Силовая и преобразовательная техника

С. Ю. Съянов, Н. Ю. Лакалина






            СИЛОВАЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА


Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.314
ББК 32.853
     С94


Рецензенты:
доктор технических наук Я. Н. Отений;
кандидат технических наук А. Э. Вирт;
кандидат технических наук Н. И. Никифоров;
генеральный директор ООО «КОНСТРУКТОР» А. Д. Сырых





     Съянов, С. Ю.
С94 Силовая и преобразовательная техника : учебное пособие / С. Ю. Съянов, Н. Ю. Лакалина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -108 с. : ил.
           ISBN 978-5-9729-1290-2

           Рассмотрены электрические принципиальные схемы, классификация, области применения, принцип действия силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах (вентильные преобразователи, сглаживающие фильтры, стабилизаторы напряжения и тока). Описаны принципы построения систем управления вентильными преобразователями.
           Для студентов направлений подготовки 15.03.06 «Мехатроника и робототехника», 27.03.04 «Управление в технических системах».

УДК 621.314
                                                             ББК 32.853












ISBN 978-5-9729-1290-2

     © Съянов С. Ю., Лакалина Н. Ю., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ВВЕДЕНИЕ



    Основной особенностью силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах является ключевой режим работы силовых элементов, в качестве которых применяют диоды, транзисторы, тиристоры. Импульсный режим работы позволяет использовать силовую и преобразовательную технику в мощных системах (десятки, сотни киловатт) и обеспечить при этом высокие энергетические и массогабаритные показатели.
    К основным типам силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах относятся:
    -  неуправляемые и управляемые выпрямители, ведомые сетью инверторы;
    -  импульсные преобразователи постоянного и переменного напряжения;
    -  автономные инверторы;
    -  преобразователи частоты, числа фаз и т. д.
    Управляемая силовая и преобразовательная техника в автоматизированных системах содержит системы управления на базе микропроцессорных систем. Современные микропроцессорные системы управления позволяют реализовать самые эффективные режимы работы и законы регулирования силовой и преобразовательной техники.
    Основными областями применения силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах являются регулируемый электропривод постоянного и переменного тока, источники питания электротехнологических установок, источники бесперебойного питания, стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.
    Учебное пособие предназначено для изучения теоретической и практической части дисциплины «Основы силовой и преобразовательной техники» и соответствует требованиям учебной программы дисциплины «Основы силовой и преобразовательной техники».
     В учебном пособии представлены современные сведения, необходимые при проектировании автоматизированных процессов и производств, а также при выборе, расчете и эксплуатации силовой и преобразовательной техники.
     Учебное пособие состоит из шести глав, посвященных описанию электрических принципиальных схем, классификаций, областей применения, принципов действия силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах (вентильные преобразователи, сглаживающие фильтры, стабилизаторы напряжения и тока), а также принципов построения систем управления вентильными преобразователями.
     В заключении сформулированы основные выводы по эффективности применения силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах и рекомендации по ее применению в управлении технологическими процессами машиностроительного производства. Также показаны тенденции и перспективы дальнейшего развития элементной базы, схемотехнических решений силовой и преобразовательной техники в автоматизированных системах и

3

систем управления вентильными преобразователями, рассматриваемых в учебном пособии.
      Для самостоятельной проверки степени усвоения студентами сведений, содержащихся в учебном пособии, в конце каждой главы приводятся контрольные вопросы.
    Учебное пособие предназначено для студентов очной формы обучения по направлениям подготовки: 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и 27.03.04 «Управление в технических системах».

4

            ГЛАВА 1


            ВЫПРЯМИТЕЛИ


    Выпрямитель - это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
    Структурная схема выпрямителя (рис. 1) [1, 2, 3] содержит следующие основные функциональные элементы: Тр - трансформатор, предназначен для согласования по значению входного и выходного напряжений выпрямителя, а также для обеспечения электрической развязки питающей сети от нагрузки, В -блок вентилей, осуществляет функцию выпрямления, преобразуя переменное напряжение в пульсирующее, Ф - сглаживающий фильтр, предназначен для выделения постоянной составляющей выпрямленного напряжения, СУВ - система управления выпрямителем (для управляемых выпрямителей).


Рис. 1. Структурная схема выпрямителя


        1.1. Классификация и основные характеристики выпрямителей

    Принципиальные электрические схемы выпрямителей могут быть классифицированы [1, 3, 6] по следующим основным признакам:
    1)  выходной мощности:
      а)  малой;
      б)  средней;
      в)  большой.
    2)  возможностям регулирования выходного напряжения:
      а)  неуправляемые;
      б)  управляемые.
    3)  числу фаз питающего напряжения:
      а)  однофазные;
      б)  трехфазные.
    4)  способу преобразования питающего напряжения:
      а)  однотактные;
      б)  двухтактные.

5

    К однотактным относят выпрямители, у которых ток по вторичным обмоткам трансформатора проходит в одном направлении. Однотактные выпрямители - это выпрямители с выводом нулевой (средней) точки трансформатора.
    В двухтактных выпрямителях в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток проходит дважды за период в разных направлениях. Двухтактные выпрямители выполняют по мостовым схемам.
    Основные характеристики выпрямителей [1, 2, 3]:
    -   средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного напряжения Ud и тока Id;
    -   коэффициент пульсаций

K п = Um,                           (1)
Ud

где U₁ₘ - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;
    -   коэффициент мощности

                            „  Р₁
^ =   = У cos Ф1,                       ⁽²⁾
Si

где Pi - активная мощность первичной обмотки, Si - полная мощность первичной обмотки, у - коэффициент искажения, ф1 - угол сдвига фаз между напряжением сети и первой гармоникой тока первичной обмотки;
    -   коэффициент полезного действия

P
п = /;                              (3)
P₁

    -   внешняя характеристика

                              Ud = f(id);                           (4)

    -   регулировочная характеристика

                              Uda = f(a),                           (5)

где а - угол управления.
    Для сравнительного анализа различных схем выпрямления применяют понятие числа фаз выпрямления

m = p-q>                            ⁽⁶⁾


6

где р - число фазных обмоток вторичной цепи трансформатора (q = 1 для однотактных схем, q = 2 для двухтактных схем).

    Основные расчетные параметры схем выпрямления [3, 6]
    Исходными данными для расчета параметров выпрямителя являются постоянные составляющие выпрямленного напряжения Ud и тока Id, а также действующее напряжение питающей сети Ui.
    Для выбора диода или тиристора определяют:
    -      среднее, действующее и максимальное значения тока через вентиль 1вср, 1в, 1втах;
    -  максимальное значение обратного напряжения на вентиле ивтах.
    Для выбора (или расчета) трансформатора определяют:
    -      действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора I2, U2;
    -  действующее значение тока первичной обмотки трансформатора Ii;
    -  расчетные мощности обмоток трансформатора

Si = U1I1, S2 = U2I2;                    (7)

    -  типовую (габаритную) мощность

S™ = ^.                                (8)

    Типовая (габаритная) мощность определяет массу и габариты трансформатора.
    Далее, если не оговорено, рассматривается работа идеализированных выпрямителей, состоящих из идеальных вентилей и идеального трансформатора. В идеальном трансформаторе принимаются равными нулю активные сопротивления обмоток, потери в сердечнике, индуктивности рассеяния и намагничивающий ток.


        1.2. Неуправляемые выпрямители

    Неуправляемые выпрямители (НУВ) [1, 2, 3, 6] преобразуют электрическую энергию переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. В качестве силовых элементов в НУВ применяют диоды. При неизменном действующем напряжении питающей сети Ui постоянные составляющие выпрямленного напряжения Ud и тока Id определяются только электрической принципиальной схемой НУВ.

    Однотактные выпрямители [1, 2, 3, 6]
    Электрическая принципиальная схема однополупериодного однотактного неуправляемого выпрямителя приведена на рис. 2, а, временные диаграммы работы - на рис. 2, б.


7

    Диод VD открыт на интервалах, где U2 > 0. Выпрямленное напряжение па представляет собой однополупериодную пульсирующую кривую. Ток id при активной нагрузке повторяет по форме напряжение па.
    Из уравнения магнитного равновесия трансформатора, пренебрегая током холостого хода (намагничивания) и учитывая, что постоянная составляющая тока i2 в первичную обмотку не трансформируется, получим для тока в первичной обмотке


i1W1 = ⁻W2⁽ⁱ2 - id),


(9)

где ii - ток первичной обмотки, i2 - ток вторичной обмотки, id - ток нагрузки, wi, W2 - число витков первичной и вторичной обмотки соответственно.

Тр

VD

    4Н—-


id

Rd

    Рис. 2. Однополупериодный однотактный неуправляемый выпрямитель


    Недостатком однополупериодного однотактного неуправляемого выпрямителя является то, что постоянная составляющая тока вторичной обмотки создает дополнительный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. При этом намагничивающий ток увеличивается в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме. Увеличение намагничивающего тока в свою очередь связано c увеличением сечения провода первичной обмотки и габаритов трансформатора. Также недостатком однополупериодного однотактного неуправляемого выпрямителя является большая величина пульсаций выпрямленного напряжения.
    Электрическая принципиальная схема однофазного однотактного двухпо-лупериодного неуправляемого выпрямителя приведена на рис. 3, а, временные диаграммы работы - на рис. 3, б. Вторичные обмотки трансформатора имеют общую (нулевую) точку, нагрузка включена между нулевой точкой трансформатора и катодной группой диодов.

8

Тр

ii

VD1     id

VD2

б

Рис. 3. Однофазный однотактный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

     Напряжения U21, U22 вторичных обмоток трансформатора находятся в противофазе. На интервале 0 < wt < л на аноде VD1 действует положительное по отношению к катоду напряжение, диод VD1 открыт, ток протекает по контуру VDl-Rd-Тр. Диод VD2 заперт, так как к нему приложено отрицательное напряжение, значение которого равно удвоенному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. На интервале л < wt < 2л открыт VD2, и ток замыкается по контуру VD2-Rd-Тр.
     Подмагничивание трансформатора отсутствует, так как постоянные составляющие токов вторичных обмоток трансформатора создают магнитные потоки, имеющие противоположные направления. Ток первичной обмотки трансформатора i1 имеет синусоидальную форму.
     Электрическая принципиальная схема трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя приведена на рис. 4, временные диаграммы работы - на рис. 5.
     Так как катоды диодов объединены, в любой момент времени проводит тот из них, на аноде которого наибольший положительный потенциал относительно нулевой точки трансформатора. Так, на интервале л/6 < wt < 5л/6 наибольшее значение имеет напряжение иа, соответственно открыт диод VD1. К нагрузке прикладывается напряжение иа, ток протекает по контуру VD1-Rd-Тр. В момент времени wt = 5л/6 наибольшее значение принимает напряжение иь, открывается диод VD2, через который к выходящему из работы диоду VD1 прикладывается отрицательное напряжение uₐb = uₐ — иь и VD1 закрывается. Далее процессы повторяются. В результате этого выпрямленное напряжение имеет форму огибающей кривой фазных напряжений с тремя пульсациями за период. Токи через диоды имеют вид импульсов длительностью 2л/3.

9

    Основным недостатком такого выпрямителя является наличие постоянного подмагничивания трансформатора.

Рис. 4. Электрическая принципиальная схема трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя

ia1

ia2

ia3

id

Ua:
Ub
Uc

rot

Л/6

5 л/6

rot

rot

rot

rot

2л/3

Рис. 5. Временные диаграммы работы трехфазного однотактного неуправляемого выпрямителя

10