ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Чувашский государственный университет
имени И.Н.Ульянова»
Никитин В.М.
СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Учебное пособие
Часть I
Преобразователи на диодах и однооперационных тиристорах
Чебоксары 2010
УДК 62-83-52(075.8)
Никитин В.М. Силовая преобразовательная техника: учеб. пособие / Никитин В.М. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. 201 с.
ISBN
Изложены принципы преобразования электрической энергии в выпрямителях, инверторах, преобразователях частоты и в других устройствах на полупроводниковых элементах. Основное внимание уделено физике процессов преобразования, режимам работы и характеристикам устройств. Показаны подходы к расчёту и выбору элементов схемы. С целью самоконтроля в конце каждой лекции даны вопросы и задачи, помогающие обратить внимание на наиболее важные понятия и определения в излагаемом материале.
Основой для пособия стал одноимённый курс лекций, читаемый автором в Чувашском государственном университете для студентов кафедры «Системы автоматического управления электроприводами и технологическими комплексами» (САУЭП) направления «Электротехника, электромеханика и электротехно-логии».
Ответственный редактор: Лазарев С.А.
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.
©В.М. Никитин, 2010
Введение
Начало развитию силовой преобразовательной техники (СПТ) на базе статических (не вращающихся) преобразователей было положено в первые годы 20-го столетия в результате создания (вначале в США, а затем и в Европе) газоразрядных (ртутных) и электровакуумных выпрямителей. В России (в СССР) их промышленный выпуск начнётся в конце 30-х годов [6].
Низкая надёжность и сложность в эксплуатации, большие габариты и большая, потребляемая для собственных нужд мощность, сдерживали широкое применение газоразрядных приборов. Они использовались лишь на крупных объектах: в электроприводах прокатных станов (металлургия), в шахтных подъёмниках (горнорудная промышленность), в ионных возбу-дителях гидрогенераторов, в выпрямительно-инверторных агре-гатах подстанций электротранспорта, в выпрямителях для элек-тролиза в электрохимической промышленности и в других объектах с преобразователями большой единичной мощности.
Революционный скачок в электротехнике происходит в 50-е годы в результате создания полупроводниковых (твёрдотельных) силовых вентилей на кремниевой основе. Малогабаритные и недорогие по сравнению с ртутными (и электромашинными) и значительно более надёжные диодные и тиристорные выпрями-тели обеспечили широкое применение электроприводу постоян-ного тока (особенно в зоне мощностей до 10кВт).
Появление в 70 годы микросхем с возрастающей степенью интеграции позволило ещё более снизить габариты и поднять надёжность управляемых выпрямителей (УВ). Наиболее массо-выми их потребителями становятся электроприводы постоянного тока в различных видах автоматизированного технологического оборудования (станки, роботы и др.). Зарубежные электротехни-ческие компании Аллен Брэдли (США), Бош и Сименс (Западная Европа), Фанук (Япония) и др. приступают к серийному выпуску тиристорных УВ (преобразователей) в комплекте с двигателями.
Первые отечественные серийные тиристорные преобразова-тели типа БУ3509 (нереверсивные) и БТУ3601 (реверсивные) создавались специалистами Всесоюзного НИИ релестроения (до 1969 года Чебоксарского электротехнического научно-исследова-тельского института). Преобразователи и электроприводы посто-янного тока по его разработкам выпускались для нужд станко-строения и робототехники несколькими заводами страны. Более поздняя версия таких преобразователей типа ЭПУ (на тиристор-ных модулях) до сих пор производится дочерним предприятием Чебоксарского электроаппаратного завода ЭЛПРИ1.
Переход от ионных выпрямителей к полупроводниковым расширил зону применения преобразователей и в других видах регулируемых электроприводов. Так, например, в грузоподъем-ных механизмах, где традиционно использовались асинхронные двигатели с фазным ротором мощностью 5-20 кВт с реостатной схемой пуска, начинают применять асинхронно-вентильные каскады с плавным регулированием тока ротора (момента) с помощью тиристорного инвертора [8,17].
С помощью тиристоров стало возможным регулировать на-пряжение и защищать от ударных токов в режимах пуска и ре-верса обмотки статора двигателей с короткозамкнутым ротором. Для этих целей во ВНИИРе была разработана серия пуско-регулирующих бесконтактных устройств типа ПРБУ. Серия и основные разработчики (Горчаков В.В., Сушенцов А.А.) были отмечены золотой медалью на Ганноверской выставке в Германии в 1980 году. Сегодня устройства плавного пуска выпускаются многими отечественными и зарубежными предприятиями. В номенклатуре изделий ЗАО «ЧЭАЗ» имеется широкий ассортимент подобных устройств, предназначенных для двигателей с напряжением от 0,4 до 10кВ и мощностью до нескольких мегаватт.
В 60-е годы совершенствуются схемы реверсивных управляе-мых выпрямителей. За счёт разработки безынерционных систем импульсно-фазового и раздельного управления комплектами вентилей, разработки устройств защиты и средств токоограни-чения в переходных режимах работы электроприводов, повы-шается их быстродействие и надёжность. Новые для того вре-мени технические решения позволили использовать реверсивные тиристорные выпрямители не только в быстродействующих электроприводах постоянного тока, но и для питания обмоток двигателей переменного тока. На их основе создаются преобра-зователи частоты с непосредственной связью (ПЧНС). Первый опыт применения ПЧНС в СССР был получен при разработке безредукторного электропривода шаровых мельниц мощностью 3200кВт. Макетный вариант электропривода (в уменьшенном масштабе) с трёхфазным синхронным двигателем был успешно испытан в 1970 году во ВНИИР (с участием автора), а результаты доложены на VI Всесоюзной конференции по автоматизирован-ному электроприводу в Баку [18].
Настойчивые попытки создания тиристорных преобразовате-лей частоты были обусловлены желанием заменить в регули-руемом электроприводе коллекторную машину менее дорогим и более надёжным двигателем переменного тока. Однако, выходная частота ПЧНС не может быть в принципе больше 50Гц. Практи-чески же она ограничивалась величиной 25 герц и, как следствие, максимальной скоростью 1500 об/мин для двигателей переменно-го тока. Это приводило к недоиспользованию габаритной мощ-ности электрической машины.
Несмотря на столь существенный недостаток некоторое время (пока не были созданы мощные транзисторные силовые ключи и автономные инверторы на их основе) ПЧНС находили применение в регулируемых электроприводах. По заданию ВНИИР для элек-троприводов с ПЧНС были разработаны специальные двухфазные с расщеплённой статорной обмоткой двигатели (синхронные с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронные с к. з. обмоткой на роторе). Крупная партия преобразователей типа ЭТС с двухфазными двигателями была разработана и поставлена ВНИИРом2 для регулирования производительности насосов нефтя-ных скважин (станков-качалок). Эти электроприводы (в исполне-нии для наружной установки) эксплуатируются на нефтепро-мыслах Татарстана до сих пор [19].
Следует отметить и многочисленные попытки создания пре-образователей частоты для регулируемых электроприводов - на основе искусственной коммутации тиристоров. Инверторы тока и напряжения с коммутирующими конденсаторами разрабатывались в НИИХЭМЗ (г. Харьков) и многими кафедрами политехнических ВУЗов страны. В отличие от ПЧНС их достоинство заключалось в возможности получения выходной частоты 50 и более герц. Одна-ко, они не позволяли работать на низких частотах, обеспечивали лишь прямоугольную форму выходного напряжения и были непригодны для глубокорегулируемых электроприводов.
Попытки создания тиристорных преобразователей частоты для электроприводов большого успеха не имели. По совокупности технических характеристик электроприводы на их основе сущес-твенно уступали тиристорному электроприводу постоянного тока. Основным препятствием оставалось ограничение выходной частоты (не более 25Гц в схемах с ПЧНС и не менее 10Гц в преобразователях с искусственной коммутацией тиристоров). В станках и в роботах электроприводы (преобразователи) на основе ПЧНС и на тиристорах с искусственной коммутацией не применялись.
Тиристорный (вентильный) электропривод постоянного тока до недавнего времени был одним из наиболее массовых видов устройств, использующих изделия силовой преобразовательной техники. Он оставил заметный след в её развитии. Однако сегодня, в связи с появлением силовых транзисторов и транзисторных модулей, в регулируемом электроприводе происходит «смена поколений». Электродвигатели постоянного тока заменяются более надёжными (бесконтактными) двигателями переменного тока. Для их питания разработаны и широко используются трёхфазные инверторы и пребразователи частоты с более совершенными алгоритмами и более широкими возможностями управления по сравнению с тиристорным электроприводом постоянного тока.
Вместе с тем, выпрямители на диодах и тиристорах не «уходят в историю». Они продолжают использоваться в электротранспорте, на имеющемся у заводов оборудовании с двигателями постоянного тока, а также в современных изделиях СПТ, в том числе и в регули-руемом электроприводе на базе двигателей переменного тока.
Учитывая хронологическую последовательность развития СПТ, её изучение начнём с преобразователей переменного тока в постоянный - с выпрямителей на диодах и тиристорах.