Силовая электроника. Руководство разработчика (3000,00 руб.)

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

УДК 621.31 ББК 31.295 С89 Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: ДМК Пресс, 2019. — 252 с.: ил. (Серия «Силовая электроника»). ISBN 9785970607558 Для специалиста в области электронной техники термин «силовая электроника» ассоциируется в первую очередь с источниками питания, схемами управления различ ными испонительными механизмами с мощностью, не превышающей нескольких кило ватт. В этой книге рассмотрены особенности оборудования с мощностями, измеряемы ми в МЕГАВАТТАХ! Эта книга по сути краткая энциклопедия современной силовой электроники. В первых главах книги приведен интереснейший исторический обзор развития электротехники, описаны основные компоненты электрических систем. Далее рассмот рены некоторые методы расчетов, основы теории управления системами с обратной связью, переходные процессы в электрических цепях. Большое внимание уделено трансформаторам и электрическим машинам — от принципов работы до особенностей конструкций и систем охлаждения. Весьма подробно описаны выпрямители (в том чис ле многофазные), IGBT, тиристоры и схемы их применения, рассмотрены вопросы параллельного и последовательного включения тиристоров. В отдельных главах рассмотрены особенности импульсных режимов работы трансформаторов и тиристоров, вопросы, связанные с возбуждением гармоник в сетях электропитания и коэффициентом мощности, а также с процессами передачи тепла и охлаждения полупроводниковых приборов. Последняя глава касается применения силовой электроники. В ней описано множество уникальных устройств — от передатчика системы связи с подводными лодками и операционного усилителя с мощностью 600 кВт до разнообразных источников питания электродуговых печей, индукционных нагревателей и генераторов озона. В приложениях представлена разнообразная полезная информация — от нормирования параметров конденсаторов, применяемых для коррекции коэффициента мощности, до свойств водных растворов гликоля. Эта книга будет полезна инженерам и техникам, разработчикам и конструкторам, работающим в сфере силовой электроники, а также студентам, изучающим различные аспекты силовой электроники. УДК 621.31 ББК 31.295 Книга «Силовая электроника. Руководство разработчика» Кита Сукера подготовлена и издана по договору с Elsevier Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OX5 1GB, England. © IDC Technologies ISBN 9785970607558 ISBN 0750679271 © Издательский дом «ДодэкаXXI» ® Серия «Силовая электроника» © Издание, ДМК Пресс, 2019

Стр.5

Оглавление Оглавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Об авторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Благодарности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Глава 1. Электрическая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1. Переменный ток «против» постоянного . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2. Главные изобретения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3. Генерация электроэнергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4. Электричество на транспорте . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.5. Энергосистемы общего пользования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6. Распределительные цепи на заводах и фабриках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.7. Аварийное электропитание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Глава 2. Компоненты силовых цепей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1. Коммутационная аппаратура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2. Ограничители перенапряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3. Провода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4. Конденсаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5. Резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6. Предохранители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.7. Напряжения питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.8. Корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.9. Испытание высоким напряжением и импульсная прочность изоляции . . . . . . . . . . 44 2.10. Расстояния между проводами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.11. Металлооксидные варисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.12. Защитные реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Глава 3. Методы расчетов в электротехнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1. Симметричные компоненты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2. Приведенные к единице постоянные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3. Моделирование цепей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Стр.6

6 Оглавление 3.4. Программы для моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Глава 4. Схемы управления с обратной связью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1. Основы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2. Амплитудночастотные характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Фазочастотные характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.4. Пропорциональные, интегрирующие и дифференцирующие звенья регулирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.5. Вложенные петли управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Глава 5. Переходные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1. Помехи в линиях электропередачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2. Помехи, возникающие внутри оборудования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.3. Электромагнитные помехи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Глава 6. Бегущие и стоячие волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1. Основы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.2. Явления, связанные с переходными процессами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.3. Способы уменьшения перенапряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Глава 7. Трансформаторы и реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7.1. Основы трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 7.2. Конструкции трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 7.3. Системы изоляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 7.4. Основной уровень импульсной прочности изоляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7.5. Вихревые токи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.6. Межфазные трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.7. Соединения трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.8. Реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.9. Единицы измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 7.10. Охлаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 7.11. Измерительные трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Глава 8. Электрические машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 8.1. Машины постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.2. Синхронные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8.3. Асинхронные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.4. Классификация асинхронных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.5. Конструкции корпусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 8.6. Линейные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Глава 9. Выпрямители и преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 9.1. Выпрямители в «древности» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 9.2. Ртутные выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 9.3. Кремниевые диоды — век полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Стр.7

Оглавление 7 9.4. Однофазные выпрямительные схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 9.5. Многофазные выпрямительные схемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9.6. Коммутация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Глава 10. Фазовое управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 10.1. Тиристоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 10.2. Прямое падение напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 10.3. Применение тиристоров в качестве ключей на переменном токе . . . . . . . . . . . . . . 135 10.4. Тиристорные пускатели электродвигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 10.5. Тиристорные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 10.6. Получение отрицательного выходного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 10.7. Схемы управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 10.8. Сигналы управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 10.9. Автотрансформатор с тиристорным переключателем отводов . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 10.10. Тиристорные схемы управления двигателями постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . 151 10.11. Тиристорные схемы управления двигателями переменного тока . . . . . . . . . . . . . . 152 10.12. Циклоконвертеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Глава 11. Последовательное и параллельное соединение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 11.1. Последовательное включение тиристоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 11.2. Параллельное включение тиристоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 11.3. Форсированная балансировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Глава 12. Импульсные режимы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 12.1. Защитные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 12.2. Трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 12.3. Тиристоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Глава 13. Импульсные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.1. Широтноимпульсная модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 13.2. Преобразователи напряжения понижающего типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 13.3. Преобразователи напряжения повышающего типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 13.4. Преобразователи мостового типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 13.5. Работа на высоких частотах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 13.6. Введение гармоник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 13.7. Последовательные мосты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Глава 14. Коэффициент мощности и гармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 14.1. Коэффициент мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 14.2. Гармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 14.3. Преобразование Фурье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 14.4. Взаимодействие гармоник с сетями электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 14.5. Коэффициент телефонных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 14.6. Ограничения на гармоники потребляемого тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 14.7. Переключение при нулевом напряжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

Стр.8

8 Оглавление Глава 15. Тепловые процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 15.1. Тепло и теплопередача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 15.2. Воздушное охлаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 15.3. Водяное охлаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 15.4. Охлаждение полупроводниковых приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 15.5. Монтаж полупроводниковых приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Глава 16. Применение силовой электроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215 16.1. Схемы управления электродвигателями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 16.2. Стекольная промышленность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 16.3. Литейные заводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 16.4. Электрическая дуга и электродуговые печи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 16.5. Источники питания для электрохимической промышленности . . . . . . . . . . . . . . . 220 16.6. Циклоконвертеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 16.7. Связь на сверхнизких частотах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 16.8. Аккумуляторы энергии на сверхпроводящих магнитах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 16.9. Операционный усилитель на 600 кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 16.10. Генераторы озона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 16.11. Полупроводниковая промышленность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 16.12. Компенсаторы реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 16.13. Управление индукционным нагревом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 16.14. Токамаки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 16.15. Переключатель большого числа отводов автотрансформатора . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Приложение А. Уравнение для преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Приложение Б. Моменты сил . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Приложение В. Коммутационные провалы напряжения и коэффициент нелинейных искажений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Приложение Г. Нормирование параметров конденсаторов для коррекции коэффициента мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Приложение Д. Катушка Роговского. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Приложение Е. Словарь иностранных слов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Приложение Ж. Водные растворы гликоля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Приложение З. Подавление гармоник методом сдвига фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Приложение И. Токи в нулевом проводе при несинусоидальных нагрузках . . . 245 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Стр.9