Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Силовая электроника. Выпрямители

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 791382.01.99
Рассмотрены принципы работы электрических преобразователей. Дается характеристика силовых полупроводниковых приборов. Приведены схемы, диаграммы работы, основные характеристики неуправляемых и управляемых выпрямителей. Проработаны вопросы динамических свойств выпрямителей. Приводятся примеры решения задач, а также справочная информация по силовым тиристорам, предохранителям, трансформаторам и реакторам. Для студентов электроэнергетических направлений подготовки.
Иванов, А. В. Силовая электроника. Выпрямители : учебное пособие / А. В. Иванов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 156 с. - ISBN 978-5-9729-1031-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1902474 (дата обращения: 13.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

А. В. Иванов





                СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА




            ВЫПРЯМИТЕЛИ


Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.314
ББК 31.264.5
       И20

Рекомендовано к изданию экспертным советом по учебным изданиям ВоГУ

Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент кафедры управляющих и вычислительных систем ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет» С. Б. Федотовский;
директор ООО «Северэнергопроект» (г. Вологда) А. В. Смирнов

       Иванов, А. В.
И20          Силовая электроника. Выпрямители : учебное посо-
       бие / А. В. Иванов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 156 с.: ил., табл.
              ISBN978-5-9729-1031-1

       Рассмотрены принципы работы электрических преобразователей. Дается характеристика силовых полупроводниковых приборов. Приведены схемы, диаграммы работы, основные характеристики неуправляемых и управляемых выпрямителей. Проработаны вопросы динамических свойств выпрямителей. Приводятся примеры решения задач, а также справочная информация по силовым тиристорам, предохранителям, трансформаторам и реакторам.
       Для студентов электроэнергетических направлений подготовки.
УДК 621.314
ББК31.264.5





ISBN 978-5-9729-1031-1

    © Иванов А. В., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...........................................5
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.....................................6
     1.1. Классификация полупроводниковых преобразователей.............................6
     1.2. Принципы работы полупроводниковых преобразователей..............................9
     1.3. Характеристики и параметры полупроводниковых преобразователей............................18
     1.4. Силовые полупроводниковые приборы.......19
2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ......................26
     2.1. Трансформаторы в схемах выпрямителей....26
     2.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель... 26
     2.3. Однофазный нулевой неуправляемый выпрямитель................................. 28
     2.4. Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель................................. 43
     2.5. Трехфазный нулевой неуправляемый выпрямитель 46
     2.6. Трехфазный мостовой неуправляемый выпрямитель................................. 49
     2.7. Коммутационные процессы в неуправляемых выпрямителях. Внешняя характеристика неуправляемых выпрямителей................................ 51
3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ....................... 55
     3.1. Однофазный нулевой управляемый выпрямитель... 55
     3.2. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель... 63
     3.3. Трехфазный нулевой управляемый выпрямитель.64
     3.4. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель................................. 66
     3.5. Коммутационные процессы в управляемых выпрямителях. Внешняя характеристика управляемых выпрямителей................................ 70
     3.6. Высшие гармонические в выпрямленном напряжении и первичном токе выпрямителей................72
     3.7. Коэффициент мощности и КПД выпрямителей.75

3

    3.8. Режим инвертирования в управляемых выпрямителях............................. 78
    3.9. Работа однофазного ведомого инвертора с выводом нулевой точки трансформатора..............84
    3.10. Реверсивные тиристорные преобразователи.. 90
    3.11. Обобщенные регулировочные характеристики реверсивных преобразователей. Зона прерывистого тока   100
    3.12. Виды защит полупроводниковых преобразователей........................ 103
    3.13. Системы управления преобразователей
    с естественной коммутацией. Основные блоки и их функции................................. 108
    3.14. Управляемые выпрямители, как элемент САР. 116
    ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................. 128
    БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................ 129
    ПРИЛОЖЕНИЕ1............................. 130
    ПРИЛОЖЕНИЕ2............................. 136
    ПРИЛОЖЕНИЕ3............................. 138
    ПРИЛОЖЕНИЕ4............................. 142
    ПРИЛОЖЕНИЕ5............................. 143

4

ВВЕДЕНИЕ


       Дисциплина «Силовая электроника» является одной из основных при подготовке бакалавров и специалистов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и основывается на знаниях высшей математики, теоретических основ электротехники, полупроводниковых приборов, электронных цепей и сигналов.
       Преобразовательные устройства предназначены для управления потоком электрической энергии (видом, количеством, качеством) с целью регулирования режимов работы различных электротехнических устройств. Силовые полупроводниковые преобразовательные устройства служат для преобразования электрического тока и напряжения: переменного тока в постоянный, постоянного тока в переменный, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня ит. д.
       Целью настоящего пособия является анализ принципов действия основных типов преобразовательных устройств, в частности, выпрямителей, выявления их важнейших характеристик и показателей, а также уяснение методов их расчета.
       Учебное пособие состоит из трех разделов: классификация полупроводниковых преобразователей, неуправляемые выпрямители, управляемые выпрямители. Приведены примеры решения задач и справочные данные по силовому электрооборудованию.
       Автор выражает глубокую признательность рецензентам рукописи - директору ООО «Северэнергопроект» Смирнову А. В., доценту кафедры управляющих и вычислительных систем ВоГУ, к. т. н. Федотовскому С.Б.

5

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

   1.1. Классификация полупроводниковых преобразователей
      Силовая электроника - дисциплина, изучающая принципы действия и особенности преобразователей электрической энергии (преобразовательных устройств), применяемых в электроприводе, электрической тяге, электротермии, электротехнологии, электроэнергетике и т. д.
      Преобразовательное устройство предназначено для управления потоком электрической энергии (его видом, количеством, качеством), подводимой из сети, с целью регулирования режимов работы различных электротехнических устройств.
      Управление - это регулирование по требуемому закону одной или нескольких координат (напряжение, ток, ЭДС).
      Различают два способа управления:
     -  параметрический - способ управления осуществляется с помощью изменения параметров цепей (активных и реактивных сопротивлений и т. п.). Характеризуется низким КПД и дискретностью;
     -  энергетический - способ управления осуществляется с помощью регулирования количества и качества подводимой электрической энергии.
      К преобразователям, осуществляющим энергетический способ управления, относятся: электромашинные, электромагнитные, полупроводниковые. Первые два вида преобразователей имеют существенные недостатки и в настоящее время применяются достаточно редко. Их изучение не входит в рамки настоящей дисциплины. Последний представляет собой совокупность преобразователей электрической энергии, в основе которых лежат схемы с использованием полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов).
      В любом полупроводниковом преобразователе (ПП), как правило, можно выделить две части (рис. 1.1):

6

       силовую часть, в которой осуществляются все основные энергетические преобразования и передача энергии от первичного источника к нагрузке;
       систему управления, в которой формируются сигналы управления работой силовых регулирующих элементов.
       Поскольку через силовую часть осуществляется основная энергопередача, то ее элементы (активные регулирующие - транзисторы или тиристоры; энергоемкие элементы - трансформаторы, реакторы и конденсаторы сглаживающих фильтров) имеют относительно большую установленную мощность и определяют габариты всего ПП. В системе управления происходит информационная обработка сигналов. Поэтому, выделяющиеся в ее элементах мощности и, следовательно, габариты значительно меньше, чем в силовой части.


Рис. 1.1. Структурная схема ПП

       Все ПП как преобразователи параметров электрической энергии можно классифицировать по следующим признакам преобразования (табл. 1).
       Кроме того, преобразование может осуществляться в несколько этапов.


7

Классификация ПП

Таблица 1

       Вид                              На входе                        
     энергии          Постоянного                                       
                        тока (=)           Переменного тока (~)         
На выходе           Преобразователь                                     
                      постоянного               Выпрямитель             
                       напряжения                                       
                      Реверсивный                                       
             + -    преобразователь       Реверсивный выпрямитель       
            (-+)*     постоянного                                       
                       напряжения                                       
                                         fex ^вых         fex^febix    
              ~        Автономный    Преобразователь  Непосредственный 
                        инвертор       переменного     преобразователь 
                                        напряжения         частоты     
*3нак «+ -, (- +)» означает возможность изменения полярности выход-     
ного постоянного напряжения.                                            

       В этом случае преобразователи имеют промежуточные звенья и называются комбинированными, например:
       преобразователи переменного напряжения в переменное с промежуточным звеном постоянного тока;
       преобразователи постоянного напряжения в постоянное с промежуточным звеном переменного тока.

8

1.2. Принципы работы полупроводниковых преобразователей


       Преобразователь постоянного напряжения (ППН) -
электротехническое устройство, предназначенное для регулиро

вания среднего значения постоянного напряжения на нагрузке при постоянном напряжении источника.
       ППН служит для питания нагрузки постоянным напряжением Пн, отличающимся по величине от напряжения источника Е (рис. 1.2, а). ППН основаны на использовании импульсных методов регулирования постоянного напряжения. Поэтому их называют импульсными преобразователями постоянного напряжения (ИППН). Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью tn и паузой tu, амплитуда которых близка к напряжению питания Е (рис. 1.2, б). Выходное напряжение преобразователя Пн характеризуется средним значением Пн. Требуемого качества выходного напряжения с точки зрения пульсаций добиваются включением сглаживающего фильтра между выходом преобразователя и нагрузкой.


а⁾


Рис. 1.2. Принцип действия ППН: а - ИППН; б - диаграмма выходного напряжения

9

       Импульсный метод регулирования постоянного напряжения имеет следующие разновидности.
       Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов tn (рис. 1.3, а) при неизменном периоде их следования (Т = const, частота f = 1/Т = const). Среднее значение выходного напряжения преобразователя при широтно-импульсном регулировании связано с напряжением питания соотношением

Uн = tuE = уЕ ,              (1.1)


       где у = УТ - коэффициент регулирования (преобразования).


Рис. 1.3. Принципы импульсного регулирования:

а - ШИР; б - ЧИР


       В соответствии с (1.1) диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР находится в пределах от нуля 0и 0, у 0) доЕ (Е = Т, у 1).
       При частотно-импульсном методе регулирования (ЧИР) изменение выходного напряжения производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов (f = 1/Т = var),


10

(рис. 1.3, б) при неизменной их длительности (tH= const). Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением


                        Uн = tuE = tи fE.              (1.2)

       Выходному напряжению, равному Е, здесь соответствует предельная частота следования импульсов, равная 1/tH, а нулевому выходному напряжению - нулевая частота f ^ 0.
       Совместное использование ШИР и ЧИР (комбинированное регулирование) заключается в изменении двух параметров выходных импульсов: tn и f.
       Реверсивный преобразователь постоянного напряжения (РППН) - это устройство предназначенное для регулирования среднего значения постоянного напряжения на нагрузке, а так же его знака при постоянном напряжении источника.
       В РППН также применяется импульсный метод регулирования постоянного напряжения. РППН должен обеспечивать возможность формирования на нагрузке напряжения двух полярностей. По этому он формируется из пар встречно-параллельных включенных нереверсивных ИППН.
       Применяются следующие варианты формирования выходного постоянного напряжения (рис. 1.4).

T ⁺ = T — = T ,
                        T = t ₊ t₊ ,                   ⁽¹³⁾

        —    +

       Возможны два варианта управления РППН:
       -        раздельное, при котором нереверсивные преобразователи, входящие в реверсивный, работают независимо друг от друга поочередно в зависимости от требуемого знака выходного напряжения (рис. 1.4, а, б);
       -        совместное, при котором в формировании напряжения одного знака участвуют оба нереверсивных преобразователя. При этом их работа уже не является независимой и подчиняется

11

закону согласованного управления для реверсивных импульсных преобразователей (рис. 1.4, в): т.е. периоды следования отрицательных и положительных импульсов должны быть равны, а сумма их длительностей должна быть постоянной.
       Если при совместном управлении нарушить закон согласованного управления, то появится вероятность короткого замыкания источника.


Рис. 1.4. Варианты формирования выходного постоянного напряжения РППН

       Автономный инвертор (АИ) - это устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного, регулируемую по амплитуде, частоте, а возможно и фазе, при постоянном напряжении источника.
       Принцип преобразования заключается в периодической смене полярности на нагрузке. При этом в статическом режиме длительности подключения к отрицательной и положительной шинам должны быть равны. Период первой гармонической составляющей на выходе преобразователя задается периодом

12