Применение силовой электроники

July 23, 2013 by admin Комментировать »

Силовая электроника проникла практически во все отрасли промышленности. Топливные элементы и инверторы обеспечивают сверхнадежное электроснабжение для критических производственных процессов. В системах электроснабжения применяются преобразователи высокого постоянного напряжения в переменное, а также устройства коррекции коэффициента мощности, обеспечивающие управление уровнями напряжений и мощностей. Системы управления яркостью света ламп накаливания позволяют обеспечивать комфортные уровни освещенности. Схемы управления электродвигателями, область наибольшего применения силовой электроники, используются и в насосах водоснабжения домов и городов, и в вентиляторах на электростанциях, и в системах кондиционирования воздуха. Они приводят в движение и роскошные круизные лайнеры, и грязные локомотивы грузовых поездов, применяются еще во многих других областях. С приходом силовой электроники появились новые возможности для точного управления скоростью и вращающим моментом электродвигателей с одновременным увеличением их экономичности. Использование понижающих преобразователей постоянного напряжения на IGBTтранзисторах в электродуговых печах не только устранило проблемы коэффициента мощности и мерцания, существовавшие при их питании переменным током, но и увеличило долговечность электродов. Эра силовой электроники наступила! В этой главе мы рассмотрим некоторые из многих приложений силовой электроники.

Схемы управления электродвигателями

В предыдущих главах мы уже касались тиристорных стартеров и схем управления электродвигателями переменного и постоянного тока. Сейчас мы рассмотрим некоторые их применения, а начнем с привода насоса с регулировкой скорости вращения вала. До появления недорогих схем управления двигателями с регулировкой скорости вращения вала управление потоками жидкости в муниципальных водопроводах и на химических предприятиях осуществлялось с помощью дроссельных клапанов при постоянной скорости вращения вала насоса. При малом потоке насосы работали неэффективно, а потери энергии шли на нагрев жидкости. Если обеспечить соответствие скорости вращения двигателя необходимому объему перекачиваемой жидкости, то будут исключены непроизводительные потери. То же самое справедливо и для насосов в трубопроводах для перекачки жидкого топлива мощностью до 10000 л. с.

Для разделения смесей жидких веществ применяются центрифуги. Они должны ускоряться так быстро, как это только возможно, и быстро останавливаться после завершения производственного цикла. Эти задачи помогают решать схемы управления электродвигателей с регулировкой вращающего момента и рекуперацией энергии при торможении. В двигателях для лифтов и других подъемных машин, а также динамометров наряду с рекуперацией требуется плавность разгона и торможения. Множество двигателей на линиях для изготовления стального проката и бумаги могут работать с точно поддерживаемыми синхронными скоростями, кроме того, их синхронность сохраняется при ускорении и замедлении вращения.

В последних моделях дизель-электрических локомотивов инверторы переменного тока питают энергией асинхронные двигатели, установленные на колесных осях. Эти инверторы обеспечивают динамическое торможение, снижающее износ тормозных колодок, а также немедленно уменьшают вращающий момент на буксующих колесах, поддерживая оптимальное тяговое усилие. Асинхронные двигатели уже получили распространение на железных дорогах намного большее, чем двигатели постоянного тока.

Современные вентиляционные системы с использованием схем управления двигателями с регулировкой скорости вращения перестали быть источником раздражения, вызывавшегося чередующимися включениями и выключениями двигателей при автоматической регулировке воздушного потока. Более того, вследствие устранения частых стартовых нагрузок уменьшился износ элементов вентиляционных систем.

Использование схем управления двигателями с регулировкой скорости для нагнетательных и вытяжных вентиляторов в тепловых электростанциях намного дешевле, чем дроссельные способы управления воздушными потоками. Мощность двигателей в таких установках достигает 10000 л. c., а сэкономленная энергия может быть направлена на продажу потребителям.

Испытания больших электродвигателей часто производятся с использованием набора мотор — генератор, который позволяет энергию, затрачиваемую на вращение вала двигателя, возвращать назад, в питающую сеть. Этот прием не только уменьшает расходы, но и устраняет нужду в механических тормозных устройствах. Эта конструкция называется динамометр. Когда входное и выходное напряжения совпадают, двигатель можно испытывать при полной нагрузке с «безмоторным» динамометром. При этом применяется трехфазный индуктор, с помощью электронной схемы управления фазами направляющий энергию, отбираемую от испытуемого двигателя назад, в электросеть. Смещением фаз напряжения питания двигателя относительно напряжения сети, осуществляемого с помощью электронной схемы управления, можно получить полный диапазон нагрузок двигателя по току. Двигатель по сути становится синхронным генератором, связанным с питающей сетью через свой внутренний реактанс. И цена, и потери в реакторе намного меньше, чем в наборе мотор — генератор, и энергия при испытаниях потребляется только на компенсацию потерь в двигателе и реакторе. Если нужно согласовать напряжения, можно использовать вспомогательный трансформатор. Эта конструкция сделала возможными испытания двигателя мощностью 20000 л. с. при полной нагрузке и потреблении от сети питания всего 2500 кВА.

Тиристорные стартеры часто используются взамен схем управления двигателями с регулировкой скорости как дешевое средство уменьшения пусковых токов в больших двигателях переменного тока. В вентиляторах и насосах требования к моменту вращения при малых скоростях весьма умеренные, и пусковые токи можно уменьшать наполовину по сравнению с прямым включением двигателя в сеть. Более того, пусковые токи можно регулировать по линейному закону, что позволяет скоординировать включение и выключение конденсаторов, используемых для поддержания номинального напряжения в питающей сети.

Другое интересное применение тиристорные стартеры находят для обеспечения кратковременной работы синхронных и асинхронных двигателей на очень малых скоростях, но с большими моментами вращения. Это свойство полезно в роторных обжиговых печах и смесителях, применяемых в цементной промышленности.

Стекольная промышленность

Уже свыше 40 лет для производства листового стекла, стеклянной посуды и стекловолокна используются плавильные печи, управляемые тиристорами. Электрические плавильные печи в отличие от газовых уменьшают образование пыли и обеспечивают более точное управление температурой. Схемы управления плавильными печами должны быть сконструированы так, чтобы в выходном переменном токе не было никаких остаточных составляющих постоянного тока, воздействие которого вызывает растворение электродов в стекле и образование пузырей из-за разрушения компонентов стекла. При производстве специальных сортов стекла некоторые компании для устранения пузырей применяют высокочастотные источники питания на IGBT-транзисторах. При производстве стекловолокна тиристорное управление применяется не только для расплавления стекла, но и для поддержания нужной температуры форсунок, через которые выдавливаются стеклянные нити. В этих системах напряжение питания составляет до 600 В при токах до 10 кА.

Литейные заводы

Печи в линиях непрерывной разливки стали имеют графитовые стержни, расположенные над жаропрочными вагранками, в которые заливается расплавленный металл. Эти стержни, нагреваемые электричеством, поддерживают расплавленное состояние металла излучаемым теплом. Схемы управления обеспечивают протекание через графитовые стержни такого тока, чтобы температура металла была оптимальной для разлива. Со временем происходит старение стержней, сопровождающееся увеличением их сопротивления, и источник питания должен по этой причине обеспечивать получение постоянной мощности в широком диапазоне изменений сопротивления нагрузки. Для этой цели широко применяются автотрансформаторы с тиристорными переключателями отводов (Рис. 16.1). Окружающая среда на литейных заводах агрессивна к электрическому оборудованию из-за электропроводящей пыли, оседающей повсюду. По этой причине подобные источники питания полностью герметизируют, а для охлаждения используют жидкостные системы.

Аналогичные источники питания используются при отжиге металлических проволок и лент. При этом нагрев осуществляется либо отдельным нагревателем излучающего типа, либо пропусканием тока через проволоку или ленту с помощью роликовых электродов. В обеих системах используются тиристорные схемы управления.

Рис. 16.1. Схема питания графитовых стержней

Электрическая дуга и электродуговые печи

В этих специальных нагревателях газ продувается через мощную электрическую дугу и образуется перегретая плазма. Такие системы применяются для восстановления материалов из порошкообразного состояния. Плазма расплавляет материалы до того, как они успеют заметно окислиться. Мощность источников питания в экспериментальных установках такого рода достигает 25 МВт. А еще создаваемая электрической дугой плазма применяется для моделирования условий возвращения на землю космических аппаратов.

Понижающие преобразователи напряжения на ЮВТ-транзисторах для дуговых печей постоянного тока по мощности достигли уровня 100 МВт. Быстродействие цепи их управления составляет около миллисекунды, и они обеспечивают получение тока дуги, максимально близкого к постоянному, и повышение продуктивности всего производственного процесса. (Для регулировки тока в системах питания дуговых печей переменным током приходится изменять положение электродов, что замедляет работу.) При использовании систем постоянного тока не возникают раздражающие мерцания дуги, работающей на переменном токе, а также снижается износ электродов. Более высокая цена преобразователя напряжения постоянного тока компенсируется исключением из системы питания узлов коррекции коэффициента мощности, да и сам коэффициент мощности значительно улучшается. Кроме того, для питания понижающих преобразователей постоянного тока можно использовать более дешевые силовые трансформаторы, в которых нет необходимости усиливать конструкцию для обеспечения способности выдерживать короткие замыкания нагрузки, как это требуется в системах питания переменным током.

Источники питания для электрохимической промышленности

В электрохимических процессах восстановления металлов и производства хлора требуются источники постоянного тока очень большой величины. Традиционно дляэтих целей применялись кремниевые выпрямительные диоды, а для регулировки тока использовались автотрансформаторы с переключаемыми отводами и насыщаемые реакторы. Понижающие преобразователи напряжения на IGBT-транзисторах проникли и в эту область силовой электроники. К их достоинствам следует отнести способность мгновенно отключаться при коротком замыкании нагрузки и высокий коэффициент мощности. Кроме того, эти преобразователи допускают совместную работу в параллель, что упрощает их обслуживание и повышает надежность. Их конструкция подобна конструкции преобразователей для питания дуговых печей. В состав системы обычно входит силовой маслонаполненный трансформатор и набор трансформаторов с водяным охлаждением для питания отдельных преобразователей, обеспечивающих сдвиги фаз. Уровни достигаемой мощности в такой системе не ограниченны. На Рис. 16.2 приведена типичная схема такого источника питания с 24-пульсационным выпрямителем и четырьмя понижающими преобразователями.

Рис. 16.2. Схема питания электролитической ванны

Циклоконвертеры

Эти установки представляют собой особый класс схем управления электродвигателями. В настоящее время они используются для преобразования частоты 60 Гц в 25 Гц для линии электропитания системы «Амтрак» в железнодорожном коридоре Нью-Йорк—Бостон. Применяют их также в корабельных силовых установках, что обусловлено возможностью преобразования с их помощью напряжения постоянной частоты, получаемого от генератора, в напряжение переменной частоты для питания синхронных двигателей приводов винтов. Как уже было отмечено, циклоконвертеры используются на некоторых заводах, где внутризаводская сеть имеет частоту 25 Гц. Единственным серьезным ограничением на применение циклоконвертеров является условие, что выходная частота должна быть менее половины входной. В противном случае возможно появление асимметрии выходного напряжения. Кроме того, циклоконвертеры имеют плохой коэффициент мощности и большое содержание гармоник и интермодуляционных помех в токе потребления. На Рис. 16.3 приведена схема трехфазного циклоконвертера. Следует отметить, что три двойных преобразователя на этой схеме питаются от общих шин и требуются изолирующие трансформаторы на выходах. Можно осуществлять питание через изолирующий трансформатор, тогда изоляции на выходах не требуется.

Рис. 16.3. Трехфазпый циклоконвертер

Связь на сверхнизких частотах

Интересное применение тиристорные инверторы (Рис. 16.4) нашли в системе связи береговой охраны США с подводными лодками на сверхнизких частотах (ELF — Extremely Low Frequency). В системе используется модуляция сдвигом частоты, с типовыми значениями 72…80 Гц, при мощности 600 кВт. В качестве антенны использовались диполи с заземленными дальними концами, находившимися от передающих станций на расстоянии от 6 до 12 миль. Токи возбуждения от станций в северном Висконсине и Мичигане распространялись далеко в земле через плохо проводящие скалистые грунты Канадского щита. Антенны работали как петли с потерями, а находящиеся под прямым углом пары формировали даже некоторую направленность. Сообщение достигало даже подводных лодок в глубине Средиземного моря, но требовалось 15 минут на прием трехзначной кодовой группы. Передатчики и приемники были синхронизированы по фазе с помощью спутников и атомных часов на подводных лодках. Принимаемый сигнал мог находиться на 40 дБ ниже уровня шумов. К сожалению, эта занимательная система сейчас представляет только исторический интерес, так как была выведена из эксплуатации в 2004 г.

Рис. 16.4. Передатчик системы связи на ceepxHU3KUX4acmomaxELF

Аккумуляторы энергии на сверхпроводящих магнитах

Аккумуляторы энергии на сверхпроводящих магнитах (SMES — Superconducting Magnet Energy Storage) являются системами запасания энергии для использования при пиковых нагрузках в потребительских сетях, так же как и гидроаккумуляторные системы. В практических системах SMES для получения достаточно малых потерь требуется использовать сверхпроводящие магниты, но криогенные системы недостаточно устойчивы для использования в широких масштабах. Быть может, высокотемпературные сверхпроводящие материалы позволят довести эти системы до широкого применения. Экспериментальная система SMES работает на линии «Пас.ифик Интерти» (Pacific Intertie) и добавляет переменный ток для повышения пределов стабильности гидрогенераторов в Бонневилле. Добавка увеличивает предел стабильности системы передачи энергии на несколько сот мегаватт при собственном потреблении 12 МВт.

Операционный усилитель на 600 кВт

Для исследований сверхпроводящих магнитов в Окриджской национальной лаборатории понадобился источник питания с очень малыми пульсациями, способный работать с положительным и отрицательным выходным напряжением до 300 В при токе 2000 А. Эта установка была выполнена в виде двух однофазных преобразователей с реакторами циркулирующего тока, так что обеспечивалась возможность плавного управления током при переходе через нуль (Рис. 16.5). На выходе был установлен четырехполюсный фильтр Чебышева с неравномерностью 3 дБ в полосе пропускания и емкостью конденсаторов 1 Ф. Такой специфический фильтр был выбран для обеспечения крутого ската амплитудно-частотной характеристики с минимальными бросками при включении. Амплитуда пульсаций на выходе составляла 0.1%, а скорость переключения от максимального положительного напряжения к максимальному отрицательному составляла 40 мс. При изменении управляющего сигнала скачком ток заряда конденсаторов в фильтре достигал 4000 А. Необходимо отметить использование диодов для защиты электролитических конденсаторов при переполюсовке выходного напряжения.

Рис. 16.5. ОперационныйустителъпабООкВт

Генераторы озона

Коммерческое производство озона для применения в некоторых отраслях промышленности и очистки воды осуществляется с использованием тлеющего разряда, в котором O2 превращается в 03. Этот процесс усиливается при высокочастотном разряде. Источники питания для генераторов озона строят на IGBT-транзисторах с рабочей частотой 30 кГц и мощностью 150 кВт. Для уменьшения потерь на транзисторах применяется их переключение при нулевых токах. В состав источника питания входит быстродействующий тиристорный ключ, служащий для его защиты от образования дугового разряда и быстрого возвращения к нормальной работе.

Полупроводниковая промышленность

Кремний для полупроводниковой промышленности делают путем расплавления песка плазменной дугой в разреженной атмосфере. В источниках питания при этом используются тиристоры. Затем кремний с помощью химического процесса превращают в трихлорсилан с реагентами, включающими тетрахлорид кремния, водород, дихлорсилан и монохлорсилан, с тем чтобы в конце получить высокочистый газ силан, SiH4. Затем силан подается к поверхности тонкого стержня из очень чистого кремния, который нагревают почти до температуры свечения, пропуская через него электрический ток. Управление этим током осуществляется от тиристорной схемы. На поверхности стержня силан разлагается, и кремний из него оседает на стержне, увеличивая его диаметр. При этом источник тока должен увеличивать токчерез стержень и уменьшать напряжение, с тем чтобы поддерживалась мощность, требуемая для компенсации потерь на излучение и охлаждение потоком газа.

Получающийся в результате стержень из поликристаллического кремния дробится и переплавляется в графитовом тигле, причем нагрев осуществляется током от тиристорного источника питания. Затем с помощью затравочного кристалла кремния из расплава медленно вытягивается монокристаллический кремниевый стержень. Оставшиеся примеси удаляют методом зонной плавки с помощью индукционной катушки, нагревающей небольшой участок стержня, который постепенно перемещают по длине стержня. Примеси собираются в расплавленной зоне, а затем конец стержня с примесями удаляется. На заключительной стадии процесса стержень, как колбасу, нарезают тонкими ломтиками, из которых и делают полупроводниковые приборы.

Компенсаторы реактивной мощности

Эти устройства состоят из батарей конденсаторов и индукторов, управляемых тиристорами (Рис. 16.6). Если ток в индукторах равен нулю, конденсаторы работают как корректоры коэффициента мощности и увеличивают напряжение в фидере, к которому они подключены. Если индукторы подключены к сети через тиристоры, то индуктивная составляющая тока уменьшает влияние конденсаторов и напряжение на выходе фидера спадает. Компенсаторы реактивной мощности позволяют поддерживать постоянное напряжение фидера в широком диапазоне изменений нагрузки, как это имеет место, например, в электродуговых печах переменного тока.

Рис. 16.6. Компенсатор реактивной мощности и его регулировочная характеристика

Быстродействие системы достаточно для существенного уменьшения эффекта мерцания напряжения в фидере. Компенсаторы реактивной мощности применяются также для управления напряжением при изменении нагрузки в длинных линиях электропередачи, где влияние емкостей приводит к увеличению импеданса источника питания.

Управление индукционным нагревом

На Рис. 16.7 приведена схема несколько необычного применения тиристоров для управления индукционным нагревателем, используемым в автомобилестроении. Принцип действия индукционного нагревателя основан на возбуждении вихревых токов в обрабатываемом изделии. Применяются индукционные нагреватели для поверхностной закалки, оплавления, отжига и выполнения ряда других процессов металлообработки. Для улучшения коэффициента мощности в схему введены конденсаторы. В процессе работы эти нагреватели много раз в час включаются и выключаются.

Рис. 16.7. Твердотельный контактор

При использовании механических контакторов частые включения и выключения вызывают быстрый износ контактов из-за эрозии, да и пусковые токи в трансформаторе развивают значительные механические силы на его обмотках, способствующие сокращению долговечности трансформатора.

Тиристорный контактор был разработан для того, чтобы решить обе эти проблемы. Первый тиристор, рассчитанный на 600 В и 3000 А, включает трансформатор и соединенную с ним нагрузку через резистор единичного номинала на половину периода сетевого напряжения. Второй тиристор с резистором номиналом 0.2 включается на вторую половину периода, а затем включается пара основных тиристоров, которые проводят ток в течение всего цикла нагрева. Два резистора в этой схеме обеспечивают плав-

ное нарастание тока в обмотке трансформатора, исключая при этом возникновение ударных механических нагрузок в обмотках.

Ограниченность периода работы тиристоров, включенных через резисторы, позволяет применять в этой позиции сравнительно маломощные типы тиристоров.

Токамаки

Эта аббревиатура получается из русских слов ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками конструкции, разработанной в России для исследований термоядерного синтеза. Токамак представляет собой большую камеру в форме бублика, внутри которой с помощью магнитного поля удерживается плазма. Первичное сжатие плазмы осуществляется с помощью тороидальных катушек. На них подаются импульсы тока амплитудой несколько сот килоампер и длительностью около секунды, которые создают круговое магнитное поле. Для охлаждения катушек используется вода, а в некоторых случаях — жидкий азот. Ряд вспомогательных катушек используется для возбуждения и управления плазмой.

Автор имел честь участвовать в разработке ряда источников питания для токамаков. Самый последний и большой из них — Алкатор токамак (Alcator C-MOD tokamak) в Массачусетском технологическом институте — был упомянут ранее. Требуемый для создания магнитного поля ток составлял 265 кА при постоянном напряжении в стационарном режиме 900 В. Напряжение 900 В не обеспечивало нужных времен нарастания и спада тока, а возможность применения большего напряжения была ограничена мощностью генератора 225 MBA, который при большем выходном напряжении не смог бы обеспечить требуемые 265 кА. Решена эта проблема была с помощью автотрансформатора с тиристорным ключом. Начало процесса включения тока происходило при входном переменном напряжении 1500 В, подававшемся на преобразователь, а затем, с увеличением тока, оно плавно уменьшалось до 900 В. На Рис. 16.8 приведены графики изменения тока в катушках и тока потребления от генератора в схемах без автотрансформатора и с ним. Отметим, что время нарастания и время спада в системе с автотрансформатором такие же, как при питании преобразователя переменным напряжением 1500 В, а ток потребления от генератора такой же, как при напряжении 900 В. Таким образом, удалось обеспечить требуемые время нарастания и время спада тока в катушках без перегрузки генератора.

Рис. 16.8. Ток в нагрузке и ток потребления источника питания токамака

Переключатель большого числа отводов автотрансформатора

Одной из национальных лабораторий понадобился источник питания переменным током для нагревателей с широким диапазоном регулировки. При этом использовать фазовое управление было нельзя из-за создаваемых помех работе чувствительного усилителя сигналов термопары. На Рис. 16.9 приведено решение этой проблемы. В трансформаторе с водяным охлаждением вторичная обмотка была выполнена со множеством отводов, обеспечивавших требуемый диапазон напряжений, причем каждый отвод был соединен со своей парой тиристоров. Включение нужной пары тиристоров осуществлялось при переходе напряжения через нуль, что обеспечивало почти полное отсутствие помех. На самом деле отводов было сделано намного больше, чем показано на рисунке.

Рис. 16.9. Переключатель большого числа отводов автотрансформатора с коммутацией при нулевом напряжении

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты