Преобразователи частоты

Содержание.

Введение________________________________________________03

Преобразователи частоты__________________________________04

Преобразователь частоты с непосредственной связью__________05

Расчет параметров элементов и их выбор ____________________06

Выбор силового трансформатора____________________________07

Схема замещения одной  фазы силового

 трансформатора  и ее параметры____________________________08

Выбор тиристоров_________________________________________09

Расчет потерь мощности в управляемых вентилях______________10

Определение предельного тока через полупроводниковую

 структуру  прибора для установившихся режимов  работы________11

Допустимая  мощность потерь в вентиле_______________________12

Определение углов коммутации вентилей_____________________13

Уточнение коэффициента трансформации с учетом

 падения  напряжения на элементах силовой  схемы_____________14

Приведение  сетевого напряжения к вентильной

 стороне  трансформатора___________________________________15

 Защита  тиристоров от перенапряжений_______________________16

Определение индуктивности уравнительного реактора__________17

Определение ударного тока при внешнем коротком замыкании___18

Выбор средств  автоматической защиты от аварийных  токов______19

Основные требования к схемам управления

 тиристорными преобразователями__________________________20

Список литературы________________________________________21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

     В электронной технике выделяют  силовую и информационную электронику.  Силовая электроника первоначально  возникла как область техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значительно расширить функциональные возможности силовых электронных устройств и соответственно области их применения.

    Устройства  современной силовой электроники  позволяют управлять потоками  электроэнергии не только в  целях её преобразования из  одного вида в другой, но и  распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности и так далее. Эти функции, тесно связанные с традиционными задачами электроэнергетики, определили и другое название силовой электроники – энергетическая электроника.

     Информационная электроника преимущественно используется для управления информационными процессами. В частности, устройства информационной электроники являются основой схем управления и регулирования различными объектами, в том числе и аппаратами силовой электроники.

     Электроэнергия используется в  разных формах: в виде переменного  тока с частотой 50 Гц, в виде  постоянного тока (свыше 20% всей  вырабатываемой электроэнергии), а  также переменного тока повышенной  частоты или токов специальной  формы. Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии.

     Разнообразие в видах потребляемой  и вырабатываемой электроэнергии  вызывает необходимость её преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

1. выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);
2. инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);
3. преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).

     Основными элементами силовой  электроники, ставшими базой для  создания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы.  Проводимость большинства из  них в существенной мере зависит от приложенного напряжения: в прямом направлении их проводимость велика, в обратном – мала (то есть полупроводниковый прибор имеет два явно выраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемыми и управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокой проводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности.

     Инвертирование – это преобразование  энергии постоянного тока в  энергию переменного тока при  заданном выходном напряжении или токе и частоте. Если в инверторе используются тиристоры, то необходимо применение схем принудительной коммутации.

     Инверторы, работающие от источника  постоянного напряжения и определяющие  величину напряжения на нагрузке, в то время как ток нагрузки определяется сопротивлением нагрузки, называются инверторами напряжения.

     Инверторы, работающие от источника  постоянного тока, называются инверторами  тока. Источник постоянного тока  реализуется путём включения  катушки индуктивности последовательно с источником постоянного напряжения. Преобразователи этого типа являются источниками тока по отношению к нагрузке.

     В зависимости от характера  нагрузки такие преобразователи  могут стабилизировать выходное  напряжение или мощность, могут  изменять по определённому закону частоту выходного сигнала для регулирования количества оборотов двигателя переменного тока.

     Выходной сигнал инвертора обычно  содержит много гармонических  составляющих. Их набор может  изменяться путём применения  специальных фильтров или широтно-импульсной модуляции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Преобразователи частоты.

     Различают следующие преобразователи  частоты: с промежуточным звеном  постоянного тока, непосредственной  связью питающей сети и цепи  нагрузки (циклоконверторы), промежуточным звеном переменного тока (циклоинверторы).

Преобразователь частоты с промежуточным  звеном постоянного  тока.

     Переменное напряжение питающей  сети (рис. 1) выпрямляется с помощью  управляющего выпрямителя, фильтруется  L-C фильтром и подается на автономный инвертор. Функции регулирования частоты выходного напряжения осуществляет инвертор, а напряжения – выпрямитель. Иногда обе функции осуществляет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым.

Рис. 1 Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

     Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока позволяют регулировать выходную частоту с помощью системы управляющего инвертора (СУИ) в широком диапазоне как вверх, так и вниз от частоты питающей сети.

     Недостатком преобразователей с  промежуточным звеном постоянного  тока является двойное преобразование  энергии, что приводит к уменьшению  КПД, к увеличению установленной  мощности и массы преобразователя. Однако такой тип преобразователя частоты и схема управления им проще, чем преобразователя с непосредственной связью. 
 
 
 
 

     Вентильная часть НПЧ содержит 2m₂ вентильных групп, где m₂ – число фаз на выходе преобразователя. Преобразователь частоты с m₂-фазным выходом состоит из m₂ преобразователей с однофазным выходом, работающих со сдвигом 2p/m₂ выходной частоты.

     В конкретных установках структурная  схема непосредственного преобразователя частоты может отличатся от описанной, в часности используется безтрансформаторное подключение преобразователя к сети, а вместо сигналов u_f и u_u на вход фазосмещающего устройства могут быть поданы сигнал задания по току и сигналы обратной связи по выходным параметрам преобразователя. Эти отличия на характер электромагнитных процессов в преобразователе существенно не влияют.

    Преобразователи частоты с непосредственной связью могут выполняться с естественной и принудительной коммутацией.

Рис.3. Трехфазно-однофазный преобразователь частоты с непосредственной связью.

     На рис.3 показана схема трехфазно-однофазного преобразователя частоты с непосредственной связью. Преобразователь состоит из двух трехфазных схем выпрямления, первая из которых присоединена к фазам трансформатора анодами тиристоров VS1 – VS3 (гр.I), а вторая – катодами тиристоров VS4 – VS6(гр.II).

     Положительный полупериод выходного  напряжения формируется при поочередной подаче отпирающих импульсов на тиристоры гр.I; отрицательной – при подаче отпирающих импульсов на тиристоры гр.II.

     Открывая поочередно вентили  групп I и II, получаем на выходе переменное напряжение с частотой f2. При активной нагрузке выходное напряжение на ней равняется:

     m1 – число фаз первичной сети.

     a - угол регулирования выпрямителя.

     Частота выходного напряжения  ниже, чем частота питающей сети  f1 и при отсутствии паузы между полупериодами будет:

     n=0, 1, 2, 3…

     Частота f2 регулируется дискретно. Для плавного регулирования частоты преобразователя необходимо вводить паузу t_п. включением и выключением I и II групп тиристоров. Длительность паузы должна быть не меньше времени запирающих свойств вентилей (t_п t_о).  При активно-индуктивной нагрузке длительность паузы определяется временем спадания до нуля тока вентиля, проводившего ток в момент прекращения подачи импульсов на управляющую группу. Тогда выходная частота будет:

     j_п – пауза.

     При работе НПЧ на активно-индуктивную нагрузку энергия, накопленная в магнитном поле должна быть возвращена обратно в первичную сеть. Для передачи энергии первичную сеть тиристоры обоих групп переводятся в инверторный режим: первые – при отрицательном, вторые – при положительном напряжении. Перевод групп из выпрямительного режима в инверторный осуществляется системой управления при увеличении угла регулирования a до значений больших 90 эл. градусов.

Недостатком НПЧ является низкий коэффициент  мощности при регулировании выходного  напряжения вследствие изменения угла регулирования и несинусоидальной формы кривой выходного напряжения, для улучшения которой должен быть применен фильтр, увеличивающий мощность всего преобразователя. 
 
 
 
 

Расчет  параметров элементов  и их выбор.

  Для выбора  элементов схемы выпрямителя  определим мощность, которую необходимо  получить на нагрузке. По условию  необходимо регулировать уровнем  напряжения до U_{вых. max} = 100 B на нагрузке с параметрами: R_н. = 1 Ом и L_н = 5 мГн. Отсюда определяем максимальную величину тока через нагрузку I_{d max} = U_{d max} / R_н =100 /1= 100 А. Тогда максимальная величина мощности, отдаваемая в нагрузку равна P_max = U_{d max}· I_{d max}  = 10 кВ·А.

    Так  как схема  относится к семейству  нулевых схем преобразователей, то необходимо использование  трансформатора с выводом «нулевых»  точек от двух вторичных обмоток.  Необходимость в использовании  трансформатора объясняется еще  тем, что преобразователь будет работать в промышленных условиях со стандартным допуском напряжения питания .

Для выбора основных элементов силовой схемы (трансформатора, тиристоров) управляемого выпрямителя  воспользуемся расчетными соотношениями (таб. 1).

Таблица 1.

     Расчетные соотношения  для условно-шестифазной  схемы выпрямления.

  Примечание: величины  в скобках для  идеального выпрямителя  без потерь. 
 

Выбор силового трансформатора.

     По таблице 1 определяем расчетную габаритную мощность трансформатора.

S_тр. =1,41 Р_d =1,41*10кВА=14,6 кВА.

     Из справочной литературы выбираем  специализированный трансформатор  ТСП – 160/0,7 – УХЛ4 (соответствует  ТУ 16 – 717.052-79. Изготовитель УЭТМ  г. Свердловск). Габаритные размеры:  длина – L = 625 мм, ширина – В = 305мм, высота – Н = 385 мм. Полная масса 120 кг.

     Величины потерь в данном трансформаторе:

Р_х.х. =140 Вт, Р_к.з. = 550 Вт  при U_к.з. = 5,2 %, I _х.х. = 10 %.

Расчет  паразитных параметров трансформатора.

     Выбранный  трансформатор имеет габаритную  мощность S_тр. = 14,6 кВА.

     Найдем  габаритную мощность на одну  фазу:

P_габ=S_тр /m=14,6*10³/3=4866,667 ВА.

     Схема соединений обмоток   «звезда – звезда», следовательно, U_1л=380В и U_1ф.=220В (в соответствии с заданием).

      Определим ориентировочную величину  коэффициента трансформации c учетом колебаний уровня напряжения в промышленных сетях:

к_тр.=U_1ф./ U₂=U_1ф. / (0,94 U_d)=(220– 220*0,15)/(0.94*100)=1,989

     Номинальный ток в первичной  обмотке трансформатора:

I_1ном=P_габ/U_1фА=4866,667/220=22,121 А

     Из условий опыта холостого  хода определяем:

I_1х.х. =0,1*I_1ном. = 0,1*22,121 = 2,212 А.

     Полная кажущаяся мощность холостого  хода равна

S_х.х. = U_1н.*I_1х.х. = 220*2,212 = 486,667 ВА.

     Угол сдвига тока относительно  напряжения 

f_хх=arccos(P_хх/3^*S_хх)=arccos(140/3* 486,667)=84,497^о.

     Расчетное активное сопротивление,  учитывающее потери на гистерезис  и вихревые токи 

R_ор=Р_хх/3*I²_хх=140/3*2,212²=9,538 Ом.

     Индуктивное сопротивление намагничивания 

Х_ор=w*L_ор= R_ор*tgf_хх=9,538*tg84,497=99 Ом.

     Расчетная величина индуктивности  намагничивания 

L_ор= Х_ор/w=99/2*p*50=0,315 Гн.

     По данным опыта короткого  замыкания аналогично находим:

U_к.з. = 0,052U_1н. = 0,052*220 = 11,44 В;

     Полная кажущаяся мощность короткого  замыкания равна 

S_к.з. = U_к.з.* I_1н. = 11,44*22,121=253,066 ВА;

     Угол сдвига тока относительно  напряжения 

f_кз=arccos(P_кз/3^*S_кз)=arccos(550/3* 253,066)=43,557^о.

    Расчетное активное сопротивление, учитывающее потери в обмотках трансформатора (приведение к вентильной стороне):

R_рТР=( R_2р+ R’_1р) = P_кз/3*I²_кз*К²_тр=550/3*22,121²*1,989²=0,095 Ом.

     Расчетная величина индуктивного  сопротивления, обусловленного магнитными потоками рассеяния

(Х_S2р+Х’_S1р)=(R_2р+ R’_1р)tgf_кз=0,095tg43,557=0,090 Ом.

     Индуктивность рассеяния: 

(L_S2р+L’_S1р)=(Х_S2р+Х’_S1р)/w=0,09/314=2,866*10^-4 Гн.

Итак:

R_o= 9,538 Ом.

X_o= 99 Ом.

L_o= 0,315 Гн.

Ls=2,866*10^-4 Гн.

Xs=0,09 Ом.

Rтр=0,095 Ом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема замещения одной  фазы силового трансформатора и ее параметры:

      Выберем  Т-образную схему замещения (рис. 3).

Рис .4 Схема  замещения для одной фазы трансформатора.

Rтр=2(R_2р+ R’_1р)=(2*Р_кз)/(3*I²_1Н )=2*550/3*22,121²=0,749 Ом.

Xs=2(R_2р+ R’_1р) tgf_кз =0,749*tg43, 577=0,713 Ом.

      Параметры схемы замещения.

  продольная  ветвь:

R₁ » R^’₂ =r_тр / 2 = 0,749/ 2 = 0,375 Ом;

X_s1 » X^’_s2 = X_s / 2 = 0,713 / 2 = 0,357 Ом.

  поперечная ветвь: 

R₀ = 4,769 Ом; X_m = 49,5 Ом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выбор тиристоров.

Основными параметрами по выбору полупроводникового прибора для данного преобразователя являются: 

• предельный средний ток тиристора при соответствующей температуре;
• действующее значение тока через прибор;
• повторяющееся напряжение;
• критическая скорость нарастания прямого тока;
• критическая скорость нарастания прямого напряжения и др.

 С использованием таблицы 1 определяем величины токов и напряжений, которые будут действовать на управляемые вентили в данной схеме преобразователя:

    среднее  значение тока через вентиль

I_B= = 0,333*I_d = 0,333*100 = 33,3 A;

    максимальное обратное напряжение, прикладываемое к вентилю

U_{m обр.} = 2,3U_d = 2,3*100 = 230 B;

     величина  действующего значения тока тиристора 

I_B = 0,55*I_d = 0,55*100 = 55A;

     Максимальная величина тока вентиля I_mB = 0.5I_d = 50 A.

     Выбираем по справочной литературе тиристор типа ТО142–80, который имеет следующие предельно допустимые параметры:

     повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Uзсп=600 – 1200 В;

     повторяющееся импульсное обратное напряжение

U_{m обр.}=600 – 1200 В;

     максимально допустимый средний прямой ток в открытом состоянии  при f=50 Гц, b=180^o, Tk=70^oC

 I_п.к.=80 А;

     максимальное действующее значение тока

 I_Bмакс = 125 A;

     обратный ток и ток утечки при повторяющемся напряжении  и температуре структуры 125 ˚С 

I _обр. < 50 мА;

     критическая скорость нарастания  прямого тока 

(di/dt)_кр. = 100 А/мкс;

     критическая скорость нарастания  прямого напряжения

(dU/dt)_кр = 100 В/мкс.

     ударный ток при длительности 10 мс и температуре структуры 100 ˚С

I_уд. = 1350 А.

     динамическое  сопротивление 

r_дин. = 3,7*10 ^{– 3}  Ом.

     отпирающий  импульсный ток управления при  Uзс=12 В

<150 мА.

     тепловое  сопротивление переход –  корпус  < 0,24 ^оС/Вт.

     температура перехода: Тп= -40^оС – +100^оС.

      Данный  тиристор относится к разряду  оптронных (оптотиристор). Кремниевый диффузионный типа p-n-p-n. Два полупроводниковых элемента: кремниевый фототиристор и арсенид галлиевый излучающий диод объединены в одну конструкцию. Предназначен для применения в помехоустойчивых системах автоматики и в цепях постоянного и переменного тока преобразователей электроэнергии. Выпускаются в металлостеклянном корпусе штыревой конструкции с жёсткими силовыми выводами. Анодом является основание. Масса мене 49 грамм.

      Указания  по монтажу: Чистота обработки контактной поверхности охладителя не хуже 2.5. Время пайки выводов управления паяльником мощностью 50-60 Вт при температуре  припоя 220^оС не должно превышать 5 с. Закручивающий момент не более 10 Н*м.

     Для данного тиристора выбираем охладитель типа О241-80. Крутящий момент не более 10 Н*м.

     Аппроксимируем ВАХ данного тиристора  линейной функцией, используя справочные  данные.

     ΔU₀ = 1,1 B – прямое падение напряжения при токе I_п.к.;

     Тогда  аппроксимирующее выражение примет  вид: 

ΔU = 1,1 + 3,7*10 ^{– 3} · i     B 
 
 

Расчет  потерь мощности в  управляемых вентилях.

     Для расчета потерь мощности в вентилях необходимо знать действующий и средний токи через вентили. Мы их нашли ранее:

I_B= = 33,3 А, I_B = 55 А.

     Определяем потери мощности на одном вентиле.

DP_В1=DU*I_В=+ r_дин.*I²_В=1,1*33,3+3,7*10^-3*55²=47,823 Вт.

     Тогда потери мощности на вентилях всех групп равны

ΔР_В = 2m*ΔP_B1 = 2*3*47,823 =286,935 Вт. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение предельного тока через полупроводниковую  структуру прибора  для установившихся режимов работы.

     Предельный ток прибора в установившемся  режиме работы при заданных  условиях охлаждения рассчитывается  по формуле

     [Θ_pn] – максимально допустимая температура полупроводниковой структуры ,

     [Θ_с] – заданная температура окружающей среды .

     В соответствии с заданием  преобразователь работает в климатических  условиях У3 по ГОСТ 15543-70. (Климат умеренный. Преобразователь работает в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, и воздействия песка и пыли существенно ниже, чем на открытом воздухе. Токр.ср. = -40 ^оС – +40 ^оС, DT=40^oC/8часов.)

     R_T – общее установившееся тепловое сопротивление (при условии охлаждения). С выбранным охладителем типа О241-80  для данного тиристора Rт=Rп-к+Rкпо-ос=0,24+0,24=0,48 ^ОС/Вт. Где Rкпо-ос – переходное тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя – охлаждающая среда.

     U₀ – пороговое напряжение предельной ВАХ прибора.

Используя параметры  данного тиристора и температурные  условия эксплуатации (t_max = 40 ˚C) , определим предельный ток прибора.

 А

     Найдем предельный ток прибора  в случае усреднения мощности  в зависимости от коэффициента  формы тока к_ф = I_B / I_B= . Для данной схемы коэффициент формы тока равен к_ф=55/33,3 = 1,652 (изменение величины к_ф в зависимости от угла отпирания прибора не учитываем).

     Тогда 

     Как видно из расчетов токовый  режим работы тиристоров в  данном преобразователе примерно  на 13% ниже максимально возможного.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Допустимая  мощность потерь в вентиле.

     Расчет ведем при условии, что  выпрямитель работает при непрерывной  установившейся нагрузке. Тогда  температура структуры в установившемся  режиме   определяется как  

Θ_pn = Θ_c +ΔP·R_т.

     Допустимая мощность потерь равна

[ΔP] = ( [Θ_pn] – Θ_c)/R_т .

     R_т = 0,48 ˚С/Вт  – общее установившееся тепловое сопротивление прибора.

     Подставив технические параметры,  получим 

[ΔP] = (100 –  40) / 0,48 = 125 Вт.

     Номинальные тепловые потери  при работе приборов меньше  допустимых, примерно на 162 Вт (на каждый вентиль). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение углов коммутации вентилей.

    Угол  коммутации, определяемый активными  сопротивлениями фазы трансформатора.

     Величину угла перекрытия фаз  (угла коммутации) найдем из выражения

     ΔU_X – падение напряжения от коммутации при учете индуктивного сопротивления.  Его можно определить из выражения:

     Тогда