Электронные преобразователи и аппараты

Лекция 8.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: назначение и классификация; понятие о проектировании преобразователей.

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Электрификация и преобразование электрической энергии. Необхо­димые темпы поступательного развития всех отраслей промышлен­ности и транспорта поддерживаются благодаря научно-техническому прогрессу (НТП) как процессу широкого внедрения современных ору­дий производства и эффективных технологий, постоянного их совер­шенствования на основе новейших достижений науки и техники. Энергетика, электрификация, автоматизация и компьютеризация яв­ляются важнейшими направлениями НТП. Электрическая энергия, сочетающая в себе уникальные свойства (высокую концентрацию мощности при ее производстве и способность безграничного деления при потреблении; плавность регулирования по заданному алгоритму конкретного технологического процесса; гибкость применения во всех видах механизации, автоматизации, компьютеризации труда; экологичность; высокую эффективность), служит движущей силой в осуществлении достижений НТП на железнодорожном транспорте.

Электрификация транспорта особенно эффективна в нашей стране ввиду огромной протяженности коммуникаций. Основными составля­ющими этой эффективности являются: использование относительно недорогой электроэнергии, вырабатываемой на крупных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях; применение электропод­вижного состава (электровозов и электропоездов), обладающего вы­сокими тягово-энергетическими показателями по сравнению с други­ми видами тяги; снижение себестоимости перевозок на 10—15 %; применение рекуперативного торможения с возвратом энергии в пи­тающую систему в среднем до 10 % расхода на тягу; повышение эксплуатационной надежности; улучшение уровня обслуживания пас­сажирских перевозок.

Россия имеет самую большую протяженность электрифицирован­ных железных дорог в мире — 40 тыс. км, что составляет 45 % протяженности железнодорожных магистралей страны или 18,6 % электрифицированных дорог мира. На них выполняется 75 % общего объема железнодорожных перевозок России. Железнодорожный транспорт потребляет примерно 5,5 % всей вырабатываемой электро­энергии в стране. Электрическая энергия на электростанциях вырабатывается в виде энергии трехфазного тока промышленной частоты (50 Гц). Среди промышленных потребителей электроэнергии примерно 30 % являют­ся потребителями постоянного тока (электрохимические и электроме­таллургические установки, гальванические ванны, электропривод по­стоянного тока). В дальних передачах электрической энергии в энер­госистемах используются линии электропередачи постоянного тока напряжением до 1000 кВ и выше. В таких передачах на передающей стороне трехфазный ток преобразуется в постоянный, а на приемной стороне — постоянный ток в трехфазный переменный ток.

В современных промышленных электроприводах переменного тока используются регулируемые по частоте вращения асинхронные двигатели, для которых требуется трехфазный переменный ток, регу­лируемый по частоте и напряжению.

На электрифицированном магистральном и городском рельсовом транспорте, на электровозах, электропоездах и в трамваях использу­ется тяговый электропривод постоянного тока с коллекторным дви­гателем. В системах постоянного тока трехфазный ток промышлен­ной частоты преобразуется на тяговых подстанциях в постоянный ток. Для плавного регулирования напряжения тяговых двигателей на электроподвижном составе применяются различные способы преоб­разования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. В режиме рекуперативного торможения избы­точная энергия, не потребленная электроподвижным составом в тяго­вом режиме, на тяговых подстанциях преобразуется в трехфазный ток промышленной частоты и возвращается в питающую систему.

В системах переменного тока промышленной частоты на электро­подвижном составе осуществляется преобразование однофазного тока в постоянный ток и плавное регулирование напряжения на коллекто­рах тяговых двигателей. В режиме рекуперативного торможения тре­буется обратное преобразование энергии постоянного тока, выраба­тываемой двигателями, находящимися в генераторном режиме, в энер­гию однофазного переменного тока, возвращаемую в тяговую сеть.

В связи с этим на тяговых подстанциях и на самом электроподвиж­ном составе требуется комплекс преобразователей электроэнергии. Созданы совершенные виды электроподвижного состава с бескол­лекторными тяговыми двигателями трехфазного тока — асинхронны­ми и синхронными — более надежными, экономичными и мощными. Для плавного регулирования скорости электроподвижного состава разработаны электронные комплексы преобразователей электричес­кой энергии (преобразователи частоты и числа фаз). Такие преобра­зователи обеспечивают питание асинхронных и синхронных двигате­лей трехфазным током с плавным регулированием частоты от долей герца до сотен герц и необходимое изменение напряжения при пита­нии о г контактной сети постоянною тока и сети однофазного пере­менного тока.

Развитие высокоскоростного движения до 300—350 км/ч стало ре­альным только благодаря электрификации и созданию электропоездов с новым типом бесколлекторного тягового электропривода и совре­менными преобразователями электроэнергии. Рекорд скорости рель­сового транспорта, составляющий 515,3 км/ч, установлен высокоско­ростным электропоездом TGV во Франции в мае 1990 г. К 2000 г. в Ев­ропе планируется иметь сеть высокоскоростного движения протяжен­ностью 10000 км. В России планируется построить высокоскоростную магистраль Санкт-Петербург — Москва.

В Германии разработана и реализована на полигоне транспортная система "Трансрапид" на магнитной подушке с линейным синхрон­ным двигателем трехфазного тока. Развернутый в плоскость статор двигателя укладывается в путевую структуру. К обмотке статора по кабельным линиям от тяговых преобразовательных подстанций с ти-ристорными преобразователями частоты подводится трехфазный ток, регулируемый по частоте и напряжению. К 2004 г. планируется стро­ительство новой высокоскоростной линии "Трансрапид" между Гам­бургом и Берлином со скоростью движения до 500 км/ч.

.. Таким образом, совершенные технологии преобразования энергии являются основным условием создания электрифицированных маги­стралей и городского транспорта.

Классификация преобразователей электроэнергии

Уст­ройства преобразования электроэнергии делятся на электромагнит­ные и электронные. Благодаря экономичности и высокой надежности преимущественное применение в современной преобразовательной технике находят электронные преобразователи, построенные на осно­ве диодов, тиристоров и силовых транзисторов. Такие преобразова­тели получили название полупроводниковых преобразователей элект­рической энергии.

Рис. 5.1. Структурная схема классификации преобразователей электроэнергии

Электронные аппараты. Аппараты представляют собой новый вид электронных устройств разнообразного назначения: тиристорные вы­ключатели переменного и постоянного тока, разрядники, защитные устройства и другие бесконтактные аппараты. Переход от контактной аппаратуры к бесконтактным электронным устройствам позволяет повысить надежность работы, сократить эксплуатационные расходы, уменьшить материалоемкость и размеры аппаратуры.

Электронные преобразователи и аппараты разрабатываются на основе современных полупроводниковых приборов, оптоэлектронных и других электронных средств. Их работа характеризуется сложными электромагнитными процессами. Поэтому разработка, проектирова­ние и техническое обслуживание таких устройств требуют специаль­ных методов, квалифицированного научного и инженерного труда.

ПОНЯТИЕ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Задачи проектирования силовых цепей преобразователей. Проекти­рование — это процесс составления описания еще не существующего преобразователя, который должен функционировать в заданных усло­виях. Описание преобразователя формируется на основе заданного первичного описания в виде технического задания и оптимизации его характеристик, а также дальнейшего представления результатов на различных языках. Процесс проектирования состоит из ряда проект­ных процедур, каждая из которых заканчивается проектным решени­ем, т.е. описанием объекта проектирования или его отдельного эле­мента. Часть проектной процедуры, имеющей неизменный алгоритм в процессе получения проектного решения, составляет проектную операцию. Проектные решения оформляются проектными документа­ми, совокупность которых в текстовой и графической форме и обра­зует' проект нового преобразователя.

Разработка электронных преобразователей с высоким качеством преобразования энергии, улучшенными массогабаритными показате­лями невозможна без применения новых методов и средств проекти­рования. С учетом повышенных требований к устройствам силовой преобразовательной техники и качеству их проектирования за послед­нее десятилетие создана система автоматизированного проектирова­ния (САПР) электронных преобразователей.

Система проектирования сложных электронных преобразователей электроэнергии включает в себя информационную подсистему, под­системы поиска решения технической задачи, инженерного анализа, ведения и изготовления документации. Такая структура обеспечивает выполнение законченных проектных процедур с получением необхо­димых проектных документов.

Информационная подсистема выполняет задачи сбора, обработ­ки, хранения и выдачи необходимой для процесса проектирования информации. Подсистема поиска решений технической задачи включает в себя нахождение решения поставленной в техническом задании задачи среди известных схемных решений и в результате синтеза новых оригинальных схемных решений. Подсистема инже­нерного анализа обеспечивает решение задачи оптимизации харак­теристик преобразования с использованием методов макетирования и математического моделирования. Подсистема ведения и изготов­ления документации предназначена для получения проектных до­кументов: электрических принципиальных схем, перечней элементов, технических описаний и т.д., необходимых для создания проекти­руемого преобразователя.

Этапы проектирования, В процессе разработки преобразователя выделяют этапы системотехнического (структурного), схемотехничес­кого, конструкторского, технологического проектирования. В ходе разработки эти этапы выполняют несколько раз с различной степе­нью их детальной проработки, решая проблему выбора оптимального варианта. Процесс оптимизации лежит в основе инженерной деятель­ности, состоящей в проектировании новых, более эффективных и менее дорогостоящих вариантов и разработке методов повышения надежности функционирования существующих преобразователей.

При проектировании преобразователя с использованием теории оптимизации необходимо установить границы конкретного решения, подлежащего оптимизации, выявить критерий или несколько крите­риев оптимальности, выбрать внутренние переменные параметры, на основе которых сравнить варианты, построить математическую мо­дель, отражающую связь между переменными параметрами, выбрать метод оптимизации и решить поставленную задачу. В этой работе сокращение доли труда проектировщика и высвобождение его рабо­чего времени для решения творческих задач достигается автоматиза­цией проектирования.

На этапе системотехнического (структурного) проектирования оп­ределяют структуру проектируемого преобразователя на уровне функциональных схем. В этом случае предварительный отбор не­скольких схем из всех возможных может выполнить ЭВМ, а оконча­тельный выбор схемы должен сделать проектировщик.

На этапе схемотехнического проектирования выполняют прибли­женный расчет выбранных или синтезированных схем, выбор эле­ментной базы, анализ электромагнитных процессов в переходных и установившихся режимах, оптимизацию схем по заданным критери­ям. Творческая задача на этом этапе — принятие решений по резуль­татам расчетов. Остальные задачи должны решаться на ЭВМ.

Приближенные расчеты отдельных схем выполняют по хорошо отработанным инженерным методикам. Более сложная задача — ана­лиз электромагнитных процессов — решается на этом этапе при ха­рактерном для преобразователей ключевом режиме работы диодов, тиристоров, силовых транзисторов. При этом ввиду больших затрат на реальное макетирование или физическое моделирование большое значение имеют методы вычислительного эксперимента. Расчет пара­метров и характеристик элементов, схем, систем является ядром про­ектирования, основанным на конкретной программной реализации.

На этапе конструкторского и технологического проектирования решаются задачи конструктивных и технологических решений и вы­пуска соответствующей документации с учетом технологических воз­можностей предприятия или отрасли. Создание конструкции преоб­разователя — трудноформализуемый творческий процесс, в котором большое значение имеет личный опыт и интуиция проектировщика.

Дата добавления: 2014-01-07