Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка - страница 54

Страницы:
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  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 

Ud = var

Рис. 11.16 - Перетворювач з проміжною ланкою постійного струму

за

Такі перетворювачі дають змогу регулювати вихідну частоту f допомогою системи керування інвертора СКІ в широкому діапазоні як вище, так і нижче частоти мережі живлення fy Переважна сфера за­стосування - електроприводи змінного струму.

У перетворювачах частоти з безпосереднім зв'язком, як показано на рис. 11.17, крива вихідної напруги змінної частоти f формується з ділянок напруги мережі живлення, що за допомогою тиристорів безпо­середньо пов'язана з навантаженням. Принцип дії перетворювачів ана­логічний до реверсивного тиристорного перетворювача. При форму­ванні позитивного півперіоду вихідної частоти (див. рис. 11.17,а) пра­цюють тиристори перетворювача ТШ (катодна група вентилів VS1, VS2, VS3). При цьому струм крізь навантаження г'н проходить у на­прямку, показаному суцільною стрілкою. Перетворювач ТШ при цьо­му вимкнутий.

При формуванні негативного півперіоду працюють тиристори ТШ2 (анодна група вентилів VS4, VS5, VS6). Струм навантаження надхо­дить у зворотному напрямку (переривчаста стрілка), ТШ1 при цьомувимкнутий. Переваги цього перетворювача - природна комутація ти­ристорів (тобто непотрібні повністю керовані СНП) і більш високий ККД, тому що має місце одноразове перетворення енергії (зі змінного струму одразу в змінний, на відміну від перетворювача на рис. 11.16, де має місце дворазове перетворення: спочатку в постійний, а потім знову в змінний).

Ua Ub U0 Ua Ub Uc Ua Ub ис

A IS

VS1

VS2

VS3

VS4 VS5

VS6

б)

Рис. 11.17 - Тиристорний перетворювач частоти з безпосереднім зв'язком: а) діаграми вихідної напруги; б) схема електрична принципова

3Є2

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

Частота в такому перетворювачі регулюється часом роботи кожної групи (становить півперіод вихідної напруги). Значення вихідної напру­ги регулюється зміною кутів відкривання тиристорів a у кожній групі (див. рис. 11.17,б). Доцільний діапазон змінювання частот від 0 до 30 Гц (менший, ніж у перетворювачів з ланкою постійного струму). Окрім того, зі зниженням напруги на виході цих перетворювачів через суттє­ве викривлення форми вихідної напруги зменшується коефіцієнт потуж­ності. Сфера застосування - частотний електропривод потужних тихо­хідних асинхронних і синхронних електродвигунів.

Контоольні запитання

1. Поясніть, що таке автономний інвертор. Коли застосовують автономні інвертори?

2. Яка різниця між інверторами струму та інверторами напруги?

3. Наведіть схему трансформаторного інвертора струму і по­ясніть її роботу. Як у ньому забезпечується вимикання тирис­торів, що працюють на постійному струмі?

4. Наведіть схему півмостового інвертора напруги і поясніть її роботу. Як в ньому забезпечується вимикання тиристорів, що працюють на постійному струмі?

5. Вкажіть переваги застосування у перетворювачах новітніх вентильних напівпровідникових приладів у порівнянні з одно-операційними тиристорами.

6. Наведіть схему однофазного інвертора напруги на IGBT-тран-зисторах і поясніть специфіку її роботи при активно-індук­тивному навантаженні.

7. Наведіть схему трифазного інвертора напруги і поясніть прин­цип його роботи.

8. Поясніть будову і переваги випрямлячів із багатократним пе­ретворенням.

9. Що таке інвертор, ведений мережею? Коли використовують такі інвертори?

10. Поясніть призначення і роботу реверсивного перетворювача напруги.

РОЗДІЛ 12

вплив вентильних перетворювачів на мережу. електромагнітна сумісність

12.1. Загальні відомості про електромагнітну сумісність

Характерною рисою сучасних систем електропостачання є їхня на­сиченість споживачами з істотно нелінійними ВАХ. Стосовно мережі живлення ці споживачі є джерелами вищих гармонік. Причому, кількісний і якісний їхній склад з часом істотно змінювався. Якщо на перших ета­пах розвитку промислової електротехніки поява вищих гармонік була зумовлена процесами у феромагнітних пристроях, то у останні десяти­ліття основним джерелом вищих гармонік є вентильні перетворювачі виконані на силових транзисторах і тиристорах. їхнє використання як у високовольтних, так і в низьковольтних мережах безупинно зростає. Наприклад, потужність нелінійних навантажень, що складаються, в основному, із перетворювальних пристроїв, у цеховій мережі сучасного металургійного заводу України вже сьогодні становить близько 80% потужності комплексної трансформаторної підстанції. При цьому ко­ефіцієнт нелінійних спотворень кривої напруги в мережах 0,38 кВ цих цехів може досягати 10-15%.

Велика питома вага нелінійних навантажень у загальному складі споживачів електроенергії, тенденція до істотного зростання їхньої кількості і при цьому широке впровадження устаткування, чутливого до спотворень форми кривих струму і напруги мережі живлення, виз­начили зростаючу увагу як розробників електроустаткування, так і його експлуатаційників до проблеми вищих гармонік.

Спотворення форми кривих струмів і напруг, як правило, пов'язане з посиленням взаємного впливу споживачів різного виду, зумовленого нелінійними навантаженнями. Для характеристики цього впливу вико­ристовують поняття «електромагнітна сумісність», що визначає ступінь взаємного впливу електроприймачів, за якого відсутні порушення 'їхньої

3Є4

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

нормальної роботи і не відбувається зниження ефективності роботи нижче деякої економічно обґрунтованої межі.

Електромагнітна сумісність залежить також і від особливостей ме­режі живлення. Так сумісність перетворювачів з мережею визначається не тільки параметрами перетворювача, але і схемою мережі, потуж­ністю короткого замикання на шинах, що живлять це навантаження. При цьому, чим ближче значення потужності мережі живлення до по­тужності перетворювача, тим складніше забезпечити їхню електро­магнітну сумісність.

Таким чином, електромагнітна сумісність - це здатність електро-приймача нормально функціонувати в мережі електропостачання, до якої він підключений, і не вносити в цю мережу завад, неприпустимих для роботи інших електроприймачів.

Досягнення електромагнітної сумісності забезпечується обмежен­ням деякою припустимою величиною спотворень форми кривої напру­ги, викликаних нелінійним навантаженням. Якісні і кількісні критерії припустимого спотворення форми кривої напруги мережі ще не погод­жено на міжнародному рівні. Тому норми й рекомендації, розроблені фахівцями різних країн, істотно різняться. Наприклад, останній стандарт колишнього СРСР, що регламентував показники якості електроенергії у електричних мережах загального призначення (ГОСТ 13109-87), нор­мував припустимі рівні окремих гармонік, що диференціювалися у за­лежності від рівня напруги в мережі, а також коефіцієнта нелінійних спотворень Кн. Зокрема, для низьковольтних мереж (напругою до 1 кВ) останній був обмежений значеннями: Кн < 3% - довгостроково та Кн < 5% - короткочасно. Цей коефіцієнт, що його ще називають коефіцієнтом гармонік, розраховують за формулою (порівняйте з (3.40)):

K, jU2 + Ujr +- + U- , 02,>

де U1, U2, U3, ... , Un - діючі значення напруг гармонійних складових напруги живлення.

У промислово розвинених країнах введено більш жорсткі обмежен­ня на величину гармонік струму, що генеруються окремим нелінійним навантаженням. Таке обмеження зобов'язує застосовувати спеціальні способи й засоби для обмеження вищих гармонік у вузлах мереж, дояких підключені нелінійні навантаження. Це дозволяє уникнути проник­нення гармонік струму з мереж споживачів у мережі енергосистем. Так остання редакція стандарту МЕК 555-2 (введена в дію з 1992 р.), що нормує рівні вищих гармонік струмів різних порядків, які генерують­ся побутовим радіоелектронним і електротехнічним устаткуванням, приписує необхідність забезпечення коефіцієнта потужності на вході, практично рівного одиниці для усіх споживачів потужністю більшою за 700 Вт (США) і 300 Вт (країни Європейського Союзу). Тобто струми, споживані зазначеним устаткуванням у цих країнах, повинні бути прак­тично синусоїдними.

Україна, у відповідності до своєї зовнішньополітичної доктрини, до­сить цілеспрямовано прагне увійти до складу Європейського Союзу, а, отже, стати повноцінним учасником європейського ринку. Тому у най­ближчому майбутньому необхідно буде забезпечувати виконання за­значених вище норм стандарту МЕК 555-2 згідно до вимог відповідного національного стандарту.

Виходячи з наведеного, вивчення впливу на мережу вентильних пе­ретворювачів, що становлять на сьогодні основний клас нелінійних на­вантажень, а також розгляд основних способів і засобів, що забезпечу­ють зниження цього впливу, є необхідним при підготовці фахівців елек­тротехнічного профілю.

12.2. Коефіцієнт потужності вентильних перетворювачів та основні шляхи його зниження

Уже зазначалося, що вентильні перетворювачі, як джерела вищих гармонік струму, впливають на форму напруги живлення. Цей вплив тим сильніший, чим ближчі значення потужності перетворювача і по­тужності мережі живлення. Це ілюструє рис. 12.1.

Джерело змінної напруги u тут представлене у вигляді джерела е.р.с. е з власними індуктивністю Ьдж й опором Ядж. Форма струму і, спожи­ваного перетворювачем, є характерною для випрямлячів, що працю­ють на ємнісний згладжуючий фільтр Сф (навантаження VDCR-типу) і є найбільш розповсюдженими типопредставниками вентильних пере­творювачів. Спотворення форми кривої напруги u призводить до зрос­ту втрат, зниження моменту двигунів і к.к.д. навантаження, а такожзєє

ЕЛЕКТРОНІКА І МІКРОСХЕМОТЕХНІКА

може призвести до збоїв у роботі інших споживачів, підімкнених до цієї мережі.

Рис. 12.1- Ілюстрація впливу вентильного перетворювача на мережу живлення Для оцінки ступеню такого впливу вентильні перетворювачі прийня­то характеризувати як нелінійне навантаження за допомогою вхідного коефіцієнта потужності Кпот- Цей коефіцієнт дорівнює відношенню активної потужності, що є сумою втрат і активної потужності, що виді­ляється у навантаженні, до повної потужності на вході.

P

Тобто Кпот =. (12.2) S

Активна потужність визначається як сума середніх потужностей окремих гармонік

P = ^UVIV COSфу, (12.3)

v=o

де U ,1, ц - діючі значення напруги, струму і фазовий кут гармоніки v-го порядку. Нульова гармоніка є постійною складовою.

Оскільки к.к.д. перетворювачів досить близький до одиниці, то можна вважати, що активна потужність Р характеризується тільки потужніс­тю, що виділяється у навантаженні.

Повну потужність знаходять як добуток діючих значень напруги та струму

S = UI =\\U2V XИ . (12.4)

V v=0 v=0

Значення коефіцієнта потужності на вході вентильного перетворю­вача може бути знайдене як

X uIv cos фу

—п

^ пот

v=0

(12.5)

X        X Iv2

Т?п v=0

v=0

Часто використовують форму запису K , основану на представленні повної потужності у вигляді окремих складових: активної, реактив­ної і потужності спотворення. Тоді вираз (12.2) буде мати вигляд

к   = Р

тп~ Vp2 + q2 + t2 (12.6)

де Q, Т- реактивна потужність та потужність спотворення відповідно.

q = Xuv Iv sin ф

v=1

Iv sin фv, (12.7)

t

Xuv212 +    I2 - 2uvI,U,Iv cos^v - ф,).

v212 + u, Iv2

v=i (12.7)

Необхідно зазначити, що для чисто активного навантаження Т = 0,

тобто S =   P2 + Q2.

З виразу (12.6) випливає, що у вентильних перетворювачів, навіть при їхній роботі на активне навантаження, через спотворення форми споживаного струму у результаті регулювання вихідного параметру перетворювача (наприклад, напруги на виході регульованого електрон­ного ключа - див. розділ 10) маємо К   < 1. Причому, зазвичай, чимширший діапазон змін кута керування перетворювача, тим нижче зна­чення К   , а, отже, і більш істотний негативний вплив перетворювача

пот7    77 1 1

на систему електропостачання.

Таким чином, вентильний перетворювач, як і будь-яке нелінійне на­вантаження, є джерелом неактивної потужності, що включає в себе реактивну потужність і потужність спотворення. Природно, що, чим нижчим є значення К   , тим частка неактивної потужності у загально-

пот

му потоці електроенергії більша.

Відомо, що неактивна потужність пов'язана з періодичним обміном електроенергією між джерелом та споживачем, і не виконує корисної роботи. У результаті виникає додаткове навантаження системи елект­роживлення і додаткові втрати в її передатних компонентах.

Крім того, потужність спотворення викликає додаткові втрати через специфіку передачі енергії на підвищених частотах. Особливо це про­являється, якщо потужність вентильного перетворювача сумірна із потужністю мережі живлення (див. рис. 12.1).

У зв'язку з вказаним, на практиці значення неактивної потужності прагнуть мінімізувати. Вирішення цієї задачі привертає велику увагу як фахівців у галузі електроенергетики й електротехніки, так і розроб­ників перетворювальних пристроїв і вимагає їхньої спільної роботи.

Аналізуючи досвід розробки й експлуатації вентильних перетворю­вачів у нашій країні і у розвинених країнах, де висуваються особливо високі вимоги до якості електричної енергії, можна виділити два основ­них напрямки розв'язання цієї досить складної задачі:

1) створення вентильних перетворювачів з Кпот близьким до одиниці;

2) компенсація неактивної потужності, створюваної вентильними перетворювачами, за допомогою додаткових джерел реактивної потужності, що вмикаються на їхньому вході (некерованих - па­сивні LC-фільтри, у т.ч. і резонансні; керованих - активні фільтри, виконані на основі повністю керованих силових напівпровідникових при­ладів, або комбіновані фільтри, що являють собою сполучення малопо­тужного активного фільтра і потужного пасивного LC-фільтра).

На даний час розробниками вентильних перетворювачів запропоно­вано достатню кількість технічних рішень і організаційних заходів, що дозволяють істотно підвищити значення Кпот (тобто поліпшити елект­ромагнітну сумісність). Як приклад, перелічимо найбільш характернііз них, що зараз широко застосовуються при створенні найбільш масових перетворювальних пристроїв - випрямлячів:

• вмикання паралельно до навантаження нульового діода (див пп. 9.10.3);

• побудова перетворювача за несиметричною схемою з використан­ням при цьому послідовно увімкнених регульованих і нерегульованих мос­тових випрямлячів, що чередуються один з одним;

• застосування багатофазних схем випрямлення (шестипульсних та дванадцятипульсних);

• застосування схем з примусовою комутацією тиристорів або ви­конаних на повністю керованих приладах.

Особливо великі можливості відкрилися перед розробниками пере­творювальних пристроїв з появою силових БТІЗ (IGBT-транзисторів), розрахованих на роботу при струмах понад 1000 А та напрузі до 2000 В і які можуть комутувати відповідні досить великі потоки енергії з час­тотою до 100 кГц. Використання цих приладів як швидкодіючих пов­ністю керованих ключів у ШІМ-регуляторах з високою несучою час­тотою дозволило формувати споживані перетворювачем струми, з формою близькою до синусоїдної за низьких масогабаритних показ­ників згладжуючих фільтрів.

Перспективність застосування таких перетворювачів підтверджуєть­ся тим, що у останні роки даний напрямок дістав інтенсивний розвиток у таких ведучих західних фірмах, як «Siemens» (Німеччина), «Toshiba» (Японія), «Rocuel», «General Electric», «Computer Production^ «Westinghause» (США) та ін.

У зв'язку з тим, що порушені питання досить детально розгляда­ються у спеціальній літературі, призначеній для підготовки фахівців у галузі перетворювальної техніки і силової електроніки, ми у нашому підручнику обмежимося, як прикладом, лише наведеною вище загаль­ною характеристикою першого шляху поліпшення електромагнітної сумісності вентильних перетворювачів.

Необхідно мати на увазі, що при розробці нових електротехнічних виробів завжди поряд із необхідністю поліпшення їхніх технічних по­казників враховують також вартісні показники, що зумовлюють ціну поліпшень. Це за підсумком визначає економічну доцільність прийняття чи не прийняття того чи іншого технічного рішення. Як результат, поряд із розробкою досконалих вентильних перетворювачів з Кпот близьким доодиниці, і надалі обов'язково будуть випускатись й розроблюватися нові перетворювачі з Кпот < 1, але більш дешеві, прості і надійні. Тому в експлуа­тації, як сьогодні, так і у прогнозованому майбутньому буде знаходитись велика кількість перетворювачів з досить низьким Кпот, що їхню електро­магнітну сумісність необхідно буде забезпечувати за допомогою реак­тивних джерел енергії, як некерованих, так і керованих. Тобто - йти по другому із вказаних вище напрямків підвищення Кпот. Цей шлях є більш універсальним, бо забезпечує електромагнітну сумісність не тільки вен­тильних перетворювачів, але і будь-яких інших нелінійних навантажень.

Ефективність компенсаційних джерел реактивної потужності особ­ливо зросла у зв'язку зі створенням на основі високочастотних повністю керованих силових напівпровідникових приладів (наприклад, БТІЗ) по­тужних активних фільтрів.

Варто додати, що джерела реактивної потужності не тільки поліпшу­ють електромагнітну сумісність нелінійних навантажень, але і досить радикально вирішують проблему енергозбереження, виключаючи в мережі перепотікання неактивної потужності.

Страницы:
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  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60 


Похожие статьи

Ю П Колонтаєвський - Електроніка імікросхемотехніка