Управляемые силовые преобразователи электрической энергии для питания электродвигателей в системах управления

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Тема 1. Режимы работы и способы управления исполнительными двигателями систем управления

Управляемые силовые преобразователи электрической энергии являются существенным звеном любой системы управления, в которой используется электропривод.

Электропривод - главный потребитель электрической энергии. В разви­тых странах свыше 60 % производимой электроэнергии потребляется электри­ческими двигателями. Электроприводы различны по своим техническим харак­теристикам: мощности, угловой скорости, характеру нагрузки и т. д.

Электроприводы получают энергию, как правило, от промышленной электрической сети трёхфазного переменного тока частотой 50 ГЦ со стандарт­ными значениями напряжения 220, 380, 660, 6000, 10 000 В.

Поскольку по своим электромеханическим свойствам электродвигатель при непосредственном включении в питающую сеть не может обеспечить регулирование переменных, характеризующих движение электропривода, необходимо преобразо­вание и регулирование электрической энергии, подводимой к электродвигателю.

Силовые преобразователи электрической энергии предназначены для из­менения одного или нескольких параметров электрической энергии посред­ством электронных силовых приборов без существенных потерь мощности.

При разработке управляемых силовых преобразователей электрической энергии для питания электродвигателей необходимо учитывать, что любая электрическая машина как электромеханический преобразователь энергии мо­жет работать в двух режимах: в двигательном, когда подводимая электрическая энергия преобразуется в механическую, или тормозном (генераторном) режиме, когда кинетическая энергия, накопленная в элементах механической системы, в генераторном режиме двигателя преобразуется в электрическую энергию.

Учебной программой дисциплины «Управляемые силовые преобразова­тели электрической энергии для питания электродвигателей в системах управ­ления» предусмотрено изучение принципов построения силовых преобразова­телей электрической энергии для питания всего многообразия исполнительных электродвигателей. Это силовые преобразователи электрической энергии для питания двигателей постоянного тока с широтно-импульсным регулированием, преобразователи для частотно-регулируемого асинхронного электропривода.

Импульсная модуляция и цифровые средства управления позволяют пе­ревести управление асинхронным двигателем на принципиально новый уро­вень, при котором возможно регулирование как скорости, так и момента, при­ближая его по свойствам управляемости к двигателю постоянного тока.

Разработаны мощные управляемые силовые преобразователи электриче­ской энергии, позволяющие регулировать скорость синхронного электродвига­теля за счёт изменения частоты питающего напряжения.

9

Контрольные вопросы

1. Кратко опишите электрические двигатели, используемые в электропри­водах с регулируемой скоростью вращения.
2. Перечислите восемь стандартных классов режимов исполнительных двигателей. Дайте характеристику каждого режима.
3. Каково состояние электроприводов постоянного и переменного тока в настоящее время?
4. Приведите схему силового преобразователя электрической энергии, поз­воляющего реализовать режим рекуперативного торможения двигателя посто­янного тока.
5. Как осуществляется динамическое торможение двигателя постоянного тока. Объясните схемные особенности силового преобразователя электриче­ской энергии, позволяющего реализовать динамическое торможение.
6. Как осуществляется торможение асинхронного двигателя с рекупераци­ей электроэнергии в сеть?
7. Охарактеризуйте способы управления скоростью и моментом синхрон­ных двигателей.
8. Поясните принцип управления шаговыми двигателями.
9. Объясните принцип торможения противовключением асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Опишите работу управляемого сило­вого преобразователя электрической энергии в этом режиме.
10. Приведите схему управляемого силового преобразователя электриче­ской энергии, позволяющего регулировать интенсивность торможения асин­хронного двигателя при динамическом торможении.
11. Опишите способы регулирования скорости асинхронного двигателя путём изменения напряжения на статорных обмотках и частоты питающей се­ти. Дайте сравнительную оценку этих способов.

Тема 2. Структурные схемы преобразователей электрической энергии

для питания электродвигателей

При изучении этой темы следует обратить внимание на факторы, опреде­ляющие выбор электропривода и режимов его работы, что в свою очередь поз­волит сформулировать требования к преобразователю электрической энергии и его параметрам.

Сложность структурной схемы силового преобразователя электрической энергии для питания электродвигателя определяется жесткостью требований к обеспечению параметров пуска, регулирования скорости, торможения.

Пуск, торможение, регулирование, изменение скорости и нагрузки - это работа двигателя в режиме переходных процессов, когда изменяется скорость, момент и, как следствие, потребляемая от преобразователя мощность.

10

Основные виды структурных схем преобразователей электрической энер­гии определяются их назначением и способом преобразования электрической энергии, а также характером процессов в приводе и методами управления.

В зависимости от параметров первичного источника энергии и характе­ристик электрического двигателя силовые преобразователи могут выполнять преобразование переменного тока в постоянный, постоянного - в переменный с необходимыми значениями тока, напряжения, частоты. Различают преобразо­ватели с преобладанием свойств источника тока или с преобладанием свойств источника напряжения.

Нормативными документами определены термины прямой и непрямой преобразователи.

Прямой преобразователь осуществляет непосредственные (без промежу­точных звеньев) преобразования электрической энергии внешнего источника в электроэнергию с параметрами, требуемыми для электропитания исполнитель­ного элемента или прибора.

Непрямые преобразователи содержат промежуточные звенья. По принци­пу непрямого преобразования работают блоки питания различных электронных приборов и устройств, содержащие в своём составе выпрямители с бестранс- форматорным входом, инвертор повышенной частоты с трансформаторным выходом и выходным выпрямителем, преобразующим напряжение повышен­ной частоты в напряжение постоянного тока.

Непрямые преобразователи характеризуются лучшими удельными мас­согабаритными показателями по сравнению с преобразователями, в которых используются низкочастотные силовые трансформаторы.

Структурные схемы силовых регуляторов напряжения и тока значитель­но сложнее схем прерывателей переменного и постоянного тока, осуществля­ющих включение и выключение электрической цепи.

Контрольные вопросы

1. Каковы различия схем преобразователей частоты с автономным инвер­тором тока и автономным инвертором напряжения?
2. На сколько двигателей можно подавать питание от одного преобразо­вателя частоты типа инвертора тока?
3. Какие способы регулирования выходного напряжения используют в преобразователях частоты с промежуточной цепью постоянного тока и инвер­тором напряжения?
4. В чём основное отличие замкнутых систем регулирования от разо­мкнутых?
5. Назовите виды обратных связей, используемых в системах регулирова­ния электроприводов.
6. Какие обратные связи применяют для формирования статических ме­ханических характеристик электропривода?

11

7. Какой из преобразователей, выполненных по схемам со свойствами ис­точника тока или напряжения, является более инерционным?
8. Какое основное преимущество имеет схема непосредственного преоб­разователя частоты перед преобразователем частоты с промежуточным звеном постоянного тока?
9. Какие общие признаки объединяют силовые электронные преобразова­тели электроэнергии?
10. Приведите примеры структурных схем прямого и непрямого выпря­мителей.
11. Перечислите основные электрические параметры следующих преоб­разователей электроэнергии: выпрямителя, преобразователя постоянного тока в постоянный, инвертора и преобразователя частоты. В каких режимах проявля­ется действие гибких обратных связей?

Тема 3. Современная элементная база управляемых ключевых силовых преобразователей электрической энергии

Благодаря достижениям микроэлектроники в настоящее время созданы полупроводниковые приборы большей мощности, работающие в ключевых ре­жимах, обладающие высоким быстродействием при полной управляемости.

Основными параметрами, определяющими область применения элек­тронного ключа, являются значения коммутируемой мощности и быстродей­ствие.

Условно коммутируемую мощность можно разделить на три диапазона: низкую (до 100 кВт), среднюю (100 кВт - 10 МВт) и высокую (10 МВт и выше).

Быстродействие электронных ключей определяется их частотными свойствами.

Для маломощных ключевых преобразователей электрической энергии наиболее применимы МОП-транзисторы, обладающие хорошим быстродей­ствием, но имеющие сравнительно низкое рабочее напряжение (40 - 75 В) и то­ки до 80 А.

Наиболее перспективными ключевыми элементами для мощных преобра­зователей электрической энергии являются биполярные транзисторы с изоли­рованным затвором МОПБТ (IGBT), имеющие рабочее напряжение до 3,5 кВ при токе более 1000 А. Создание модулей высокого напряжения на основе этих приборов позволяет улучшить КПД мощных инверторов, улучшить их массо­габаритные характеристики.

Последние достижения в области электронных технологий позволили значительно улучшить характеристики силовых электронных ключей. Разрабо­таны МОП-транзисторы с очень низким сопротивлением в открытом состоя­нии, модификации GTO-транзисторов с большим числом интегрированных сегментов, с шунтированием большого числа участков анода.

12

Перспективные технологии в области силовой электроники позволяют реализовать интегрированные силовые ключи, соединённые по типовым схемам.

Создание модулей значительно сокращает затраты на производство сило­вых преобразователей электрической энергии, позволяет существенно улуч­шить их массогабаритные показатели, минимизировать монтажные соединения.

Силовые интегральные схемы являются электронными модулями, объ­единяющими в одном кристалле при корпусе силовые электронные компонен­ты, схемы управления и защиты, интерфейсные схемы.

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются электронные ключи?
2. Для чего используется модель идеального ключа?
3. Какими параметрами характеризуется идеальный ключ?
4. Чем отличается сопротивление диода постоянному току от динамиче­ского сопротивления?
5. Назовите преимущества и недостатки диодов Шоттки.
6. В каких случаях следует использовать быстровосстанавливающиеся диоды?
7. Чем аналоговые ИМС отличаются от цифровых?
8. Почему операционные усилители наиболее распространены среди ана­логовых ИМС?
9. Какие полупроводниковые структуры составляют основу монокри- стальных интегральных схем?
10. Какие преимущества обеспечивает использование модулей при созда­нии силовых электронных устройств по сравнению с традиционной технологи­ей применения дискретных силовых электронных приборов?
11. Каким образом устраняется неравномерность в распределении токов и напряжений при параллельном и последовательном соединении диодов?

Тема 4. Типовые схемы ключевых преобразователей электрической

энергии на транзисторах

В силовых электронных устройствах транзисторы используются в каче­стве полностью управляемых ключей. Основными показателями, определяю­щими область применения транзисторов, являются значение коммутируемой мощности и быстродействие. В ключевых схемах силовых преобразователей электрической энергии используются биполярные транзисторы и полевые, сре­ди которых наиболее распространены МОП-транзисторы и транзисторы со ста­тической индукцией (СИТ-транзисторы).

Наиболее перспективными для силовых ключей являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (МОПБТ-транзисторы), объединяющие

13

в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзи­сторов и выполненные в одном кристалле.

Этот транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоя­нии подобно биполярному и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. При отсутствии напряжения на затворе транзистор выключен.

Включение транзистора с каналом и-типа осуществляется подачей поло­жительного напряжения на затвор относительно эмиттера. В настоящее время на базе одного кристалла созданы биполярные транзисторы с изолированным затвором, имеющие рабочий ток до 100 А при номинальном напряжении 3000 В. Параллельное включение кристаллов в одном корпусе позволяет со­здать модули с напряжением более 4,5 кВ и рабочим током до 1 кА.

Биполярные транзисторы, используемые в схемах силовых преобразова­телей электрической энергии, имеют рабочий ток, не превышающий 50 А при напряжении до 1000 В и частоту коммутации ключей до 10 кГц. С учётом того, что токи эмиттера и коллектора биполярного транзистора зависят от значения тока базы, ключевые схемы на биполярных транзисторах управляются током.

Ключи на современных биполярных транзисторах с эмиттерной коммута­цией обладают широкой областью максимальных режимов и часто используют­ся в ключевых схемах преобразователей электрической энергии. Обычные схе­мы коммутации обладают существенным недостатком - увеличенным фронтом спада силового тока, что вызывает значительные динамические потери. Одним из способов снижения мощности потерь является предварительный вывод си­лового транзистора из режима глубокого насыщения с последующим форсиро­ванным запиранием за счёт размыкания цепи эммитера. Наиболее просто этот принцип управления реализуется с применением индуктивной коммутации эммитера на основе импульсного трансформатора тока.

Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных является то, что они управляются полем (напряжением, подаваемым на затворе полевого транзистора).

МОП-транзисторы униполярные, так как процессы в них обусловлены одним типом носителей заряда. МОП-транзисторы применяются в силовых электронных ключах малой мощности, так как имеют рабочий ток до 50А при напряжении, не превышающем 100 В. Разработаны многоячейковые структуры МОП-транзисторов, позволяющие на порядок увеличить их мощность. Суще­ствуют схемы силовых электронных ключей на полевых транзисторах с управ­ляющим ^-«-переходом.

Силовой ключ на СИТ-транзисторе не превышает 100 кГц при напряже­ниях коммутируемой цепи до 1200 В и коммутируемых токах, достигающих нескольких сотен ампер. При разработке силовых электронных ключей на тран­зисторах особое внимание уделяется динамическим режимам их работы.

При коммутации электрических цепей с повышенной частотой важно не только обеспечить область безопасной работы транзисторного ключа, но и

14

уменьшить мощность, выделяемую в транзисторе, на интервалах переключе­ния, что позволит уменьшить динамические потери в транзисторе.

Важным фактором, определяющим перспективность ключевых преобра­зователей электрической энергии на транзисторах, является их способность управлять большими потоками энергии практически по любому закону при ми­нимальных мощностях, затрачиваемых на управление.

Контрольные вопросы

1. Какие основные различия биполярных и полевых транзисторов следует учитывать при использовании их в качестве электронных ключей?
2. Какие преимущества биполярных и полевых транзисторов сочетает в себе биполярный транзистор с изолированным затвором?
3. Перечислите основные статические режимы работы транзисторов. В каких режимах следует использовать транзисторы в устройствах силовой элек­троники?
4. Чем обусловлена дополнительная задержка при включении биполяр­ного транзистора с изолированным затвором?
5. Поясните основные способы ограничения перенапряжений на транзи­сторах при выключении активно-индуктивной нагрузки.
6. Поясните принцип действия силового транзисторного регулятора напряжения.
7. Что такое траектория переключения транзистора? Как реализуются це­пи формирования траектория переключения?
8. Охарактеризуйте динамические потери в транзисторе. Назовите спосо­бы их уменьшения.
9. Чем объясняются недопустимые для транзистора перегрузки по току при его включении с ёмкостной нагрузкой?
10. Охарактеризуйте динамические режимы работы силовых транзисто­ров. Чем обусловлено более высокое быстродействие полевых транзисторов?
11. Опишите динамические процессы при переключении транзистора с изолированным затвором.

Тема 5. Типовые схемы ключевых преобразователей электрической энергии на тиристорах

Тиристор, разработанный в 1955 г., явился первым полупроводниковым прибором большой мощности, способный работать в ключевом режиме с управляемым моментом включения. Общим свойством всех типов тиристоров является регенеративный механизм отпирания, обусловленный внутренней по­ложительной обратной связью.

15

Основным направлением совершенствования тиристоров является повы­шение их быстродействия. В схемах ключевых преобразователей электриче­ской энергии используются все типы тиристоров, разработанные и усовершен­ствованные к настоящему времени.

Для фазового управления в преобразователях переменного тока находят применение симметричные тиристоры, представляющие собой интегральное соединение структуры двух встречновключённых тиристоров в одном приборе с общим электродом управления. В схемах силовых преобразователей электри­ческой энергии с индуктивной нагрузкой используются тиристоры, выполнен­ные в интегральном исполнении по схеме со встречновключённом диодом.

Наличие обратного диода улучшает условия выключения тиристора. В схемах с индуктивной нагрузкой после включения тиристора ток, обусловлен­ный индуктивностью нагрузки, протекает в обратном направлении. Это позво­ляет осуществить рекуперацию энергии, накопленной в индуктивности нагруз­ки, в источник питания. В ключевых схемах, коммутирующих силовые элек­трические цепи, могут использоваться оптоуправляемые тиристоры (фототири­сторы), световой сигнал управления на которые подаётся по оптоволоконному кабелю.

Основной схемой силового преобразователя электрической энергии на тиристорах является преобразователь переменного или постоянного тока, вы­полненный по трехфазной мостовой схеме. В мощных преобразователях ис­пользуются многофазные схемы. Такие схемы позволяют не только выпрямлять переменный ток, но и инвертировать энергию источника постоянного тока в переменный.

С помощью ключевых преобразователей электрической энергии на тири­сторах можно коммутировать электрические цепи напряжением до 9 кВ и тока­ми - до 8 кА. Время выключения быстродействующих тиристоров достигает нескольких микросекунд.

В настоящее время созданы запираемые тиристоры с максимальным зна­чением напряжения до 6 кВ и тока - до 6 кА; что значительно расширяет воз­можности применения тиристоров в ключевых схемах преобразователей элек­трической энергии.

Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию управляемых тиристорных выпрямителей в силовых преобразователях электрической энергии.
2. Поясните принцип действия управляемого тиристорного выпрямителя.
3. Какова особенность тиристорного преобразователя для реверсивного электропривода?
4. Что такое инверторный режим работы управляемого тиристорного вы­прямителя, каковы условия реализации этого режима?
5. В чём преимущества и недостатки оптоуправляемых тиристоров?

16

6. Почему прямые преобразователи частоты с естественной коммутацией тиристоров не могут иметь частоту выходного напряжения выше частоты вход­ного напряжения?
7. Какой вид коммутации используется в тиристорных управляемых си­ловых преобразователях?
8. Какими недостатками обладают пускорегулирующие устройства на встречно включенных тиристорах?
9. Какие факторы влияют на синусоидальность входного напряжения в прямом преобразователе частоты с естественной коммутацией?
10. В чём преимущества силового преобразователя электрической энер­гии на биполярных транзисторах с изолированным затвором по сравнению с тиристорным преобразователем?
11. Объясните принцип работы тиристора с помощью двухтранзисторной модели. Почему отсутствие тока управляющего электрода не приводит к вы­ключению тиристора?

Тема 6. Формирователи управляющих импульсов в схемах управления преобразователями

Формирователь импульсов управления представляет собой усилитель- формирователь, предназначенный для усиления информационного сигнала управления и формирования сигнала с параметрами, необходимыми для каждо­го включения и выключения полупроводникового ключа. Схемотехника фор­мирователя управляющих импульсов определяется типом управляемого ключа, его статическими и динамическими характеристиками.

Укрупнённая структурная схема управляемого силового преобразователя электрической энергии может быть представлена двумя взаимосвязанными устройствами. Основу составляет непосредственно силовой преобразователь, выполненный на управляемых ключах, и устройство, управляющее логикой пе­реключения вентилей силовой части. Формирователь импульсов управления является промежуточным усилителем, обеспечивающим необходимые пара­метры импульсов, управляющих силовыми ключами.

Система управления силовыми преобразователями электрической энер­гии строится на основе импульсных методов регулирования напряжения и тока. Возможно применение широтно-импульсного метода регулирования, при кото­ром изменяется длительность управляющих импульсов при неизменной частоте их следования, а также частотно-импульсного метода, основанного на измене­нии частоты следования импульсов при постоянной длительности. Наибольшее распространение получили системы с широтно-импульсным управлением, со­держащие специальный широтно-импульсный модулятор, управляющий рабо­той силового ключа.

17

Основным звеном в структуре управляющей части преобразователя явля­ется микроконтроллер, который, во-первых, управляет логикой переключения вентилей силовой части, получая сигналы обратных связей по токам и напря­жениям, и, во-вторых, обеспечивает интерфейсные функции для связи с опера­тором и технологическими объектами. В состав микроконтроллеров, применя­емых в системах управления электродвигателями, включается необходимое число программируемых ШИМ-генераторов, которые, получая от процессора информацию о требуемой частоте и скважности, самостоятельно осуществляют согласованное управление силовыми ключами инвертора.

Во всех мощных преобразователях осуществляется потенциальная раз­вязка между силовой и управляющей частью.

Развязка в информационном канале осуществляется либо при помощи высокочастотного трансформатора, либо с использованием оптронов. При очень высоких рабочих напряжениях преобразователя вместо оптронов исполь­зуют специальные оптоволоконные системы передачи сигналов. При большой длительности управляющих импульсов в трансформаторных схемах гальвани­ческой развязки пакеты управляющих импульсов, сформированные микро­контроллером, через эмиттерный повторитель и разделительный конденсатор поступают на первичную обмотку импульсного трансформатора. Данный пакет представляет собой результат логического перемножения сигнала несущей ча­стоты 3 МГц и ШИМ-сигнала частотой ~ 12...20 кГц, генерируемых с помо­щью микроконтроллера, управляющего работой преобразователя. Далее управ­ляющий пакет выпрямляется на вторичной стороне формирователя и использу­ется для управления силовым ключом.

Высокая частота передаваемого пакета, а также низкая мощность, по­требляемая во входной цепи ключей с изолированным затвором, позволяют ис­пользовать импульсный трансформатор очень малых размеров.

Для управления мощными полупроводниковыми ключами разрабатыва­ются специальные интегральные схемы усилителей импульсов управления, ко­торые формируют выходные сигналы заданной мощности и формы, они изго­тавливаются в виде отдельной интегральной схемы. Они являются закончен­ными устройствами, готовыми к применению для конкретного типа транзисто­ров или тиристоров, и называются драйверами.

Контрольные вопросы

1. Какие основные задачи выполняет формирователь импульсов управ­ления?
2. Какие параметры должен иметь импульс управления биполярным тран­зистором?
3. Какие параметры МОП-транзисторов влияют на процессы включения и выключения?
4. Перечислите способы обеспечения гальванической развязки между си­ловым ключом и формирователем управляющих импульсов.

18

5. Какие функции выполняет микроконтроллер в схеме формирователя импульсов управления силовым преобразователем?
6. Приведите принципиальные схемы и объясните принцип работ транс­форматорных формирователей импульсов управления.
7. Приведите принципиальные схемы и объяснить принцип работы трансформаторных формирователей импульсов управления для ключей на би­полярных транзисторах с изолированным затвором.
8. Приведите принципиальные схемы и объяснить принцип работы транс­форматорных формирователей импульсов управления тиристорными ключами.
9. Формирователи импульсов управления с раздельной передачей энергии и информационного сигнала (схема, особенности работы).
10. Драйверы силовых транзисторов.
11. Приведите схему формирователя управляющих импульсов с широтно­импульсной модуляцией, опишите работу схемы.

Тема 7. Управляемые силовые преобразователи электрической энергии

для питания тяговых электродвигателей транспортных средств

В настоящее время тяговый электропривод находит широкое применение во всех видах электротехнических систем наземного электрического транспор­та. Это железнодорожный транспорт, городской электрический транспорт, электромобили.

На железнодорожном транспорте используется электрическая энергия по­стоянного и переменного тока. В качестве источников электропитания тяговых двигателей используются дизель-электрические энергетические установки или государственные электрические сети, подающие электрическую энергию в же­лезнодорожную контактную сеть через тяговые подстанции, содержащие вы­прямительно-инверторные устройства. Напряжение контактной сети постоян­ного тока составляет 3 кВ.

При использовании электродвигателей и оборудования переменного то­ка напряжением 25 кВ в локомотиве применяются инверторные устройства, осуществляющие управляемое преобразование электрической энергии кон­тактной сети.

При использовании в электроприводе локомотива тиристорных преобра­зователей переменного тока используется фазовое управление, при котором выходное напряжение определяется углом включения тиристоров. Такой спо­соб управления снижает коэффициент мощности преобразователя и создаёт существенные искажения тока, потребляемого из сети. В таком электроприводе необходимо применение фильтров и компенсаторов реактивной мощности.

Гораздо перспективнее инверторы с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающие регулирование частоты и выходного напряжения.

В них могут использоваться ключевые схемы на запираемых тиристорах или биполярных транзисторах с изолированным затвором. Разработаны двух­уровневые преобразователи с широтно-импульсной модуляцией на основе за­

19

пираемых тиристоров напряжением 4,5 кВ и током 2,5 кА. Использование в преобразователях модулей на биполярных транзисторах с изолированным за­твором позволяет получить такие же параметры преобразователя, но значи­тельно снизить потери на управление транзисторными ключами.

Наземный городской электрический транспорт представлен троллейбусом и трамваем.

Преобразователи электрической энергии для питания двигателей трамва­ев, троллейбусов и метро имеют практически одинаковые характеристики. Ис­точниками электроснабжения трамвая, троллейбуса, метро являются подстан­ции постоянного тока.

Тяговые электродвигатели работают в циклических режимах, обеспечи­вающих плавное трогание транспортного средства, разгон и торможение.

В условиях движения городского пассажирского транспорта смена циклов происходит непрерывно. Это приводит к значительным потерям энергии, услож­нению алгоритмов управления тяговым электроприводом, снижению ресурса оборудования. Ранее в тяговом электроприводе использовались только коллек­торные электродвигатели постоянного тока с контакторно-резисторным управ­лением. В настоящее время в новых моделях троллейбусов и трамваев исполь­зуются асинхронные двигатели переменного тока и управляемые силовые преоб­разователи на мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором.

Управление режимами работы тяговых электродвигателей осуществляет­ся контроллером.

Созданы универсальные промышленные силовые преобразователи элек­трической энергии, имеющие рабочий диапазон входных напряжений от 24 В до 900 В, максимальную мощность на входе преобразователя до 360 кВт, коэф­фициент гармоник по току не более 5 %.

В автомобилестроении ведётся поиск путей перехода от двигателей внут­реннего сгорания на электрический привод.

На данном этапе уже эксплуатируются опытные образцы гибридного или комбинированного приводов автомобиля, сочетающие в себе классический привод с двигателем внутреннего сгорания и электропривод.

Контрольные вопросы

1. Какие виды преобразователей электроэнергии используются на желез­нодорожном транспорте?
2. Каковы перспективы использования гибридных или комбинированных источников энергии в транспортных средствах?
3. Как осуществляется электроснабжение тяговых электродвигателей ло­комотивов в автономном режиме?
4. Приведите структурную схему дизель-электрического тягового приво­да, опишите работу функциональных узлов привода.
5. Приведите схему дизель-электрического тягового привода с трёхфаз­ным генератором переменного тока и тяговыми двигателями постоянного тока.

20

6. Приведите схему асинхронного электропривода с инвертором напря­жения, управляемым широтно-импульсным модулятором.
7. Приведите схему тягового электропривода переменного тока с двига­телями постоянного тока, управляемыми силовым преобразователем энергии на тиристорах.
8. Каким образом осуществляется электропитание современного трамвая, троллейбуса?
9. Приведите структурную схему перспективной системы электроснабже­ния автомобиля, опишите назначение функциональных звеньев системы.
10. Перечислите виды преобразователей электроэнергии и их функции в автомобиле.
11. Каковы преимущества тягового электропривода с тиристорным пре­образователем в сравнении приводом, в котором используется трансформатор с переключателем ответвлении.

Тема 8. Управляемые силовые преобразователи электрической энергии для питания электродвигателей грузоподъёмных кранов

В грузоподъёмных кранах, лебёдках чаще всего применяется асинхрон­ный электропривод, использующий трёхфазные асинхронные двигатели. Кине­матические схемы многих грузоподъёмных механизмов подобны. Рабочий ор­ган механизма связан с валом электродвигателя через систему передач, в состав которой в обязательном порядке входит редуктор и барабан для намотки троса.

При разработке схемы управляемого силового преобразователя электри­ческой энергии для таких электроприводов необходимо учитывать, что элек­трическая машина как электромеханический преобразователь энергии может работать в двух режимах: в двигательном, преобразуя подводимую электриче­скую энергию в механическую, или тормозном (генераторном) режиме, преоб­разуя подводимую механическую энергию в электрическую. Механические ха­рактеристики, отражающие зависимость момента двигателя от его скорости, позволяют рассчитать энергетические характеристики преобразователя элек­трической энергии для питания выбранного двигателя во всех режимах его ра­боты. Следует иметь в виду, что в грузоподъёмных механизмах момент сопро­тивления движению создаётся главным образом силой тяжести груза и не зави­сит от скорости в пределах допустимых нагрузок. Механические потери в пере­дачах приводят к тому, что момент при подъёме груза несколько превышает момент сопротивления при его пускании.

Управление движения электропривода подчиняется законам механики Ньютона.

Момент, характеризующий установившейся режим работы электропри­вода, называется статическим.

Как правило, электроприводы грузоподъёмных кранов работают в по­вторно-кратковременном режиме, характеризующемся временным циклом ра­боты с заданным моментом на валу и скоростью.

21

Для этих режимов выбираются асинхронные электродвигатели краново­металлургической серии, для управления которыми можно использовать ком­плектные частотно-регулируемые асинхронные приводы серии НГ-140.

Структурная схема преобразователя этой серии состоит из звена посто­янного тока, содержащего неуправляемый выпрямитель с фильтром, мосто­вого трёхфазного инвертора, выполненного на IGBT -транзисторах, и систе­мы управления. Силовые транзисторные ключи управляются драйверами, обеспечивающими гальваническую развязку силовых электрических цепей и цепей управления.

Современные электроприводы грузоподъёмных кранов используют блок микропроцессорного управления, в состав которого входят: программируемый контроллер, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

Силовые преобразователи электрической энергии, используемые для пи­тания двигателей грузоподъёмных кранов, содержат следующие виды защиты в случае:

• перенапряжения по питанию;
• короткого замыкания в нагрузке;
• замыкания фазы на землю;
• перегрева двигателя;
• перегрузки привода;
• ошибок управления.

Контрольные вопросы

1. Приведите структурную схему комплектного частотно-регулируемого асинхронного привода серии НГ-140. Опишите принцип работы.
2. Приведите кинематическую схему грузоподъёмной лебёдки, постройте диаграмму изменения скорости и момента на валу электродвигателя во время подъёма груза.
3. Почему в электроприводах грузоподъёмных механизмов предпочтение отдаётся асинхронному электродвигателю?
4. Как осуществляется торможение электропривода грузоподъёмного ме­ханизма при опускании груза?
5. Перечислите причины возможных перегрузок электродвигателя грузо­подъёмного механизма и способы защиты от перегрузок.
6. Перечислите все виды защиты, применение которых обязательно для электроприводов грузоподъёмных механизмов.
7. Приведите принципиальную электрическую схему мостового трёхфаз­ного инвертора на тиристорах, объясните принцип его работы.
8. Приведите структурную схему электропривода механизма автокрана с дизель-генератором.
9. Как сказывается на энергетических характеристиках электропривода повторно-кратковременный режим работы исполнительного электродвигателя?

22

10. Чем отличается асинхронные двигатели краново-металлургической серии от других электродвигателей, применяемых в электроприводах?
11. Обоснуйте возможные пути повышения коэффициента полезного дей­ствия электроприводов грузоподъёмных механизмов.

Тема 9. Силовые преобразователи электрической энергии для питания

электродвигателей бортовых систем управления летательных

аппаратов

На летательных аппаратах применяются гибридные системы привода - электрический и гидравлический. Интеграция электрической и гидравлической систем привода позволяет использовать электрическую систему для управления всеми устройствами автоматики летательного аппарата, а гидравлическую - в качестве исполнительного органа тех устройств, где применение электромеха­нических узлов оказывается нецелесообразным или даже невозможным из-за неудовлетворительных массогабаритных параметров.

В зависимости от типа летательного аппарата и его назначения мощность бортового источника электрической энергии может составлять от единиц кило­ватт до нескольких мегаватт.

На заре развития авиационной техники использовалась бортовая электри­ческая сеть постоянного тока. Значительное увеличение энергопотребления со­временного летательного аппарата, расширение функций потребителей элек­троэнергии приводит к необходимости перевода системы электроснабжения самолёта на переменный ток.

Бортовая сеть переменного тока позволяет использовать мощные управ­ляемые силовые преобразователи электрической энергии переменного тока в постоянный для электропитания потребителей постоянного тока.

Вместо коллекторных двигателей постоянного тока используются более надёжные бесколлекторные машины переменного тока.

Использование трансформаторов в системах переменного тока позволяет обеспечить необходимые значения напряжений потребителей, осуществить гальваническую развязку электрических цепей различных подсистем.

Важнейшим критерием эффективности системы электроснабжения лю­бого летательного аппарата являются удельные характеристики её массы. Сни­жение массы электрического генератора, потребителей энергии и устройств её преобразования осуществляется за счёт повышения частоты и напряжения бор­товой электрической сети и мультиплексирования каналов передачи электриче­ских сигналов.

Использование высокоскоростного генератора переменного тока, уста­навливаемого на валу турбины в качестве основного источника системы элек­троснабжения позволяет поддерживать напряжение бортовой сети на уровне 200-300 В.

23

Применение быстродействующих электронных силовых ключей в схемах бортовых преобразователей электрической энергии позволяет получить напря­жение стабильной частоты 400 Гц при изменении скорости вращения турбины.

Для электропитания потребителей постоянного тока используются от­дельные инверторы с выходным напряжением 270 и 28 В. Указанные напряже­ния могут поступать непосредственно потребителям или на различные преобра­зователи.

Для питания системы освещения летательного аппарата используются электронные балласты с преобразованием электрической энергии на повышен­ной частоте.

Контрольные вопросы

1. Какие серии электродвигателей постоянного тока используются в элек­троприводах летательных аппаратов?
2. Проведите сравнительный анализ энергетических характеристик им­пульсных и релейных приводов с двигателями постоянного тока.
3. Какие типы электрических двигателей переменного тока применяются в электроприводах летательных аппаратов.
4. Каким образом с помощью управляемого силового преобразователя, питающего асинхронный двухфазный двигатель переменного тока, можно осу­ществить его реверсирование?
5. Проанализируйте динамические возможности электроприводов посто­янного тока, переменного тока и приводов с электромагнитными муфтами.
6. Чем обусловлен переход основных систем энергоснабжения летатель­ных аппаратов на переменный ток?
7. Приведите обобщённую структурную схему системы электроснабже­ния самолёта, опишите взаимодействие отдельных узлов, входящих в состав системы.
8. Охарактеризуйте основные критерии эффективности системы электро­снабжения летательного аппарата. Обоснуйте пути повышения эффективности.
9. Обоснуйте основные тенденции развития силовой и информационной электроники летательных аппаратов.
10. Как обеспечивается стабильность параметров системы электроснаб­жения самолёта при использовании высокоскоростного генератора постоянного или переменного тока, установленного на валу турбины?
11. Как осуществляется стабилизация частоты 400 Г ц при изменении ско­рости вращения турбины?

24

Тема 10. Основные виды перегрузок преобразователей электрической энергии в схемах управления электродвигателями

В схемах силовых преобразователей электрической энергии наиболее чувствительными к перегрузкам по току и напряжению являются силовые клю­чевые элементы. Причинами перегрузок по напряжению могут быть:

• нестабильность питающей сети;
• коммутационные процессы в электрических цепях с индуктивностью;
• нестабильность параметров нагрузки.

Аварийные токовые перегрузки чаще всего возникают при коротких за­мыканиях в силовой схеме при выходе из строя ключевых элементов, коротких замыканиях на выходных шинах преобразователя. Токовые перегрузки силово­го преобразователя могут возникать и в эксплуатационных режимах работы электропривода, например, при длительном пусковом режиме электродвигате­ля, превышении допустимого момента нагрузки, повреждении элементов меха­нической передачи.

При разработке управляемых силовых преобразователей электрической энергии необходимо учитывать, что силовые ключи являются наиболее доро­гими компонентами схемы.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды перегрузок силовых преобразователей по напряжению, обоснуйте причины их возникновения.
2. Перечислите основные виды аварийных токовых перегрузок силовых преобразователей, охарактеризуйте факторы их возникновения.
3. В каких случаях используются внешние защитные устройства? Приве­дите примеры подключения внешних защитных устройств к преобразователям электрической энергии.
4. Обоснуйте причины возникновения токовых перегрузок преобразова­теля электрической энергии в пусковых режимах работы двигателя постоянно­го тока.
5. Обоснуйте появление токовых перегрузок, связанных со сбоем в работе системы управления преобразователя электрической энергии.
6. Что отражают перегрузочные характеристики силового ключа?
7. В каких случаях отключение импульсов управления в режимах токовой перегрузки не обеспечивает восстановление запирающей способности ключа?
8. Как сказываются токовые перегрузки силовых цепей преобразователя на тепловых режимах оборудования?
9. Объясните причины возникновения токовых перегрузок преобразова­теля при длительных пусковых режимах электродвигателя.
10. Какие виды перегрузок возникают в ключевых схемах преобразовате­ля при коммутации нагрузки, имеющей индуктивно-активный характер?

25

11. Какие виды перегрузок электропривода возникают при авариях и не­исправностях механических передач?

Тема 11. Защитные цепи силовых ключей в схемах преобразователей

электрической энергии

Силовые преобразователи электрической энергии, нагрузкой которых яв­ляются электрические двигатели, постоянно работают в жестких режимах в си­лу того, что электрический двигатель представляет собой сложную активно - индуктивную нагрузку, параметры которой в динамических режимах работы непостоянны.

Ключевые элементы преобразователя работают в импульсном режиме, осуществляя включение и выключение активно-индуктивной нагрузки. Выклю­чение активно-индуктивной нагрузки вызывает перенапряжение на ключевом элементе, обусловленное ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивной со­ставляющей нагрузки при уменьшении тока до нуля. Используются схемы за­щиты ключевых элементов на основе обратного диода либо стабилитрона или трансформатора, включенного первичной обмоткой в коммутируемую цепь нагрузки.

Ключевые элементы мостовых и полумостовых схем должны иметь за­щиту от сквозных токов и коротких замыканий.

Причиной выхода из строя полупроводниковых диодов, включенных в силовые цепи преобразователя, является высокая скорость нарастания прямого тока при их включении и напряжения при выключении.

Для ограничения скорости нарастания тока последовательно с диодом включается линейный реактор. Для ограничения уровня перенапряжения диод шунтируется ^С-цепочкой. Конденсатор С поглощает энергию, накопленную в индуктивности реактора.

При разработке схем силовых преобразователей электрической энергии должны быть учтены предельно допустимые отклонения выходных параметров от номинальных значений во всех режимах работы, включая аварийные. Это необходимо для выбора способа и системы защиты преобразователя.

Система защиты должна иметь внешние устройства, ограничивающие проявления нестабильности питающей электрической сети и аварийные состо­яния нагрузки преобразователя. Внешние устройства должны обладать высо­ким быстродействием, позволяющим обесточить силовые цепи до выхода из строя ключевых элементов преобразователя.

26

Контрольные вопросы

1. Способы защиты электрических двигателей, применяемых в электро­приводе.
2. С какой целью и какими средствами осуществляется минимально­токовая защита в электроприводах постоянного тока?
3. Назовите способы реализации температурной защиты электрических двигателей и силовых преобразователей электрической энергии.
4. Каким образом осуществляется автоматическое переключение ступ­ней роторного сопротивления при пуске асинхронного двигателя с фазным ротором?
5. Чем характеризуется область безопасных режимов электронных клю­чей в силовых преобразователях электрической энергии?
6. Какими параметрами характеризуются предельные возможности сило­вых ключей в силовых преобразователях электрической энергии?
7. Чем определяется суммарная электрическая мощность или энергия по­терь в электронном ключе?
8. Методы защиты силовых преобразователей от помех.
9. Приведите осциллограммы режимов короткого замыкания в цепях би­полярного транзистора с изолированным затвором при включении на коротко­замкнутую цепь и коротком замыкании в нагрузке при включённом состоянии транзистора.
10. Для чего используются тепловые выключатели в схемах силовых пре­образователей электрической энергии? Приведите схемы включения тепловых выключателей.
11. Как осуществляется защита ключевых элементов силового преобразо­вателя электрической энергии от длительного пускового режима коллекторного двигателя постоянного тока?

4. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

В соответствии с номером варианта, установленного для студента препо­давателем, по табл. 4.1 определяется номер темы, обозначенный в разд. 3, и но­мер контрольного вопроса темы, на который необходимо дать развернутый от­вет в ходе выполнения контрольной работы.

Таблица 4.1

Номер

темы

Номер контрольного вопроса

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

2

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

27

Окончание табл. 4.1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

3

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

4

34

35

36

37

38

39

40

1

2

3

4

5

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

6

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

7

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

8

38

39

40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

10

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

11

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

Пример:

Для студента Иванова М. И. определён вариант №1. В соответствии с таблицей студенту устанавливается следующее задание:

1. Контрольный вопрос №1темы 1.
2. Контрольный вопрос №8 темы 4.
3. Контрольный вопрос №4 темы 8.