СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Одним из весьма эффективных направлений энергосбере­гающих технологий является широкое применение устройств силовой электроники. Достигнутый за последние 20 лет уро­вень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся об­ласти техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.

Промышленное освоение полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями коммутируемой мощности, КПД, массогабаритных показателей и надежности, позволило осуществлять экономичное преобразование электроэнергии и открыло широкие возможности для создания современных преобразовательных устройств.

В горной промышленности устройства силовой электроники находят все большее применение в коммутационных аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирования скорости электроприводов технологических установок, агрегатов бесперебойного питания и др.

Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов, которые, как правило, работают в ключевых режимах, пропуская или блокируя поток электроэнергии, что позволяет изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Это интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятельности человека — промышленность, добывающие отрасли, транспорт и др.

Основными элементами силовой электроники служат полупроводниковые приборы, обладающие характеристикой ключевого элемента, которые коммутируют (включают и от­ключают) участки электрической цепи.

Действие ключевого элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выклю­ченном — весьма большим сопротивлением.

Обозначение ключевого элемента показано на рис. 5.1, а,

Основными параметрами ключевого элемента являются сопротивление во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение и быстродействие, определяемое временем переключения.

Вольт-амперная характеристика «идеализированного» клю­чевого элемента показана на рис. 5.1, б.

Реальные ключевые элементы, у которых R_вкл ≠ 0 и R_выкл ≠ ∞, могут лишь приближаться по своим параметрам к «идеа­лизированным». При этом разные параметры накладывают и различные ограничения на возможность эффективного ис­пользования ключей. Так, например, вольт-амперная характе­ристика реального элемента, имеющего падение напряжения при прямом токе ΔU_S и обратный ток Δi_S (см. рис. 5.1, в), определяет потери мощности в ключе в проводящем и не­проводящем состояниях.

Потери мощности в ключе сказываются на КПД силового электронного устройства, поэтому их снижение является одной из основных задач разработчиков приборов.

Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение на повышение рабочих частот силовых электронных устройств.

В то же время повышение рабочих частот силовых электронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой электронике за последние годы. Это дает возможность улучшить технико-экономические показатели преобразовательных устройств и повысить их быстродействие.

В настоящее время функции ключевых элементов выполняют полупроводниковые приборы различных типов. К элементам силовой электроники относят приборы, рассчитанные на предельные значения среднего или действующего значе­ния тока более 10 А.

Классификацию ключевых элементов проводят по степени их управляемости. При этом под признаком управляемости подразумевают возможность переводить прибор из проводя­щего состояния в непроводящее и обратно посредством воз­действия на него маломощным управляющим сигналом.

Управляемые полупроводниковые приборы по степени управляемости подразделяются на следующие группы:

1. Не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего сигнала переводить только в проводящее состояние, но не наоборот (традиционные тиристо­ры, симмисторы).

2. Полностью управляемые (запираемые) приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего сигнала (транзисторы, запирае­мые тиристоры).

Силовая электроника начиная с 80-х годов переживает вторую революцию. Ее интенсивное развитие обусловлено освоением производства за последние 15 — 20 лет новых пол­ностью управляемых приборов силовой электроники, из ко­торых в настоящее время наибольшее распространение полу­чили следующие типы:

1. Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor);

2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor);

3. Запираемые тиристоры (GTO-Gate-Turn-Off);

4. Запираемые тиристоры с интегрированным управлени­ем (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor). 5. Запираемые тиристоры, коммутируемые по управляе­мому электроду (GCT-Gate-Commutated Thyristor).

6. Запираемые тиристоры с полевым управлением (MCT-Cortrol Thyristor), содержащие в системе управления два полевых транзистора, один из которых обеспечивает про­цесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой аналогично — процесс выключения ти­ристора.

Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управ­ления современных приборов силовой электроники позволя­ет реализовать силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле технологическими приемами изготавливают­ся силовые ключевые элементы, устройства их управления, защиты и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных силовых (Smart Intelligent) схем. Их можно определить как устройства функционально и конструктивно объединяющие элементы силовой и информационной элек­троники на основе высоких технологий и интеграции.

Области применения приборов силовой электроники сле­дующие.

Традиционные тиристоры (SCR) — преобразователи с ес­тественной (сетевой) коммутацией большой (свыше 1 МВ·А) мощности, применяемые для электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемых электроприводов пере­менного тока, мощных статических компенсаторов реактив­ной мощности, технологических целей (электролиз, гальвани­ка, плавка).

Запираемые тиристоры (GTO) — преобразователи мощно­стью в сотни киловольт-ампер (а в будущем свыше 3 МВА) для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных), мощных агрегатов бесперебойного питания (АБП), статических компенсаторов реактивной мощности.

GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям изменения тока и напряжения. Последние разра­ботки GCT способны блокировать напряжение до б кВ и управлять током до 6 кА.

Тиристоры МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа GTO и GCT в отношении быстро­действия и в более простой реализации управления.

Область применения GCT и МСТ аналогична GTO.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — преобразователи мощностью до единиц мегавольт-ампер для электроприводов переменного тока, АБП, статических компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров, ключевых источников питания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) — высокочастотные преобразователи (сотни кило­герц) и низковольтные преобразователи для приводов вен­тильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников питания.

Симмисторы (Triac) — преобразователи для пуска и управления двигателями переменного тока, ключи и реле.

В настоящее время перечисленные полностью управляе­мые приборы силовой электроники вытесняют практически из всех областей применявшиеся ранее традиционные тири­сторы (SCR-Silicon Controlled Rectifier) и биполярные силовые транзисторы (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же коммутируемых токах и напряжениях они имеют значи­тельно меньшие мощности управления и время коммутации, более высокую стойкость к перегрузкам по току и напряже­нию, а также более широкую область безопасной работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность систем управления обеспечили значительное улуч­шение технико-экономических показателей (снижение габа­ритов и массы, повышение надежности и КПД) преобразова­тельного оборудования на базе IGBT по сравнению с обору­дованием с использованием тиристоров (SCR).

IGBT является продуктом развития технологии силовых транзисторов и сочетает в себе два транзистора в одной по­лупроводниковой структуре: биполярный (образующий сило­вой канал) и полевой (образующий канал управления). При­бор введен в силовую цепь выводами биполярного транзи­стора Е (эмиттер) и С (коллектор), а цепь управления — вы­водом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних выхода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной струк­туре позволило объединить достоинства полевых и биполяр­ных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии.

Коммерческое использование IGBT началось с 1980-х годов и уже прошло четыре стадии своего развития. Параметры IGBT существенно улучшались, утраиваясь каждые два года.

I поколение (1985 г.): предельные коммутируемые напря­жения 1000 В и токи 200 А, прямое падение напряжения в открытом состоянии 3,0 — 3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс).

II поколение (1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А, прямое падение напряжения 2,5 — 3,0 В, частота коммутации до 20 кГц (время включения/выключения около 0,5 мкс).

III поколение (1994 г.): коммутируемые напряжения до 3500 В, токи до 1200 А, прямое падение напряжения 1,5 — 2,2 В, частота коммутации до 50 кГц (время включе­ния/выключения около 200 не).

IV поколение (1998 г.): коммутируемые напряжения до 4500 В, токи до 1800 А, прямое падение напряжения 1,0 — 1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (время включе­ния/выключения около 200 нc).

IGBT в устройствах силовой электроники будет занимать доминирующее положение как минимум и следующее деся­тилетие.

По прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные биполярные транзисторы и GTO в преобразо­вательном оборудовании мощностью до единиц мегавольт-ампер. В области малых мощностей и низковольтных преоб­разователей будут доминировать MOSFET, а в области боль­ших мощностей (выше 3 MB·А) — GTO.

За последние годы рядом фирм (ABB, «Mitsubishi») освоено производство нового класса приборов силовой электроники IGCT-тиристоров, управляемых по затвору. По сравнению с GTO у IGCT значительно снижены падение напряжения при прямом токе и мощность управления (снижена примерно в 5 раз), уменьшены статические и динамические потери, значи­тельно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготовлен и с 1996 года проходит опытную эксплуатацию преобразова­тель мощностью 100 MB·А (г. Бремен).

Число квалификационных испытаний и опыт эксплуатации преобразователей на базе IGCT показали, что для 3 МВ·А трехфазного инвертора можно получить наработку на отказ не менее 45 лет и интенсивность потока отказов не более 2300 FIT (FIT соответствует одному отказу на миллиард часов).

Ожидается, что приборы IGCT будут основными элемен­тами для применения в области средних и больших напряже­ний мощностью от 0,5 до 100 МВА. Это достигается последо­вательным соединением мощных приборов. Высокая надеж­ность IGCT и возможность последовательного соединения достаточного числа приборов открывает широкие перспек­тивы их применения в области очень высоких мощностей и в специальном силовом оборудовании.

С учетом дополнительных требований по низкой стоимо­сти, малого числа элементов в преобразователе и высокой эффективности в сравнении с другими приборами силовой электроники IGCT не имеют реальных конкурентов в этом диапазоне мощностей.

В табл. 5.1 приведены сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники, а в табл. 5.2 — параметры некоторых из них (производство фирм АВВ и «То-shiba»).

Приборы силовой электроники выпускают следующие за­рубежные фирмы: АВВ (Швейцария), «International Rectifier» (США), «Semikron» (ФРГ), «Siemens» (ФРГ), «Mitsubishi» (Япо­ния), «Toshiba» (Япония) и др.

Для улучшения технико-экономических показателей уст­ройств силовой электроники широко используется интегра­ция силовых ключей, соединенных, как правило, по типовым наиболее распространенным схемам.

Интегрированные отдельные приборы в одном, обычно пластмассовом, корпусе с теплоотводящим основанием назы­вают модулем.

При этом металлическое основание для отвода теплоты от­деляется от токоведущих элементов специальным электро­изоляционным слоем. Этот слой, с одной стороны, обеспечи­вает необходимую электрическую изоляцию интегрирован­ных элементов, а с другой — хорошую теплопроводность ме­жду токопроводящими элементами и металлическим основа­нием.

Следует отметить, что более половины всех современных силовых полупроводниковых приборов выпускаются и будут выпускаться в модульном исполнении. В простейшем случае модуль представляет собой один или совокупность несколь­ких силовых ключевых элементов, а в более сложном — пре­образователь параметров электрической энергии. Одно-, двух-, четырех- и шестиключевые модули позволяют созда­вать компактные и надежные преобразовательные устройст­ва. Выпускаются такие функционально законченные модули, например, преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. На рис. 5.2 приведены схемы модулей IGBT, выпускаемых фирмой «Mitsubishi».

Обычно модули выпускаются с обратным и быстро вос­станавливающимися диодами (FRD) или без них.

По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значи­тельно превосходят биполярные.

Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления — драйвер конструктивно компактна. В модулях IGBT драйверы могут быть непосредственно включены в их структуру.

Интеллектуальные силовые модули (IPM-Intelligent Power Modules) имеют высокий КПД и являются новым этапом развития силовых ключей на базе IGBT модулей. Они представ­ляют собой функционально законченное изделие, исполнен­ное в компактном изолированном корпусе. Кроме силовой части схемы преобразователя (мостового одно- или трехфаз­ного выпрямителя, мостового инвертора), могут содержать в одном корпусе также датчики, драйверы, устройства защит и диагностики, источники питания и др.

В настоящее время IPM в основном представляют собой преобразователи частоты электроприводов переменного тока (исключая контроллер переменного тока). В последующих поколениях IPM планируется контроллер на базе однокри­стальной ЭВМ включить в состав модуля. Максимально дос­тигнутый уровень мощности IPM равен 200 А/1200 В (каждо­го ключа мостового трехфазного инвертора напряжения).

Конструктивно IGBT-модули можно условно разбить на 2 типа: паянной с изолированным основанием (предельные параметры 2,4 кА и 3,3 кВ) и прижимной (таблеточной) кон­струкции (предельные параметры 1,2 кА и 3,3 кВ). Последние, помимо высокой надежности, термоциклоустойчивости, луч­шего охлаждения, имеют еще по сравнению с IGBT-модулями с изолированным основанием меньшую паразитную индук­тивность выводов (единицы наногенри). При этом снижаются перенапряжения на выводах приборов и повышается надеж­ность модулей.

Как правило модули паянной конструкции применяются в промышленных электроприводах, прижимной конструк­ции — в линиях электропередачи постоянного тока и элек­трифицированном транспорте.

Разработки подобных модулей паянной и прижимной кон­струкции, а также с повышенными требованиями к механи­ческим и климатическим воздействиям ведутся в России. НПП «ИНЭЛС» завершило разработку серии силовых MOSFET и IGBT-модулей с изолированным основанием на токи 400 А и напряжением 1200 В. Промышленное производ­ство таких модулей освоено на ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) и ОАО «Контур» (г. Челябинск).

Серию силовых IGBT-модулей на токи 1200 А и напряже­ния 1700, 2500 и 3300 В в пластмассовых корпусах осваивает ОАО «Электровыпрямитель».

Серии IGBT-модулей в стандартных и оригинальных кор­пусах разрабатывают также ОАО «Искра» (г. Ульяновск) и ОАО «Протон» (г. Орел).

Ведутся работы по созданию серии IGBT-модулей по при­жимной технологии в герметичных корпусах таблеточной конструкции диаметром 75 мм (1000 А/2500 В) и диаметром 85 мм (1200 А/3300 В).

На ряде предприятий электронной промышленности ос­воено промышленное производство силовых полевых транзи­сторов с изолированным затвором (MOSFET). Воронежский завод полупроводниковых приборов производит более десяти типов таких приборов.

Характеристики модулей силовой электроники, выпускае­мых отечественной промышленностью, приведены в табл. 5.3.

Условные обозначения модулей, приведенных в табл. 5.3, сле­дующие:

М – модуль беспотенциальный (основание модуля изоли­ровано);

2 – число ключей;

ТКП – полевой МОП-транзистор с изолированным затво­ром;

ДТКИ-диод – биполярный транзистор с изолированным затвором;

ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затво­ром – диод;

25; 35; 50; 75; 80; 100; 150 - максимально допустимый ток, А;

0,6; 1; 2; 5; 6; 10; 12 – максимально допустимое напряже­ние (х 100 В) – класс прибора.

Климатическое исполнение приборов — УХЛ, Т; категория размещения — 2; 3.

За последние годы значительно возросли параметры (ток, напряжение, быстродействие) традиционных приборов сило­вой электроники: диодов, транзисторов, оптотиристоров и тиристоров. Кроме диодов одиночного исполнения выпуска­ются силовые модули, включающие в себя последовательно-параллельные сборки и схемы мостовых конфигураций. Отечественной электронной промышленностью освоен вы­пуск в модульном исполнении на напряжение до 400 В одно­фазных выпрямителей на токи 16, 20 и 25 А, а также трехфазных выпрямителей на ток 65 А. На рис. 5.5 показаны схе­мы диодных модулей, выпускаемых фирмой «Mitsubishi».

ВЫПРЯМИТЕЛИ

С помощью выпрямителей осуществляется преобразова­ние энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители широко применяются в электроприводе по­стоянного тока, в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока, в системах возбуждения синхронных дви­гателей.

Выпрямители классифицируются по нескольким призна­кам. По числу фаз напряжения переменного тока их подраз­деляют на однофазные и трехфазные, а по виду схемы сило­вой части — на мостовые и с нулевым выводом. По управ­ляемости (возможности регулирования напряжения на выхо­де выпрямителя) их подразделяют на неуправляемые, полу­управляемые и управляемые. Выпрямители, позволяющие из­менять полярность своего выходного напряжения, называют­ся реверсивными, они обычно состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей.

В силовой части неуправляемых выпрямителей использу­ются диоды и их модули, в полууправляемых — диоды и ти­ристоры, а управляемых — тиристоры. Для согласования уровней переменного (входного) напряжения и постоянного (выходного) напряжения в схемах выпрямителей используют­ся трансформаторы, которые одновременно выполняют роль гальванической развязки цепей переменного и постоянного тока.

В промышленных установках применяют различные схемы преобразования переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. При сравне­нии различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики: число полупроводниковых при­боров, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.

Рассмотрим типовые схемы выпрямления переменного тока.

Однофазная мостовая схема (рис. 5.6, а) содержит четыре диода V1 — V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напря­мую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряже­ния, а в другую (точки 2 и 4) — нагрузка R_H. Общая точка 2 катодных выводов служит положительным полюсом выпря­мителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным. В од­нофазной мостовой схеме диоды работают поочередно пара­ми VI, V3 и V2, V4 (см. рис. 5.6, б). В положительный полупе­риод напряжения U_2ф ток проходит через диод V1 нагрузку R_H к диоду V3. Так как в это время диоды V2, V4 закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее зна­чение которого. В отрицательный полупериод ток про­ходит через диод V2, нагрузку R_Н к диоду V4. При этом об­ратное напряжение прикладывается к диодам VI и V3. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период проходит в одном направлении, и его среднее значение зависит от вы­прямленного напряжения и

Выпрямленное напряжение U_d (рис. 5.6, в) имеет постоян­ную составляющую U_d.cp и переменную составляющую U_d.cp~ (заштрихованная область), которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше пере­менная составляющая, тем меньше пульсация. При идеальном преобразовании переменного тока в постоянный переменная составляющая равна нулю. Важным показателем работы вы­прямителя служит отношение амплитуды переменной со­ставляющей к выпрямленному напряжению, называемое ко­эффициентом пульсации выпрямленного напряжения

где m — число фаз источника. Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряже­ния применяют в основном в электроустановках малой мощ­ности.

Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 5.7, а) со­стоит из трех диодов. Анодные выводы диодов обычно под­ключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов. При активной на­грузке R_H ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (см. рис. 5.7, в). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, б и в (см. рис. 5.7, б), назы­ваемых точками естественной коммутации диодов, ток пре­кращает проходить в одном диоде и начинает протекать че­рез другой диод. Трехфазная нулевая схема позволяет полу­чать выпрямленное напряжение более сглаженной формы с переменной составляющей U_d~ меньшей амплитуды, чем однофазная мостовая. Наибольшее обратное напряжение U_{обр. max}, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного напряжения (см. рис. 5.7, г).

Недостаток трехфазной нулевой схемы — прохождение через вторичные обмотки тока (i_a2, i_b2, i_c2) только в одном на­правлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вызывающий дополнительный нагрев трансформатора. По­этому схему широко применяют только в выпрямительных установках с трансформаторами, ток вторичной обмотки ко­торых не превышает 100 А.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.8, а) со­стоит из шести диодов, которые образуют две группы: с об­щим катодным выводом (V1, V3 и V5) и общим анодным вы­водом (V2, V4 и V6). Диоды подключаются непосредственно к сети или через трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник.

В нечетной группе (V1, V3 и V5) в течение каждой трети периода работает тот диод, у которого выше потенциал выво­да (рис. 5.8, б), например, интервал а-б для диода V1. В чет­ной группе в этот интервал времени работает тот диод, у ко­торого катодный вывод имеет наиболее отрицательный по­тенциал (интервал а-г для диода V6 и г-б для диода V2) по отношению к общей точке анодных выводов. Таким образом, в интервале а-г (рис. 5.8, б) ток i_н проходит от фазы а транс­форматора через диод V1, нагрузку R_H, диод V6, к фазе в трансформатора (см. рис. 5.8, а). В интервале г-б (см. рис. 5.8, б) ток проходит через диод V1, нагрузку R_Н и диод V2 (отмечено пунктирной линией).

В трехфазной мостовой схеме в любой момент времени при активной нагрузке ток проходит через два диода — один из нечетной, а другой — из четной группы. Диоды нечетной группы коммутируются в момент пересечения положитель­ных участков синусоид (точки а, б, в), а четной группы — в момент пересечения отрицательных участков (точки г, д, е). В результате при наличии двух групп получают шестипульсное выпрямление (кривая U_d0, см. рис. 5.8, б).

Достоинствами трехфазных мостовых схем, широко при­меняемых в выпрямительных устройствах, являются: неболь­шой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обратное напряжение; малая габаритная мощность трансформаторов; отсутствие вынужденного подмагничивания, так как ток во вторичной обмотке трансформатора из­меняет свое направление.

Основные технические характеристики различных схем выпрямления приведены в табл. 5.4.

Управляемые выпрямители позволяют преобразовать переменный ток в постоянный и плавно изменять выпрям­ленное напряжение от нуля до максимального значения.

В настоящее время в электроприводах постоянного тока и в системах возбуждения синхронных двигателей основной элементной базой при построении управляемых выпрямите­лей являются тиристоры.

Тиристоры — не полностью управляемые полупроводни­ковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояния­ми равновесия: открытым (проводящим ток) и закрытым (не проводящим тока). Тиристор (рис. 5.9, а), имеющий три элек­трода (анодный вывод А, катодный К и управляющий элек­трод У), начинает проводить ток в том случае, если к анод­ному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляющий сигнал. При приложении к анодному выводу положительного потен­циала сопротивление тиристора будет зависеть от управляю­щего тока. При отсутствии управляющего сигнала (I_у = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляю­щего тока (I_у = I_ун) тиристор перейдет в открытое состояние и проводимость его будет высокой.

Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управ­ления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательно­го напряжения.

Для управления тиристором используют систему импульсно-фазного управления (СИФУ), которая формирует управ­ляющий импульс нужной формы и мощности, а также осу­ществляет сдвиг по фазе импульса относительно напряжения сети.

Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофаз­ной сети на активную нагрузку (см. рис. 5.9, а). Предполо­жим, что управляющий импульс в интервале Ωt₀ - Ωt₁ от­сутствует (I_у = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку R_H практические не проходит (см. рис. 5.9, б).

После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (I_у = I_ун) тиристор открывается (см. рис. 5.9, в), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижа­ется. Под действием напряжения сети U_c через нагрузку R_H проходит ток I_н (см. рис. 5.9, г), который зависит от напря­жения сети и сопротивления резистора (интервал Ωt₁ — Ωt₂). При отрицательном напряжении на анодном выводе (интер­вал Ωt₂ — Ωt₃) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору при­кладывается обратное напряжение U_обр (см. рис. 5.9, д). На рис. 5.9, б, д приняты обозначения: U_H — напряжение на на­грузке; U_aк — напряжение анод — катод тиристора; U_yк — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом.

Для изменения среднего значения выпрямленного напря­жения U_d необходимо сдвинуть по фазе управляющий им­пульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения не­обходимо управляющий импульс подавать с отставанием по отношению к точке естественной коммутации тиристора (см. рис. 5.9, в). Сдвиг по фазе между точкой естественной ком­мутации тиристора и моментом подачи управляющего им­пульса называется углом регулирования α.

В электроприводах находят применение также сдвоенные тиристоры, называемые симмисторами, которые обладают свойствами встречно-параллельно соединенных тиристоров, но имеют лишь один управляющий электрод. При подаче управляющего сигнала симмистор открывается для обеих по­луволн переменного тока.

Однофазный полууправляемый преобразователь пере­менного тока в постоянный. В полууправляемом однофазном преобразователе, имеющем в плечах мостовой схемы управ­ляемые и неуправляемые диоды, выходное напряжение все­гда положительно, поэтому поток энергии направлен из сети к двигателю. В электропроводах с полууправляемыми преоб­разователями рекуперация энергии в сеть невозможна.

Схема, графики токов и напряжений при симметричном управлении тиристорами и непрерывном токе якоря изобра­жены на рис. 5.10.

В полууправляемом преобразователе тиристор VS1 пере­ходит в открытое состояние в момент, соответствующий углу α, а тиристор VS2 — углу π + α относительно питающего на­пряжения u. В течение фазового интервала α < Ωt < π двига­тель подключается к сети через тиристор VS1 и диод VD2, а напряжение на зажимах якорной цепи u _я равно питающему u. При Ωt > π напряжение и изменяет полярность. Ток якоря i_я теперь потечет через обратный диод VD0, поскольку тири­стор VS1 закрыт. Обратный диод выполняет функцию защи­ты преобразователя от перенапряжений. В фазовом интервале π < Ωt < π+α цепь якоря закорочена обратным диодом, в связи с чем напряжение на якоре u _я = 0.

В интервале открытого состояния тиристора (α < Ωt < π) энергия поступает из сети и преобразуется в энергию, запасаемую в индуктивности якорной цепи L_я, кинетическую энергию движущихся частей электропривода и полезную ра­боту. В фазовом интервале π < Ωt < π + α тиристор закрыт, запасенная в индуктивности энергия преобразуется в меха­ническую, а продолжающий протекать по якорной цепи ток i_я создает электромагнитный момент. В этом интервале энер­гия в сеть не возвращается.

Таким образом, в полууправляемом преобразователе про­исходит чередование интервалов, в одном из которых двига­тель соединен с сетью через открытый тиристор, а в дру­гом — отсоединен от сети.

Уравнения для якорной цепи двигателя, управляемого от полууправляемого преобразователя, имеют вид:

где e_я — ЭДС двигателя.

При α = 0 и синусоидальной форме питающего напряже­ния среднее значение напряжения якорной цепи определяет­ся по формуле

где U — действующее значение напряжения переменного тока на входе преобразователя.

В связи с невозможностью рекуперации энергии в сеть электродвигатель, управляемый от полууправляемого преоб­разователя, работает только в первом квадранте механиче­ских характеристик.

Однофазный полностью управляемый полупроводнико­вый преобразователь переменного тока в постоянный. В полностью управляемом преобразователе, показанном на рис. 5.11, а, тиристоры VS1 и VS3 переходят в открытое со­стояние одновременно в фазе α, a VS2 и VS4 — в фазе π + α. В этой схеме двигатель постоянно связан с сетью через пары тиристоров, причем в фазовом интервале α < Ωt < π + α открыты тиристоры VS1, VS3. В момент, соответствующий π + α, тиристоры VS2 и VS4 переходят в открытое состоя­ние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые тиристоры VS2 и VS4 прикладывается напряжение обратной по­лярности, которое закрывает их. Такая коммутация получила название естественной.

Ток якоря двигателей i _я, ранее протекающий через VS1 и VS3, теперь начнет протекать через тиристоры VS2 и VS4.

В течение фазового интервала α < Ωt < π энергия из сети передается двигателю, поскольку u, i, и u _я, i _я положительны, см. рис. 5.11, б. Напротив, в течение фазового интервала π < Ωt < π + α часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть, так как u _я и i _я, а также u и i, имеют разные знаки.

Уравнение для якорной цепи двигателя, управляемого от полностью управляемого преобразователя, имеет вид:

При синусоидальной форме питающего напряжения сред­нее значение напряжения якорной цепи для полностью управляемого преобразователя определяется по формуле

При α > 90° среднее значение напряжения якорной цепи становится отрицательным. Если ЭДС изменяет свою поляр­ность вследствие изменения направления вращения вала дви­гателя на противоположное, а направление тока в якорной цепи остается неизменным, то электрическая машина работа­ет как генератор, отдавая энергию в сеть. Режим работы пре­образователя, при котором энергия возвращается в сеть, на­зывается инверторным и применяется для рекуперативного торможения двигателя. Поскольку из-за односторонней про­водимости тиристоров ток якоря не изменяет свое направле­ние, а полярность напряжения якорной цепи может изме­няться, электропривод с одним комплектом полностью управ­ляемого преобразователя может работать в первом и четвер­том квадрантах механических характеристик.

В трехфазной мостовой схеме, в которой вместо диодов включены тиристоры (рис. 5.12, а), управляющие импульсы U_y1 – U_y2, поступающие от СИФУ, должны быть соответст­вующим образом сфазированы с напряжением трансформа­тора (сети), т.е. подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в и г, д, е (см. рис. 5.12, б) естественного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подавать на тиристоры в базо­вых точках, то получим наибольшее выпрямленное напряже­ние U_d0. При подаче управляющих импульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на угол α (рис. 5.12, б) тиристоры открываются позже, а среднее вы­прямленное напряжение U_{d ср} будет меньше, чем наибольшее выпрямленное U_d0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле

U_{d ср} = U_do cosα,

где α — угол регулирования ТП.

Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы тиристоров, а ток в любой момент протекает минимум че­рез два тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы (см. рис. 5.12, б), сдвинутые относительно друг друга на 60 эл. град. В этом случае имеет место одновременная подача им­пульсов в тиристоры двух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2, и т.д.). Наличие двух групп тиристоров обеспечивает шестипульсное выпрямление (кривая U_d, см. рис. 5.12, б).

ИНВЕРТОРЫ

Инвертированием называют процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Преобразователь, выполненный на базе полупроводниковых приборов и осуществляющий такое преобразование, называ­ется инвертором.

Автономным (самокоммутируемым и независимым) инвер­тором является преобразователь, выходные параметры кото­рого (форма, амплитуда, частота выходного напряжения) оп­ределяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы в отличие от инвертора, ведомого сетью, выходные параметры которого определяются параметрами сети.

В автономных инверторах коммутация вентилей осуществ­ляется либо включением и выключением полностью управ­ляемых полупроводниковых приборов, либо с помощью уст­ройств принудительной коммутации, входящих в состав схе­мы преобразователя и создающих коммутируемое напряже­ние, обеспечивающее включение не полностью управляемых полупроводниковых приборов.

Принцип действия автономного инвертора можно проил­люстрировать рис. 5.13, а. Если переключать попарно через полупериод T/2 ключи К1, КЗ и К2, К4, то график напряже­ния U_ab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплиту­дой U_ab = U и частотой f = 1/T (см. рис. 5.13, б). При ак­тивной нагрузке форма кривой тока будет повторять кривую напряжения. В схеме рис. 5.13, а очень просто увеличить число фаз, для чего нужно добавить пару ключей и подклю­чить нагрузку к точкам между ними (штриховые линии на рис. 5.13, а). В трехфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разница состоит лишь в том, что ис­точник питания и нагрузка поменялись местами.

Форму выходного напряжения и, следовательно, его гар­монический состав можно менять, изменяя продолжитель­ность включенного состояния t_iи момент включения t` пары ключей (штриховая линия на рис. 5.13, б).

Процессы усложняются при активно-индуктивной нагруз­ке. При этом схема (рис. 5.13, а) окажется неработоспособ­ной, поскольку при разрыве такой цепи напряжения на ключах достигнут бесконечно большой величины. Для обес­печения нормальной работы ключи шунтируют диодами, а источник питания, если его внутреннее сопротивление вели­ко — конденсатором (рис. 5.14, а). При прямоугольной форме напряжения, кривые тока будут состоять из участков экспо­нент (рис. 5.14, б). Напряжение и ток имеют различную форму и гармонический состав, первые гармоники тока и напряжения сдвинуты относительно друг друга на некото­рый угол.

Преобразование постоянного напряжения в переменное может осуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковых ключей. За последние годы в области средних и больших мощностей до 1000 кВт начинают широ­ко применяться инверторы на IGBT. Несмотря на более вы­сокую стоимость по сравнению с традиционными тиристора­ми, они представляют разработчикам более широкие воз­можности формирования напряжения и тока.

По характеру процессов, протекающих в автономных ин­верторах, их разделяют на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ).

Инвертор напряжения — инвертор, питаемый от цепи по­стоянного тока с преобладающими свойствами (характери­стиками) источника напряжения.

Схема (см. рис. 5.14, а) представляет собой инвертор на­пряжения, именно оно формируется принудительно, а ток существенно зависит от нагрузки. В схеме АИН источник по­стоянного напряжения подключен непосредственно к ключе­вым элементам, которые периодически с изменением поляр­ности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается переменным напряжением. Нагрузка в этом случае должна носить индуктивный или активно-индуктивный характер.

Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутации ключей часть энергии, накопленной в индуктив­ной нагрузке, возвращают в цепь источника постоянного на­пряжения. С этой целью ключевые элементы шунтируют быстро восстанавливающимися диодами, включенными «об­ратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды называют «обратными» диодами. Последние обеспечивают путь для протекания тока на интервалах вре­мени, на которых знаки тока и напряжения противоположны.

В АИН с трехфазным выходом минимальное число управ­ляемых ключей равно шести (рис. 5.15, а). Номера ключей соответствуют очередности вступления их в работу, пред­ставленной на диаграмме (рис. 5.15, б). Логика работы клю­чей: в каждой фазе обязательно должен быть замкнут один и только один из ключей в каждой паре (S1 или S4; S3 или S6; S5 или S2). В том случае, когда длительность открытого со­стояния каждого ключа равна π (и, следовательно, в откры­том состоянии всегда находятся три ключа) кривые фазных U_a0, U_b0, U_c0 и линейного напряжения U_ab, при соединении на­грузки по схеме звезда, имеют вид, показанный на рис. 5.15, в и г.

В выходном напряжении трехфазного мостового инверто­ра отсутствуют гармоники, кратные трем. Относительное значение 5-й гармоники равно 20 % основной, 7-й - 14,3 %, 11-й - 9 %, 13-й - 7,7 % и т.д.

С появлением мощных IGBT и IGCT стало возможным построение инверторов напряжения по многоуровневым схе­мам с ШИМ-управлением. Наибольшее распространение в мировой практике для электроприводов среднего напряжения получила схема трехуровневого (трехточечного) инвертора, называемая NPC (neutral point clamp), позволяющая при ис­пользовании полупроводниковых приборов класса напряжения 4,5 кВ построить преобразователи частоты на напряже­ние до 4,2 кВ без использования согласующих трансформато­ров.

Достоинствами АИН являются: жесткая внешняя характе­ристика, независимость формы выходного напряжения от параметров нагрузки, возможность работы при переменной частоте и, в частности, при низких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).

Инвертор тока — инвертор, питаемый от цепи постоян­ного тока с преобладающими свойствами источника тока.

Внешне АИТ похожи на АИН, имеют аналогичную струк­туру (рис. 5.16, а), однако процессы в них существенно раз­личаются. Основное различие — в способе питания: на входе АИТ включен реактор Ld, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты АИТ. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока и он получает пи­тание от источника тока. Напряжение — зависимая перемен­ная (рис. 5.16, б). Индуктивность сглаживающего реактора L_d оказывает существенное влияние на динамические характе­ристики АИТ. В частности, чем меньше L_d, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходе АИТ при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.

В АИТ ключевые элементы изменяют направление тока в нагрузке (но не его мгновенное значение), так что нагрузка

Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (см. на рис. 5.16, а конденсатор С_к), так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу схемы.

К числу достоинств АИТ относится сравнительно хорошая форма кривой выходного напряжения при наличии на выхо­де параллельного конденсатора. Основными недостатками АИТ являются падающая внешняя характеристика и зависи­мость величины и формы кривой выходного напряжения от частоты, в связи с чем обычно АИТ используется в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: