Разработка силовой части тиристорного преобразователя постоянного напряжения

Реферат

Полупроводниковые выпрямительные агрегаты нашли широкое применение в различных областях промышленности, на железнодорожном транспорте, судах самолетах и т. д. Они используются для питания процессов электролиза в цветной металлургии и химической промышленности; для питания системы электропривода двигателей постоянного тока различного назначения и мощности; для возбуждения крупных электрических генераторов; для тяговых подстанций и магистральных электровозов переменного тока и для удовлетворения многих других потребностей народного хозяйства.

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. В то же время значительная часть электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Это связано с тем, что часть потребителей может работать только на постоянном токе. Другая часть потребителей имеет на постоянном токе лучшие характеристики и параметры.

Для преобразования переменного тока в постоянный в настоящее время почти исключительно применяются полупроводниковые преобразователи электрической энергии – выпрямители.

Значительный прогресс в преобразовательной технике связан с созданием силовых полупроводниковых вентилей. Высокие электрические параметры, малые габариты и масса, простота конструкции и обслуживания, высокая эксплуатационная надежность полупроводниковых вентилей позволяют широко использовать их в схемах преобразования переменного тока в постоянный.

Возможности преобразователей существенно расширяются с разработкой и использованием тиристоров. Тиристорные выпрямители обеспечивают глубокое изменение выходных параметров в любом требуемом диапазоне; обладают высоким быстродействием и точностью автоматического регулирования; позволяют переводить преобразователь в инверторный режим и тем самым обеспечивать рекуперацию электроэнергии в сеть.

Указанные качества тиристорных преобразователей делают их весьма перспективными устройствами для питания систем электроприводов постоянного тока с плавным регулирование частоты вращения в широком диапазоне, для возбуждения крупных электрических генераторов и других целей [ 1 ].

1. Актуальность темы

В настоящее время большое внимание уделяется развитию полупроводниковых преобразователей для регулирования скорости асинхронных, синхронных, шаговых, вентильных, вентильно-индукторных и других типов электродвигателей.

Несмотря на это не утратила актуальности задача создания тиристорного преобразователя для электропривода (ЭП) постоянного тока. Потому, что и сейчас во многих отраслях промышленности широко применяется ЭП постоянного тока. Поэтому нет оснований утверждать, что в ближайшем будущем произойдёт полное вытеснение электропривода постоянного тока электроприводом переменного тока.

13 стр., 6192 слов

Модернизация электропривода главного подъёма стрелочного крана

... затрат. Цель работы, Задачи работы: В дипломной работе необходимо произвести модернизацию электропривода главного подъёма стрелочного крана. Необходимо выбрать асинхронный двигатель и преобразователь. Разработать ... безаварийную работу. Утяжеляется режим работы двигателей, увеличивается количество переключений в единицу времени. Это привело к разработке специального кранового электрооборудования, ...

За границей больших успехов в развитии тиристорных преобразователей для ЭП постоянного тока достигли такие известные фирмы как Siemens, ABB, Emerson и многие другие. Однако использование результатов их разработок в этой области оказывается практически невозможным из-за засекреченности информации [ 2 ].

Именно поэтому магистерская работа посвящена актуальной научной задаче разработки силовой схем тиристорного преобразователя.

2. Цель магистерской работы

Целью магистерской работы является разработка и исследование силовой схемы тиристорного преобразователя постоянного напряжения, разработка схемы и платы формирователя импульсов для управления тиристорами и поиск путей оптимизации потребления тока от источника питания данным устройством.

3. Назначение, состав и схемы тиристорных преобразователей

Электропривод на основе тиристорных преобразователей в настоящее время является основным типом промышленного регулируемого электропривода постоянно тока. Это объясняется рядом достоинств этого типа электропривода, основные из которых следующие:

  • высокое быстродействие, которое ограничивается коммутационной способностью двигателя и механической инерционностью привода;
  • мгновенная готовность к работе, широкий диапазон температур и длительный срок службы;
  • номинальный КПД преобразователя превышает 92–96%;
  • малые массогабаритные показатели; блочная компоновка позволяет сократить требуемые производственные площади, уменьшить капитальные затраты и расходы на установку и эксплуатацию.

В тоже время тиристорным электроприводам свойственны недостатки:

  • пульсации выпрямленного напряжения и тока на выходе тиристорного преобразователя повышают нагрев и ухудшают коммутацию двигателя, что требует установки сглаживающих дросселей;
  • при глубоком регулировании напряжения тиристорного преобразователь имеет низкий коэффициент мощности, что требует разработки и установки специальных компенсирующих устройств;
  • перегрузочная способность тиристорного преобразователя ниже, чем электромашинного;
  • при работе тиристорных преобразователей искажается форма напряжения в сети переменного тока, и возникают помехи.

По назначению тиристорные преобразователи подразделяются:

  • для питания якоря двигателя;
  • для питания обмоток возбуждения;

По исполнению тиристорые преобразователя подразделяются:

  • нереверсивные;
  • реверсивные;

Самой эффективной для тиристорных преобразователей признана трехфазная мостовая (шестипульсная) схема выпрямления (рис. 1) [ 3 с. 11–12 ].

Потому что она обладает рядом преимуществ, такими как:

  • минимальная расчетная мощность трансформатора, трансформатор работает в хорошем режиме, нет потока вынужденного намагничивания;
  • самое маленькое обратное напряжение на вентиле;
  • самое большое выпрямленное напряжение при том же фазном;
  • малые пульсации;
  • возможность применения бестрансформаторной схемы.

И незначительным недостатком: двойное падение напряжения на вентилях, что особенно важно при малых напряжениях [ 4 с. 120 ]

4 стр., 1717 слов

Автономный инвертор напряжения

... объему и значимости, чем тиристорные преобразователи. Это произошло благодаря разработке и освоению промышленностью в последние 25 лет быстродействующих кремниевых транзисторов на токи и напряжения в несколько сотен ампер ...

Именно трехфазная мостовая схема выпрямления для нереверсивного тиристорного преобразователя и будет применяться в данной работе.

ν 1

ν 3

R d

На рисунке 3 показан процесс выпрямления переменного напряжения, в постоянное напряжение происходящий в тиристорном преобразователе. Переменное напряжение из сети поступая на трансформатор (Т) понижается, далее оно идет на управляемый выпрямитель (УВ), которым управляет система управления (СУ).

На выходе УВ переменное напряжение становится постоянным пульсирующим, проходя через сглаживающий дроссель (СД) поступает на обмотку якоря машины постоянного тока М.

4.Формирователи импульсов управления тиристорами

Функции формирователей импульсов управления выполняют усилители, предназначенные для усиления информационного сигнала управления в сигнал с параметрами, необходимыми для гарантированного включения и выключения полупроводникового ключа. Помимо требований к мощности сигнала управления ключом часто предъявляются требования к форме сигнала, поэтому иногда ФИУ называют усилителями–формирователями импульсов управления. Схемотехника ФИУ в первую очередь зависит от типа управляемого прибора и его статических и динамических свойств.

При наличии на традиционном тиристоре прямого напряжения формируется импульс управления. Полярность напряжения, формирующего ток управления, соответствует положительному напряжению на управляющем электроде тиристора относительно катода, что соответствует прямому смещению управляющего p-n перехода.

Параметры импульса тока управления должны соответствовать входным характеристикам тиристора. Импульс управления должен иметь большую скорость нарастания тока и повышенную амплитуду при включении. Это ускоряет процесс включения и снижает возможность выхода тиристора из строя из-за повышенной скорости нарастания анодного тока di/dt . После завершения процесса включения импульс управления желательно сделать равным нулю, так как продолжительный импульс увеличивает потери мощности в тиристоре. Однако необходимо учитывать, что при наличии в нагрузке индуктивной составляющей процесс включения затягивается, и в этом случае импульс должен быть повышенной длительности для гарантированного включения тиристора [6 ].

4.1 Схема и плата формирователя импульсов

В данной схеме управления тиристором применяется импульсный трансформатор TV1, который осуществляет передачу коротких импульсов с наименьшими искажениями при работе в переходных процессах, а также гальваническую развязку силовых и управляющих цепей. Импульсный трансформатор дает возможность изменить уровень и полярность образуемого импульса напряжения. Диод VD1 не допускает перенапряжения на транзисторе VT1 в момент его запирания, а диод VD2 предотвращает появление обратного напряжения на управляющем электроде тиристора VS1. Резистор R1 ставиться из-за большой емкости затвор-канал возникающей при работе транзистора на больших частотах переключения (быстро изменяющееся напряжение стока может вызвать на затворе переходной ток достаточный для перегрузки управляющих микросхем или микроконтроллера).

9 стр., 4121 слов

Зависимый преобразователь переменного напряжения в постоянное

... тиристора: Т-151-100-6: Номинальный ток Номинальное напряжение Прямое падение напряжение при номинальном токе Ток управления Напряжение управления Допустимая скорость нарастания прямого тока Допустимая скорость нарастания прямого напряжения Обратный ток при номинальном напряжении ... силовой части преобразователя 1 Выбор схемы и работа преобразователя К трехфазным схемам преобразователей относятся: ...

Резистор R4 ограничивает ток управляющего электрода тиристора. Конденсатор C1 применяется в качестве фильтра для подавления высокочастотных помех.

Принцип работы схемы

Подаем питание между стоком и истоком VT1 любой полярности, далее на затвор транзистора подадим прямоугольные импульсы напряжения, возникнет электрическое поле, при достижении напряжения затвора-истока своего порогового значения произойдет открытие VT1. В процессе открытия и закрытия транзистора на вход TV1 поступают прямоугольные импульсы напряжения определенной величины, в первичной обмотке постепенно появляется электрический ток, сила которого постепенно увеличивается. Рост величины тока повлечет за собой изменение магнитного потока, и во вторичной обмотке трансформатора появится электродвижущая сила. В этом случае искажение входного сигнала практически не произойдет. Потери тока настолько малы, что можно ими пренебречь. Во вторичной обмотке появится также и отрицательная часть импульса, VD2 предотвратит ее появление на управляющем электроде тиристора VS1. Положительный импульс напряжения поступит на управляющий электрод и при присутствии прямого напряжения на аноде и катоде тиристора откроет его.

На рисунке 5 приведена готовая плата формирователя импульсов.

4.2 Моделирование работы формирователя импульсов

На рис. 6 показана модель для исследования в программе Electronics Workbench 5.11. Моделирование проводилось при допущениях, что транзистор и диод идеальны. Первичная обмотка импульсного трансформатора представлена в виде последовательного соединения индуктивности L1 и активного сопротивления R1. Диод VD1 служит для пропускания тока, проходящего при выключении транзистора VT1 за счет энергии, запасенной в индуктивности первичной обмотки импульсного трансформатора.. При включении транзистора VT1 в момент t1, напряжение источника питания прикладывается к первичной обмотке импульсного трансформатора (к обмотке прикладывается импульс напряжения), а когда он выключается в момент t2, ток нагрузки протекает за счет энергии, запасенной в индуктивности обмотки L1, и замыкается через диод VD1 и активное сопротивление R1. В момент t3 процессы повторяются.

Для того чтобы регулировать напряжение поступающее на первичную обмотку импульсного трансформатора изменяем длительность включенного состояния транзистора, но частоту подачи импульсов задающего генератора (ZG) на транзистор оставляем постоянную – f =const. В данной модели частота подачи импульсов (частота модуляции) fм была принята равной 40 кГц, что соответствует паспортным данным на импульсный трансформатор [7 ].

На рисунке 7 в) приведены диаграммы тока, которые должны быть при минимальном потреблении тока от источника питания.

I нач.

Тогда амплитуда пульсаций тока Δ I :

I d

В ходе процесса моделирования изменялись значения сопротивления R1 (рис.2) и коэффициента заполнения γ . Для наглядности результата исследования, исходя из расчётов,приведен график Id = f(γ ) (рис.4).

13 стр., 6210 слов

Измерительные трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы ...

... токи. Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Их применение дает возможность пользоваться одними и теми же приборами со стандартными пределами измерения для измерения самых различных напряжений и токов. Измерительный трансформатор тока преобразует измеряемый большой ток ...

I d

В ходе исследования было определено, что значение потребления тока от источника питания зависит от величины сопротивления R1 расположенного в цепи разряда индуктивности L1. Определено значение R1 в пределах 20-32 Ом, при котором осуществляется минимальное потребление тока от источника питания.

Выводы

В результате проделанной работы была разработана электрическая принципиальная схема формирователя импульсов, осуществлено моделирование работы формирователя импульсов, в результате которого была сформирована методика для снижения потребления тока устройством от источника питания. Разработана макетная плата для отпирания тиристора, работающего на активную нагрузку в виде лампы накаливания в асинхронном режиме.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-tiristornyie-preobrazovateli/

  1. Vuz-24.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vuz-24.ru..
  2. Сергеев Александр Георгиевич. Разработка и исследование тиристорного выпрямителя с микропроцессорным управлением для широкорегулируемого электропривода : диссертация кандидата технических наук : 05.09.12 / Сергеев Александр Георгиевич; [Место защиты: Чуваш. гос. ун-т им. И.Н. Ульянова] Чебоксары, 2007 152 c. : 61 07-5/5255 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dissercat.com…
  3. Лалетин В.И. Проектирование тиристорных преобразователей для электроприводов постоянного тока: Учебное пособие. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2006. – 131 с.: ил.
  4. Гельман М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие / М. В. Гельман, М. М. Дудкин, К. А. Преображенский. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 425 с.
  5. Справочник по силовой электронике / Ю.К. Розанов, П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин ; под ред. Ю.К. Розанова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2014. — 472 с., ил. с. 205-207.
  6. Розанов Ю. К. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. 2-е изд., стереотипное. – М. : Издательский дом МЭИ, 2009. – 632 с.: ил.
  7. Datasheet: Pulse Transformer with Double Secondary Winding — Schaffner IT249 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.farnell.com… .