Мартынов_силаI

чение биполярных транзисторов p-n-p-типа приведено на рис. 1, г, а n-р-n-типа – на рис. 1, д. Промышленность выпускает силовые биполярные транзисторы на токи до сотен ампер, напряжением до сотен вольт и максимальными частотами переключения до единиц килогерц.

Основные недостатки биполярных транзисторов связаны с заметными потерями мощности на управление (током по базе) и невысоким быстродействием.

Полевые транзисторы. В отличие от биполярных транзисторов, работающих с двумя типами носителей тока – электронами и дырками, полевые транзисторы используют один (униполярный) тип носителя тока. Проводимость канала между истоком и стоком (определенными аналогами эмиттера и коллектора биполярного транзистора) модулируется с помощью электрического поля, прикладываемого к каналу в поперечном направлении с помощью третьего электрода – затвора (управляющего электрода). Канал может быть двух типов – n-типа или p-типа. Условное обозначение полевого транзистора n-типа приведено на рис. 1, е, а полевого транзистора p-типа – на рис. 1, ж.

Управляющим параметром для выходных характеристик у полевых транзисторов п-типа является напряжение на затворе (на входе транзистора), а не ток входа, как у биполярного транзисторов. Входная цепь полевого транзистора высокоомна. В динамике (при переключении транзистора) требуются импульсы тока в цепи управления для быстрого заряда (разряда) входной емкости затвор – сток транзистора. У полевого транзистора с каналом р-типа аналогичные свойства и характеристики, только у них при включении в схему изменяют полярности напряжения на стоке и затворе (относительно истока) на обратные.

Вторая разновидность полевых транзисторов – транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы). В отличие от полевых транзисторов с р-п-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с близлежащей областью токопроводящего канала, в МДП-транзисторах затвор изолирован от указанной области слоем диэлектрика. По этой причине МДПтранзисторы относят к классу полевых транзисторов с изолированным затвором. МДП-транзисторы (структура металл – диэлектрик – полупроводник) выполняют из кремния. В качестве диэлектрика используют окисел кремния SiO2. Отсюда другое название этих транзисторов – МОП-транзисторы (структура металл – окисел –полупроводник).

11

Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (1012 – 1014 Ом).

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов. МДП-транзисторы выполняют двух типов – со встроенным и с индуцированным каналом.

Условные изображения полевого транзистора МДП-типа (с изолированным затвором) показаны: на рис. 1, з – со встроенным каналом р-типа и выводом от подложки; на рис. 1, и – со встроенным каналом п-типа; на рис. 1, к – с индукционным каналом р-типа

ивыводом от подложки; а на рис. 1, л – с индукционным каналом п-типа.

За рубежом эти транзисторы носят название MOSFET. Достоинство полевых транзисторов – малые затраты мощности

на управление и высокое быстродействие в результате переноса тока в них носителями одного знака (основными носителями), в отличие от биполярных транзисторов, где ток в средней части прибора (базе) переносится медленными (неосновными) носителями. Но по предельным значениям выходных напряжений и тока полевые транзисторы заметно уступают биполярным, что определяет их использование в низковольтных устройствах силовой электроники с высокими частотами процессов преобразования электрической энергии.

Комбинированные транзисторы. В последнее время находит широкое применение комбинированный транзистор, объединяющий в себе полевой транзистор с изолированным затвором

ибиполярный транзистор (на выходе), названный биполярным транзистором с изолированными затворами – IGBT. Он имеет высокое входное сопротивление, параметры выходных напряжений и тока выше, чем у биполярного транзистора. В настоящее время промышленность выпускает IGBT на токи более 1200 А

инапряжения до 6500 В. Условное обозначение IGBT приведено на рис. 1, м.

Подобно полевым транзисторам, IGBT имеют изолированный затвор, и управление транзистором осуществляется изменением напряжения на затворе. Ток управления и мощность управления незначительны. Прямое падение напряжения существенно меньше, чем у МОП-транзисторов, и составляет около 1,5 В.

12

По быстродействию IGBT уступают полевым транзисторам, но значительно превосходят биполярные. Основными преимуществами являются высокая рабочая частота, КПД, а также устойчивость к перегрузкам, благодаря чему IGBT успешно вытесняют из преобразовательной техники силовые биполярные транзисторы и запираемые тиристоры.

В настоящее время IGBT широко применяются:

–в электроприводах переменного и постоянного тока;

–в системах бесперебойного электропитания;

–в статических компенсаторах реактивной мощности;

–в преобразователях для сварки и индукционного нагрева;

–в мощных статических источниках питания.

Отметим, что для транзисторов всех рассмотренных типов общим является наличие на их входах сигналов управления на все время протекания тока в выходной цепи вентиля. В то же время для GTО необходимы импульсы управления противоположной полярности только в моменты отпирания и запирания тиристора.

Сравнительная оценка по допустимым диапазонам мощности и частоты силовых полупроводниковых преобразователей, выполненных на однооперационных тиристорах, запираемых тиристорах (GTO), полевых транзисторах (MOSFET) и биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), приведена в табл. 6.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие условия необходимо выполнить для включения: диода; однооперационного тиристора; GTO; биполярного транзистора; IGBT; МОП-транзистора?

13

2.В чем заключается основное отличие между однооперационным и двухоперационным тиристорами?

3.В чем заключаются основные отличия между биполярным

иполевым транзисторами?

4.Сформулируйте определение комбинированного транзистора.

5.Какие предельные рабочие значения токов и напряжения имеют современные биполярные транзисторы, IGBT, MOSFET, однооперационные и двухоперационные тиристоры?

14

1.ВЫПРЯМИТЕЛИ

1.1.Cтруктурная схема и классификация выпрямителей

Выпрямитель – это полупроводниковый преобразователь электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

В учебном пособии рассматриваются как управляемые, так и неуправляемые выпрямители. Управляемые выпрямители способны работать как в выпрямительном режиме, так и в режиме зависимого инвертирования, т. е. обладают принципом обратимости. Та­ кие преобразователи предназначены для работы совместно с сетью, в которой­ заданы частота и величина напряжения, чем и определяется относящееся­ к ним понятие «зависимые инверторы», или «инверторы, ведомые сетью». Система импульсно-фазового управления (СИФУ) как выпрямителей, так и зависимых инверторов должна быть синхронизирована с сетью переменного тока, к которой они подключены [2].

Импульсы управления, вырабатываемые СИФУ, должны быть распределены по вентилям силовой схемы в соответствии с числом фаз и порядком следования фаз напряжения сети переменного тока, к которой подключен преобразователь.

Работа преобразователей как в выпрямительном, так и в инверторном режимах осуществляется при естественной­ коммутации тока вентилей – процесса перехода тока с одного­ вентиля на другой при открытии очередного вентиля сигналом управления­. Выключение работавшего ранее тиристора происходит после открытия очередного тиристора и приложения к выключаемому тиристору напряжения сети переменного тока в обратном (запирающем) направлении.

Неуправляемые выпрямители, построенные на неуправляемых вентилях (диодах), не обладают свойством обратимости. Теория неуправляемых выпрямителей может рассматриваться как частный случай общей теории управляемых выпрямителей.

Блок-схема обобщенного выпрямителя в общем виде содержит:

–сетевой трансформатор, необходимый для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя;

–вентильный блок, который собственно и осуществляет саму функцию выпрямления переменного ток;

–cглаживающий фильтр, который устанавливается в цепи постоянного тока и служит для подавления (уменьшения) пульсаций выпрямленного тока и напряжения;

15

–схему управления и регулирования, которые содержатся только в управляемых выпрямителях;

–пуско-защитную аппаратуру, которая обеспечивает безопасный пуск и защиту выпрямителя от сверхтоков, токов короткого замыкания, повышения и понижения напряжения выше допустимого значениия;

–систему диагностики и сигнализации, которая служит для оперативной диагностики состояния отдельных элементов и выпрямителя в целом, а также для сигнализации о возникших неисправностях этих элементов.

В некоторых выпрямителях перечисленные выше звенья могут отсутствовать. Например, управляемый выпрямитель, структурная схема которого приведена на рис. 3, содержит только показанные основные узлы и блоки. Вентильный блок преобразователя может быть выполнен как на управляемых, так и на неуправляемых­ вентилях.

Неуправляемые выпрямители выполняются на диодах, а управляемые – на управляемых вентилях. Как было сказано выше, управляемые вентили подразделяются на однооперационные (тиристоры), двухоперационные (запираемые тиристоры) и полностью управляемые (транзисторы).

Рассмотрим назначение указанных на рисунке узлов выпрямителя.

Трансформатор в схеме обеспечивает преобразование величины напряжения и числа фаз вторичной­ обмотки по отношению к первичной.

Вентильный блок преобразует переменное напряжение в постоянное.

kт m2

УУ

Рис. 3. Структурная схема управляемого выпрямителя: Т – трансформатор; ВБ – вентильный блок преобразователя; СФ – сглаживающий фильтр; УУ – устройство управления

16

Фильтр служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и тока.

Устройство управления осуществляет формирование управляющих сигналов вентилей, регулирование­ фазы этих сигналов по отношению к анодным напряжениям для обеспечения­ стабилизации или регулирования величины выходного напряжения, а также обеспечивает построение систем защиты.

Классификационные признаки выпрямителей

Схемы выпрямителей могут быть классифицированы по следующим основным признакам [6].

По выходной мощности:

–малой мощности (до единиц киловатт);

–средней мощности (десятки киловатт):

–большой мощности (сотни, тысячи киловатт).

По фазности, которая определяется числом фаз вторичной обмотки трансформатора, m2:

–однофазные выпрямители;

–многофазные выпрямители.

Основные схемы выпрямителей однофазного тока:

– однополупериодная (однофазная однотактная); – двухполупериодная с нулевым выводом вторичной обмотки

трансформатора;

– мостовая.

Основные схемы выпрямителей многофазного тока:

–трехфазная с нулевым выводом трансформатора;

–трехфазная мостовая схема (cхема Ларионова); – шестифазная с нулевым выводом вторичной обмотки транс-

форматора;

–двойная трехфазная (с уравнительным реактором);

–кольцевая.

По тактности работы силовой схемы, kт:

–однотактные, kт = 1;

–двухтактные, kт = 2.

Тактность преобразователя определяется числом полупериодов ведения тока фазами вторичной обмотки трансформатора на интервале одного периода напряжения переменного тока, kт. Схемы выпрямителей с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора являются однотактными, а мостовые схемы – двухтактными.

17

По пульсности силовой схемы.

Пульсность (или кратность частоты пульсаций) р определяется­ числом повторяющихся пульсаций выходного тока и напряжения на периоде напряжения питающей сети. Пульсность равна произведению коэффициента тактности на число фаз: р = kтm2.

По возможности регулирования выходного напряжения:

–неуправляемые выпрямители;

–управляемые выпрямители.

По возможности поддержания высокого значения коэффициента мощности на всем диапазоне регулирования выходного напряжения управляемые выпрямители подразделяются на:

–пассивные выпрямители;

–активные выпрямители.

Пассивные выпрямители – это традиционные тиристорные выпрямители с импульсно-фазовым способом управления и естественным способом коммутации вентилей, коэффициент мощности которых, χ, определяется, главным образом, величиной угла регулирования, а точнее, косинусом этого угла, т. е. χ ≈ cosα.

Активные выпрямители выполняются на полностью управляемых вентилях – транзисторах или GTO. Поддержание высокого, близкого к единице значения коэффициента мощности активного выпрямителя на всем диапазоне регулирования величины выходного напряжения Ud обеспечивается не столько элементами высокочастотных фильтров, устанавливаемых на входе активного выпрямителя, сколько алгоритмами релейных или импульсномодуляционных способов управления и применением замкнутых векторных систем автоматического управления этими выпрямителями.

Вопросы для самоконтроля

1.Сформулируйте определение понятию «выпрямитель».

2.Перечислите варианты выполнения выпрямителей:

–по возможности регулирования выходного напряжения;

–по фазности;

–по возможности поддержания высокого значения коэффициента мощности выпрямителя.

3. Сформулируйте требования, которым должна удовлетворять СИФУ выпрямителя.

18

1.2. Основные параметры, характеризующие работу выпрямителя

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются [2]:

–средние значения выпрямленного напряжения и тока Ud, Id соответственно;

–коэффициент полезного действия η;

–коэффициент мощности χ;

–внешняя характеристика – зависимость напряжения нагрузки

от тока нагрузки: Ud = f(Id) – при постоянном и заданном значении угла регулирования α;

–регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования: Ud = f(α);

–коэффициент пульсаций – отношение амплитуды высшей гар-

моники Ukm (обычно основной) переменной составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения Ud (тока):

где k = 1, 2, 3, … – номер гармоники.

Для первой (основной) гармоники (k = 1) коэффициент пульсаций

Частота каждой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения связана с частотой питающей сети fс соотношением

fk = kkтm2.

Отметим, что важными параметрами, характеризующими работу трансформатора, являются кажущиеся расчетные мощности обмоток Sтр1, Sтр2 и установленная мощность трансформатора Sтр и их связь с выходной­ мощностью Pd. Значения Sтр1 = = m1U1I1 и Sтр2 = m2U2I2 характеризуют одновременно допустимую мощность нагрузки обмоток при работе в линейных цепях. Отношения кажущихся расчетных мощностей обмоток Sтр1, Sтр2 и расчетной мощности трансформатора Sтр к выходной мощности выпрямителя Pd = Ud maxIdN, определенной при нулевом угле регулирования выпрямителя αα = 0, называются коэффициентами

19

расчетной мощности обмоток kр.м1, kр.м2 и трансформатора kр.м соответственно:

Выражения (3) показывают, во сколько раз должна быть увеличена мощность обмоток трансформатора и трансформатора в целом, вследствие несинусоидальности их токов в выпрямительной схеме, по сравнению с линейной цепью для передачи­ в нагрузку мощности при условии равенства потерь энергии­ в обмотках.

Для выбора вентилей выпрямителя необходимо установить за-

грузку вентилей по току Iв.ср и напряжению Uв.обр max.

Работа сглаживающего фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания s, который определяется отношением коэффициента пульсаций на входе фильтра kп1 к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра kп2:

Коэффициент мощности выпрямителя χ определяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармонике Pc(1), к полной мощности Sс, потребляемой выпрямителем из питающей сети:

В мощных выпрямителях в целях повышения коэффициента мощности за счет увеличения коэффициента искажения применяют многофазные схемы с числом фаз напряжения, подаваемого на вход выпрямителя, более трех.

Для получения шести фаз вторичные трехфазные обмотки сетевых трансформаторов выполняются со сдвигом напряжений на 30 электрических градусов. Это достигается за счет того, что одна трехфазная вторичная обмотка соединяется в звезду, другая – в треугольник. Выпрямитель, собранный по этой схеме, имеет на выходе двенадцатипульсное выходное напряжение и более высокий коэффициент искажения формы кривой тока, потребляемого выпрямителем из питающей сети, чем трехфазный выпрямитель, собранный по мостовой схеме.

На практике применяются также диодные и тиристорные выпрямители более высокой пульсности: 24-пульсные, 48-пульсные. Для этих выпрямителей необходимо использовать трансформаторы

20