Электромеханичні системи автоматизаціі та електропривід
Напівпровідникові випрямні агрегати знайшли широке застосування в різних областях промисловості, на залізничному транспорті, судах літаках і так далі. Вони використовуються для живлення процесів електролізу в кольоровій металургії і хімічній промисловості; для живлення системи електроприводу двигунів постійного струму різного призначення і потужності; для збудження великих електричних генераторів; для тягових підстанцій і магістральних електровозів змінного струму і для задоволення багатьох інших потреб народного господарства.
Виробництво і розподіл електричної енергії в основному здійснюється на змінному струмі. В той же час значна частина електроенергії споживається у вигляді постійного струму. Це пов'язано з тим, що частина споживачів може працювати тільки на постійному струмі. Інша частина споживачів має на постійному струмі кращі характеристики і параметри.
Для перетворення змінного струму в постійний нині майже виключно застосовуються напівпровідникові перетворювачі електричної енергії – випрямлячі.
Значний прогрес в преобразовательной техніці пов'язаний із створенням силових напівпровідникових вентилів. Високі електричні параметри, малі габарити і маса, простота конструкції і обслуговування, висока експлуатаційна надійність напівпровідникових вентилів дозволяють широко використати їх в схемах перетворення змінного струму в постійний.
Можливості перетворювачів істотно розширюються з розробкою і використанням тиристорів. Тиристорні випрямлячі забезпечують глибоку зміну вихідних параметрів у будь-якому необхідному діапазоні; мають високу швидкодію і точність автоматичного регулювання; дозволяють переводити перетворювач в інверторний режим і тим самим забезпечувати рекуперацію електроенергії в мережу.
Вказані якості перетворювачів тиристорів роблять їх дуже перспективними пристроями для живлення систем електроприводів постійного струму з плавним регулювання частоти обертання в широкому діапазоні, для збудження великих електричних генераторів та інших цілей [1].
Нині велика увага приділяється розвитку напівпровідникових перетворювачів для регулювання швидкості асинхронних, синхронних, крокових, вентильних, вентильно-індукторних та інших типів електродвигунів
Незважаючи на це не втратило актуальності завдання створення тиристорного перетворювача для електроприводу (ЕП) постійного струму. Тому, що і зараз у багатьох галузях промисловості широко застосовується ЕП постійного струму. Тому немає підстав стверджувати, що в найближчому майбутньому станеться повне витіснення електроприводу постійного струму електроприводом змінного струму.
За кордоном значних успіхів в розвитку тиристорних перетворювачів для ЕП постійного струму досягли такі відомі фірми як Siemens, ABB, Emerson і багато інших. Проте використання результатів їх розробок в цій області виявляється практично неможливим із-за прихованості інформації [2].
Саме тому магістерська робота присвячена актуальному науковому завданню розробки силової схеми тиристорного перетворювача.
Метою магістерської роботи є розробка і дослідження силової схеми тиристорного перетворювача постійної напруги, розробка схеми і плати формувача імпульсів для управління тиристорами і пошук шляхів оптимізації споживання струму від джерела живлення цим пристроєм.
Електропривід на основі тиристорних перетворювачів нині є основним типом промислового регульованого електроприводу постійно струму. Це пояснюється рядом переваг цього типу електропривіду, основні з яких наступні:
У той же час тиристорним електроприводам властиві недоліки:
За призначенням тиристорні перетворювачі підрозділяються:
За виконанням тиристорні перетворювачі підрозділяються:
Найефективнішою для тиристорних перетворювачів визнана трифазна мостова (шестипульсна) схема випрямлення (мал. 1) [3 с. 11–12].
Тому що вона має ряд переваг, таких як:
І незначним недоліком: подвійне падіння напруги на вентилях, що особливо важливо при малій напрузі. [4 с. 120]
Саме трифазна мостова схема випрямлення для нереверсивного тиристорного перетворювача і застосовуватиметься у цій роботі.
Рисунок 1 – Трифазный мостовий випрямляч
Рисунок 2 – Діаграми току і напруги трифазного мостового випрямача при куті α= 0
Розглянемо принцип дії схеми (рис. 1) з активним характером навантаження (ключ К замкнутий). Починаючи з моменту ν1 ток проводять тиристори VS1 і VS6, інші тиристори вимкнені. В цьому випадку до навантаження Rd прикладена лінійна напруга uab і ток id тече по контуру: обмотка фази а – тиристор VS1 – навантаження R<d – тиристор VS6 – обмотка фази b. Цей процес в схемі продовжуется до моменту ν2, тобто впродовж часу, що відповідає π/3, коли потенціал фази b стане позитивним. Починаючи з цього моменту напруга ubc набуває позитивного значення (пряма напруга для тиристора VS2). При подачі у цей момент часу імпульсу управління на тиристор VS2 він починає проводити струм, тиристор VS6 вимикається (відбувається комутація між тиристорами VS6 і VS2). Для тиристора VS6, що вимкнувся, напруга ubc є зворотньою. Тиристори VS1 і VS2 знаходяться у провідному стані, решта тиристорів вимкнені.
У момент ν3 подається імпульс управління на тиристор VS3 і він вмикаеться. Тиристор VS1 вимикається, оскільки потенціал фази b стає вище за потенціал фази а. Далі через інтервали часу, рівні π/3, комутують наступні пари тиристорів : VS2 - VS4, VS3 - VS5, VS4 - VS6, VS5 - VS1. Таким чином, впродовж періоду напруги живлення відбуваються шість комутацій через інтервал π/3 кожна, причому три з них – у катодній групі тиристорів VS1, VS3 і VS5 (що мають об'єднані катоди) і три – у анодній групі тиристорів VS4, VS6 і VS2 (що мають об'єднані аноди). Нумерація тиристорів в цій схемі носить не випадковий характер, а відповідає порядку їх вступу у роботу за умови дотримання фазування трансформатора, вказаного на рис. 1.
Почергова робота різних пар тиристорів в схемі призводить до появи на опорі Rd випрямленої напруги, що складається з частин лінійної напруги вторинних обмоток трансформатора (рис. 2). Моменти комутації співпадають з моментами проходження через нуль лінійної напруги (коли рівні дві фазних напруги, наприклад ua і ub). Тривалість проходження струму через кожен тиристор дорівнює 2π/3, впродовж іншого часу до нього прикладена зворотна напруга, що складається з частин відповідної лінійної напруги [5].
На рисунку 3 показаний процес випрямлення змінної напруги, в постійну напругу що відбувається у тиристорному перетворювачі. Змінна напруга з мережі поступаючи на трансформатор (Т) знижується, далі вона йде на керований випрямляч (КВ), яким керує система управління (СУ). На виході КВ змінна напруга стає постійною пульсуючою, проходячи через згладжуючий дросель (ЗД) надходить на обмотку якоря машини постійного струму М.
Рисунок 3 – Процес випрямлення у тиристорному перетворювачі
(анімація: 5 кадрів, 7 циклів, 59 Кб)
Функції формувачів імпульсів керування виконують підсилювачі, призначені для посилення інформаційного сигналу управління у сигнал з параметрами, необхідними для гарантованого включення і виключення напівпровідникового ключа. Окрім вимог до потужності сигналу управління ключем часто пред'являються вимоги до форми сигналу, тому іноді ФІК називають підсилювачами–формувачами імпульсів керування. Схемотехніка ФІК в першу чергу залежить від типу керованого приладу і його статичних і динамічних властивостей.
За наявності на традиційному тиристорі прямої напруги формується імпульс керування. Полярність напруги, що формує струм управління, відповідає позитивній напрузі на електроді тиристора, який керується відносно катоду, що відповідає прямому зміщенню керуючого p-n переходу.
Параметри імпульсу струму управління повинні відповідати вхідним характеристикам тиристора. Імпульс управління повинен мати велику швидкість наростання струму і підвищену амплітуду при включенні. Це прискорює процес включення і знижує можливість виходу тиристора з ладу із-за підвищеної швидкості наростання анодного струму di/dt. Після завершення процесу включення імпульс управління бажано зробити рівним нулю, оскільки тривалий імпульс збільшує втрати потужності в тиристорі. Проте необхідно враховувати, що за наявності у навантаженні індуктивної складової процес включення затягується, і в цьому випадку імпульс має бути підвищеної тривалості для гарантованого включення тиристора[6].
Рисунок 4 – Формувач імпульсів. Схема електрична принципова
У цій схемі керування тиристором застосовується імпульсний трансформатор TV1, який здійснює передачу коротких імпульсів з найменшими спотвореннями при роботі в перехідних процесах, а також гальванічну розв'язку силових і керуючих ланцюгів. Імпульсний трансформатор дає можливість змінити рівень і полярність утворюваного імпульсу напруги. Діод VD1 не допускає перенапруження на транзисторі VT1 у момент його замикання, а діод VD2 запобігає появі зворотної напруги на керуючому електроді тиристора VS1. Резистор R1 ставиться із-за великої емності затвор-канал яка виникає при роботі транзистора на великих частотах перемикання (напруга стоку, що швидко змінюється, може викликати на затворі перехідний струм достатній для перевантаження керуючих мікросхем або мікроконтролера). Резистор R4 обмежує струм керуючого електроду тиристора. Конденсатор C1 застосовується в якості фільтру для пригнічення високочастотних перешкод.
Подаємо живлення між стоком і витоком VT1 будь-якої полярності, далі на затвор транзистора подамо прямокутні імпульси напруги, виникне електричне поле, досягши напруги затвора-витоку свого порогового значення станеться відкриття VT1. В процесі відкривання і закривання транзистора на вхід TV1 поступають прямокутні імпульси напруги певної величини, в первинній обмотці поступово з'являється електричний струм, сила якого поступово збільшується. Зростання величини струму спричинить зміну магнітного потоку, і у вторинній обмотці трансформатора з'явиться електрорушійна сила. В цьому випадку спотворення вхідного сигналу практично не станеться. Втрати струму настільки малі, що можна ними знехтувати. У вторинній обмотці з'явиться також і негативна частина імпульсу, VD2 запобіжить її появі на керуючому електроді тиристора VS1. Позитивний імпульс напруги поступить на керуючий електрод, і при присутності прямої напруги на аноді і катоді тиристора відкриє його.
На рисунку 5 приведена готова плата формувача імпульсів.
Рисунок 5 – Готова плата формувача імпульсів
На рис. 6 показана модель для дослідження в програмі Electronics Workbench 5.11. Моделювання проводилося при допущеннях, що транзистор і діод ідеальні. Первинна обмотка імпульсного трансформатора представлена у вигляді послідовного з'єднання індуктивності L1 і активного опору R1. Діод VD1 служить для пропускання струму, що проходить при вимкненні транзистора VT1 за рахунок енергії, збереженої в індуктивності первинної обмотки імпульсного трансформатора. При включенні транзистора VT1 у момент t1, напруга джерела живлення прикладається до первинної обмотки імпульсного трансформатора (до обмотки прикладається імпульс напруги), а коли він вимикається у момент t2, струм навантаження протікає за рахунок енергії, збереженої в індуктивності обмотки L1, і замикається через діод VD1 і активний опір R1. У момент t3 процеси повторюються.
Рисунок 6 – Модель для дослідження роботи імпульсного трансформатору в режимі холостого ходу
Для того, щоб регулювати напругу поступаючу на первинну обмотку імпульсного трансформатора змінюємо тривалість включеного стану транзистора, але частоту подання імпульсів задаючого генератора (ZG) на транзистор залишаємо постійну - f=const. У цій моделі частота подання імпульсів (частота модуляції) fм була прийнята рівною 40 кГц, що відповідає паспортним даним на імпульсний трансформатор [7].
На рисунку 7 в) приведені діаграми струму, які повинні бути при мінімальному споживанні струму від джерела живлення.
Рисунок 7 – Діаграми напруги uk і струму id
У ході процесу моделювання були визначені значення Iпоч. і Iкін. (відповідно початкові і кінцеві значення току пульсацій споживаного від джерела живлення. При цьому визначення середнього значення пульсацій струму Iсер.пул., споживаного від джерела, можливо відповідно до виразу:
Тоді амплітуда пульсацій струму ΔI:
Середнє значення струму Id, споживаного від джерела живлення за період Т:
В ході процесу моделювання змінювалися значення опору R1 (рис.2) і коефіцієнта заповнення γ. Для наочності результату дослідження, виходячи з розрахунків, приведен графік Id = f(γ) (рис.4).
Рисунок 8 – Графік залежності Id = f(γ)
Из рис. 8 видно, що струм Id зменшується зі зменшенням γ, і збільшенням опору розряду індуктивності первинної обмотки. При цьому мінімальна тривалість γ визначається кратним (3-5 разів) часом відкривання тиристора [4].
В ході дослідження було визначено, що значення споживання струму від джерела живлення залежить від величини опору R1 розташованого в ланцюзі розряду індуктивності L1. Визначено значення R1 в межах 20-32 Ом, при якому здійснюється мінімальне споживання струму від джерела живлення.
В результаті виконаної роботи була розроблена електрична принципова схема формувача імпульсів, здійснено моделювання роботи формувача імпульсів, в результаті якого була сформована методика для зниження споживання струму пристроєм від джерела живлення. Розроблена макетна плата для відкривання тиристора, працюючого на активне навантаження у вигляді лампи розжарювання в асинхронному режимі.
При написанні цього реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2019 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.