Розрахунок безпосереднього перетворювача частоти

1.

Введение

.

2. Перетворювачі частоты.

3. Перетворювач частоти з безпосередньою связью.

4. Розрахунок параметрів елементів та його вибір

5. Вибір силового трансформатора.

6. Схема заміщення однієї фази силового трансформатора і його параметры.

7. Вибір тиристоров.

8. Розрахунок втрат потужності керованих вентилях.

9. Визначення граничного струму через напівпровідникову структуру приладу для встановлених режимів работы.

10. Припустима потужність втрат надходжень у вентиле.

11. Визначення кутів комутації вентилей.

12. Уточнення коефіцієнта трансформації з урахуванням падіння напруги на елементах силовий схемы.

13. Приведення мережного напруги до вентильной боці трансформатора.

14. Захист тиристоров від перенапряжений.

15. Визначення індуктивності зрівняльного реактора.

16. Визначення ударного струму при зовнішньому короткому замыкании.

17. Вибір коштів автоматичної захисту від аварійних токов.

18. Найвища вимога до схемами управління тиристорными преобразователями.

19.

Список литературы

.

У електронної техніці виділяють силову і інформаційну електроніку. Силова електроніка спочатку виникла як область техніки, пов’язана переважно з перетворенням різних видів електроенергії з урахуванням використання електронних приладів. Надалі досягнення у галузі напівпровідникових технологій дозволили значно розширити функціональні можливості силових електронних пристроїв і сфери їхньої применения.

Устрою сучасної силовий електроніки дозволяють управляти потоками електроенергії у цілях її перетворення вже з виду на другий, а й розподілу, організації швидкодіючої захисту електричних ланцюгів, компенсації реактивної потужності тощо. Ці функції, тісно пов’язані з традиційними завданнями електроенергетики, визначили й те назва силовий електроніки — енергетична электроника.

Інформаційна електроніка переважно використовується керувати інформаційними процесами. Зокрема, устрою інформаційної електроніки є основою схем управління й державного регулювання різними об'єктами, зокрема і апаратами силовий электроники.

Електроенергія використовують у різні форми: як змінного струму із частотою 50 гц, як постійного струму (понад двадцять% усієї продукованої електроенергії), і навіть змінного струму підвищеної частоти чи струмів спеціальної форми. Цю відмінність можна переважно зумовлено різноманіттям і специфікою споживачів, а деяких випадках (наприклад, в системах автономного електропостачання) і первинних джерел электроэнергии.

Розмаїття в видах споживаної і вироблюваної електроенергії зумовлює необхідність її перетворення. Основними видами перетворення електроенергії являются:

1) випрямлення (перетворення змінного струму в постоянный);

2) інвертування (перетворення постійного струму в переменный);

3) перетворення частоти (перетворення змінного струму однієї частоти в перемінний струм інший частоты).

Основними елементами силовий електроніки, стали базою до створення статичних перетворювачів, з’явилися напівпровідникові прилади. Провідність більшості їх у істотною мірою залежить від докладеної напруги: у напрямку їх провідність велика, у протилежному — мала (тобто напівпровідниковий прилад має дві явно виражених стану: відкритий і закрите). Напівпровідникові прилади бувають некерованими і керованими. Останніх можна управляти моментом наступу їхньою високою провідності (включенням) у вигляді управляючих імпульсів малої мощности.

Інвертування — це перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму при заданому вихідному напрузі чи струмі й частоти. Якщо инверторе використовуються тиристоры, необхідно застосування схем примусової коммутации.

Інвертори, працюючі джерела постійної напруги й що визначають величину напруги на навантаженні, тоді як струм навантаження визначається опором навантаження, називаються инверторами напряжения.

Інвертори, працюючі джерела постійного струму, називаються инверторами струму. Джерело постійного струму реалізується шляхом включення котушки індуктивності послідовно з джерелом постійної напруги. Перетворювачі цього є джерелом струму стосовно нагрузке.

Залежно від характеру навантаження такі перетворювачі можуть стабілізувати вихідний напруга чи потужність, можуть змінювати по визначеному закону частоту вихідного сигналу для регулювання кількості оборотів двигуна змінного тока.

Вихідний сигнал инвертора зазвичай містить багато гармонійних складових. Їх набір може змінюватися шляхом застосування спеціальних жодних фільтрів чи широтно-импульсной модуляции.

Перетворювачі частоты.

Розрізняють такі перетворювачі частоти: з проміжним ланкою постійного струму, безпосередньої зв’язком що годує сіті й ланцюга навантаження (циклоконверторы), проміжним ланкою змінного струму (циклоинверторы).

Перетворювач частоти з проміжним ланкою постійного тока.

Змінне напруга живильної мережі (рис. 1) випростується з допомогою управляючого випрямляча, фільтрується L-C фільтром і подається на автономний інвертор. Функції регулювання частоти вихідного напруги здійснює інвертор, а напруги — ректифікатор. Іноді обидві функції здійснює інвертор, а ректифікатор виконується неуправляемым.

Рис. 1 Структурна схема перетворювача частоти з проміжним ланкою постійного тока.

Перетворювачі з проміжним ланкою постійного струму дозволяють регулювати вихідну частоту з допомогою системи управляючого инвертора (СУИ) широтою діапазону як вгору, і вниз від частоти що годує мережі.

Недоліком перетворювачів з проміжним ланкою постійного струму є подвійне перетворення енергії, що зумовлює зменшенню ККД, до підвищення встановленої потужності і дотримання сили-силенної перетворювача. Але такий тип перетворювача частоти і схема управління ним простіше, ніж перетворювача з безпосередньою связью.

Вентильная частина НПЧ містить 2m2 вентильных груп, де m2 — число фаз не вдома перетворювача. Перетворювач частоти з m2-фазным виходом складається з m2 перетворювачів з однофазным виходом, які працюють із зрушенням 2?/m2 вихідний частоты.

У конкретних установках структурна схема безпосереднього перетворювача частоти може вирізняються зазначеної, в часности використовується безтрансформаторное підключення перетворювача до неї, а замість сигналів uf і uu на вхід фазосмещающего устрою може бути подано сигнал завдання щодо току і сигнали зворотний зв’язок на вихідні параметрами перетворювача. Ці відмінності на характер електромагнітних процесів в преобразователе істотно не влияют.

Перетворювачі частоти з безпосередньою зв’язком можуть виконуватися з природною та примусової коммутацией.

Рис. 3. Трехфазно-однофазный перетворювач частоти з безпосередньою связью.

На рис. 3 показано схема трехфазно-однофазного перетворювача частоти з безпосередньою зв’язком. Перетворювач і двох трифазних схем випрямлення, перша у тому числі прилучена до фазам трансформатора анодами тиристоров VS1 — VS3 (гр.I), а друга — катодами тиристоров VS4 — VS6(гр.II).

Позитивний напівперіод вихідного напруги формується при поочередной подачі отпирающих імпульсів на тиристоры гр. I; негативною — під час подачі отпирающих імпульсів на тиристоры гр.II.

Відкриваючи по черзі вентилі груп I і II, отримуємо не вдома змінне напруга із частотою f2. При активної навантаженні вихідний напруга у ньому равняется:

Частота f2 регулюється дискретно. Для плавного регулювання частоти перетворювача необхідно вводити паузу tп. включенням і вимиканням I і II груп тиристоров. Тривалість паузи мусить бути незгірш від часу замикаючих властивостей вентилів (tпtо). При активно-индуктивной навантаженні тривалість паузи визначається часом спадания нанівець струму вентиля, яке проводило струм в останній момент припинення подачі імпульсів на управляючу групу. Тоді вихідна частота будет:

f2=f1*m1*???(?n+m1)??п*m1.

?п — пауза.

Працюючи НПЧ на активно-индуктивную навантаження енергія, нагромаджена у магнітному полі мусить бути повернуто знову на первинну мережу. Для передачі енергії первинну мережу тиристоры обох груп перетворюються на инверторный режим: перші - за негативної, другі - за позитивного напрузі. Переклад груп товарів із выпрямительного режиму на инверторный здійснюється системою управління зі збільшенням кута регулювання? до значень великих 90 ел. градусов.

Недоліком НПЧ є низький коефіцієнт потужності при регулюванні вихідного напруги через зміну кута регулювання і несинусоидальной форми кривою вихідного напруги, підвищення якої повинен бути застосований фільтр, що збільшує потужність всього преобразователя.

Розрахунок параметрів елементів та його выбор.

Для вибору елементів схеми випрямляча визначимо потужність, яку треба дістати навантаженні. За умовою необхідно регулювати рівнем напруги до Uвых. max = 100 B на навантаженні з параметрами: Rн. = 1 Ом і Lн = 5 мГн. Звідси визначаємо максимальний розмір струму через навантаження Id max = Ud max / Rн =100 /1= 100 А. Тоді максимальна величина потужності, віддана на додачу дорівнює Pmax = Ud max· Id max = 10 кВ· А.

Оскільки схема належить сімейства нульових схем перетворювачів, необхідно використання трансформатора із конкретним висновком «нульових» точок від двох вторинних обмоток. Необхідність використання трансформатора пояснюється ще тим, що перетворювач працюватиме у промислових умовах, із стандартним допуском напруги харчування .

Для вибору основних елементів силовий схеми (трансформатора, тиристоров) керованого випрямляча скористаємося розрахунковими співвідношеннями (таб. 1).

Таблиця 1.

Розрахункові співвідношення для условно-шестифазной схеми выпрямления.

Примітка: величини в дужках для ідеального випрямляча без потерь.

Вибір тиристоров.

Основними параметрами за вибором напівпровідникового приладу для даного перетворювача є:

— граничний середній струм тиристора за відповідного температурі;

— чинне значення струму через прибор;

— повторювана напряжение;

— критична швидкість наростання прямого тока;

— критична швидкість наростання прямого напруження і др.

Цей тиристор належить до розряду оптронных (оптотиристор). Кремнієвий дифузний типу p-n-p-n. Два напівпровідникових елемента: кремнієвий фототиристор і арсенід галлиевый випромінюючий діод об'єднують у одну конструкцію. Призначений до застосування в помехоустойчивых системах автоматики й у ланцюгах постійного і перемінного струму перетворювачів електроенергії. Випускаються в металлостеклянном корпусі штыревой конструкції з жорсткими силовими висновками. Анодом є підставу. Маса мене 49 грамм.

Вказівки монтажем: Чистота обробки контактної поверхні охолоджувача буде не гірший 2.5. Час пайки висновків управління паяльником потужністю 50−60 Вт за нормальної температури припоя 220оС на повинен перевищувати 5 з. Закручивающий момент трохи більше 10 Н*м.

Для даного тиристора вибираємо охолоджувач типу О241−80. Крутний момент трохи більше 10 Н*м.

Визначення граничного струму через напівпровідникову структуру приладу для встановлених режимів работы.

Граничний струм приладу в що встановилася режимі роботи за заданих умовах охолодження вираховується за формулою.

Відповідно до завданням перетворювач працює у кліматичні умови У3 по ГОСТ 15 543–70. (Клімат помірний. Перетворювач працює у закритих помешканнях із природною вентиляцією без штучно регульованих кліматичних умов, де коливання температури і вологості повітря, і впливу піску і пилу істотно нижчий, ніж свіжому повітрі. Токр.ср. = -40 оС — +40 оС, DT=40oC/8часов.).

RT — загальне усталене теплове опір (за умови охолодження). З обраним охолоджувачем типу О241−80 для даного тиристора Rт=Rп-к+Rкпо-ос=0,24+0,24=0,48 ОС/Вт. Де Rкпо-ос — перехідний теплове опір контактна поверхню охолоджувача — що охолоджує среда.

U0 — граничне напруга граничною ВАХ прибора.

Використовуючи параметри даного тиристора і температурні умови експлуатації (tmax = 40? З), визначимо граничний струм приладу.

А.

Знайдемо граничний струм приладу у разі усереднення потужності залежно від коефіцієнта форми струму кф = IB / IB=. Для даної схеми коефіцієнт форми струму дорівнює кф=55/33,3 = 1,652 (зміна величини кф залежно від кута відмикання приладу не враховуємо).

Тоді.

Як очевидно з розрахунків токовый режим роботи тиристоров у цьому преобразователе приблизно за 13% нижче якомога більшої.

Захист тиристоров від перенапряжений.

У силових напівпровідникових преобразователях розрізняють такі види перенапряжений:

— зовнішні перенапруги, виникаючі як з боку живильної мережі, і із боку нагрузки;

— внутрішні перенапруги, які під час коммутациях в преобразователях;

— перенапруги, зумовлені ефектом накопичення носіїв в напівпровідникових приладів при комутації тока.

a) Для захисту силових напівпровідникових вентилів від комутаційних перенапряжений у процесі їх переключень, і навіть від комутацій у подальшому ланцюгу навантаження, паралельно вентилям включають індивідуальні RC — цепочки.

Конденсатор і резистор повинні як і меншу власну индуктивность. А, щоб захисна ланцюжок мала загалом можливо меншу, повинна бути розміщена безпосередньо близько вентиля.

Зробимо розрахунок паралельної RC — ланцюжка за захистом приладу від комутаційних перенапряжений, які виникають за переключенні тиристоров.

При виході вентиля із роботи нею діє величина лінійного напруги U2л. Зобразимо розрахункову схему (рис .5).

На схемою Ls? = 2Lsф.=2*866*10−4=5,732*10−4 — сумарна индуктивность розсіювання двох сусідніх фаз.

Застосовуваний тиристор має критичну швидкість наростання напруги, рівну (du /dt)кр. = 100 В/мкс. Виберемо обмеження з запасом (du /dt) = 50 В/мкс. Тоді (*), т.к. мало проти .

У час комутації | U2m л | = L (di/dt) (**). З висловів (*) і (**) висловимо величину опору RC — ланцюжка:

Вибір коштів автоматичної захисту від аварійних токов.

Працездатність напівпровідникових приладів при аварійних режимах відновлюється з допомогою захисних пристроїв, які мають мати максимальним швидкодією обмеження амплітуди і тривалості аварійного струму; мати високу надежность.

У тиристорных преобразователях розрізняють такі найхарактерніші аварійні режими: перевантаження по току і зовнішня коротке замикання; внутрішнє коротке замикання, викликане пробоєм вентиля; порушення у системі управления.

На боці змінного струму встановлюємо вимикач А3711Б на номінальний струм Iн = 160 А, номінальне напруга Uн = 380 У. Уставка по току срабатывния електромагнітних расцепителей Iуст.=400 А. Вимикач вміщує гранично припустимий струм короткого замикання — Imax = 36 кА.

Рис. 11. Струм на нагрузке.

Рис. 12. струм через R-C цепь.

Рис. 13. Струм на зрівняльну реакторе.

Рис. 14. Напруга на тиристоре.

Найвища вимога до схемами управління тиристорными преобразователями.

Схеми управління тиристорными перетворювачами — це устрою, виконують ряд функцій щодо забезпечення необхідного режиму роботи перетворювача, виду його енергетичних і якісних характеристик. Структура і принцип роботи схеми управління залежить від реалізованого способу управління, виду завдання сигналу управління, схеми виконавчих органів прокуратури та др.

Перерахуємо основні функції, що їх схемою управления:

1) Формування значень сигналів управління виконавчим органом відповідно до заданим сигналом управління. Цей сигнал то, можливо подано у вигляді аналогової величини, або цифрою у паралельному, послідовному, двоичном чи унітарній коде.

2)Распределение по інтервалу повторення сигналів управління тиристорными ключами відповідно до реализуемым способом управления.

3) Рівномірний розподіл сформованих сигналів управління з фазам з єдиною метою симметрирования навантаження виконавчими органами на сеть.

4)Структурное перетворення значення сигналу регулювання із єдиною метою трансформації середніх чи діючих значень вихідних параметрів за необхідності узгодження навантаження з сетью.

5) Корекція сигналу регулювання відповідно до значеннями сигналів зворотний зв’язок. Така корекція необхідна при реалізації управління перетворювачем із другого зв’язком по возмущающему параметру (наприклад, зі зміни яке живить напруги, опору навантаження чи інших аналогічних параметрів), змінює значення кванта енергії, подводимого до навантаження. Використання зворотний зв’язок істотно покращує якість управління тиристорными перетворювачами, особливо при інерційної навантаженні і наявності запаздываний в контурі регулювання поза ланцюга зворотний зв’язок по обуренню.

6) Линеаризация регулировочной характеристики тиристорного перетворювача для одержання постійного коефіцієнта передачі під час використання способів імпульсного управління з ступенчато-нелинейными характеристиками.

7) Синхронізація сигналів управління з напругою мережі задля забезпечення комутації тиристоров із наперед заданими значеннями кутів комутації? і ?.

8) Формування імпульсних сигналів необхідної форми, амплітуди і тривалості для надійної управління тиристорными ключами виконавчих органов.

1) Вільямс Б. Силова електроніка. Прилади, управління, застосування, довідкове посібник. Москва, «Энергоатомиздат», 1993 г.

2) Розанов Ю. К. Основи силовий електроніки. Москва, «Энергоатомиздат», 1992 г.

3) Скаржепа В. А., Шелехов К. В. Цифрова управління тиристорными перетворювачами. Ленінград, «Энергоатомиздат» Ленінградське відділення, 1984 г.

4) Чебовский О. Г. Силові напівпровідникові прилади. Довідник. Москва, «Энергоатомиздат», 1985 г.

5) Славко О. С., Замятін В.Я. Потужні напівпровідникові прилади. Тиристоры. Довідник. Москва, «Радіо і зв’язок», 1987 г.

6) Конструювання силових напівпровідникових перетворювачів, Москва, «Энергоатомиздат», 1989 г.

7) Енергетична електроніка, Довідкове посібник, Лабунцов В. А., Москва, «Энергоатомиздат», 1987 г.

8) Довідник з проектування автоматизованого електропривода і системам управління технологічними процесами, під загальним редакцією Мовсесова М. С., Храмушина А. М, Москва, «Энергоатомиздат», 1982 г.

9) Жемеров РР. Тиристорные перетворювачі частоти з безпосередньою зв’язком. Москва, «Енергія», 1977 г.