ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИОдним 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. Элементы с такими вольт-амперными характеристиками имеют два устойчивых состояния: включенное, соответствующее Rвкл= 0 (участок 1 вольт-амперной характеристики); выключенное, соответствующее Rвыкл = ∞ (участок 2). При этом должно обеспечиваться мгновенное переключение из одного состояния в другое и, наоборот, по соответствующему логическому сигналу управления нулевой мощности. Реальные ключевые элементы, у которых Rвкл ≠ 0 и Rвыкл ≠ ∞, 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 ΔUS и обратный ток ΔiS (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. Главные направления в области разработки перспективных типов IGBT в ближайшие годы состоят в расширении диапазона рабочих токов до 2000 А и рабочего напряжения до 3500 В, частоты переключения до 70 кГц при улучшении формы импульсов и упрощении схем управления. 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. Схемы модулей MOSFET и IGBT, указанных в табл. 5.3, приведены на рис. 5.3, а общий вид модуля — на рис. 5.4. Применение модулей позволяет значительно снизить массу, габариты и стоимость преобразовательных устройств. Их применение оказывает существенное влияние не только на технико-экономические показатели оборудования, но и изменяет технологию проектирования устройств силовой электроники, сводя ее к выбору элементов высокой заводской готовности на требуемые входные и выходные параметры. 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». Основной тенденцией развития современных полупроводниковых устройств является переход от использования дискретных компонентов к силовым электронным системам, объединяющим в едином конструктивном элементе функции силовой электроники (преобразователь на базе ключевых элементов, драйверы, устройства защиты), и информационной электроники (контроллер), датчики тока и напряжения, электрические аппараты и др.
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 RH. 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 U2ф ток проходит через диод V1 нагрузку RH 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 RН 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 сопротивления нагрузки. Выпрямленное напряжение Ud (рис. 5.6, в) имеет постоянную составляющую Ud.cp и переменную составляющую Ud.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 RH 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 Ud~ меньшей амплитуды, чем однофазная мостовая. Наибольшее обратное напряжение Uобр. max, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного напряжения (см. рис. 5.7, г). Недостаток трехфазной нулевой схемы — прохождение через вторичные обмотки тока (ia2, ib2, ic2) 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. 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 iн проходит от фазы а трансформатора через диод V1, нагрузку RH, 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 RН 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 Ud0, 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 (Iу = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляющего тока (Iу = Iун) 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 (Iу = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку RH практические не проходит (см. рис. 5.9, б). После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (Iу = Iун) тиристор открывается (см. рис. 5.9, в), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижается. Под действием напряжения сети Uc через нагрузку RH проходит ток Iн (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 Uобр (см. рис. 5.9, д). На рис. 5.9, б, д приняты обозначения: UH — напряжение на нагрузке; Uaк — напряжение анод — катод тиристора; Uyк — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом. Для изменения среднего значения выпрямленного напряжения Ud 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 iя 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 Lя, 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 iя 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 eя — 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 Uy1 – Uy2, 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 Ud0. 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 Ud ср будет меньше, чем наибольшее выпрямленное Ud0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле Ud ср = Udo 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 Ud, 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 Uab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплитудой Uab = 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 tiи 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 Ua0, Ub0, Uc0 и линейного напряжения Uab, 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 Ld оказывает существенное влияние на динамические характеристики АИТ. В частности, чем меньше Ld, 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 питается как бы от источника тока, что и нашло свое отражение в соответствующей терминологии — инвертор тока. Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (см. на рис. 5.16, а конденсатор Ск), 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:
|