ - активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники;

S₁= m₁U₁I₁ - полная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети;

m₁- число фаз сети, питающей выпрямитель;

U₁ - действующее значение напряжение фазы сети, питающей выпрямитель;

I₁ - действующее значение тока фазы сети, питающей выпрямитель;

I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники тока фазы сети, питающей выпрямитель;

φ₍₁₎ - фазовый сдвиг первой гармоники тока фазы по отношению к первой гармоники напряжения фазы сети, питающей выпрямитель.

(1.6)

где

I₁₍₁₎/I₁=k_иск. - коэффициент искажения формы тока питающей сети;

cosφ₍₁₎ =k_сдв. - коэффициент сдвига первой гармоники тока питающей сети по отношению к напряжению.

Как показано на рис.1.2, кривые токов, потребляемых выпрямителями, отличны от синусоидальной формы и, кроме первой (основной) гармоники, содержат в своем составе и высшие гармонические, порядок k которых определяется соотношением:

k =k_Тm₂n ±1 , (1.7)

где n=1,2, 3, 4, …- натуральный ряд чисел.

По формуле (1.7) нетрудно определить, что в кривой первичного тока трехфазной мостовой схемы выпрямления (k_Тm₂=6) содержатся гармоники порядков 5,7,11,13, и выше, в кривой трехфазной однотактной схемы выпрямления (k_Тm₂=3) содержатся высшие гармоники порядков 2,4,5,7, и выше, а в кривой однофазного мостового выпрямителя содержатся гармоники порядка 3,5,7, и выше.

Амплитуда высшей гармоники при прямоугольной форме кривой тока вторичной обмотки трансформатора обратно пропорциональны номеру гармоники, т.е.:

(1.8)

Следует отметить, что гармоники более высоких порядков имеют меньшую амплитуду и легче отфильтровываются вследствие более высокой частоты. Поэтому многофазные схемы оказывают меньшее отрицательное влияние на работу силовой сети переменного тока.

Без учета коммутационных процессов коэффициент искажения формы тока питающей сети трехфазного мостового выпрямителя

(1.9)

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения формы тока первичной сети при L_d=∞

С учетом коммутационных процессов коэффициент искажения несколько увеличивается, что приводит к повышению коэффициента мощности выпрямителя в целом.

Так, для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения определяется по формуле (1.10)

(1.10)

Без учета угла коммутации коэффициент сдвига равен косинусу угла регулирования, т.е.: k_сдв. =cosα..

Для выпрямительного режима с учетом угла коммутации угол φ₍₁₎= α+γ/2

и коэффициент сдвига управляемого выпрямителя следует определять по формуле (1.11):

(1.11)

При γ<30° более точные результаты определения k_сдв. дает формула (1.12)

(1.12)

Регулировочная характеристике управляемого выпрямителя - это зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования α, т.е. U_d=f(α) [2]. При непрерывном характере тока нагрузки (нагрузка активно-индуктивная, L_d =∞) регулировочная характеристика выпрямителя, выполненного по любой схемы, представляет собой косинусоиду при любом числе вторичных фаз.

(1.13)

При конечном значении индуктивности цепи нагрузки регулировочные характеристики отклоняются от косинусоиды. Отклонение регулировочной характеристики от косинусоиды из-за появления прерывистости тока цепи нагрузки происходит при тем меньших углах регулирования, чем меньше число вторичных фаз (m₂) и чем меньше индуктивность сглаживающего дросселя (L_d). Угол регулирования, соответствующий границе непрерывного и прерывистого характера тока нагрузки, называется граничным углом и обозначается как α_гр., а угол регулирования, при котором выпрямленное напряжение равно нулю, называется углом запирания и обозначается как α_зап..

При чисто активном характере нагрузки (L_d=0) для любой схемы выпрямления можно выделить два участка.

Первый участок регулировочной характеристики, 0<α<α_гр, ток нагрузки непрерывен и регулировочная характеристика имеет косинусоидальный характер:

Второй участок регулировочной характеристики, α_гр <α< α_зап., ток нагрузки имеет прерывистый характер и регулировочная характеристика определяется формулой (1.14):

(1.14)

Значения углов α_гр и α_зап., определяются следующими соотношениями

(1.15)

(1.16)

Определим по (1.15) и (1.16) значения углов α_гр и α_зап. для рассмотренных выше схем выпрямления и сведем эти значения в табл. 1.1.

Таблица 1.1.Значения углов α_гр. и α_зап.

Схема	m2	kT	αгр.	αзап.
Однофазная мостовая	1	2	0^0	180^0
Трехфазная однотактная	3	1	30^0	150^0
Трехфазная мостовая	3	2	60^0	120^0

Регулировочные характеристики однофазного мостового (k_тm₂=2), трехфазного однотактного (k_тm₂=3) и трехфазного мостового (k_тm₂=6) для случая чисто активной нагрузки и активно-индуктивной нагрузки (L_d≠0) приведены на рис.1.3.

Рис.1.3 - Регулировочные характеристики управляемых выпрямителей

Внешняя характеристика выпрямителя [2] – это зависимость среднего значения напряжения нагрузки от тока нагрузки, т.е. U_d=f(I_d) при постоянном (заданном) значении угла регулирования α.

Выражение внешней характеристики выпрямителя имеет вид

(1.17)

В выражении (1.17) учтены следующие падения напряжения при протекании тока нагрузки I_d:

- ∆U_х - индуктивное падение напряжения, вызванное явлением коммутации;

∆U_х =Х_кI_d;

- ∆U_Rф- падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора и вентильного блока выпрямителя (активное падение напряжения):

∆U_Rф =k_тI_dR_ф; (1.18)

R_ф=R_тр+R_в.дин. - сумма активных сопротивлений обмотки трансформатора R_тр и динамического сопротивления вентиля R_в.дин. .

R_тр =R₂+R₁^′,

где

R₂ - активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора;

R₁^′ - активное сопротивление первичной обмотки, приведенное к виткам вторичной обмотки трансформатора.

∆U_Lф - падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя фильтра (R_LФ);

∆U_Lф = I_dR_Lф ; (1.19)

∆U_в - падение напряжения на открытом тиристоре;

k_Т = k_Т∆U_пр.; (1.20)

k_Т - коэффициент тактности выпрямителя.

Рис.1.4 - Внешние характеристики управляемого выпрямителя

Следует отметить, что внешняя характеристика выпрямителя соответствует соотношению (1.17) только для режима непрерывного тока нагрузки. При ограниченной величине индуктивности цепи постоянного тока, углах регулирования α_гр. < α и малых токах нагрузки наступает режим прерывистых токов нагрузки, при которых внешняя характеристика резко поднимается вверх (смотри рис. 1.4). Увеличение выпрямленного напряжения в этом случае происходит за счет сокращения длительности работы тиристора в отрицательной области напряжения U₂ вторичной обмотки трансформатора.

При холостом ходе (I_d=0) напряжение в режиме прерывистых токов (α_гр. < α) может быть подсчитано по формуле (1.14).

Прерывистый характер тока имеет место при токах нагрузки I_d:

0< I_d< I_{гр m}.

(1.21)

где ω_c=2πf_c,

f_c - частота сети, питающей выпрямитель;

L_ф - индуктивность дросселя сглаживающего фильтра цепи нагрузки выпрямителя.

Принятые на рис.1.4 обозначения: - U_dα/U_d0 – относительная величины напряжения на выходе выпрямителя;

- I_d/I_d0 – относительная величина тока нагрузки выпрямителя.

Для трехфазного мостового выпрямителя, а также для всех схем, пульсность которых p=k_тm₂=6

. (1.22)

Коэффициент полезного действия выпрямителя [2]:

(1.23)

где:

∑ ∆Р - суммарная мощность потерь выпрямителя;

∑ ∆Р= ∆Р_тр+∆Р_др+ ∆Р_в ;

∆Р_тр= ∆Р_c+ ∆Р_м;

∆Р_тр - потери в трансформаторе;

∆Р_c - потери в стали трансформатора;

∆Р_м - потери в меди трансформатора;

∆Р_др =I_d²R_L - потери в меди дросселя;

∆Р_в - потери в вентилях выпрямителя;

∆Р_в = k_тI_d∆U_в.пр.+k_тI_в² R_в.дин.

I_в - действующее значение тока, протекающего через вентиль.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение понятию «выпрямитель».

2. Приведите и поясните блок – схему выпрямителя.

3. Приведите схему однофазного мостового выпрямителя, дайте пояснения принципу работы этой схемы выпрямления.

4. Приведите схему трехфазного однотактного выпрямителя, дайте пояснения принципу работы этой схемы выпрямления.

5. Приведите схему трехфазного мостового выпрямителя, дайте пояснения принципу работы этой схемы выпрямления.

6. Дайте пояснения процессу коммутации в выпрямителе, укажите влияние этого процесса на величину выходного напряжения и коэффициент мощности выпрямителя.

7. Перечислите все составляющие потерь мощности в выпрямителе, укажите формулы расчета этих потерь и КПД выпрямителя.

8. Приведите формулы и графики регулировочных характеристик управляемых выпрямителей, поясните в чем заключается различие в этих характеристиках.

9. Приведите формулы и графики внешних характеристик выпрямителей, дайте пояснения их виду.