Реферат по роботі

Савицький О.В.

Тема випускної магістерської роботи:
Створення тиристорного частотного перетворювача на ІGBT-модулях
винесеної подачі вугільного очисного комбайна

Сучасний частотно регульований електропривод складається з асинхронного або синхронного електричного двигуна й перетворювача частоти (див. рис. 1.).

Електричний двигун перетворює електричну енергію в механічну енергію й надає руху виконавчому органу технологічного механізму.

Перетворювач частоти управляє електричним двигуном й являє собою електронний статичний пристрій. На виході перетворювача формується електрична напруга зі змінними амплітудою й частотою.

Назва "частотно регульований електропривод" обумовлена тим, що регулювання швидкості обертання двигуна здійснюється зміною частоти напруги живлення, що подається на двигун від перетворювача частоти.

Протягом останніх 10-15 років у світі спостерігається широке й успішне впровадження частотно регульованого електропривода для рішення різних технологічних завдань в багатьох галузях економіки. Це пояснюється в першу чергу розробкою й створенням перетворювачів частоти на принципово новій елементній базі, головним чином на біполярних транзисторах з ізольованим затвором ІGBT.

В асинхронному електричному двигуні частота обертання ротора n₂ у сталому режимі відрізняється від частоти обертання n₁ на величину ковзання S.

Частота обертання магнітного поля n₁ залежить від частоти напруги живлення. При живленні обмотки статора електричного двигуна трифазною напругою із частотою f створюється обертове магнітне поле. Швидкість обертання цього поля визначається по відомій формулі:

₁ = 2 f / p,

де p – число пар полюсів статора.

Перехід від швидкості обертання поля ₁, вимірюваної в радіанах, до частоти обертання n₁, вираженої в оборотах на хвилину, здійснюється по наступній формулі:

n₁ = 60 ₁ / 2 ,

де 60 – коефіцієнт перерахування розмірності.

Підставивши в це рівняння швидкість обертання поля, ₁ отримаємо: n₁ = 60 f / p.

Таким чином, частота обертання ротора асинхронного двигуна залежить від частоти напруги живлення.

На цій залежності й заснований метод частотного регулювання.

Змінюючи за допомогою перетворювача частоту f на вході двигуна, ми регулюємо частоту обертання ротора.

Перетворювач частоти - це пристрій, призначений для перетворення змінного струму (напруги) однієї частоти в змінний струм (напругу) іншої частоти.

Вихідна частота в сучасних перетворювачах може змінюватися в широкому діапазоні й бути як вище, так і нижче частоти живильної мережі.

Схема будь-якого перетворювача частоти складається із силової й керуючої частин. Силова частина перетворювачів зазвичай виконана на тиристорах або транзисторах, які працюють у режимі електронних ключів. Керуюча частина виконується на цифрових мікропроцесорах і забезпечує керування силовими електронними ключами, а також рішення великої кількості допоміжних завдань (контроль, діагностика, захист).

Перетворювачі частоти, застосовувані в регульованому електроприводі, залежно від структури й принципу роботи силової частини розділяються на два класи:

1. Перетворювачі частоти з явно вираженою проміжною ланкою постійного струму.

2. Перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком (без проміжної ланки постійного струму).

Кожний з існуючих класів перетворювачів має свої достоїнства й недоліки, які визначають область раціонального застосування кожного з них.

Історично першими з'явилися перетворювачі з безпосереднім зв'язком (рис. 2.), у яких силова частина являє собою керований випрямляч і виконана на тиристорах, що замикають не. Система керування по черзі відмикає групи тиристорів і підключає статорні обмотки двигуна до живильної мережі.

Анімірований рисунок (Flash 10Kb 20fps loop)

Таким чином, вихідна напруга перетворювача формується з "вирізаних" ділянок синусоїд вхідної напруги. На рис. 3 показаний приклад формування вихідної напруги для однієї з фаз навантаження. На вході перетворювача діє трифазна синусоїдальна напруга u_а, u_в, u_c. Вихідна напруга u_вих має несинусоїдальну "пилкоподібну" форму, що умовно можна апроксимувати синусоїдою (стовщена лінія). З рисунка видно, що частота вихідної напруги не може бути рівною або вище частоти живильної мережі. Вона знаходиться в діапазоні від 0 до 30 Гц. Як наслідок - малий діапазон керування частоти обертання двигуна (не більше 1:10). Це обмеження не дозволяє застосовувати такі перетворювачі в сучасних частотно регульованих приводах із широким діапазоном регулювання технологічних параметрів.

Використання тиристорів, що не замикають, вимагає відносно складних систем керування, які збільшують вартість перетворювача.

"Різана" синусоїда на виході перетворювача є джерелом вищих гармонік, які викликають додаткові втрати в електричному двигуні, перегрів електричної машини, зниження моменту, дуже сильні перешкоди в живильній мережі. Застосування пристроїв, що компенсують, приводить до підвищення вартості, маси, габаритів, зниженню к.к.д. системи в цілому.

Поряд з перерахованими недоліками перетворювачів з безпосереднім зв'язком, вони мають певні достоїнства. До них відносяться:

- практично найвищий ККД щодо інших перетворювачів (98,5% і вище),

- здатність працювати з великими напругами й струмами, що робить можливим їхнє використання в потужних високовольтних приводах,

- відносна дешевина, незважаючи на збільшення абсолютної вартості за рахунок схем керування й додаткового встаткування.

Подібні схеми перетворювачів використаються в старих приводах і нові конструкції їх практично не розробляються.

Найбільш широке застосування в сучасні частотно регульованих приводах знаходять перетворювачі з явно вираженою ланкою постійного струму (рис. 4).

У перетворювачах цього класу використається подвійне перетворення електричної енергії: вхідна синусоїдальна напруга з постійною амплітудою й частотою випрямляється у випрямлячі (В), фільтрується фільтром (Ф), згладжується, а потім знову перетвориться інвертором (І) у змінну напругу змінюваної частоти й амплітуди. Подвійне перетворення енергії приводить до зниження к.к.д. і до деякого погіршення масогабаритних показників стосовно перетворювачів з безпосереднім зв'язком.

Для формування синусоїдальної змінної напруги використаються автономні інвертори напруги й автономні інвертори струму.

Як електронні ключі в інверторах застосовуються тиристори GTO, що замикаються й їхні вдосконалені модифікації GCT, ІGCT, SGCT, і біполярні транзистори з ізольованим затвором ІGBT.

Головним достоїнством тиристорних перетворювачів частоти, як і в схемі з безпосереднім зв'язком, є здатність працювати з великими струмами й напругами, витримуючи при цьому тривале навантаження й імпульсні впливи.

Вони мають більш високий ККД (до 98%) стосовно перетворювачів на ІGBT транзисторах (95 - 98%).

Перетворювачі частоти на тиристорах у цей час займають домінуюче положення у високовольтному приводі в діапазоні потужностей від сотень кіловатів і до десятків мегаватів з вихідною напругою 3 - 10 кВ і вище. Однак їхня ціна на один кВт вихідної потужності сама велика в класі високовольтних перетворювачів.

До недавнього минулого перетворювачі частоти на GTO становили основну частку й у низьковольтному частотно регульованому приводі. Але з появою ІGBT транзисторів відбувся "природний добір" і сьогодні перетворювачі на їхній базі загальновизнані лідери в області низьковольтного частотно регульованого приводу.

Тиристор є напівкерованим приладом: для його включення досить подати короткий імпульс на керуючий відвід, але для вимикання необхідно або прикласти до нього зворотну напругу, або знизити струм, що комутується, до нуля. Для цього в тиристорному перетворювачі частоти потрібна складна й громіздка система керування.

Біполярні транзистори з ізольованим затвором ІGBT відрізняють від тиристорів повна керованість, проста неенергоємна система керування, найвища робоча частота.

Внаслідок цього перетворювачі частоти на ІGBT дозволяють розширити діапазон керування швидкості обертання двигуна, підвищити швидкодію приводу в цілому.

Для асинхронного електропривода з векторним керуванням перетворювачі на ІGBT дозволяють працювати на низьких швидкостях без датчика зворотного зв'язку.

Застосування ІGBT з більше високою частотою перемикання в сукупності з мікропроцесорною системою керування в перетворювачах частоти знижує рівень вищих гармонік, характерних для тиристорних перетворювачів. Як наслідок - менші додаткові втрати в обмотках і магнітопроводі електродвигуна, зменшення нагрівання електричної машини, зниження пульсацій моменту й виключення так називаного "шагання" ротора в області малих частот. Знижуються втрати в трансформаторах, конденсаторних батареях, збільшується їхній термін служби й ізоляції проводів, зменшуються кількість помилкових спрацьовувань пристроїв захисту й погрішності індукційних вимірювальних приладів.

Перетворювачі на транзисторах ІGBT у порівнянні з тиристорними перетворювачами при однаковій вихідній потужності відрізняються меншими габаритами, масою, підвищеною надійністю в силу модульного виконання електронних ключів, кращого тепловідводу з поверхні модуля й меншою кількістю конструктивних елементів.

Вони дозволяють реалізувати більше повний захист від кидків струму й від перенапруги, що істотно знижує ймовірність відмов й ушкоджень електропривода.

На цей момент низьковольтні перетворювачі на ІGBT мають більше високу ціну на одиницю вихідної потужності, внаслідок відносної складності виробництва транзисторних модулів. Однак по співвідношенню ціна/якість, виходячи з перерахованих достоїнств, вони явно виграють у тиристорних перетворювачів, крім того, протягом останніх років спостерігається неухильне зниження цін на ІGBT модулі.

Головною перешкодою на шляху їхнього використання у високовольтному приводі із прямим перетворенням частоти й при потужностях вище 1-2 МВт на цей момент є технологічні обмеження. Збільшення напруги, що комутує, і робочого струму приводить до збільшення розмірів транзисторного модуля, а також вимагає більше ефективного відводу тепла від кремнієвого кристала.

Нові технології виробництва біполярних транзисторів спрямовані на подолання цих обмежень, і перспективність застосування ІGBT дуже висока також й у високовольтному приводі. У цей час ІGBT транзистори застосовуються у високовольтних перетворювачах у вигляді послідовно з'єднаних декількох одиничних модулів.

Типова схема низьковольтного перетворювача частоти представлена на рис. 5. У нижній частині рисунка зображені графіки напруг і струмів на виході кожного елемента перетворювача.

Змінна напруга живильної мережі (u_вх.) з постійною амплітудою й частотою (U_вх = const, f_вх = const) надходить на керований або некерований випрямляч (1).

Для згладжування пульсацій випрямленої напруги (u_випр.) використається фільтр (2). Випрямляч й ємнісний фільтр (2) утворять ланку постійного струму.

З виходу фільтра постійна напруга u_d надходить на вхід автономного імпульсного інвертора (3).

Автономний інвертор сучасних низьковольтних перетворювачів, як було відзначено, виконується на основі силових біполярних транзисторів з ізольованим затвором ІGBT. На розглянутому рисунку зображена схема перетворювача частоти з автономним інвертором напруги яка одержала найбільше поширення.

В інверторі здійснюється перетворення постійної напруги u_d у трифазну (або однофазну) імпульсну напругу u_і змінюваної амплітуди й частоти. По сигналах системи керування кожна обмотка електричного двигуна приєднується через відповідні силові транзистори інвертора до позитивного й негативного полюсів ланки постійного струму. Тривалість підключення кожної обмотки в межах періоду проходження імпульсів модулюється за синусоїдальним законом. Найбільша ширина імпульсів забезпечується в середині півперіоду, а до початку й кінця півперіоду зменшується. Таким чином, система керування забезпечує широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) напруги, що прикладається до обмоток двигуна. Амплітуда й частота напруги визначаються параметрами синусоїдальної функції, що модулює.

При високій несучій частоті ШІМ (2...15 кГц) обмотки двигуна внаслідок їхньої високої індуктивності працюють як фільтр. Тому в них протікають практично синусоїдальні струми.

У схемах перетворювачів з керованим випрямлячем (1) зміна амплітуди напруги u_і може досягатися регулюванням величини постійної напруги u_d, а зміна частоти - режимом роботи інвертора.

При необхідності на виході автономного інвертора встановлюється фільтр (4) для згладжування пульсацій струму. (У схемах перетворювачів на ІGBT у силу низького рівня вищих гармонік у вихідній напрузі потреба у фільтрі практично відсутній).

Таким чином, на виході перетворювача частоти формується трифазна (або однофазна) змінна напруга змінюваної частоти й амплітуди (U_вих = var, f_вих = var).

1. Славик И. "Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей". - Москва, "Энергоатомиздат", 1989 г.

2. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. "Преобразовательная техника". - Киев, "Вища школа", 1979 г.

3. Стариков Б.Я., Азарх В.Л., Рабинович З.М. "Асинхронный электропривод очисных комбайнов". - Москва, "Недра", 1981 г.

4. Розанов Ю.К. "Основы силовой электроники". - Москва, "Энергоатомиздат", 1992 г.

5. Мовсесова Н.С., Храмушина А.М. "Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами". - Москва, "Энергоатомиздат", 1982 г.

6. Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др.; Под ред. Ковалева Ф.И. и Мостковой Г.П. "Полупроводниковые выпрямители". - 2-е изд., переработ. Москва, "Энергия", 1978 г.