- •А. П. Маругин
- •1. Основные элементы силовых электронных устройств
- •1.1. Силовые электронные ключи
- •1.2. Силовые диоды
- •1.2.1. Статические характеристики диода
- •1.2.2. Динамические характеристики диода
- •1.2.3. Защита силовых диодов
- •1.2.4. Основные типы силовых диодов
- •1.3. Силовые транзисторы
- •1.3.1. Основные классы силовых транзисторов
- •1.3.2. Статические режимы работы транзисторов
- •1.3.3. Динамические режимы работы силовых транзисторов
- •1.3.4. Обеспечение безопасной работы транзисторов
- •1.4. Тиристоры
- •1.4.1. Принцип действия тиристора
- •1.4.2. Статические вольт-амперные характеристики тиристора
- •1.4.3. Динамические характеристики тиристора
- •1.4.4. Типы тиристоров
- •1.4.5. Запираемые тиристоры
- •2. Схемы управления электронными ключами
- •2.1. Общие сведения о схемах управления
- •2.2. Формирователи импульсов управления
- •2.3. Драйверы управления мощными транзисторами
- •3. Пассивные компоненты и охладители силовых электронных приборов
- •3.1. Электромагнитные компоненты
- •3.1.1. Гистерезис
- •3.1.2. Потери в магнитопроводе
- •3.1.3. Сопротивление магнитному потоку
- •3.1.4. Современные магнитные материалы
- •3.1.5. Потери в обмотках
- •3.2. Конденсаторы для силовой электроники
- •3.2.1. Конденсаторы семейства мку
- •3.2.2. Алюминиевые электролитические конденсаторы
- •3.2.3. Танталовые конденсаторы
- •3.2.4. Пленочные конденсаторы
- •3.2.5. Керамические конденсаторы
- •3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах
- •3.3.1. Тепловые режимы работы силовых электронных ключей
- •3.3.2. Охлаждение силовых электронных ключей
- •4. Принципы управления силовыми электронными ключами
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Фазовое управление
- •4.3. Импульсная модуляция
- •4.4. Микропроцессорные системы управления
- •5. Преобразователи и регуляторы напряжения
- •5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
- •5.2. Трехфазные выпрямители
- •5.3. Эквивалентные многофазные схемы
- •5.4. Управляемые выпрямители
- •5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя
- •5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях
- •6. Импульсные преобразователи и регуляторы напряжения
- •6.1. Импульсный регулятор напряжения
- •6.1.1. Импульсный регулятор с шим
- •6.1.2. Импульсный ключевой регулятор
- •6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя
- •6.2.2. Преобразователь с повышением напряжения
- •6.2.3. Инвертирующий преобразователь
- •6.3. Другие разновидности преобразователей
- •7. Инверторы преобразователей частоты
- •7.1. Общие сведения
- •7.2. Инверторы напряжения
- •7.2.1. Автономные однофазные инверторы
- •7.2.2. Однофазные полумостовые инверторы напряжения
- •7.3. Трёхфазные автономные инверторы
- •8. Широтно-импульсная модуляция в преобразователях
- •8.1. Общие сведения
- •8.2. Традиционные методы шим в автономных инверторах
- •8.2.1. Инверторы напряжения
- •8.2.2. Трехфазный инвертор напряжения
- •8.3. Инверторы тока
- •8.4. Модуляция пространственного вектора
- •8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока
- •8.5.1. Инвертирование
- •8.5.2. Выпрямление
- •9. Преобразователи с сетевой коммутацией
- •10. Преобразователи частоты
- •10.1. Преобразователь с непосредственной связью
- •10.2. Преобразователи с промежуточным звеном
- •10.3.1. Двухтрансформаторная схема
- •10.3.3. Схема каскадных преобразователей
- •11. Резонансные преобразователи
- •11.2. Преобразователи с резонансным контуром
- •11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки
- •11.2.2. Преобразователи с параллельным соединением нагрузки
- •11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром
- •11.4. Преобразователи класса е
- •11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения
- •12. Нормативы на показатели качества электрической энергии
- •12.1. Общие сведения
- •12.2. Коэффициент мощности и кпд выпрямителей
- •12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
- •12.4. Корректор коэффициента мощности
- •13. Регуляторы переменного напряжения
- •13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах
- •13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах
- •Вопросы для самоконтроля
- •14. Новые методы управления люминесцентными лампами
- •Вопросы для самоконтроля
- •Заключение
- •Библиографический список
- •620144, Г. Екатеринбург, Куйбышева ,30
5. Преобразователи и регуляторы напряжения
5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.
а б в
г д е
Рис. 5.1. Основные виды устройств силовой электроники
Дадим определения некоторых видов устройств преобразовательной техники.
Выпрямителями называют преобразователи переменного напряжения U~ в постоянное напряжение U= (рис. 5.1, а).
Инверторами называют преобразователи постоянного напряжения U= в переменное напряжение U~ (рис. 5.1,б).
Преобразователи частоты — это преобразователи переменного напряжения одной частоты U f 1 в переменное напряжение другой постоянной или регулируемой частоты U f 2 (рис. 5.1, в).
Преобразователи числа фаз — это преобразователь т1 фазного переменного входного напряжения Um1 в переменное напряжение Um2 с другим числом фаз т2 (рис. 5.1, г).
Регуляторы (трансформаторы) постоянного напряжения — это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одного значения U=1 в постоянное напряжение другого значения U=2 (рис. 5.1, д).
Регуляторы переменного напряжения — это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одного назначения U~1 в переменное напряжение другого значения U~2 (рис. 5.1, е).
Существуют и другие виды преобразования электрической энергии: формирование мощных импульсов напряжения для питания лазеров, сигнальных устройств, маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и др.
Используя названные типы преобразователей, можно решать различные задачи и создавать преобразовательные установки для питания конкретных потребителей.
Силовые преобразователи. Силовые преобразователи используют для питания электродвигателей, электромагнитов и т. д., работающих от сетей постоянного и переменного тока различных напряжений.
Силовые преобразователи для питания электромагнитов, как правило, состоят из элемента гальванической развязки на оптопаре и ключа на биполярных и IGBT транзисторах или тиристорах и симисторах. Наиболее сложны схемы гальванической развязки и ключей для электроприводов, но в последнее десятилетие, благодаря успехам силовой электроники, освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых модулей (IPM) с встроенными средствами защиты силовых ключей и интерфейсами для подключения к микропроцессорным системам управления.
По основным выполняемым функциям некоторые виды силовых электронных преобразователей обычно относят к электронным силовым регуляторам. Важными классификационными признаками, отражающими принцип действия преобразователя, а следовательно, и его функциональные возможности являются вид используемых силовых ключей и способы их коммутации. Все силовые электронные ключи можно подразделить на не полностью управляемые и полностью управляемые.
К первой группе ключей относятся диоды, управляемость которых ограничивается включением под воздействием прямого напряжения, и обычные, традиционные тиристоры. Ко второй группе ключей относятся все электронные ключи, включение и выключение которых осуществляется подачей на их управляющий вход токов или напряжений.
Электронные ключи различаются способами коммутации. Коммутацией в электронном преобразователе принято называть переход тока с одного или нескольких одновременно проводящих ключей на другой ключ в течение конечного интервала времени, когда выключаемый и включаемый ключи одновременно находятся в проводящем состоянии. Коммутация диодов возможна под воздействием переменного напряжения, например электрической сети. Для тиристоров такая коммутация также обеспечивается в результате изменения полярности напряжения внешнего источника. Поэтому преобразователи с силовыми ключами первой группы называются преобразователями с сетевой коммутацией (МЭК 551-16-12). Этот термин достаточно полно отражает основные принципы действия отдельных видов преобразователей. Иногда преобразователи классифицируются по следующим признакам:
номинальной мощности (малой, средней, большой);
рабочим напряжению и токам (низкого или высокого напряжения, малых и больших токов);
значениям частоты входного или выходного напряжения (низкочастотные, высокочастотные);
числу фаз (однофазные, трехфазные, многофазные);
модульному принципу исполнения (многоячейковое, многоуровневое и др.);
способам коммутации тиристоров (с конденсаторной коммутацией, коммутацией LC-контуром и др.);
наличию резонансных цепей для снижения коммутационных потерь (квазирезонансные преобразователи постоянного тока и др.);
способам регулирования (по входу, изменением алгоритма управления силовыми ключами, по выходу и др.).
Основные параметры и характеристики преобразователей. Электрическими параметрами входных и выходных силовых цепей преобразователей электротехнических устройств (источников и потребителей электроэнергии) являются:
ток (число фаз и частота для переменного тока);
номинальные действующие значения тока и напряжения (для переменного тока) и средние значения (для постоянного тока);
диапазон регулирования выходного напряжения (тока);
номинальные значения полной или активной мощности для переменного тока, а также коэффициент мощности cosφ для основных гармоник тока и напряжения в номинальном режиме;
номинальное значение активной мощности для постоянного тока, определяемое как произведение номинальных средних значений тока и напряжения;
коэффициент полезного действия ηном в номинальном режиме работы;
отклонения основных параметров в динамических режимах при изменениях напряжения внешнего источника электропитания или нагрузки, а также установившиеся значения этих отклонений после завершения переходных процессов.
Механические и другие неэлектрические характеристики приводятся отдельно в соответствии с утвержденными стандартами конкретных типов преобразователей. Характеристики определяются использованием современной элементной базы и технологиями изготовления преобразователей.
Силовые электронные преобразователи в отличие от других электротехнических устройств, например электромашинных преобразователей, выполняются на основе нелинейных электронных ключей, работающих в импульсных режимах. Это приводит к искажению токов и напряжения в силовых цепях преобразователя. Например, во входных цепях преобразователей переменного тока форма тока существенно отличается от синусоидальной, а выходное напряжение выпрямителя кроме постоянной составляющей содержит переменное напряжение несинусоидальной формы, называемое пульсацией. Для учета этих факторов используют дополнительные характеристики преобразователей электроэнергии, к которым относятся, прежде всего, показатели не синусоидальности переменного тока, а следовательно, мощности на стороне сетевого входа преобразователя и пульсаций на стороне постоянного тока.
В системах автоматизации схемы для согласования уровней напряжения на выходе микропроцессорного контроллера и на входе силового преобразователя и их гальванической развязки называют драйверами.
Основными узлами силовых преобразователей являются неуправляемые и управляемые одно- и трехфазные выпрямители и инверторы напряжения, преобразующие постоянное напряжение в переменное с частотой от нескольких герц до нескольких десятков и сотен килогерц. Инверторы выполняют на тиристорах, биполярных, полевых и IGBT транзисторах. Различные варианты перечисленных узлов будут рассмотрены далее.