СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Примеры и расчеты

Перевод с английского

ЕЭ

Москва энергоиздат 1982

ББК 31.264.5 С36

УДК 621.314.632

Рецензепт — доктор техн. наук В. А. Лабунцов

F. CSAKI, I. HERMANN, I. IPSITS, A. KARPATI, P. MAGYAR POWER ELECTRONICS: Problems manual.

Budapest, 1979. Перевод с английского И. Л. Корчинской

Силовая электроника: Примеры и расчеты/Ф. Чаки, С36 И. Герман, И. Ипшич и др. Пер. с англ. — М.: Энер-гоиздат, 1982. — 384 с, ил.

В пер.: 1 р. 80 к.

В книге рассмотрены основные характеристики различных групп схем силовой электроники, даются номограммы и кривые для расчетов. На многочисленных примерах рассмотрена работа различных схем си­ловой электроники — сетевых коммутационных выпрямителей, прерыва­телей переменного и постоянного токов, самовозбуждающихся обратных преобразователей, защиты мощных выпрямителей. В конце каждой гла­вы приводятся задачи для самостоятельного решения.

Для иижеиеров-электриков, техников, проектировщиков и эксплуа­тационников.

2302030000-2^0 051(01)-82~

184-82

ББК 31.264.5 6П2.1.083

© Перевод на русский язык. Энергоиздат, 1982.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Силовая электроника находит все более широкое практическое применение. За последнее время появилось большое число трудов, посвященных теоретическим проблемам и вопросам, связанным с работой отдельных электронных схем и устройств. Однако в этих трудах содержится лишь незначительное количество расчетных задач, необходимых для иллюстрации теоретических по­ложений. При составлении настоящего справочника бы­ла поставлена цель рассмотреть основные силовые элек­тронные схемы в процессе решения задач. Отдельные главы посвящены вопросам защиты преобразовательных элементов и схем от перенапряжений и сверхтоков. Одна глава относится к проектированию наиболее важных эле­ментов систем управления и регулирования.

Книга предназначена в первую очередь тем, кто хо­чет познакомиться с основными положениями предмета силовой электроники; для специалистов, занимающихся самообразованием или в системе повышения квалифи­кации, и аспирантов, однако она может быть полезной и студентам вузов.

Настоящая книга не является пособием по проекти­рованию или учебником. Тем не менее авторы надеются, что она окажется полезной и специалистам, работаю­щим в области силовой электроники.

Авторы пользуются случаем, чтобы выразить свою признательность к. т. н. Каролу Ганжки за тщатель­ный просмотр рукописи книги и ценные замечания и со­веты. Авторы выражают благодарность издательству Венгерской Академии наук за помощь и плодотворное сотрудничество во время совместной работы, а также типографии Венгерской Академии наук за кропотливый и добросовестный труд.

Авторы

ГЛАВА ПЕРВАЯ

Общие положения

Электроника — это часть электротехники, относящая­ся к вакуумным, газонаполненным и ртутным вентилям или полупроводниковым приборам, объединенным под общим названием «электронные элементы». Такие эле­менты используются как в силовой электронике, так и в технике связи.

Техника связи —это проблемы измерения, передачи и обработки информации электротехническими средства­ми. В свою очередь электроника связи — это электрон­ные элементы устройства и оборудование, предназначен­ные для решения этих проблем.

Задачей сильноточной техники является генерирова­ние, передача и распределение электроэнергии с после­дующим ее преобразованием и регулированием в соот­ветствии с нуждами потребителя. Силовая электроника является одной из областей сильноточной техники, при­чем значение этой области все более возрастает. Она не­посредственно используется при регулировании напря­жения, частоты, числа фаз и порядка их чередования. Для решения задач силовой электроники используются электронные элементы и приборы.

Инженерные решения и методы расчета устройств силовой электроники, как правило, отличаются от инже­нерных решений и методов расчета, используемых в сла­боточной электронике связи, хотя основные электронные элементы могут быть одними и теми же (диоды, транзи­сторы, тиристоры и т. д.). Силовая электроника связана с преобразованием большого количества энергии, поэто­му основное внимание уделяется получению наибольше­го КПД преобразователей. В электронике связи основ­ной целью являются передача информации с наимень­шим возможным искажением и обработка информации с наибольшей возможной точностью, в то время как во­прос о достижении высокого КПД является второсте-4

пенным. Разница в целях приводит к разным техниче­ским решениям даже при использовании элементов од­ного и того же типа. Другие различия являются следст­вием разработки специальных электронных элементов, предназначенных для применения исключительно в од­ной из этих сфер. В качестве примера можно упомянуть используемые в силовой электронике приборы на высо­кое напряжение с ртутным катодом на большие токи и мощные полупроводниковые приборы. Однако нельзя провести четкую границу раздела между силовой элек­троникой и электроникой связи. Более того, аппаратура управления и регулирования устройств силовой электро­ники по своим техническим решениям близка к области электроники связи, в то время как, например, блоки пи­тания оборудования связи должны быть рассчитаны и сконструированы в соответствии с принципами, сущест­вующими в силовой электронике.

Силовая электроника сделала большой скачок в сво­ем развитии с появлением полупроводниковых преобра­зовательных элементов большой мощности, обладающих хорошими рабочими и эксплуатационными характери­стиками. Эти элементы позволили внедрить силовое электронное оборудование в различных областях, где до этого единственно экономичными были вращающиеся преобразователи. Более того, они позволили решить не­которые проблемы, которые раньше вовсе не могли быть решены.

Силовую электронику часто называют преобразова­тельной техникой, а термин «преобразователь» исполь­зуют безотносительно к назначению силовых электрон­ных устройств. Необходимо, однако, иметь в виду, что для разных целей были разработаны различные типы преобразователей. Все они обладают одним общим при­знаком— управляют потоком энергии посредством включения и выключения вентильных электронных эле­ментов, введенных в основные электрические схемы, или благодаря циклической передаче тока от одного такого элемента к другому (процесс, называемый коммута­цией) .

Наиболее часто преобразователи классифицируют в зависимости от вида коммутации. Обычно различают преобразователи с естественной и принудительной ком­мутацией. В преобразователях с естественной коммута­цией циклическая коммутация вентилей происходит под

действием переменного напряжения источника питания или сети. Коммутация в преобразователях с принуди­тельной коммутацией осуществляется с помощью допол­нительных коммутирующих контуров.

По своему назначению преобразователи могут быть подразделены на следующие основные группы:

преобразователи с естественной коммутацией, связы­вающие цепь переменного тока с цепью постоянного тока или наоборот. Эти преобразователи обеспечивают пере­дачу энергии в обоих направлениях. В зависимости от направления потока энергии различают выпрямительный и инверторный режимы их работы;

преобразователи с принудительной коммутацией, свя­зывающие цепь постоянного тока с цепью переменного тока. Эти преобразователи также обеспечивают переда­чу энергии в обоих направлениях, но, как правило, они используются в инверторпом режиме;

преобразователи с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока, называемые также прерывателями постоянного тока;

преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной и той же частоты, называемые также прерывате­лями переменного тока;

преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, связывающие цепи переменного тока раз­ных частот, называемые обычно преобразователями ча­стоты;

специальные преобразователи, представляющие со­бой комбинации преобразователей, перечисленных выше (преобразователи частоты с промежуточным звеном по­стоянного тока и т. п.).

Неотъемлемой частью преобразовательных устройств являются различные схемы управления, регулирования и защиты.

Для управления преобразователями требуется незна­чительная мощность, поэтому обработка и передача уп­равляющей информации (формирование управляющих сигналов, сигналов датчиков, их усиление, формирова­ние опорных сигналов) обычно производятся с помощью слаботочных электрических схем, таких, как усилители, триггеры и т. п.

При проектировании схем защиты необходимо обра­щать внимание на характерные особенности преобразо­

вательных элементов и преобразовательных схем, а так­же на влияние примыкающих к ним электрических сетей и окружающей среды.

Книга содержит конкретные решенные задачи для групп преобразователей, которые классифицируются в зависимости от области применения, как указано выше.

В гл. 2 рассматриваются преобразователи с естест­венной коммутацией, в гл. 3—прерыватели пере­менного тока, в гл. 4 — прерыватели постоянного тока, в гл. 5 — инверторы. Во всех этих главах приводятся ре­комендации по выбору параметров силовой схемы, на­пряжений и нагрузок на преобразовательные элементы.

Поскольку силовые схемы, рассматриваемые в гл. 2— 5, содержат одни и те же полупроводниковые преобра­зовательные элементы, вопросы их защиты от перена­пряжений и сверхтоков рассматриваются отдельно в гл. 6.

В гл. 7 рассмотрены схемы электронных усилителей, мультивибраторов и стабилизаторов напряжения, ис­пользуемых в системах управления и регулирования пре­образователей. Кроме схем, составленных из дискрет-пых полупроводниковых элементов, рассматриваются схемы отдельных устройств на интегральных элементах.

Численные решения задач связаны с введением мно­гих упрощающих допущений. Частично они оправданы тем, что значения некоторых параметров могут разли­чаться на несколько порядков, в других случаях они делаются для обеспечения лучшего понимания принци­пов работы отдельных схем. Там, где встречаются эти упрощающие допущения, на них обращается особое - внимание. Для лучшего понимания задач в книге при­водятся характерные временные диаграммы токов и на­пряжений преобразовательных схем.

Кроме решенных задач в конце каждой главы дают­ся примеры для самостоятельного решения.

Все главы построены одинаково. Решению задач предшествуют краткие теоретические сведения о работе типовой схемы преобразователя и общие положения, ха­рактерные для всех преобразователей данной группы. Приводятся основные формулы, номограммы, предвари­тельно рассчитанные характеристики и таблицы, кото­рые далее используются при решении задач. Дается об­зор основных областей применения данной группы пре-

образователей, хотя авторы и не претендуют здесь на полноту изложения.

Для желающих более подробно изучить предмет, при­веден список литературы, включающий книги, статьи и каталоги.