Силовая полупроводниковая элементная база. Учебное пособие

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

В данной схеме выпрямителя не требуется принимать специальные меры по выключению тиристора. Это обусловлено тем, что существуют моменты времени, когда в момент смены полярности переменного входного напряжения, где uвх(kp) = 0, и, как следствие, транзисторы VT1 и VT2 эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 5.2, выключаются.

Таким образом, рассматриваемая схема достаточно проста, так как для нее не требуется устройств для выключения тиристора.

5.2.2. Тиристорный инвертор

Схема простейшего тиристорного инвертора, предназначенного для преобразования постоянного напряжения в прямоугольное переменное напряжение вида «меандр» с временными диаграммами работы, приведена на рисунке 5.7, а, б.

Выключение тиристоров осуществляется путем разряда коммутирующего конденсатора Ск на электроды анод-катод включенного тиристора напряжением обратной полярности. Здесь элементом, предназначенным для выключения тиристора, является коммутирующий конденсатор Ск,циклическиработающийврежимеегозарядаиразряда.

Рисунок 5.7 — Схема тиристорного инвертора (а) и временные диаграммы пего работы (б)

71

5. ТИРИСТОРЫ

Схема работает следующим образом. При включенном состоянии тиристора VS1 на выходной обмотке wн формируется положительный импульс выходного напряжения uн. Одновременно с этим коммутирующий конденсатор Ск заряжается до напряжения Еп полярностью, показанной без скобок на схеме (рисунок 5.7). На следующем этапе работы при подаче импульса управления iупр.2 включается тиристор VS2 и конденсатор Ск обратной полярностью разряжается на открытый тиристор VS1, чем обусловливается его запирание. Далее конденсатор Ск заряжается полярностью напряжения, показанной в скобках, и процессы повторяются аналогично. При этом для обеспечения работоспособности схемы в симметричном режиме необходимо, чтобы t1 = t2, что является непременным условием для исключения процессов подмагничивания магнитопровода трансформатора инвертора.

Реальные схемы тиристорных инверторов, используемых на тяговых подстанциях и подвижного состава железнодорожного транспорта и промышленных предприятиях, имеют существенно более сложные схемы силовых преобразователей электрической энергии. Однако в них в основном применяются рассмотренные принципы выключения тиристоров.

Конструкции корпусов тиристоров большей частью аналогичны корпусам транзисторов, поэтому здесь отдельного рассмотрения не требуется.

72

6. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В соответствии с определением, солнечная электростанция (СЭС) представляют собой инженерное сооружение, преобразующее солнечную радиацию в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции и ее функционального назначения.

Солнечныеэлектростанции,называемыеиногдагелиостанциями, находят в настоящее время расширяющее применение. Основными причинами этого являются минимальное воздействие на окружающую среду (экологичность) и отсутствие необходимости использования углеводородов или других природных невознобляемых природных ресурсов для получения электрической энергии.

Существуют различные типы СЭС. Это электростанции башенного или тарельчатого типа, солнечно-вакуумные и СЭС, использующие фотоэлектрические преобразователи. Далее будет рассматриваться только последняя группа СЭС, так как она относится к устройствам полупроводниковой силовой электроники, где основным узлом преобразования солнечной радиации в электрическую энергию являются солнечные батареи, которые представляют из себя группу соответствующего соединения фотодиодов (p-n переходов), работающих в режиме прямого включения. Остальные типы СЭС осуществляют преобразование солнечной радиации в электрическую при помощи промежуточного теплового преобразования, то есть относятся к области теплотехники, и далее рассматриваться не будут.

СЭС распространены практически по всему миру. Первое место в этом перечне занимает США, где существуют СЭС с мощностью от 250 до 550 МВт и количеством солнечных модулей от 2 млн до 9 млн ед. Применяются также СЭС в Индии, Китае и Германии (с мощностью от 100 до 210 МВт). Существуют СЭС и в Крыму (мощностью около 100 МВт), на Украине (55 МВт) и в Казахстане

73

6. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

(50 МВт). Список может быть продолжен. Далее рассмотрим некоторые из них, отличающиеся различной степенью оригинальности по конструктивной реализации.

Несмотря на известные преимущества, распространение солнечных батарей ограничено высокой стоимостью, а многие из имеющихся СЭС строятся из соображений получения энергетической независимости государства. Сроки окупаемости СЭС лежат в пределах нескольких десятков лет. Поэтому строительство и эксплуатацию мощных СЭС, предназначенных для получения электроэнергии в значительных промышленных масштабах, могут позволить себе лишь экономически развитые государства.

Солнечный модуль, являющийся основным функциональным узлом солнечной батареи, представляет собой конструкцию, упрощенная структура которой показана на рисунке 6.1.

Ф

Рисунок 6.1 — Структура элемента солнечной батареи

В солнечных батареях, как и в любых источниках, генерирующих электрическую энергию, требуется, чтобы p-n переход при воздействии солнечной радиации отдавал в нагрузку максимально возможную выходную мощность Рн. Однако солнечные батареи имеют специфическую нагрузочную характеристику, которая очень отличает их от традиционных источников электропитания.

Конструктивно и электрически солнечная батарея представляет собой группу соответствующим образом соединенных фотодиодов, функционирующих в режиме прямого включения (рисунок 6.2, а). Рассмотрим ВАХ фотодиода (рисунок 6.2,б), которая определяет свойства фотодиода, работающего в режиме генерации электроэнергии.

Рабочей областью ВАХ фотодиода как источника электрической энергии является четвертый квадрант графика. При воздействии солнечной радиации, когда ее интенсивность Ф> 0, на выводах

74

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

фотодиода появляется напряжение Uфд, называемое иногда фотоЭДС. Увеличение интенсивности радиации обусловливает увеличение напряжения Uфд. Подключение к фотодиоду сопротивления нагрузки Rн вызывает появление тока Iфд. В рабочей области ВАХ изменение величины сопротивления Rн обусловливает изменение

тока в диапазоне от Iфд = 0 (режим холостого хода) до Iфд = Iкз (режим короткого замыкания). Напряжение на фотодиоде изменяет-

ся от величины Uфд = 0 (режим короткого замыкания) до Uфд = Uхх (режим холостого хода). При этом, как видно из характеристики, зависимость между токами и напряжения схемы при изменении сопротивления Rн является существенно нелинейной.

Рисунок 6.2 — Схема фотодиода в режиме прямого включения (а) и его ВАХ (б)

Если в традиционных устройствах преобразования электрической энергии источники электропитания эквивалентно представляются в виде классического источника напряжения (иногда в виде источника тока), то рассматриваемый источник является принципиально другим видом электротехнического устройства. Рассмотрим особенности его функционирования.

В режиме короткого замыкания солнечная батарея может быть представлена как источник тока, когда выходной ток батареи не превышает величины Iкз. Следовательно, для солнечной батареи иногда не требуется применения устройств защиты источника питания от короткого замыкания в нагрузке.

Зависимость выходного напряжения Uсб от тока нагрузкиIсб не описывается линейной функцией видаUн = kIн, что имеет место в традиционных источниках электропитания, где коэффициент k определяет внутреннее сопротивление реального источника и его КПД. Функционально аналогичная зависимость для солнечной

75

6. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

батареи описывается гораздо более сложной функцией, которая будет рассмотрена ниже.

Свойственное всем полупроводниковым приборам качество зависимости практически всех их параметров от температуры в применении к солнечным батареям носит более значимый характер.

На рисунке 6.3 приведены ВАХ батареи при различной температуре корпуса солнечной батареи. Они показывают противоположные количественные изменения токов и напряжений при изменении температуры. Практически изменения напряженияUхх p-n перехода в показанном на графиках рисунка 6.3 диапазоне температур корпуса солнечной батареи составляют:Uхх1 = 0,15–0,25 В, Uхх3 = 0,65–0,75 В, а токи Iкз изменяются в 1,2–1,6 раз при различных направлениях изменения этих величин.

Рисунок 6.3 — Температурные зависимости электрических характеристик солнечных батарей

Приведенные обстоятельства делают сложной и не всегда реализуемой задачу получения достаточно высокой энергетической эффективности, то есть отбора максимально возможной выходной мощности от солнечной батареи. Для ее реализации требуется создание и использование специальных регуляторов, осуществляющих непрерывное слежение за величиной выходной мощности батареи при всех изменениях освещенности батареи, температуры окружающей среды, сопротивления нагрузки и воздействия других дестабилизирующих факторов. Подобный класс силовых устройств называется экстремальными регуляторами мощности.

Выражение, связывающее ток и напряжение солнечной электростанции, предназначенной, в частности, для космического аппарата:

76

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

где Iопт и Uопт — оптимальные значения тока и напряжения солнечной батареи, при которых выполняется максимум ее выходной мощности.

Выражение (6.1) является трансцендентным, в общем виде нерешаемым. Поэтому задачу отбора максимальной мощности решают специальными экстремальными регуляторами. Они представляют из себя следящую систему автоматического регулирования, определяющую экстремальное значение заданной функции. Система решает уравнение (6.1) итерационным методом, определяя параметры точки максимума Рсб max методом последовательных приближений.

Экстремальные регуляторы непрерывно, в пошаговом режиме измеряют в нескольких точках реальную мощность, отдаваемую солнечной батареей. После сравнения результатов пошагового измерения из нескольких результатов определяют максимальное значение функции мощности Рсб max = UоптIопт, которым соответствуют оптимальные значения тока Iопт и напряжения Uопт. Очевидно, что точность определения точки Рсб max зависит от количества выбранных шагов измерения, величины шага дискретизации и от быстродействия системы регулирования.

Графическая интерпретация искомого положения точки Рсб max на ВАХ солнечной батареи показана на рисунке 6.4.

Pсб

Iопт

Uсб

Uопт

Рисунок 6.4 — Иллюстрация расположения точки максимальной выходной мощности солнечной батареи

Как видно из этого графика, любые смещения функции Iсб = f(Uсб) приводятксмещениювлевоиливправоточкиеемаксимумаи,чтоболее важно, к изменению величины Рсб max. В качестве сравнительного примера можно рассмотреть графики, приведенные на рисунке 6.3,

77

6. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

которые показывают существенное разнонаправленное смещение тока Iсб и напряжения Iсб функции Iсб = f(Uсб) при изменении температуры корпуса солнечной батареи.

Температура корпуса солнечной батареи зависит не только от температуры окружающей среды, но и от нагрева самой батареи. Поэтому, как показано на рисунке 6.1, полупроводниковый материал p-n перехода располагается на металлической подложке с возможностью применения развитого теплоотводящего устройства. В общем случае решение вопроса обеспечения требуемого теплового режима солнечной батареи является при ее разработке и изготовлении важной задачей, особенно при ее эксплуатации в условиях экстремальных температур окружающей среды.

Таким образом, получение электроэнергии от солнечной батареи является достаточно сложной технической проблемой, решение которой принципиально отличается от задач, решаемых при разработке традиционных источников электропитания.

Следует отметить идентичность решения описанной задачи с вопросами, решаемыми при проектировании ветряных электростанций или термоэлектрических генераторов.

Солнечные электростанции с энергетической точки зрения условно можно разделить на три основные группы: СЭС малой мощности, средней и мощные СЭС.

Первые из них (мощностью в единицы-десятки ватт) только условно можно назвать СЭС, хотя они являются функционально законченными автономными источниками электропитания для питания нагрузок. Подобные СЭС широко применяются в современной бытовой и некоторой другой профессиональной электронной аппаратуре. К ним относятся в основном малогабаритные электронные приборы, например, калькуляторы, радиоприемники, электронные часы и др. Проблема отбора максимальной мощности в таких СЭС обычно не ставится и не решается. Нестабильность выходного напряжения и его зависимость от интенсивности солнечной радиации в таких электронных приборах не играет значительной роли. Она решается довольно просто, например, введением постоянно подключенных буферных аккумуляторов и выбором в нагрузке соответствующей полупроводниковой элементной базы, допускающей работу в условиях значительной нестабильности питающего напряжения. Переключение на работу от солнечной батареи или от аккумуляторов в подобных СЭС встречается очень редко. В этом случае типичная система электропитания малой мощности довольно проста (рисунок 6.5).

78

Б. С. Сергеев. Силовая полупроводниковая элементная база

вводить такой резистор, так как функцию ограничения тока заряда выполняет сама солнечная ба-

тарея из-за принципиального существования в ней такого параметра, как Iкз. Можно условно считать, что в этом случае СБ является источником тока и тока заряда аккумуляторной батареи.

СЭСсреднеймощности(сотниватт—десяткикиловатт)применя- ются ряде стран, в том числе и в России, для электронных устройств регулирования уличного движения, ЖКХ, освещения улиц и переходов и др. На железных дорогах Германии они применяются для электропитания устройств автоблокировки и переездной сигнализации. За последнее время подобные СЭС внедряются в системы электро- и теплоснабжения «умных» домов. В отличие от России, широкое распространение они получили в Германии и некоторых других странах. В подобных СЭС существуют силовые функциональные узлы, которые осуществляют передачу (возврат) электроэнергии в промышленные сети переменного напряжения при наличии ее избытка в «умном» доме.

В СЭС средней и большой мощности важной становится проблема рациональной эксплуатации аккумуляторных батарей в силу их высокой стоимости. Это обусловлено тем, что в подобных СЭС режим работы аккумуляторных батарей является циклическим, а срок непрерывной работы таких СЭС должен составлять тыся- чи-десятки тысяч часов и более. При этом на протяжении суток переход с режима электропитания от солнечной батареи на аккумуляторы и наоборот практически может осуществляться несколько раз.

Для продления срока службы аккумуляторных батарей необходимо определять и контролировать степень их остаточного разряда, на основании чего должны формироваться параметры последующего заряда, то есть величины тока и длительности заряда. Очевидно, что от решения этого вопроса зависит срок службы аккумуляторных батарей и, как следствие, их стоимость.

79

6. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

На рисунке 6.6 приведена типичная зависимость емкости одного из типов аккумуляторной батареи от количества отработанных циклов при различной глубине ее разряда, где обозначения соответствуют: dС — емкость аккумуляторной батареи относительно номинальной; Nц — количество циклов переключения.

dC, %

Рисунок 6.6 — Зависимость емкости аккумуляторов от количества отработанных циклов

при различной глубине разряда

Графики и практика показывают, что для сохранения номинальной емкости аккумуляторной батареи необходимо ограничивать ее глубину разряда до уровня 30–40 %. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании СЭС. Наиболее радикальным способом сохранения емкости является увеличение емкости аккумуляторной батареи. То есть существует дилемма: увеличение емкости батареи приводит к ее большей долговечности, но увеличивает стоимость батареи.

Структурные схемы СЭС средней и большой мощности в общем случае одинаковы и состоят из следующих функциональных узлов (рисунок 6.7).

Инв

СБ ЭР ~Uвых

ЗУ Ак

Управление зарядом

Рисунок 6.7 — Структурная схема мощной СЭС

80