Введение в преобразовательную технику

Введение в преобразовательную технику

Примерно 100% электрической энергии производиться на электрических станциях трехфазного переменного тока частоты 50 Гц (60 Гц).

Примерно 30% электрической энергии переменного тока преобразуется в постоянный ток (с помощью выпрямителей). С учетом других видов преобразования, доля преобразованной электрической энергии составляет более 40 % от произведенной.

Основные виды преобразования

а- преобразовние преременного тока в постоянный (выпрямление)

применяется в тяговом  электропиводе(ж/д), в промышленности –

                               электропривод (коллекторные двигатели постоянного тока);

                                   b – преобразование электроэнергии постоянного тока с одними

                         параметрами, в электроэнергию постоянного тока с другими параметрами. Осуществляется с помощью импульсного            преобразователя  напряжения постоянного тока;

Рекомендуемые материалы

 с –преобразование электрической энергии                                   постоянного тока в электрическую энергию                            переменного тока –инвертирование.

Инверторы:

• Зависимые – (ведомые сетью) работают на частоте сети 50 Гц. При электротяге на переменном токе зависимые инверторы устанавливаются на ЭПС (ВИП). При тяге на постоянном токе ВИП устанавливаются на тяговых подстанциях.
• Автономные – служат для преобразования электричесой энергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока с возможностью плавного регулирования частоты и уровня напряжения.

  +                                                          f_вых =0,1..сотни герц

                                                                       U = 0..Uн

                                                           

   -

Такой вид

  создан для новых типов электровозов: ЭП=100,    ЭП=200

ЭП=300

АИ – автономный инвертор

АСМ- асинхронная машина

d – преобразование электрической энергии переменного тока одних параметров в электрическую энергию переменного тока других параметров

Вид преобразования (d)

- преобразование электрической энергии однофазного переменного тока частоты 50 Гц в для асинхронного электропривода   с звеном постоянного тока или с использованием  непосредственного преобразователя частоты(НПЧ).

Примеры применения:

                                                           СССР

                                                                                                                       Финляндия

  

 ЗИ- зависимый инвертор

СПП –статические полупроводниковые преобразователи

СПВ – силовые полупроводниковые вентили(тиристоры, диоды)

КПД СПП достигает 99,5%

СПВ обладают почти идеальными характеристиками ключа 1-2 В, которые достигают тока 1000 А, а в закрытом состоянии через вентиль протекает очень маленький ток, следовательно, потерь электрической энергии в открытом и закрытом состоянии почти нет, потери коммутационные.

Силовые полупроводниковые приборы

1. диоды

1. тиристоры незапираемые

1. тиристоры запираемые

1. биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)

1. полевые силовые транзисторы(MOSFET)

Номенклатура изделий – несколько тысяч

Диапазоны по основным параметрам:

10А – 4500А

100В – 8000В

50Гц – 1МГц

Лекция №2

Параметры силовых полупроводниковых вентилей

Вольтамперная характеристика(ВАХ) диода

Uo – пороговое напряжение

Rд – дифференциальное сопротивление

А – В –электрический пробой (обратимый)

В – С –тепловой пробой (необратимый), с нарушением структуры

С увеличение температуры ВАХ деформируется в сторону увеличения тока

Тпред = 140°C (для диода)

   -  тепловое сопротивление

Предельные параметры вентиля

• по напряжению

Uп –повторяющееся напряжение – максимальное, длительно допустимое мгновенное значение напряжения, которое может прикладываться к вентилю в обратном направлении (или прямом направлении в закрытом состоянии для тиристора)

По повторяющемуся напряжению диоды делятся на классы:

Uнп – неповторяющееся напряжение – максимальное мгновенное значение напряжения, которое может прикладываться к вентилю редко ( грозовые перенапряжения)

Uнп=1,16Uнп (для тиристоров Uнп=1,11Uп)

• по току

Iп- предельный ток – максимально допустимое среднее значение тока через вентиль.

Параметры определяются в однополупериодной схеме выпрямления, при работе на активную нагрузку (50Гц)

ВАХ лавинного диода

 Iуд – ударный ток – максимально допустимое амплитудное значение синусоидального тока, протекающего через вентиль в течении 0,01 сек.

ВАХ динистора

                                                                        динистор            

В –напряжение включения и ток включения

С – ток удержания – минимальное значение тока в прямом направлении, при котором динистор остается во включенном состоянии. Если прямой ток станет меньше тока удержания, динистор переходит в непроводящее состояние.

Если  к динистору от одной из средних структур сделать вывод, то получится трехвыводной полупроводниковый прибор – тиристор.

                                 +                -

                                  Uупр                                                      +   Uупр    -

 

Tпред=120°C – для не лавинного тиристора

Tпред=140°C – для лавинного тиристора

Критическая скорость нарастания прямого напряжения  dU/dt и прямого тока  dI/dt

Лекция №3

Групповое соединеие вентилей

Последовательное соединение

При переходе диода из проводящего состояния в непроводящее используются следующие эквивалентные схемы:

Сдиф – диффузионная емкость                                  Сб – барьерная емкость

прямое включение (проводящее состояние)     обратное включение диода (непроводящее состояние)

Сдиф обусловлена большим количеством неосновных носителей в р и n областях.

Параллельное соединение

Для выравнивания токов

применяют индуктивный делитель

Если Nпар<6, то используется замкнутая кольцевая схема.

Если Nпар>6, то применяется схема с задающим вентилем.

Замкнутая кольцевая схема                                  Схема с задающим вентилем

Принципы и схемы выпрямления переменного тока

Схема выпрямления – схема соединения вентилей между собой и с вентильной обмоткой трансформатора.

Вентили – это коммутирующие элементы, поочередно подключающие обмотки соответствующих фаз трансформатора к приемнику постоянного тока. Этот процесс переключения называется коммутацией вентильных токов.

Число переключений за период соответствует пульсности преобразования  Р

Р=2,3,6,12,24,48,…

Схемы выпрямлениея подразделяются:

1. нулевая
2. мостовая

m- число фаз; q – число вентилей

нулевая схема с общим катодом                           мостовая схема

Если Хd = ∞, то Id идеально сглажен.

В нулевой схеме выпрямления с общим катодом в проводящем состоянии находится тот вентиль, на аноде которого напряжение больше, чем на анодах других вентилей.

Катодная группа

ВО-вентильная обмотка

Во вне коммутационный период в проводящем

состоянии находится 1 вентиль катодной

g - угол коммутации                                                                                         группы и 1 вентиль анодной группы          

нулевая схема с общим анодом

В нулевой схеме с общим анодом в проводящем

состоянии находится тот вентиль, на катоде которого

напряжение меньше, чем на катодах других вентилей

Выпрямитель является источником гармоник тока в сети.

Номера гармоник определяются по формуле: n=kp+/-1

p- пульсность

k =1,2,3…

p=6, k=1,2,3; n=5,7,11,12,17,19…

p=12,n=11+13;23,25,35,37

Одновременно выпрямитель является источником гармоник напряжения на стороне постоянного тока

Fосн=fс*р

Лекция №4

Выпрямительные агрегаты и их состав

1. ВА на тяговых подстанциях

                              

ПТ –преобразовательный трансформатор

ВУ – выпрямительное устройство

УР- уравнительный реактор

Ld- сглаживающий реактор

Lф,Cф- сглаживающий фильтр

СО –сетевая обмотка

ВО – вентильная обмотка

ПТ – преобразовательный трансформатор, назначение которого:

1) трансформация напряжения

2) гальваническая развязка цепей

        3)Увеличение числа фаз – с целью увеличения пульсности преобразования, а это приводит к улучшению формы сетевого тока и уменьшения уровня пульсаций выпрямленного напряжения.

УР применяется в некоторых схемах выпрямления для уравнивания токов в параллельно соединенных  выпрямительных устройствах.

Ld – предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока

Lф,Сф – предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения

На 1.01.2000г

947 тяговых подстанций постоянного тока

22 подстанции стыкования

2012 выпрямительных установок

47 инверторов и ВИП

54% выпрямительных установок – по схеме «две обратные звезды с УР» (шестипульсовая нулевая параллельного типа)

18% - по схеме шестипульсовая мостовя

28% - двеннадцатипульсовая (566 выпрямителей)

Программой 2000-2005гг планируется количество двеннадцатипульсовых ВУ довести до 50% и получить экономию электрической энергии до 0,5% на каждый агрегат

       а)                              б)                                       в)

             

1рис. Схемы выпрямления различной пульсности

а)однофазная нулевая;

б)трёхпульсовая нулевая;

в)шестипульсовая нулевая параллельного типа или две обратные звезды с уравнительным реактором (схема Кюблера);

г) шестипульсовая нулевая последовательного типа (схема Вологдина);

г)

шестипульсовая мостовая (схема Ларионова)

 

Двеннадцатипульсовые схемы выпрямления

Последовательного типа

Линейные напряжения секций «звезда» и «треугольник» вентильной обмотки имеют сдвиг по фазе 30 °

Параллельного типа

24-пульсовая схема выпрямления

Лекция №5

Коммутация вентильных токов в неуправляемых выпрямителях

Xc-сопротивление сети

Хт- сопротивление трансформатора

е_I,II – ЭДС вентильной обмотки

Хd- сглаживающий реактор

Схема замещения

До момента t₀

   

В момент to в проводящее состояние переходит вентиль V2, и оба вентиля на период коммутации будут в открытом состоянии. Это будет соответствовать режиму короткого междуфазного замыкания.

Во время коммутационного процесса:

Уравнение Кирхгофа для напряжений в контуре

q – число вентилей коммутационной группе

амплитуда междуфазной ЭДС

   

из начальных условий при    и       

     

тогда

По завершению коммутационного процесса ik=Id; iI=0, =

                              

                              

Коммутация вентильных токов в выпрямителях с управляемыми вентилями

        

Момент равенства напряжений коммутирующих фаз называют точкой естественной коммутации.

В Выпрямителях с управляемыми вентилями подача отпирающего импульса на очередной вентиль происходит с задержкой на угол , относительно точки естественной коммутации, следовательно, и коммутационный процесс начинается с запозданием на угол  .

Уравнение процесса коммутации имеет тот же вид, что и для выпрямителей с неуправляемыми вентилями, т.е.

Во время коммутационного процесса:

          

                

Во время коммутационного процесса, напряжение на входе коммутационной группы равно полу сумме напряжений коммутирующих фаз.

Мгновенная потеря напряжения от коммутации:

Лекция №6

Двухпульсовые схемы выпрямления

Нулевая схема выпрямления

Xd=0 Работа на активную нагрузку.

Токи вентильных обмоток однонаправленные

Действующее значение тока вентильной обмотки:

    Выразим  через

          

Действующее значение тока сетевой обмотки:

Мощность вентильной обмотки:

Мощность сетевой обмотки:

        

        

     Мощность трансформатора:

 

 Xd=¥

при

Id=const

     Форма выпрямленного напряжения не меняется, меняется форма тока вентильной и сетевой обмоток.

Действующее значение тока вентильной обмотки:

 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

=

Мощность вентильной обмотки:

Мощность сетевой обмотки:   

     Мощность трансформатора:

    Для исключения подмагничивания сердечника трансформатора однонаправленными токами вентильных обмоток применяют расщепление вентильных обмоток с последующим соединением их по схеме «зигзаг»:

    Uo- постоянная составляющая намагничивания

Двухпульсовые схемы выпрямления

 мостовая схема выпрямления

Хd=¥

Действующее значение тока вентильной обмотки:

Мощность вентильной обмотки:

Мощность сетевой обмотки:   

     Мощность трансформатора:

   

Токи вентилей и обратные напряжения на вентилях в двухпульсовых схемах

Нулевая:

Средний ток вентиля                               

Максимальное обратное напряжение    

Мостовая:

Средний ток вентиля                                 

Максимальное обратное напряжение     

Лекция №7

Трехпульсовая нулевая схема выпрямления

 Хd=¥

       -сетевой ток

Ток вентильной обмотки имеет постоянную составляющую равную , которая  трансформируется в вентильной обмотке, поэтому форма сетевого тока будет повторять форму вентильного тока, за вычетом постоянной составляющей.

1.

Действующее значение тока вентильной обмотки:

 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Мощность вентильной обмотки:

Мощность сетевой обмотки:   

     Мощность трансформатора:

     Средний ток вентиля:

     Максимальное обратное напряжение на вентиле:

Трехпульсовая нулевая схема с расщеплением обмоток и соединением их в зигзаг

Шестипульсовая мостовая схема Ларионова

 Хd=¥

Связь среднего выпрямленного напряжения с напряжением ВО за период повторения

Действующее значение тока вентильной обмотки:

 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Мощность вентильной обмотки:

Мощность сетевой обмотки:   

     Мощность трансформатора:

     Средний ток вентиля:

     Максимальное обратное напряжение на вентиле:

Лекция №8

Шестипульсовая нулевая схема параллельного типа

  - действующее напряжение ВО

 - мгновенное значение напряжения на входе шестипульсовой схемы выпрямления

- частота на зажимах уравнительного реактора, равная 150Гц

e_p создает уравнительный ток, который протекает по вентильным обмоткам четной и нечетной звезд.

Через цепь выпрямленной нагрузки уравнительный ток не протекает. Цепь протекания уравнительного тока представляет собой индуктивное сопротивление, следовательно, уравнительный ток отстает на 90 ° градусов от напряжения на зажимах уравнительного реактора.

Действующее значение тока вентильной обмотки:

 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Действующее значение тока сетевой обмотки:

 - длительность протекания тока в вентильной обмотке

Мощность вентильной обмотки:

Мощность сетевой обмотки:   

     Мощность трансформатора:

     Средний ток вентиля:

     Максимальное обратное напряжение на вентиле:

Внешняя характеристика выпрямителя

схема выпрямления не в полной мере использует трансформатор, т.к. у нулевой схемы λ=2*π/3. Резкий подъём напряжения при х.х.

Способы регулирования выпрямленного напряжения (на ЭПС)

1. В случае использования неуправляемых вентилей, применяют секционирование ВО с помощью специальных секционных выключателей (контролеров), производят переключения выводов ВО, изменяя таким образом коэффициент трансформации.
2. Управляемые вентили:

а)  фазовое регулирование: используя угол  ,можно менять среднюю величину выпрямленного напряжения

коэффициент мощности

Вместе с этой лекцией читают "Системы массового обслуживания. Задачи".

 - активная мощность;

 - полная мощность.

Ограничивают ,чтобы не снижать

Другое следствте больших углов :искажение сетевого тока и увеличение уровня гармоник

б) Зонно-фазовое регулирование выпрямленного тока