Судовые полупроводниковые преобразователи (290,00 руб.)

Стр.3

Стр.551

Стр.552

Стр.553

Стр.554

Стр.555

Стр.556

УДК 621.314.632 ББК 32.85 Д53 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и технической диагностики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения А.А. Ефимов; доктор технических наук, профессор, начальник самостоятельного электротехнического отдела ОАО «Концерн» НПО «Аврора» Ю.A. Губанов Д53 Дмитриев, Б.Ф. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник по курсу «Полупроводниковые преобразователи» / Б.Ф. Дмитриев, В.М. Рябенький, А.И. Черевко, М.М. Музыка; Сев. (Арктич.) федер. ун-т. – 2-е изд., перераб и доп. – Архангельск: САФУ, 2015. – 556 с.: ил. ISBN 978-5-261-01027-2 Рассмотрены современная элементная база силовой электроники, методы управления и способы защиты силовых ключей, приведены описание и анализ работы выпрямителей и регуляторов, включая анализ коммутационных процессов и оценку влияния преобразователей на питающую сеть. Дан анализ ущерба от высших гармоник в СЭЭС и мероприятия по его снижению. Приведены сведения об активных энергетических фильтрах, позволяющих эффективно решать проблему качества электроэнергии в автономных электроустановках. Изложены схемы и режимы работы зависимых и автономных инверторов и преобразователей частоты на их основе, включая НПЧ матричного типа на современных ключевых элементах. Приведено описание нового класса выпрямителей и инверторов, построенных на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями. Изложены способы построения систем управления судовыми преобразователями и моделирование преобразователей в среде Micro-Cap. Приведены сведения о реально применяемых преобразователях на судах, а также рассмотрены вопросы обеспечения качества электрической энергии на входе и выходе ПП и улучшение их электромагнитной совместимости с питающей сетью и нагрузкой. Дана оценка влияния качества электроэнергии на виброакустические характеристики судового электрооборудования и самих ПП. Учебник соответствует государственным образовательным стандартам и предназначен для подготовки бакалавров, специалистов и магистров в области преобразовательной техники, занимающихся наладкой, испытанием и сдачей судового электрооборудования. УДК 621.314.632 ББК 32.85 ISBN 978-5-261-01027-2 © Б.Ф. Дмитриев, В.М. Рябенький, А.И. Черевко, М.М. Музыка, 2015 2 © Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, 2015

Стр.3

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................... ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ................................................................. Глава 1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ .. 3 5 8 1.1. Базовые структуры силовых полупроводниковых ключей .......................... 10 1.1.1. Двухслойные полупроводниковые структуры ...................................... 10 1.1.2. Трехслойные биполярные полупроводниковые структуры ................. 12 1.1.3. Трехслойные униполярные структуры, или МДП-транзисторы ......... 13 1.1.4. Статические индукционные транзисторы ............................................. 16 1.2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) .................... 17 1.3. Однооперационные тиристоры. ...................................................................... 20 1.4. Запираемые тиристоры. ................................................................................... 23 1.5. Индукционные тиристоры. .............................................................................. 26 1.6. Полевые тиристоры. ......................................................................................... 27 Глава 2. УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КЛЮЧАМИ .. 30 2.1. Функции и структуры систем управления силовыми ключами ................... 30 2.2. Основные типы формирователей импульсов управления ............................ 33 2.3. Формирователи импульсов управления биполярных транзисторов .......... 34 2.4. Формирователи импульсов управления транзисторов с изолированным затвором ........................................................................................................... 37 2.5. Формирователи импульсов управления тиристоров ..................................... 39 2.6. Трансформаторные ФИУ тиристоров ............................................................ 42 2.7. Драйверы силовых транзисторов ................................................................... 46 2.8. Драйверы тиристоров ...................................................................................... 48 Глава 3. МЕТОДЫ И СХЕМЫ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КЛЮЧЕЙ .... 51 3.1. Основные виды перегрузок по напряжению и току. ..................................... 51 3.2. Методы защиты от помех. ............................................................................... 54 3.3. Защитные цепи тиристорных ключей. ........................................................... 59 3.4. Защитные цепи силовых модулей................................................................... 62 3.5. Защита силовых ключей от режимов короткого замыкания. ....................... 65 3.6. Силовые ключи с интегрированной системой защиты ................................. 68 Глава 4. ПРОЦЕССЫ В ОДНОФАЗНЫХ ЦЕПЯХ С ВЕНТИЛЯМИ. ......................... 74 4.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель с активной нагрузкой. ...... 74 4.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой ......................................................................................................... 76 4.3. Однофазный однополупериодный выпрямитель с активно-емкостной нагрузкой ............................................................................................................. 77 4.4. Цепь с одним вентилем и активно-индуктивной нагрузкой с противоэдс 79 4.5. Однофазный однотактный выпрямитель с обратным вентилем .................. 82 4.6. Двухполупериодные выпрямители ................................................................. 84 4.6.1. Работа однофазного двухтактного неуправляемого выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку .................................................. 84 550

Стр.551

4.6.2. Работа однофазного двухтактного неуправляемого выпрямителя со средней точкой на активно-индуктивную нагрузку ............................. 89 4.6.3. Работа однофазного двухтактного управляемого выпрямителя со средней точкой на нагрузку с противоэдс. ............................................ 91 4.6.4. Работа однофазного двухтактного управляемого выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку .................................................. 93 4.6.5. Работа однофазного двухтактного управляемого выпрямителя со средней точкой на активно-индуктивную нагрузку ............................. 97 4.6.6. Работа однофазного двухтактного управляемого выпрямителя со средней точкой и нулевым вентилем ..................................................... 98 4.6.7. Коммутационные процессы в однофазном двухтактном управляемом выпрямителя со средней точкой ................................................... 100 4.6.8. Внешняя характеристика однофазного выпрямителя со средней точкой. ...................................................................................................... 103 4.6.9. Энергетические характеристики однофазного выпрямителя со средней точкой. ........................................................................................ 104 4.7. Однофазная мостовая схема ............................................................................ 106 4.7.1. Несимметричные однофазные мостовые схемы выпрямления ............ 110 4.7.2. Коммутационные процессы в однофазном мостовом управляемом выпрямителе ............................................................................................. 113 4.8. Трехфазная схема выпрямления со средней точкой ................................... 115 4.9. Коммутационные процессы в трехфазной схеме выпрямления со средней точкой ........................................................................................................ 120 Глава 5. РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ .................................................................... 124 5.1. Однофазный регулятор переменного напряжения с активной нагрузкой ... 124 5.2. Однофазный регулятор напряжения с активно-индуктивной нагрузкой .... 127 5.3. Регуляторы напряжения на полностью управляемых ключах ..................... 132 5.4. Трехфазные регуляторы напряжения.............................................................. 135 5.5. Регуляторы постоянного напряжения ............................................................. 141 5.5.1. Типовые структурные схемы управления импульсными регуляторами ........................................................................................................... 141 5.5.2. Импульсный регулятор с последовательным ключом .......................... 145 5.5.3. Импульсный регулятор с параллельным ключом ................................. 151 5.5.4. Инвертирующий ШИП с параллельным индуктивным накопителем ............................................................................................................. 155 5.5.5. Импульсные регуляторы постоянного тока с изменяемыми полярностью напряжения и направлением тока ............................................. 158 5.5.6. Четырехквадрантный регулятор. ........................................................... 159 Глава 6. МНОГОФАЗНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ...................................................... 161 6.1. Трехфазный мостовой преобразователь ......................................................... 161 6.1.1. Работа управляемого трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку ...................................................................................... 164 6.1.2. Работа управляемого трехфазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. ................................................................ 166 6.1.3. Работа управляемого трехфазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку с противоэдс. ......................................... 168 6.2. Коммутация токов в трехфазных мостовых выпрямителях ......................... 173 551

Стр.552

6.3. Высшие гармоники на входе и выходе симметричного трехфазного мостового тиристорного преобразователя ........................................................ 182 6.3.1. Высшие гармоники на входе симметричного трехфазного ТП в симметричных режимах. ........................................................................ 184 6.3.2. Высшие гармоники на выходе симметричного трехфазного мостового тиристорного преобразователя ...................................................... 194 6.4. Энергетические характеристики симметричного трехфазного мостового ТП ..................................................................................................................... 196 6.5. Высшие гармоники в фазном и линейном напряжениях на входе преобразователей при симметричном и несимметричном управлении. .............. 198 6.6. Высшие гармоники при несимметрии питающих напряжений .................. 205 6.7. Высшие гармоники, обусловленные высокочастотными колебаниями...... 212 6.8. Высшие гармоники напряжения при модуляции питающих напряжений .... 219 Глава 7. УЩЕРБ ОТ ВЫСШИХ ГАРМОНИК, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ, И ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ЕГО СНИЖЕНИЯ ........ 223 7.1. Технико-экономическая оценка ущерба от высших гармоник с учетом регулирования возбуждения синхронного генератора ................................ 223 7.2. Снижение уровней высших гармоник и ущерба от них за счет совершенствования схемы питания и конструкции тиристорных преобразователей. ................................................................................................................ 229 7.3. Снижение ущерба за счет применения фильтрокомпенсирующих устройств .......................................................................................................... 232 7.4. Общесистемная компенсация реактивной мощности ................................... 234 7.5. Повышение качества электроэнергии в СЭЭС с помощью активных и гибридных фильтров .................................................................................... 239 7.6. Снижение влияния высших гармоник на особо ответственные потребители ................................................................................................................... 245 7.6.1. Защита особо ответственных потребителей пассивными фильтрами. 245 7.6.2. Защита особо ответственных потребителей активными фильтрами. . 251 7.7. Снижение ущерба за счет применения специальных корректоров коэффициента мощности в составе преобразователей ........................................ 252 7.8. Включение нулевых вентилей ....................................................................... 255 7.9. Сглаживающие пассивные фильтры .............................................................. 256 7.10. Активные энергетические фильтры ............................................................. 261 7.10.1. Анализ простейшего активного фильтра с последовательной компенсацией .............................................................................................. 264 7.10.2. Коэффициент эффективности активных фильтров с последовательной компенсацией ......................................................................... 271 7.10.3. Минимизация технико-экономических показателей комбинированных фильтров .................................................................................. 272 Глава 8. ИНВЕРТОРЫ .................................................................................................. 278 8.1. Инвертор, ведомый сетью, или зависимый инвертор ................................... 278 8.2. Трехфазный мостовой инвертор, ведомый сетью ......................................... 281 8.3. Энергетические соотношения инверторов, ведомых сетью ......................... 283 8.4. Основные характеристики инверторов, ведомых сетью .............................. 285 8.5. Автономные инверторы тока .......................................................................... 287 8.6. Однофазный инвертор тока на полностью управляемых ключах ............... 288 552

Стр.553

8.7. Параллельный автономный инвертор тока. ................................................... 291 8.8. Последовательный автономный инвертор тока. ............................................ 294 8.9. Параллельно-последовательный автономный инвертор тока ...................... 295 8.10. Автономный инвертор тока с «отсекающими» диодами ............................ 296 8.11. Автономный инвертор с широтно-импульсным способом формирования кривой выходного тока.......................................................................... 297 8.12. Трехфазные автономные инверторы тока с тиристорным регулятором ... 298 8.13. Резонансные инверторы ................................................................................. 300 8.13.1. Последовательный резонансный инвертор .......................................... 300 8.13.2. Параллельный резонансный инвертор ................................................. 302 8.13.3. Резонансные инверторы с обратными диодами .................................. 303 8.13.4. Резонансные инверторы с широтно-импульсным регулированием напряжения ...................................................................................... 304 8.14. Автономные инверторы напряжения ............................................................ 305 8.15. Инверторы напряжения на полностью управляемых силовых ключах ..... 307 8.16. Трехфазные инверторы напряжения ............................................................. 311 8.17. Управление выходным напряжением и его фильтрация ............................ 316 8.18. Многоуровневые преобразователи ............................................................... 320 8.18.1. Схемы на основе конденсаторов с диодной блокировкой .................. 320 8.18.2. Преобразователи с ячейко-гнездовой структурой конденсаторов. ... 322 8.18.3. Преобразователи с ячейко-цепочечной схемой. .................................. 322 Глава 9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ .................................................................. 326 9.1. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока ..... 326 9.2. Преобразователи частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией тока тиристоров ........................................................................ 328 9.3. Преобразователи частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией тока тиристоров ........................................................................ 335 9.4. Преобразователи частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией .................................................................................................... 342 9.5. Уменьшение искажений выходного напряжения преобразователя частоты ....................................................................................................................... 345 9.6. Матричные преобразователи частоты ............................................................ 348 Глава 10. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ПОСТРОЕННЫЕ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ ........................................................................................................................ 351 10.1. Конструкция трансформатора с вращающимся магнитным полем ........... 352 10.2. Электромагнитные процессы в ТВМП ......................................................... 356 10.3. Реакция круговой обмотки ............................................................................. 361 10.3.1. Размагничивающее действие поперечного поля КО ........................... 363 10.3.2. Реакция КО при смещении плоскости коммутирующих ключей относительно условной геометрической нейтрали ТВМП ............... 364 10.4. Влияние конструктивного исполнения ТВМП на качество питающего напряжения .................................................................................................... 364 10.5. Пульсации напряжения на отводах КО ........................................................ 372 10.6. Электромагнитные процессы в управляемом выпрямителе с ТВМП при различном числе пар СКЛ ............................................................................ 374 10.7. Электромагнитные процессы в автономном инверторе с ТВМП .............. 380 553

Стр.554

Глава 11. УПРАВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ .. 386 11.1. Назначение СУ. Технические требования и классификация .................... 386 11.2. Системы управления регуляторами и коммутаторами переменного напряжения ................................................................................................... 391 11.2.1. Структурные схемы СУ ......................................................................... 391 11.2.2. Примеры систем управления регуляторами-стабилизаторами переменного тока...................................................................................... 396 11.3. Системы управления импульсными преобразователями постоянного напряжения ................................................................................................... 399 11.3.1. Системы управления ШИП ................................................................... 400 11.3.2. Частотно-импульсное управление. ....................................................... 403 11.3.3. Системы управления с комбинированной модуляцией. .................... 405 11.4. Системы управления автономных инверторов ............................................ 407 11.4.1. Системы управления инверторами тока. ............................................. 407 11.4.2. Системы управления инверторами напряжения ................................. 410 11.5. Системы управления преобразователей частоты ........................................ 412 11.6. Микропроцессорные системы управления полупроводниковыми преобразователями ............................................................................................. 415 11.7. Диагностика вентильных преобразователей ................................................ 421 11.7.1. Основные понятия и определения ....................................................... 421 11.7.2. Алгоритмы и системы диагностирования. .......................................... 422 11.7.3. Модели объектов диагностирования ................................................... 424 11.7.4. Тестовое диагностирование вентильных цепей .................................. 427 11.7.5. Функциональное диагностирование вентильных преобразователей. . 427 11.7.6. Функциональное диагностирование систем управления. .................. 428 11.7.7. Функциональное диагностирование силовой части вентильных преобразователей. ................................................................................. 429 Глава 12. ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ СХЕМ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ................... 431 12.1. Краткое описание среды моделирования MicroCAP .................................. 432 12.2. Модель однофазного выпрямителя со средней точкой .............................. 438 12.3. Модель однофазного мостового выпрямителя ............................................ 442 12.4. Модель трехфазного выпрямителя со средней точкой ............................... 445 12.5. Модель трехфазного мостового выпрямителя............................................. 448 12.6. Модель однофазного выпрямителя со средней точкой в режиме инвертора, ведомого сетью .................................................................................... 453 12.7. Модель автономного инвертора напряжения .............................................. 456 12.8. Модель автономного инвертора тока ........................................................... 459 12.9. Схемотехническая модель управляемого выпрямителя с ТВМП .............. 462 12.10. Схемотехническое моделирование автономных инверторов с ТВМП ... 473 Глава 13. СЭЭС С МОЩНЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ........................................................................................................................ 476 13.1. Основные способы построения СЭЭС ......................................................... 476 13.2. Основные типы судовых полупроводниковых преобразователей ............ 485 13.3. Преобразователи для питания судовой силовой нагрузки ......................... 486 13.4. Преобразователи для управления судовым электроприводом постоянного тока ........................................................................................................ 494 554

Стр.555

13.5. Управление судовыми тиристорными выпрямителями .............................. 501 13.6. Судовые инверторы и преобразователи частоты ........................................ 503 13.7. Преобразователи для управления судовым электроприводом переменного тока ........................................................................................................ 509 13.8. Управление судовыми инверторами и преобразователями частоты ......... 511 Глава 14. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ПИТАЮЩЕЙ СЕТЬЮ И НАГРУЗКОЙ ................... 515 14.1. Энергетические показатели качества электромагнитных процессов ........ 515 14.2. Энергетические показатели качества использования элементов преобразователей .................................................................................................... 517 14.2.1. Установленная мощность двухобмоточного трансформатора. .......... 517 14.2.2. Удельные весовые, габаритные и стоимостные показатели .............. 519 14.3. Электромагнитная несовместимость ............................................................ 520 14.4. Гармоники в судовой сети в несимметричных режимах. ........................... 526 14.5. Виброакустические характеристики электрооборудования ....................... 529 14.6. Пути решения проблемы ЭМС ...................................................................... 535 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................... 537 555

Стр.556