Преобразовательные подстанции и установки Преобразовательный агрегат

Преобразовательные подстанции и установки • Преобразовательный агрегат – это комплект оборудования, состоящий из одного или нескольких полупроводниковых преобразователей, трансформатора, а также приборов и аппаратуры, необходимых для пуска и работы агрегата. • Полупроводниковый преобразовать – это комплект полупроводниковых вентилей (неуправляемых или управляемых), смонтированных на рамах или в шкафах, с системой воздушного или водяного охлаждения, а также приборов и аппаратуры, необходимых для пуска и работы преобразователя. • Для получения постоянного тока из переменного используют кремниевые выпрямительные агрегаты

• В отличие от цеховых подстанций, на которых трансформируется энергия переменного тока напряжением выше 1 к. В в напряжение до 1 к. В с той же частотой 50 Гц, преобразовательные установки и подстанции предприятий преобразуют электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. Например, трехфазный ток частотой 50 Гц - в трех- или однофазный ток повышенной или пониженной частоты, а также в постоянный.

Преобразовательный агрегат • Трансформаторы преобразовательных агрегатов питаются от 4 УР (иногда и от 5 УР) системы электроснабжения на переменном токе напряжением 6, 10 или 35 к. В. • Напряжение постоянного тока для внутрицеховых электроприемников общепромышленного назначения, включая краны, принимается равным 220 и реже 440 В. • Для завода (цеха) целесообразно иметь одно основное напряжение постоянного тока, что облегчает рабочее проектирование, заказ и изготовление электрооборудования, улучшает условия эксплуатации и облегчает электроремонт. Обследование ряда крупных заводов показало, что даже на одном заводе используются напряжения постоянного тока: 110, 150, 275, 300, 325, 400, 450, 525, 600, 660, 700, 750, 775, 825 В.

• • • Для преобразовательных агрегатов применяют: трехфазную нулевую схему, шестифазную нулевую схему с уравнительным реактором и трехфазную мостовую схему преобразования. Преобразовательные агрегаты малой мощности имеют трехфазную нулевую схему. В настоящее время для полупроводниковых агрегатов с выпрямленным напряжением 330 В и выше применяется трехфазная мостовая схема, а при меньших напряжениях - нулевая схема. Для агрегатов большой мощности с целью создания двенадцатифазного режима выпрямления трансформаторы выполняют с одной первичной и двумя или четырьмя вторичными обмотками. Одну половину вторичных обмоток соединяют в звезду, а вторую — в треугольник • При шестифазной нулевой схеме первичная обмотка питающего преобразователь трансформатора соединяется в звезду или треугольник, а вторичная — в две обратные звезды, нулевые точки которых соединены через уравнительный реактор. Средняя точка уравнительного реактора является отрицательным полюсом выпрямленного тока. • При трехфазной мостовой схеме первичная и вторичная обмотки преобразовательного трансформатора могут соединяться в звезду и в треугольник. Каждая фаза вторичной обмотки через вентили соединяется с положительным и отрицательным полюсами цепи постоянного тока. Каждый вентиль проводит ток в течение одной трети периода. • При трехфазной нулевой схеме вторичная обмотка трансформатора соединяется в звезду с выведенной нулевой точкой или в зигзаг с выведенной нулевой точкой. В первом случае первичная обмотка должна соединяться в треугольник, во втором - в звезду.

Практика • Практическое занятие 7. Выпрямительные преобразовательные установки и подстанции предприятий. • Схемы преобразования. Диоды • Практическое занятие 8. Устройства без преобразования частоты. • Устройства с однократным, двукратным и более преобразованием частоты. • Практическое занятие 9. Принципиальная схема одноагрегатной КВПП • Принципиальная схема одноагрегатной КВПП (комплектная выпрямительная полупроводниковая подстанция).

Выпрямительные преобразовательные установки и подстанции предприятий. • См. podst_KVPP[1]. pd

Схемы преобразования. Диоды см. тема 2 стр 33 • Электронным ключом называется устройство для замыкания и размыкания силовой электрической цепи, содержащее по крайней мере один управляемый вентильный прибор. • Вентильный прибор (вентиль) — электронный прибор, проводящий ток в одном направлении. На основе двух или более вентильных приборов создаются двунаправленные ключи, проводящие ток в двух направлениях. Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации.

Диод — полупроводниковый прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электрической проводимости: электронной — n-типа и дырочной — р-типа

Классификация силовых полупроводниковые приборов: принципу действия, конструктивному исполнению, электрическим параметрам, применению и др. • ВАХ полупроводниковых приборов

Типы силовых диодов • общего назначения, • быстровосстанавливающиеся, • диоды Шоттки (выпрямительные)

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более p-n-переходов, может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот • Обычный тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом.

типы тиристоров • запираемые тиристоры; • быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс); • объединенные конструктивно пары встречновключенных тиристоров (симисторы, или триаки); • асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен со встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока; • оптотиристоры, управляемые световым потоком; • диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения.

Силовые транзисторы • Транзистором называют электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. • В силовых электронных аппаратах используются в качестве полностью управляемых ключей. • В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. • В закр. - транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, и ток транзистора имеет небольшое значение. • В откр. - транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. • Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении.

основные классы силовых транзисторов: • биполярные, • полевые, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (англ. MOS — metal oxide semiconductor), • биполярные с изолированным затвором (МОПБТ) (англ. IGBT — insulated gate bipolar transistor), • Полевые с управляющим р-n переходом или транзсторы со статической индукцией.

Питающее напряжение -однофазное и трехфазное напряжение переменного тока

Классификация выпрямителей (вид простейшего полупроводникового преобразователя тока) • по схеме выпрямления Ш однофазные однополупериодные с одним вентилем, Ш со средней точкой (однофазный 2 -хполупериодный и трехфазные), Ш мостовые, • по выходной мощности (малой и большой мощности), • по числу фаз ИП (однофазного-, трехфазного тока), • по виду схемы силовой части (мостовые и с нулевым выводом) • по способу регулирования (не- и управляемые). • по напряжению, • по частоте выпрямленного тока

• Выпрямители, позволяющие изменять полярность своего выходного напряжения, наз-ся реверсивными. • Состоят из 2 -х комплектов нереверсивных выпрямителей

однофазные однополупериодные с одним вентилем Состоит из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50— 60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 к. Гц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре.

Преобразователь частоты – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты • Выходная частота в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и ниже частоты питающей сети. • Схема любого преобразователя частоты состоит из силовой и управляющей частей. • Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или транзисторах, которые работают в режиме электронных ключей. • Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита)

В состав преобразователей частоты входят четыре основных элемента:

1. Выпрямитель формирует пульсирующее напряжение постоянного тока при его подключении к одно/трехфазной питающей электросети переменного тока. Выпрямители бывают двух основных типов - управляемые и неуправляемые. 2. Промежуточная цепь одного из трех типов: • a) преобразующая напряжение выпрямителя в постоянный ток. • b) стабилизирующая или сглаживающая пульсирующее напряжение постоянного тока и подающая его на инвертор. • c) преобразующая неизменное напряжение постоянного тока выпрямителя в изменяющееся напряжение переменного тока. 3. Инвертор, который формирует частоту напряжения электродвигателя. Некоторые инверторы могут также конвертировать неизменное напряжение постоянного тока в изменяющееся напряжение переменного тока. 4. Электронная схема управления, которая посылает сигналы в выпрямитель, промежуточную цепь и инвертор и получает сигналы от данных элементов. Построение управляемых элементов зависит от конструкции конкретного преобразователя частоты

Различные принципы построения/управления преобразователей частоты • • 1 - управляемый выпрямитель, 2 - неуправляемый выпрямитель, 3 - промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока, 4 - промежуточная цепь неизменного напряжения постоянного тока • 5 - промежуточная цепь изменяющегося постоянного тока, • 6 - инвертор с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) • 7 - инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)

Режим работы диода Диоды позволяют току протекать только в одном направлении: от анода (А) к катоду (К). Величину тока диода регулировать невозможно. Напряжение переменного тока преобразуется диодом в пульсирующее напряжение постоянного тока. Если неуправляемый трехфазный выпрямитель питается трехфазным напряжением переменного тока, то и в этом случае напряжение постоянного тока будет пульсировать. Выходное напряжение неуправляемого выпрямителя равно разности напряжений этих двух диодных групп Неуправляемые выпрямители

Управляемые выпрямители Если уголα = 0° ÷ 90°, то тиристорная схема используется в качестве выпрямителя, • а если в пределах от 90° до 300° - то в качестве инвертора • В управляемых выпрямителях диоды заменены тиристорами, тиристор пропускает ток только в одном направлении - от анода (А) к катоду (К). НО в противоположность диоду тиристор имеет третий электрод, называемый «затвором» (G). Чтобы тиристор открылся, на затвор должен быть подан сигнал. Если через тиристор течет ток, тиристор будет пропускать его до тех пор, пока ток не станет равным нулю. • α позволяет изменять величину выпрямленного напряжения • Ток не может быть прерван подачей сигнала на затвор. Тиристоры используются как в выпрямителях, так и в инверторах.

• Выходное напряжение управляемого трехфазного выпрямителя Выходное напряжение неуправляемого трехфазного выпрямителя

Промежуточная цепь • Инверторы - источники тока (i-преобразователи) • В случае инверторов - источников тока промежуточная цепь содержит катушку большой индуктивности и сопрягается только с управляемым выпрямителем. Катушка индуктивности преобразует изменяющееся напряжение выпрямителя в изменяющийся постоянный ток. Величину напряжения электродвигателя определяет нагрузка

Инверторы - источники напряжения (U-преобразователи)

• В случае инверторов - источников напряжения промежуточная цепь представляет собой фильтр, содержащий конденсатор, и может сопрягаться с выпрямителем любого из двух типов. Фильтр сглаживает пульсирующее постоянное напряжение (U 21) выпрямителя. • В управляемом выпрямителе напряжение на данной частоте постоянно и подается на инвертор в качестве истинного постоянного напряжения (U 22)c изменяющейся амплитудой. • В неуправляемых выпрямителях напряжение на входе инвертора представляет собой постоянное напряжение с неизменной амплитудой.

Промежуточная цепь изменяющегося напряжения

• Прерыватель содержит транзистор, который действует как переключатель, включая и выключая напряжение выпрямителя. Система регулирования управляет прерывателем путем сравнения изменяющегося напряжения после фильтра (Uv) с входным сигналом. Если существует разность, соотношение регулируется путем изменения времени, в течение которого транзистор открыт, и времени, когда он закрыт. Тем самым изменяется эффективное значение и величина постоянного напряжения/

• В зависимости от построения промежуточная цепь может также выполнять дополнительные функции, в число которых входят: • • развязка выпрямителя от инвертора • • уменьшение уровня гармоник • • накопление энергии с целью ограничения скачков прерывистой нагрузки

Инвертор Из промежуточной цепи инвертор получает • • изменяющийся постоянный ток, • • изменяющееся напряжение постоянного тока или неизменное напряжение постоянного тока. • Благодаря инвертору, в каждом из этих случаях на электродвигатель подается изменяющаяся величина. Другими словами, в инверторе всегда создается нужная частота напряжения, подаваемого на эл. дв. Основными элементами инверторов являются управляемые полупроводниковые приборы, включенные попарно в трех ветвях.

• В настоящее время тиристоры в большинстве случаев заменены высокочастотными транзисторами, которые способны открываться и закрываться очень быстро. Частота коммутации обычно находится в пределах от 300 Гц до 20 к. Гц и зависит от используемых полупроводниковых приборов. • Полупроводниковые приборы в инверторе открываются и закрываются сигналами, формируемыми схемой управления. Сигналы могут формироваться несколькими различными способами. • Конденсаторы позволяют тиристорам открываться и закрываться таким образом, что ток в фазных обмотках сдвигается на 120 градусов и должен быть адаптирован к типоразмеру электродвигателя. Конденсаторы отделяются от нагрузочного тока электродвигателя диодами

Обычный инвертор тока промежуточной цепи изменяющегося напряжения

виды управления инвертором • • Первый способ предназначен для изменяющегося напряжения или тока в промежуточной цепи. Интервалы, в течение которых отдельные полупроводниковые приборы открыты, расположены в последовательности, используемой для получения требуемой выходной частоты. Эта последовательность коммутации полупроводниковых приборов управляется величиной изменяющегося напряжения или тока промежуточной цепи. Благодаря использованию генератора колебаний, управляемого напряжением, частота всегда отслеживает амплитуду напряжения. Такой вид управления инвертором называется амплитудноимпульсной модуляцией (АИМ). Для фиксированного напряжения промежуточной цепи используется другой основной способ. Напряжение электродвигателя становится изменяющимся благодаря подаче напряжения промежуточной цепи на обмотки электродвигателя в течение более длинных или коротких интервалов времени. Поскольку при этом способе происходит изменение длительности (ширины) импульсов напряжения, его называют широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Модуляция амплитуды и длительности импульсов

Преобразователи частоты делятся на • Преобразователи с непосредственной связью • Преобразователи с промежуточным звеном постоянного тока

Силовая часть схемы преобразователя частоты с непосредственной связью

Силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором напряжения

Силовая часть схемы преобразователя частоты с инвертором тока

Регуляторы напряжения постоянного тока • Применяются для регулирования напряжения постоянного тока на нагрузке • Источником эл. энергии является источник нерегулируемого напряжения постоянного тока (н-р, аккумуляторная батарея или контактная сеть постоянного тока электрического транспорта). • В кач-ве преобразователя постоянного тока используются импульсные преобразователи, в них применяются силовые полупроводниковые управляемые ключи – тиристоры и транзисторы всех видов • Регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания

Схема импульсного регулятора напряжения постоянного тока • Регулирование напряжения на нагрузке - за счет периодического замыкания и размыкания УПК, при этом происходит подключение нагрузки к источнику питания и ее отключение

Способы регулирования напряжения на нагрузке • Широтно-импульсный способ (изменяя длительность импульсов при неизменной частоте их следования) – распространен Uнагр = tи E / T = γ E, где γ = tи / T- отн-ная длительность импульсов • Частотно-импульсный способ (изменение частоты при неизменной длительности)

Роль и значение силовых преобразователей в современной электротехнике и энергетике Теоретические основы процессов основы преобразования электроэнергии сс помощью преобразования электроэнергии помощью вентильных устройств были разработаны вв вентильных устройств были разработаны начале текущего столетия. Широкое внедрение в практику начале текущего столетия. после преобразовательная техника получила Широкое внедрение вв практику Широкое внедрение практику создания в 50 -х годах силовых преобразовательная техникадиодов и полупроводниковых приборов (СПП): преобразовательная техникаполучила после тиристоров. создания вв 50 -х годах силовых создания 50 -х годах силовых полупроводниковых приборов (СПП): диодов иитиристоров. 52

Система содержит источник синусоидального напряжения, тиристорный регулятор, стат. или динам. активно-индукт. нагрузка и КБ как КУ

Практическое занятие 9. • Принципиальная схема одноагрегатной КВПП (комплектная выпрямительная полупроводниковая подстанция).

Комплектные выпрямительные полупроводниковые подстанции КВПП В состав подстанции входят: • трансформаторы преобразовательные; • секции преобразовательные; • шкафы с автоматами; • шинные мосты. Предназначена для энергоснаб. потребителей постоянного тока напряжением 230 В, питания цеховых сетей промышленных предприятий постоянным током, в т. ч. электропривода

Технические характеристики КВПП • Исполнение по количеству агрегатов дноагрегатная, двухагрегатная, трехагрегатная , • Номинальный ток агрегата, А 1000, 1250, 2000, 4000 • Конструктивное исполнение агрегатов левое, правое • Удаленное управление высоковольтным выключателем и выключателями отходящих линий по интерфейсу RS 485, cухими контактами • Передача на верхний уровень по интерфейсу RS 485 параметров I, U, P, контроль изоляции

В КВПП в качестве трансформатора применяются: • • RESIBLOC (250, 400, 630, 1000, 1600, 2500) к. ВА – для мостовой схемы выпрямления и нулевой схемы выпрямления с уравнительным реактором. ТСЗПУ-(1000, 2000) /10 ГТ У 3 – для нулевой схемы выпрямления с уравнительным реактором. Трансформаторы RESIBLOC имеют оригинальную конструкцию первичной и вторичных обмоток, выполняемых из медного провода и алюминиевой фольги. Бандажируются обмотки стекловолоконной нитью, пропитанной эпоксидным компаундом. Трансформаторы RESIBLOC® способны выдерживать максимальные колебания температурных расширений без повреждения поверхности компаунда и без образования микротрещин. Это единственные сухие трансформаторы, способные работать при температурах до минус 60 °С. Трансформаторы работают в условиях 100 % влажности и в условиях конденсации водяных паров, а также в условиях химического загрязнения. Степень защиты трансформаторов - IP 00, IP 21, IP 23, IP 54 по ГОСТ 14254 -96. Трансформатор RESIBLOC® допускает перегрузку до тех пор, пока наиболее горячая точка нагрева трансформатора не достигнет 155°С.

Преобразовательные секции производятся по «нулевой» схеме с уравнительным реактором и трехфазной «мостовой» схемам выпрямления: • Трехфазная мостовая схема выпрямления на токи 1000 А, 1250 А, 2000 А, 4000 А. • Трехфазная нулевая схема выпрямления с уравнительным реактором на токи 1000 А, 2000 А, 4000 А.

Шкафы с автоматами предназначены для питания и защиты цепей постоянного тока напряжением 230 В крановых подстанций металлургических предприятий • • Типоисполнение: ШЛА – шкаф линейных автоматов; ШВА – шкаф вводных автоматов; ШСА – шкаф секционных автоматов.

Конструкция одноагрегатной КВПП-2, 0 к-230 УХЛ 4