Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы. Динамо-машины.

Динамо-машины Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

конструирование преобразователей

Силовые полупроводниковые преобразователи - это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии одного вида в электрическую знергию другого вида. В их главных цепях используются силовые полупроводниковые приборы, а основным показателем качества является коэффициент полезного действия (КПД). Практически вся электрическая энергия в настоящее время вырабатывается и передается в виде трехфазного переменного тока постоянной частоты. Для обеспечения возможности регулирования и повышения КПД при использовании этой электрической энергии возникает необходимость преобразовывать ее в электрическую энергию постоянного тока или переменного тока регулируемой частоты. Электрическую энергию постоянного тока, полученную от электрохимических источников, очень часто приходится регулировать, стремясь сделать это с наименьшими потерями энергии. В еще недавнем прошлом это преобразование осуществлялось с помощью электромеханиче-сш.% вращающихся преобразователей, а функции регулирования зачастую перекладывались на механические узлы (редукторы, вариаторы, дроссельные заслонки и т. п.), имеющие низкий -КПД. Такое устаревшее оборудование находится в эксплуатации и в настоящее время.

Развитие полупроводниковых приборов, которое привело в 60-е годы к появлению на рынке силовых кремниевых диодов и гиристоров, позволило создать силовые полупроводниковые преобразователи,- которые являются почти идеальным средством преобразования электрической энергии.

Силовые полупроводниковые преобразователи являются статическими, бесконтактными и имеют высокую эффективность.

Статический характер силовых полупроводниковых npeo6j разователей обусловлен тем, что преобразование электрической энергии осуществляется в полупроводниковой структуре без механического движения и, следовательно, без износа деталей под влиянием трения. Здесь существует только движение электрических зарядов и их носителей, которое подчиняется законам электродинамики.

Бесконтактный характер этих преобразователей определяется тем, что включение и отключение электрического тока происходит без видимого прерывания цепей, без электрической дуги и без износа материала коммутирующего перехода.

Высокая эффективность полупроводниковых преобразователей обусловлена вольт-амперными характеристиками силовых полупроводниковых приборов, которые приближаются к идеальным характеристикам устройств коммутации, не имеющих потерь. Они обладают высокой электрической проводимостью (малое падение напряжения) в прямом проводящем направлении и высоким электрическим сопротивлением (малый ток утечки) в обратном направлении и в закрытом состоянии. Следовательно, преобразование электрической энергии происходит с минимальными потерями. При преобразовании электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока происходит экономия энергии на 10 - 40% по сравнению с классическими вращающимися и контактными устройствами. Кроме того, высокая эффективность обеспечивает высокую надежность, готовность к работе, быстродействие и качество регулирования. Эти свойства позволяют повысить производительность промышленного оборудования с полупроводниковыми преобразователями на 30-50%, благодаря чему возникает вторичная экономия энергии, которая обычно гораздо выше, чем прямая (непосредственная) экономия.

В то же время устройства силовой электроники в большинстве случаев дороже классических преобразователей и требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала. Часто они оказывают неблагоприятное влияние на электрическое напряжение питающей сети вследствие низкого коэффициента мощности по первой гармонической составляющей и несинусоидальной формы потребляемого тока. Однако при комплексной оценке эффективности использования силовых преобразователей необходимо учитывать общий долговременный эффект, а не только единовременные капитальные затраты. Длительная практика внедрения силовой электроники в промышленность доказывает ее абсолютное преимущество перед устаревшими вращающимися и контактными устройствами и высокую долговременную экономическую эффективность.

Схемные решения силовых полупроводниковых преобразователей быстро развивались в течение последних двадцати лет и в настоящее время практически стабилизировались. Определенный прогресс достигнут в последнее время в схемных решениях управляющих и регулирующих цепей за счет применения микропроцессоров и оптоэлектрических элементов. В силовых цепях начинают применяться запираемые тиристоры, симметричные тиристоры и высокочастотные приборы.

Что же касается конструктивных решений преобразователей, то они пока далеко не достигли такой ступени развития, как схемные решения. Конструктивные решения преобразователей очень разнородны, неунифицированы и малоэффективны.

Конструкция силовых полупроводниковых преобразователей имеет определенные специфические черты, которые отличают ее от конструкций другого электротехнического и электронного оборудования. Сюда относятся следующие характерные особенности:

большое число очень разнородных элементов; относительно малая серийность;

необходимость согласованности с оборудованием, для которого преобразователи предназначены.

Полупроводниковые преобразователи состоят из силовых, а также управляющих и регулирующих цепей.

Силовые цепи включают в себя электрически соединенные между собой силовые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы и диоды), защитные и коммутационные аппараты, резисторы, конденсаторы, дроссели и трансформаторы, контактные зажимы. К силовым цепям относятся также питающие и выходные сборные шины, кабели, а также силовые розетки и вилки. К силовой части нужно отнести и узлы системы охлаждения, такие, как охладители (радиаторы), вентиляторы, воздуховоды, насосы, теплообменники, фильтры, вентили и т. п. Все это конструктивно объединяется несущим каркасом или шкафом.

Управляющие и регулирующие цепи, а также цепи контроля состоят из маломощных дискретных и интегральных полупроводниковых элементов, пассивных элементов, миниатюрных релЬ, маломощных трансформаторов, переходных контактов, которые чаще всего устанавливаются на платах с печатными соединениями. Платы размещаются в кассетах или закрепляются в преобразователях иными способами. К цепям контроля относятся устройства сигнализации, диагностики, датчики, измерительные приборы и т. п.

Большое количество очень разнородных элементов является причиной большого разнообразия вариантов схемных решений и конструктивных исполнений силовых полупроводниковых преобразователей. Вследствие этого очень трудно провести простое качественное сравнение отдельных типов преобразователей и разместить их в какой-либо ряд по оценке признаков.

Малая серийность силовых полупроводниковых преобразователей в производстве вызвана тем, что они предназначены для разнообразных электроприводов и агрегатов как источники питания, а также для установок с очень разными значениями мощностей, напряжений, токов, диапазонов регулирования, необходимых динамических показателей и т. п. В большинстве

случаев справедливо правило, что чем больше мощность, тем меньше серийность производства. Следовательно, речь идет о широком ассортименте изделий, к чему должны быть приспособлены технологическая подготовка и организация производства. Эта характерная черта силовых полупроводниковых, преобразователей требует, с одной стороны, .высокой степени унификации узлов и деталей, чтобы преобразователи различных типов могли выпускаться на базе относительно небольшого числа универсальных блоков, а с другой стороны - заставляет стремиться к увеличению серийности производства преобразователей путем специализации их разработки и производства, в том числе в международном масштабе.

Необходимость согласованности преобразователей с оборудованием, для которого они предназначены, требует выпуска преобразователей с различной степенью защиты и различных исполнений для разных климатических условий. С этим связано и частое стремление встроить преобразователь в единую с основным оборудованием конструкцию, например в обрабатывающий станок. Это приводит к большому числу конструктивных вариантов даже при одинаковых или похожих схемных решениях.

Конструктивное разнообразие и низкий уровень унификации силовых полупроводниковых преобразователей имеют следствием высокую трудоемкость их производства и требуют широкой номенклатуры материалов. Целью настоящей публикации является рассмотрение проблематики конструирования силовых полупроводниковых преобразователей, особенно их силовых цепей. Конструкции управляющих цепей, выполняемых, как правило, на печатных платах, в основном аналогичны конструкциям других электронных устройств и подробно рассматриваются в целом ряде публикаций.

Особый упор делается в книге на наиболее распространенные в промышленности преобразователи мощностью от 1 до 250 кВт. В отдельных главах книги рассматриваются требования к конструкции преобразователей, предъявляемые стандартами, потребителями и технологией производства. Описываются применяемые детали и узлы преобразователей, их конструктивные решения и взаимное электрическое и механическое сочленение. Отдельная глава посвящена охлаждению преобразователей и их узлов, что обычно оказывает существенное влияние на конструктивное решение преобразователя в целом. Содержанием отдельной главы являются также вопрось! унификации конструкции преобразователей, ее условия и полученные результаты. Для потребителей преобразователей предназначены две последние главы о монтаже, эксплуатации и ревизии преобразователей и о типичных примерах применения силовых полупроводниковых преобразователей в практике.

г пава 1

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Силовые полупроводниковые преобразователи можно систематизировать по различным критериям. Чаще всего такая систематизация проводится в соответствии с принципиальными особенностями схемы и функциональным назначением; с областью применения; с мощностью; с особенностями конструкции; со способом охлаждения.

Систематизация преобразователей в соответствии с принципиальными особенностями схемы связана с их функциональным назначением, как это схематически показано на рис. 1. Стрелка а показывает преобразование переменного тока (или напряжения) в постоянный (выпрямители), стрелка b соответствует преобразованию постоянного тока в постоянный ток с другими параметрами, чаще всего регулируемыми (импульсные преобразователи постоянного тока), стрелка с означает преобразование прстоянного тока в переменный (инверторы), а стрелка d-преобразование переменного тока в переменный с другими параметрами (преобразователи переменного тока с фазовым или импульсным управлением). На рис. 1 показаны только основные типы прямого преобразования. Чаще встречаются различные комбинированные способы преобразования, например преобразование переменного тока в постоянный, а затем снова в переменный с постоянными или регулируемыми частотой и напряжением.

Подробную.систематизацию и определение терминов силовых полупроводниковых преобразователей содержит чехословацкий стандарт eSN 34 5175 (Терминология силовых полупроводниковых преобразователей). На рис. 2 показана обзорная классификация важнейших типов преобразователей в соответствии со схемными особенностями и функциональным назначением.

С учетом области применения преобразователи можно систематизировать по следующим группам: для промышленных электроприводов; тяговых электроприводов; агрегатов беспере-

[ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

Измерительные датчики Omron здесь