СЭ_ВСП_УП

1.3. Транзисторы IGBT

Силовой транзистор IGBT - это наиболее перспективный тип ключевых полупроводниковых приборов. Он представляет собой комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, позволяя получить ключ, обеспечивающий протекание больших токов при затрате малых мощностей по цепи управления. На рис.3.

представлены: условное обозначение транзистора IGBT (а) и его вольт-

амперная характеристика (б).

Рис.3. Условное обозначение и ВАХ транзистора IGBT

Вольт-амперные характеристики транзисторов IGBT подобны ВАХ биполярных транзисторов, но управление прибором по цепи коллектор — эмиттер С-Е (рис.3. а) осуществляется напряжением затвор - эмиттер G-E

(рис. 3,а), а не током базы. Именно этот факт обуславливает весьма малую мощность управления и высокое быстродействие.

Силовые транзисторы IGBT выпускаются на ток коллектора до 1,2

кА и напряжение 3,5кВ. В схемах тиристоры обозначаются VT.

Контрольные вопросы:

1.Какие полупроводниковые приборы считаются силовыми?

2.Что такое диод и какова его вольт-амперная характеристика?

3.Назовите условия включения диода?

4.Что такое тиристор и какова его вольт-амперная характеристика?

11

5. Назовите необходимые условия включения и выключения

тиристора?

6.Какова структура IGBT транзистора?

2. Выпрямительные устройства

2.1.Классификация выпрямительных устройств

Существуют различные классификационные признаки выделения выпрямителей (AC/DC - преобразователи) в различные группы такие, как:

1.По числу фаз – однофазные (рис.4.а÷д), трехфазные

(рис.4.е÷ж), многофазные или многопульсные (рис.4.и÷к).

а)

б)

12

е)

14

вентиль или группу вентилей в течение определенного конечного интервала времени, когда включаемый в работу и выключаемый вентили работают одновременно.

Управляемым выпрямителем называется СП, в котором в качестве полупроводниковых вентилей используются силовые тиристоры.

Для «зажигания» (включения) тиристора необходимо не только изменение полярности входного источника (сети), но и поступление сигнала управления, подаваемого на управляющий электрод. Нулевые схемы

(рис.4. б,е) могут быть только полностью управляемыми.

Полууправляемым выпрямителем называются СП, в котором в качестве полупроводниковых вентилей используются силовые диоды и тиристоры. В качестве полууправляемых выпрямителей используются только мостовые несимметричные схемы (рис.4.1.г-д,з).

3.По мощности выпрямителей. Выделяют следующие классы:

малой мощности (до сотен Вт) - выпрямители, используемые как источники вторичного питания

средней мощности (до сотен кВт) - выпрямители, используемые в электроприводах.

большой мощности (более сотен кВт) – выпрямители специального назначения (ВАКС - выпрямительные агрегаты общего назначения,

ВАКЗ - выпрямительные агрегаты зарядных устройств, ВАКСВ -

выпрямительные сварочные агрегаты, ПАК - агрегаты катодной защиты корпуса автономного объекта).

2.2.Обобщенная структурная схема управляемого выпрямителя

Вобщем случае рассматривается именно структурная схема управляемого выпрямителя (рис.5.), так как диод можно считать тиристором, на управляющий электрод которого подан управляющий импульс в момент времени, когда потенциал анода диода становится

16

положительным по отношению к своему катоду, то есть работающим с нулевым углом управления.

Рис.5. Обобщенная структурная схема управляемого выпрямителя

На рис.5. Тр1 – это низкочастотный силовой трансформатор,

УВсиловые полупроводниковые вентили; ТР1 - низкочастотный трансформатор, питающий СП; ТР2 – понижающий трансформатор, питающий систему управления тиристорами.

2.3.Основные показатели, характеризующие качество работы схем выпрямления.

Работа выпрямителей определяется прежде всего сетью питания

– сетью переменного тока, которая в свою очередь характеризуется

следующим:

-фазностью схемы mᵞ и частотой сети fс;

-действующим значением фазного U2ф /линейного напряжения U2л

вторичной обмотки трансформатора (сети при отсутствии трансформатора).

Основной задачей выпрямителей является – обеспечение

нагрузке требуемого по величине постоянного напряжения, поэтому

основными показателями работы выпрямителя являются следующие:

17

- средние значения напряжения нагрузки в различных режимах:

Ud0 - при нулевом угле управления,

Udном - в номинальном режиме,

Udαmax - минимально допустимое значение;

- токи, протекающие через нагрузку в соответствующих режимах:

Id0, Idном , Idɑmax;

- регулировочная характеристика выпрямителя:

Udα = f( U2ф , α );

- внешняя характеристика выпрямителя:

Udαγ = f (Iнагр , α);

где α -угол управления, измеряемый в электрических градусах,

- угол коммутации, измеряемый в электрических градусах.

Угол управления определяет фазовую задержку подачи импульсов управления на управляющие электроды вентилей относительно точек их естественного открывания (коммутации), в том числе и диодов в случае использования неуправляемого выпрямителя; диапазон изменения угла управления зависит от типа нагрузки и выбранной схемы выпрямления и определяется как: 0 ≤ ɑ ≤ ɑmax.

Угол коммутации определяет интервал времени, в течение которого одновременно работают несколько вентилей: два вентиля в нулевых схемах выпрямления или одной группы в мостовых схемах, при этом у одного из них ток возрастает до постоянного значения, а у другого вентиля ток спадает до нуля.

Выбранная схема выпрямления определяет следующие параметры:

- пульсность схемы (число пульсаций, имеющейся в эпюре напряжения нагрузки за период) – m;

-длительность проводящего состояния каждого вентиля за период – λ;

-коэффициент пульсации постоянного напряжения нагрузки kп.

18

Существуют различные способы определения коэффициента пульсаций постоянного напряжения нагрузки, использование которых зависит от требования к качеству выпрямленного напряжения с учетом требования потребителей. Наиболее распространенными являются такие как:

переменной составляющей выпрямленного напряжения (здесь ʋ - номер высшей гармонической составляющей, присутствующей в выпрямленном напряжении).

Особым параметром является коэффициент пульсации выходного выпрямленного напряжения для произвольной - гармоники:

- Средняя мощность на выходе выпрямителя, выделяемая на

нагрузке определяется по формуле:

Pd =Ud Id .

- Полная (кажущаяся) мощность, выделяемая источником питания на

УВ определяется по формуле:

P U I 1 T U Id t , d d d T 0

где Ud и Id – отклонения напряжения и тока в цепи постоянного тока, то есть величина отклонений напряжения и то на нагрузке от величины среднего (постоянного) во всех режимах.

19

- Коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя определяется по формуле:

включая полупроводниковые приборы – вентили, трансформатор,

промежуточные провода и дополнительные устройства.

- Полная мощность на входе выпрямителя определяется по формуле:

S= mᵞ U1ф I1ф

где – mᵞ - фазность схемы, U1ф, I1ф –действующие значения входного фазного напряжения и потребляемого выпрямителем фазного тока из сети.

- Активная мощность на входе выпрямителя определяется по формуле

P1 =U1 I1(1) cos φ(1)

где I1(1) - действующее значение первой гармоники тока,

потребляемого из сети, φ(1) - фазовый сдвиг между фазным напряжением и первой гармоникой тока, потребляемого из сети.

- Показатель эффективности схемы: Kэфф Ud 0 ;

U2ф

Коэффициент искажения тока первичной цепи источника переменного тока:

где — действующее значение первой (основной) гармоники тока,

-действующее значение -ой гармоники потребляемого тока.

-Коэффициент искажения напряжения сети питания, вводимый для оценки несинусоидальности питающего напряжения, возникающей от присутствия УВ большой и средней мощности

20