Динамо-машины  Конструирование преобразователей, силовые полупроводниковые приборы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [ 34 ] 35 36 37

Глава 7

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Целью разработки конструкции силового полупроводникового преобразователя является создание такого преобразователя, который удовлетворял бы требованиям стандартов и норм, был прост в изготовлении и удовлетворял требованиям заказчика, т. е. был пригоден для применения с оборудованием, для которого преобразователь предназначен. Ниже мы приведем несколько типичных примеров применения силовых полупроводниковых преобразователей и укажем на конструктивные особенности, определяемые назначением преобразователя.

7.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДНЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Самым частым и наиболее типичным является применение силовых полупроводниковых преобразователей для электроприводов в промышленности, транспорте и других отраслях хозяйства. Силовые полупроводниковые преобразователи позволяют регулировать частоту вращения и момент в широком диапазоне, а следовательно, оптимизировать работу оборудования.

Наиболее простыми и распространенными являются преобразователи для электроприводов постоянного тока. Они выпускаются для очень широкого диапазона мощностей от нескольких киловатт до нескольких мегаватт, реже свыше десяти мегаватт. Они используются во всех отраслях промышленности, в электрической тяге и до недавнего времени были практически единственными представителями регулируемых электроприводов. Они относительно просты, подробно исследованы в схемном отношении, отработаны в отношении конструкции и являются основой производства силовой электроники. Их недостатком является необходимость в сложном и требующем тщательного обслуживания электродвигателе постоянного тока с коллектором, который к тому же не всегда удовлетворяет тяжелым условиям эксплуатации.

Преобразователи для электроприводов постоянного тока выпускают все фирмы, производящие силовую электронику. В стационарных электроприводах применяются преобразователи встраиваемой, компактной конструкции или в виде шкафов (см. гл. 1).

Встраиваемые конструкции преобразователей часто используются в обрабатывающих станках. Примером такого решения является преобразователь постоянного тока типа SPAR -SU1. Он выпускается чехословацким предприятием ZTS EVU

Таблица 33. Основные техввческие данные электрвческих сервоприводов SPAR -SU1

Тип SPAR

SU1016 R

SUI025 R

SUI040 N

Момент, Н м Частота вращения, об/мин Мощность, кВт Перегрузочная способность Статическая точность Диапазон регулирования Динамическая точность

plusmn;55 plusmn;170

plusmn;2800 plusmn;1400

16 25

1,5 Л/ в течение IО с plusmn;2 об/мин 1 : 100

- 60 об/мин при набросе +0,8 Л/,

270 1650 40

(г. Нова Дубница) в диапазоне мощностей от 10 до 40 кВт и используется для реверсивных (R) и нереверсивных (N) электроприводов постоянного тока шпинделя токарного станка. Преобразователь типа SPAS - SUI, первоначально разработанный на дискретных элементах, в настоящее время модернизирован с применением интегральных модулей, что позволило уменьшить его габариты и встраивать его в станки меньших размеров. Основные технические данные преобразователей SPAR - SUI приведены в табл. 33.

В некоторых случаях невозможно или нецелесообразно встраивать преобразователь в обрабатывающий станок. Например, в особо точных станках создает помехи тепло, возникающее в преобразователе, которое может вызвать недопустимые температурные расширения. В этих случаях применя--ются компактные конструкции или шкафы. Примером выполнения главного привода токарного станка с отдельным пре-образ;рвателем является преобразователь типа SPAR - RSU предприятия ZTS - EVU. Этот преобразователь имеет максимальную мощность 16 кВт, выходное напряжение О - 440 В, диапазон регулирования 1:100 при статической точности 1%. Изменение направления вращения осуществляется переключением обмотки возбуждения электродвигателя. Преобразователь комплектуется датчиком положения резца и элементами контура поддержания постоянной установленной скорости резания.

Для приводов подачи обрабатывающих станков чаще всего также используются электроприводы постоянного тока. Примером серии электроприводов постоянного тока (так называемых моментных) для механизмов подачи обрабатывающих станков является серия Mezomatic чехословацкого предприятия MEZ (г. Брно). Большой момент, необходимый для получения хороших динамических свойств этих электроприводов, достигается использованием специальных многополюсных электродвигателей с большой перегрузочной способностью по моменту. Составными частями электропривода являются питающий трансформатор, а также коммутирующие и сглаживающие дроссели.

Таблица 34. Основные технические данные электроприводов типа Mezomatic

Момент. Н м

Диапазон регулирования

Минимальная частота вращения, об/мин

Максимальная частота вращения, об/мин

Габаритные размеры, мм

10 - 35 1 :30 ООО 0,2 1500 490x430x331

Таблица 35 Перечень преобразователей постоинного тока типа SPAR-SEP

Примечание. При степени защиты IP4i допустимый ток снижается на 10%.

Собственно преобразователь встроен в шкаф шириной 600 мм. Обслуживается преобразователь спереди и сзади. Основные технические данные электроприводов серии Mezomatic приведены в табл. 34.

На базе электроприводов подачи типа Mezomatic разработана и серия электроприводов шпинделя типа R1ST64 мощностью от 5,5 до 13,5 кВт с диапазоном регулирования 1 :1000.

Единый ряд преобразователей (типа шкафа) постоянного тока общего назначения, предназначенный главным образом для различных технологических линий, представляет собой серия комплектных электроприводов типа SPAR - SEP мощностью от 11 до 750 кВт предприятия ZTS EVU. Они выпускаются в трех вариантах:

SEP-N - нереверсивный двухквадрантный преобразователь;

SEP-R - реверсивный четырехквадрантный преобразователь;

SEP-B - преобразователь с реверсированием возбуждения.

Перечень преобразователей типа SPAR - SEP приведен в табл. 35.

Из зарубежных серий промышленных электроприводов постоянного тока приведем интересные конструкции многодвигательных электроприводов фирмы AEG (ФРГ) типа Multisemi. Из четырех компактных выпрямителей типа Mini-semi комплектуется шкаф управления четырьмя электроприводами. Диапазон мощностей отдельных преобразователей от 13 до 130 кВт в двухквадрантном варианте и от 12 до 100 кВт в четырехквадрантном варианте. Размеры шкафа 600 X 1200x2200 мм.

В ГДР выпускаются электроприводы постоянного тока серии Thyresch мощностью от 3,2 до 15 МВт шести размеров ЕТ1, ЕТ2, ОТО - DT3. В малых преобразователях используются модули типа МТ и MD чехословацкого производства. Габаритные размеры блока преобразователя постоянного тока Thyresch ОТО 400 В/63 А составляют 276 x300 x310 мм. Блок DT1, 400 W/160 А является основой преобразователя, в котором блоки с относящимися аппаратами и элементами монти-руют9я в шкафу размерами 800 х 600 х 2250 мм.

Побразователи постоянного тока серии СКО 2000 чехословацкого производства предназначены главным образом для электроприводов большой мощности и технологических линий мощностью до 4 МВт. Они имеют блочную конструкцию, в которой используются шкафы с мощными вентиляторами. Серия CKD 2000 включает в себя следующие ряды шкафов: CKD 2300 - преобразователь мощностью от 10 до 250 кВт; CKD 2400 - преобразователь мощностью от 100 до 1000 кВт; CKD 2500 - преобразователь мощностью от 600 до 4000 кВт; CKD 2100 - шкаф управления; CKD 2700-комплектный шкаф.

Преобразователи ряда CKD 2800 используются в электроприводах переменного тока в качестве преобразователей частоты мощностью от 10 до 320 кВт.

К преобразователям постоянного тока относятся и преобразователи для электрической тяги. Здесь применяются управляемые и неуправляемые выпрямители при питании от сети переменного тока и импульсные преобразователи-регуля-

торы при питании от сети постоянного тока или аккумуляторов.

Неуправляемые выпрямители в электрической тяге используются главным образом на тяговых подстанциях.

Современные электрические локомотивы, троллейбусы и электропоезда имеют встроенные тиристорные преобразователи, которые обеспечивают плавное трогание, регулирование скорости и торможение с оптимальным использованием электроэнергии. Экономия электроэнергии наиболее значительна на маневровых локомотивах, у которых постоянно меняются скорость и нагрузка. Предприятие CKD Elektrotechnika выпускает для маневровых локомотивов марки 78Е импульсный тиристорный преобразователь, который питается от контактной сети 2000 - 3600 В. Длительный ток нагрузки 150 А, допускается десятиминутная перегрузка 300 А. Диапазон регулирования выходного напряжения от 40 до 3560 В. В этом преобразователе интересно решена сигнализация неисправностей полупроводниковых приборов с помощью световодов непосредственно в кабину машиниста (надстройка над преобразователем).

В локомотиве марки 69ЕО устанавливаются выпрямитель с LC-фильтром и два импульсных преобразователя. Локомотив может питаться от сети переменного тока 25 кВ/50 Гц или от сети постоянного тока 3 кВ. При питании от сети переменного тока напряжение трансформируется, затем выпрямляется и поступает на два сдвоенных импульсных преобразователя, каждый из которых питает два последовательно соединенных электродвигателя. При питании от сети постоянного тока напряжение сети подается прямо на импульсные преобразователи. Выпрямитель питается напряжением 2x 1667 В, длительный ток 1280 А. Преобразователь постоянного тока питается напряжением 2000 - 3600 В, длительный ток одной фазы 360 А. Обе ветви преобразователя управляются с фазовым сдвигом для уменьшения пульсаций двигателя.

Большую экономию электроэнергии обеспечивает тиристорное регулирование электропоездов и троллейбусов.

Что касается пассажирского четырех- и двухколесного транспорта, то только отсутствие экономичных мощных источников тока препятствует массовому использованию электроприводов с полупроводниковыми преобразователями. На предприятии ZTS EVU был разработан для мотоцикла Babetta - Elstar транзисторный импульсный преобразователь, который позволяет регулировать электродвигатель мощностью около 1 кВт.

Большую экономию электроэнергии и увеличение срока службы аккумуляторов обеспечивает тиристорное регулирование электроприводов внутризаводского транспорта. В ЧССР такие преобразователи разработаны и выпускаются предприя-

тием ZTS EVU на напряжение 24 - 80 В, длительный ток до. 150 А. Импульсные преобразователи UHHS и UFFV предназначены для встраивания во внутризаводские транспортные средства всех типов. Преобразователь типа UHHS902 предназначен для шахтных локомотивов.

Очень перспективны электрические приводы роботов с транзисторными преобразователями, которые выполняются как высокомоментные приводы постоянного тока, аналогично электроприводам подачи обрабатывающих станков. Перспективу применения имеют здесь также электроприводы переменного тока с шаговыми электродвигателями.

В электроприводах переменного тока чаще всего используются трехфазные асинхронные электродвигатели с коротко-замкнутым ротором, реже используются электродвигатели с фазным ротором или синхронные электродвигатели.

Преобразователи для приводов переменного тока питаются, как правило, от сети и выдают на выходе регулируемое трехфазное напряжение. Самые простые преобразователи регулируют только среднее значение выходного напряжения, оставляя неизменной его частоту. Это так называемые параметрические регуляторы с фазовым управлением, которые применяются в электроприводах относительно редко, причем только в тех случаях, когда необходим малый диапазон регулирования или плавный пуск. Их использование может быть, однако, выгодно в тех случаях, когда напряжение электродвигателя регулируется в зависимости от нагрузки так, чтобы оптимизировались КПД и коэффициент мощности. Примером такого регулятора является преобразователь типа Noconta чехословацкого производства CKD Polovodice.

Самыми распространенными и совершенными преобразователями для электроприводов переменного тока являются преобразователи частоты (инверторы), которые обеспечивают на выходе напряжение регулируемой частоты и амплитуды. Различают инверторы напряжения и инверторы тока в зависимости от присущих им свойств источника напряжения или источника тока.

Инверторы напряжения создают жесткую трехфазную систему напряжений с определенным содержанием высших гармонических составляющих. К инвертору напряжения, как и к сети, можно подключить любую нагрузку. При этом, однако, нужно следить за допустимой нагрузкой преобразователя с учетом толчков тока при включении. Пуск удобно осуществлять при постепенном повышении частоты, что исключает большие пусковые токи.

Инверторы тока предназначены для питания потребителей с определенной нагрузкой, которой задается ток. При этом на