Казачковський_аппч2

УДК 621.314 К14

Рекомендовано вченою радою як навчальний посібник для студентів спеціальності 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (протокол №20 від 26.12.2017)

Рецензенти:

В.С. Хілов – д-р техн. наук, проф. (Національний гірничий університет); Д.В. Ципленков – канд. техн. наук, доц. (Національний гірничий університет).

Казачковський М.М.

К14 Автономні перетворювачі та перетворювачі частоти: навч. посіб. [Електронний ресурс] / М.М. Казачковський ; М-во освіти і науки України, Нац. гірн. ун-т. – Електрон. текст. дані. – 2-ге вид., випр. та допов. – Дніпро.: НГУ, 2017. – 324 с. – Режим доступу: http://nmu.org.ua

(дата звернення: 27.12.2017). – Назва з екрана.

ISBN 978-966-350-673-9

Зміст видання відповідає освітній програмі підготовки бакалаврів зі спеціальності 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка та програмі дисципліни «Силові перетворювачі автоматизованих електроприводів».

Розглянуто напівпровідникові ключі сучасних перетворювачів енергії, переривники постійного струму (широтно-імпульсні перетворювачі), автономні інвертори напруги та струму, дволанкові та безпосередні перетворювачі частоти, імпульсні джерела живлення (DC/DC-перетворювачі, джерела безперебійного живлення).

Для кожного зі згаданих перетворювачів проаналізовано принцип дії, характер електромагнітних процесів, основні співвідношення та характеристики, способи керування, регулювальні властивості, вибір елементів силового кола, шляхи поліпшення енергетичних показників, сфери використання. Значну увагу приділено автономним інверторам напруги (особливо з ШІМ) та перетворювачам частоти на їх основі, а також специфіці використання перетворювачів у складі електропривода (роботі на проти-ЕРС та в режимі рекуперації).

Іл. 293. Табл. 17. Бібліогр.: 47 назв.

РОЗДІЛ 1. СИЛОВІ КЛЮЧІ ВЕНТИЛЬНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Навчальні цілі: ознайомлення з конструкцією, параметрами, експлуатаційними властивостями та сферами застосування сучасних силових напівпровідникових ключів та модулів

Процес перетворення енергії в сучасних вентильних перетворювачах здійснюється за допомогою напівпровідникових приладів, які працюють у ключовому режимі. У цьому режимі ключ може мати лише два стани: відкритий і закритий. В обох станах втрати в напівпровідниковому приладі невеликі, хоча в процесі перемикання вони можуть бути суттєвими. Такі важливі показники перетворювачів та електроприводів на їх основі, як вартість, габарити та маса, коефіцієнт корисної дії, швидкодія, діапазон регулювання, точність, надійність визначаються насамперед параметрами та можливостями силових ключів. З удосконаленням елементної бази силової електроніки пов’язана більшість революцій, які сталися в електроприводі. Основними етапами розвитку силових ключів були:

1904 р. – електронна лампа (діод);

1907 р. – електронний тріод;

1922 р. – ртутні та газонаповнені вентилі (ігнітрони, тиратрони);

1948 р. – біполярний транзистор;

1952 р. – SCR-тиристор;

1954 р. – силовий напівпровідниковий діод (10 А, 200 В);

1959 р. – тиристорний випрямляч;

1961 р. – GTO-тиристор;

1963 р. – MOSFET-транзистор;

1974 р. – складений транзистор Дарлінгтона;

1980-ті рр. – IGBT-транзистор;

1985 р. – інтегральні силові модулі;

1990-ті рр. – IGCT-тиристор.

Напівпровідниковий ключ для комутації потужних навантажень можна вважати ідеальним, якщо він має:

великий припустимий струм (діючий, середній, ударний);

високу припустиму напругу (тривалу, імпульсну повторювану, імпульсні неповторювані перенапруги);

спроможність до швидкого перемикання;

малі втрати (статичні у відкритому стані та динамічні в процесі перемикання);

високу частоту перемикань як наслідок двох попередніх умов;

високу надійність;

компактну конструкцію.

Силові ключі (вентилі) мають два можливих стани: ввімкнено (опір близький до нуля) та вимкнено (опір наближається до безконечності). Вони поділяються на некеровані (діоди) та керовані (тиристори, транзистори). Стан

7

некерованих ключів цілком визначається знаком прикладеної до них напруги, а стан керованих, крім того, – ще й наявністю керуючої напруги на керуючому електроді (затворі, базі). Використовують керовані ключі двох різновидів:

цілком керовані ключі, які можна не тільки відкрити, а й закрити за допомогою керуючого сигналу (транзистори, двоопераційні тиристори);

ключі з обмеженим керуванням (півкеровані), що тільки відкриваються шляхом подачі до керуючого електрода керуючої напруги, а закритися здатні лише після зникнення анодного струму (одноопераційні тиристори).

1.1.Одноопераційні тиристори

У сучасних вентильних перетворювачах використовують два різновиди тиристорів: звичайні, або одноопераційні тиристори (Silicon Controlled Rectifier, SCR), та двоопераційні (тиристори, які запираються або повністю керовані). Одноопераційні тиристори – півкеровані ключі. Їхні вольтамперна характеристика (ВАХ) та схема вмикання наведені на рис. 1.1.

Вигляд ВАХ тиристора залежить від рівня струму керування Iк. Якщо цей струм досить великий, вона нічим не відрізняється від ВАХ діода (лінія 0-9-7-5-6). Коли керуючий струм відсутній, то виглядає, як лінія 0-1-2-3-4-8- 7-5-6. Як видно з рис. 1.1, на відрізку ВАХ 0-1-2-3 внутрішній опір тиристора набагато більший, ніж на відрізку 9-7-5-6. Окрім ВАХ тиристора, тут зображені також ВАХ зовнішнього кола (джерело анодної напруги E та опір навантаження R). Це прямі лінії, які описуються рівнянням:

Рис. 1.1. Вольт-амперні характеристики одноопераційного тиристора

Розглянемо процеси відкриття та закриття тиристора зміною напруги в колі анода (керуючий струм відсутній). Якщо підвищувати анодну напругу від 0 до E3, тиристор працює в точках 0, 1, 2, 3, а струм анода майже відсутній (тиристор закритий). Коли E=E4, ВАХ зовнішнього кола торкається ВАХ тиристора у т. 4. Найменше зростання напруги джерела призводить до стрибкоподібного переходу до т. 5, яке супроводжується різким збільшенням анодного струму та зменшенням спаду напруги поміж анодом та катодом (тиристор відкривається). З подальшим збільшенням напруги анодний струм

8

швидко зростає (т. 6). Зниження напруги має наслідком переміщення робочої точки донизу (т. 5, 7). Якщо E=E4, ВАХ зовнішнього кола знову стає дотичною до ВАХ тиристора (тепер у т. 8). Навіть невелике зменшення анодної напруги переводить тиристор із т. 8 до т. 2 (тиристор закривається, спад напруги поміж анодом та катодом різко зростає, а струм падає). Подальше зниження напруги пересуває робочу точку траєкторією 2-1-0. Таким чином, траєкторія закриття тиристора не збігається з траєкторією відкриття (ВАХ

має гістерезис). Абсциса т. 4 називається напругою вмикання Uвм, а ордината

т. 8 – струмом удержання Iуд.

Розглянутий спосіб вмикання не тільки не являє собою ніякої практичної цінності, але й може мати наслідком пошкодження pn-переходу. У вентильних перетворювачах тиристори вмикають шляхом збільшення керуючого струму. Нехай джерело має напругу E=E3 , а керуючий струм відсутній (тиристор закритий і працює у т. 3). Різке підвищення керуючого струму призводить до різкого зменшення напруги вмикання, і тиристор відкривається, переходячи в т. 7. Навіть якщо після цього струм керування знову зникне, тиристор і надалі працюватиме у т. 7, залишаючись відкритим. Закриється він тільки тоді, коли анодний струм стане меншим від струму удержання.

Отже, одноопераційні тиристори відкривають, подаючи до керуючого електрода короткий імпульс струму керування. Закриваються вони внаслідок зміни полярності ЕРС E джерела живлення (у перетворювачах із природною комутацією) або за допомогою спеціальних пристроїв штучної комутації, де струм розряду комутуючого конденсатора спрямовують назустріч струмові

тиристора, щоб знизити його до рівня Iуд.

До основних параметрів тиристорів, які використовуються під час їх вибору, належать:

*середній струм у відкритому стані Iвс.ср , ITAV : максимально допустиме середнє за період значення прямого струму, що тривало протікає приладом (обмежується допустимою температурою pn-переходу і досягає кількох кілоампер);

*повторна пряма імпульсна напруга в закритому стані Uзс.п , UD: максимально допустима миттєва напруга, яка періодично прикладається до тиристора у прямому напрямку (характеризує рівень напруги, за якої тиристор не відкривається без керуючого імпульсу);

*повторна імпульсна зворотна напруга Uзв.п , URRM : максимально допустима миттєва напруга, яка періодично прикладається до тиристора у зворотному напрямку (обмежується напругою пробою pn-переходу і досягає, як і попередній параметр, 5 кВ);

*критична швидкість зростання анодного струму у відкритому станіdiвс dt кр , diT dt crit , яка для низькочастотних тиристорів лежить у межах

50…100 А/мкс, а для швидкодіючих сягає 1250 А/мкс (перевищення цього

9

параметра може викликати локальне перегрівання та пошкодження pn-пе- реходу); * критична

duзс dt кр , duD

швидкість зростання прямої напруги може викликати самочинне відкриття тиристора без керуючого імпульсу, а зворотної – пробій pn-переходу);

*тривалість вимикання або поновлення запірних властивостей tвим , tg (час після зникнення анодного струму, протягом якого прикладання до тиристора прямої напруги призводить до його самочинного відкриття, тобто до втрати керованості);

*час вмикання tвм , tgt (необхідний для зростання прямого анодного струму до 90% його найбільшого значення при переході із закритого стану до відкритого).

Через кому в цьому переліку наведені позначення параметрів за міжнародними стандартами.

Крім того, у розрахунках використовуються також такі параметри:

*порогова напруга Uпор, UT та динамічний опір у відкритому стані rдин,

rT – параметри вольт-амперної характеристики (характеризують форму лінеаризованої ВАХ, див. рис. 1.1);

*імпульсний відкриваючий струм керування iк.відкр.п , IGD (необхідний для відкривання тиристора);

*захисний показник I2t (характеризує здатність тиристора до короткочасних перевантажень).

Якщо реальну ВАХ відкритого тиристора замінити її дотичною АВ (див. рис. 1.1), то падіння напруги в тиристорі обчислюється так:

U Uпор Irдин ,

а потужність втрат у відкритому стані

P I U IUпор I 2rдин .

Порогова напруга Uпор для більшості тиристорів складає 1…1,5 В. Динамічний опір тиристора rдин dUdI характеризує нахил ВАХ, тобто мі-

ру його неідеальності, як ключа. Зі зростанням потужності тиристора він швидко зменшується. З достатньою точністю його можна вважати обернено пропорційним максимально допустимому середньому струму. Для низькочастотних тиристорів , мОм; для швидкодіючих

rдин 324 Iм.вс.ср , мОм.

Система позначень тиристорів різних типів базується на їх класифікації за принципом дії, конструкцією, допустимою напругою та швидкодією

(рис. 1.2).

Види тиристорів:звичайний (Т);

10