1.1.Понятие и классификация элементов.
Элементы силовой электроники подразделяются на:
Силовые элементы
Элементы управления
Информационные элементы
1.2.Общие сведения о силовых преобразователях.
Силовой преобразователь является элементом, обеспечивающим требуемые параметры и количество электроэнергии, подводимой к электрической машине (напряжение, ток, частота переменного тока). От точности реализации заданных параметров зависит точность технологических операций, их быстродействие и качество.
Характер требуемого преобразования энергии определяется двумя факторами:
параметрами электрической энергии питающей сети;
параметрами электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой электрической машиной.
При питающей сети переменного тока (f=const, u=const) и при использовании в качестве электрической машины - машины постоянного тока силовой преобразователь (СП) должен выполнять функцию управляемого выпрямителя или ведомого сетью инвертора. Именно такой вид преобразователей будет нами рассматриваться и изучаться в начале нашего курса.
При питающей сети постоянного тока и электрической машины постоянного тока, напряжение к ней может подводиться через импульсный преобразователь, который, в этом случае, выполняет функцию регулятора напряжения. В связи с этим, нами будут изучаться импульсные преобразователи постоянного тока.
При питающей сети переменного тока и использовании электрической машины переменного тока регулировать поток энергии можно двумя способами:
Регулированием подводимого к электрической машине уровня переменного напряжения без изменения его частоты. Эту функцию могут выполнять регуляторы переменного напряжения;
Регулированием частоты, подводимого к электрической машине переменного напряжения с одновременным регулированием величины (амплитуды) этого напряжения. Эта функция может быть выполнена преобразователями частоты переменного напряжения.
2.0.Некоторые сведения о свойствах и характеристиках силовых полупроводниковых приборов.
Реализация всех устройств силовых преобразователей, которые рассматриваются и изучаются в данном курсе, осуществляется на базе силовых полупроводниковых приборов, которые получили в настоящее время широкое распространение. Такими приборами являются: силовые неуправляемые вентили, тиристоры и силовые транзисторы. Каждый из названных приборов имеет свои достоинства и недостатки и свою область применения. Но наиболее широкое применение получили силовые полупроводниковые управляемые вентили - тиристоры. Но рассмотрение свойств и характеристик полупроводниковых приборов начнем с силовых неуправляемых вентилей.
Неуправляемый полупроводниковый вентиль представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, величина которого зависит от величины и знака (полярности) приложенного к прибору напряжения. При одной полярности (прямой), когда к аноду подключен положительный полюс источника питания (+), а к катоду отрицательный, вентиль имеет малое сопротивление.
При противоположной полярности питающего напряжения сопротивление вентиля большое. Такая полярность напряжения называется обратной.
Вольт - амперная характеристика вентиля имеет прямую ветвь, расположенную в 1- ом квадранте координат “U - I” и обратную - в 3- ем квадранте. Масштабы при графическом изображении вольт - амперной характеристики принимают различные. Прямое напряжение (+U) измеряется единицами, или, даже, долями вольт, обратное напряжение (-U) - сотнями, или тысячами вольт. С другой стороны, прямые токи (+iв) могут составлять сотни ампер, обратные (-iв) - десятки миллиампер. На прямой ветви вольт - амперной характеристики можно выделить два участка: участок большого сопротивления (А) и участок малого сопротивления (Б). Участок Б близок к прямолинейному, поэтому часто пользуются приемом “спрямления” вольт - амперной характеристики вентиля, представляя его схему замещения при рассмотрении прямой ветви характеристики в виде последовательно включенных идеального вентиля, источника порогового напряжения (U0) и линейного сопротивления (Rд).
Рис 2 Рис 3
Обратная ветвь вольт - амперной характеристики может быть разбита на три участка: В - участок высокой проводимости (малого сопротивления)
Г - участок низкой проводимости
Д - участок высокой проводимости вследствие электрического пробоя.
Рис 4 Рис 5
Величины сопротивлений на прямой ветви вольт - амперной характеристики нельзя сопоставлять с величинами сопротивлений на обратной ветви.
Тиристор, как и диод, может пропускать большой ток только в одном (проводящем) направлении. Однако, он отличается от неуправляемого вентиля тем, что перевод его в открытое состояние может осуществляться только при выполнении двух условий:
Полярность приложенного к тиристору напряжения - прямая;
По цепи “управляющий электрод (УЭ) - катод” протекает управляющий ток iу (обычно в виде импульса) от отдельного источника управляющего напряжения. Перевод тиристора в закрытое состояние по цепи управления невозможен.
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо снизить анодный ток до величины, меньшей некоторого минимального значения, называемого током удержания. Чаще всего это делается снижением iа до нуля при изменении полярности напряжения Uпит.
Рис 6
На рисунке изображена “в - а” характеристика тиристора. Обратная ветвь “в - а” характеристики ничем не отличается от обратной ветви “в - а” характеристики неуправляемого вентиля.
Рассмотрим прямую ветвь при различных значениях iу:
iу=0. При этом изменение прямого напряжения в пределах от 0 до U0 н.в. приведет к протеканию по анодной цепи небольшого тока утечки, соизмеримого по величине с iобр. При дальнейшем увеличении +Uв.пр. до величины напряжения включения (U0 н.в.) ток утечки резко возрастает и в точке “В” становится равным току удержания. Тиристор переходит в открытое состояние. При этом величина его анодного тока (iв) определяется параметрами внешней цепи. Поэтому необходимо всегда ограничивать прямой ток до допустимого значения с помощью zнагр.
iу10. Подача небольшого тока управления приводит к уменьшению Uн.в.
При некотором значении iу=iу3, который называется током спрямления, “в - а” характеристика тиристора оказывается подобной “в - а” характеристике неуправляемого вентиля: тиристор переходит в открытое состояние при малых значениях Uв.пр. На практике перевод тиристора в открытое состояние производят подачей кратковременных импульсов iу, величина которых по уровню превышает iу спрямления. Необходимо отметить, что тиристор может самопроизвольно, без подачи управляющего импульса, перейти в открытое состояние, если:
Uв.пр.>Uо.н.в.
Велик уровень помех в цепи управляющего электрода.
При разработке преобразователей предусматривается защита от указанных явлений.
Рассмотрение и изучение различных видов силовых преобразователей начинаем с наиболее простого вида.