- •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
5.4. Управляемые выпрямители
На практике часто требуется стабилизация выходного напряжения либо регулирование его в широких пределах. Для необходимого в этих случаях изменения величины выпрямленного напряжения используют ряд технических решений, основными из которых следует считать:
- изменение напряжения на выходе выпрямителя с помощью регулятора переменного напряжения (автотрансформатора, дросселя насыщения, тиристорного регулятора);
- регулирование выпрямленного напряжения с помощью регуляторов постоянного напряжения;
- регулирование выпрямленного напряжения за счет применения выпрямителей на управляемых вентилях (управляемых выпрямителей).
Применение управляемых выпрямителей позволяет уменьшить габариты и стоимость преобразователей по сравнению со схемами, использующими автотрансформаторы и дроссели насыщения. Наибольшее применение в качестве управляемых вентилей нашли тиристоры.
Однофазный управляемый выпрямитель. Схема однофазного двух полупериодного управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.8, а.
Работа управляемого выпрямителя во многом зависит от характера нагрузки Рассмотрим работу схемы на активную нагрузку (LH = 0). Использование в схеме выпрямителя управляемых вентилей позволяет задерживать начало прохождения тока через очередной, вступающий в работу вентиль по отношению к моменту его естественного отпирания. Если на управляющий электрод вентиля V1 в момент t = 0 подать отпирающий импульс, то вентиль V1 включится с некоторой задержкой. Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного включения вентиля, выраженный в электрических градусах, называется углом управления и обычно обозначается буквой α. В результате в интервале 0 – ωt напряжение на сопротивлении RН будет равно нулю (оба вентиля в закрытом состоянии) В момент включения вентиля V1 напряжение на нагрузке cкачком возрастет и далее будет изменяться по синусоиде фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
. В момент перехода напряжения через нуль оно сменит знак, и тиристор выключится. Через отрезок времени, в который угол управления станет равным α, включится второй тиристор, но при снижении напряжения до нуля он выключится. Далее процессы будут повторяться.
Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой показана на рис. 5.9, а. Кривые выпрямленного напряжения для режима работы схемы на активную нагрузку при двух различных углах управления показаны на рис. 5.9, б,в. Нетрудно заметить, что имеются две характерные области управления.
Рис. 5.8. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (а), токи и напряжения на элементах схемы при работе на активную (б, в) и активно-индуктивную (г, д) нагрузки
Первая находится в диапазоне углов π/6 > α > 0 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока, а вторая начинается при углах α > π/6, причем в кривой выпрямленного тока в этом случае возникают паузы, в течение которых мгновенное значение выпрямленного тока равно нулю. Среднее выпрямленное напряжение в первой области регулирования
(5.7)
Каждый вентиль работает в этом случае треть периода.
Во второй области регулирования ток через вентиль обрывается при прохождении мгновенного выпрямленного напряжения через нуль. Длительность прохождения тока через вентиль меньше λ и равна 2π/3, так как λ = π – α – π⁄6.
Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае определяется следующей формулой:
. (5.8)
Как видно из последней формулы, предельным углом управления является угол α =150°.
Рис. 5.9. Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой (а) и кривые напряжения на элементах схемы (б–д)
Среднее выпрямленное напряжение для режима работы со сглаженным выпрямленным током
(5.9) Предельный угол управления α = 90°. На рис. 5.9, д показано изменение напряжения на вентиле для угла управления α = π/3.
Максимальное обратное напряжение на вентиле Uобр =2,45U21.
Максимальное прямое напряжение на вентиле Uпр.мах =U21 sinα.
Вследствие некоторой специфики работы системы управления вентилями трехфазной управляемой мостовой схемы при работе на активную нагрузку целесообразно рассмотреть режим работы при Lн = 0.
Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.10, а.
Рис. 5.10. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель (а), кривые фазного (б) и выпрямленного (в) напряжений при работе на активную нагрузку
На рис. 5.10, б и в изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые выпрямленного напряжения схемы для трех значений угла управления α. Следует отметить, что для работы мостовой схемы необходимо подавать на вентили управляющие импульсы длительностью больше 60° или сдвоенные импульсы.
Причина такого требования становится ясной из рассмотрения принципа работы схемы. В случае использования одиночных импульсов с длительностью меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два вентиля в анодной и катодной группах.
Кроме того, как видно из рис. 5.10, б, при углах управления α > 60° при активной нагрузке в кривой выпрямленного напряжения появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной, вступающий в работу, вентиль подавать повторный управляющий импульс на соответствующий вентиль в противоположном плече или же использовать импульсы с длительностью больше 60°.
Кривая выпрямленного напряжения (рис. 5.10, в) в диапазоне изменения угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления α > 60° ток нагрузки становится прерывистым.
Для режима I: UНα=U0соs α.
Для режима II: UНα = U0[1+ сos(π/3+ α)] (см. рис. 5.10, в).
Предельным углом регулирования является в этом случае угол αп=120°.
Наибольший интерес представляет режим работы схемы со сглаженным током (LН=∞) [8]. В этом случае ток нагрузки непрерывен во всём диапазоне управления. На рис. 5.11, а и б показан характер изменения выпрямленного напряжения и токов.
Токи вентилей V1, V2, V3 показаны условно выше нулевой линии, а токи вентилей V4, V5, V6 ниже.
На интервале от t1 до t2 включен вентиль V1 (см. рис. 5.13,а). Потенциал катода вентиля по отношению к нулевой точке изменяется по синусоиде фазного напряжения Uα, причем в начале интервала он положителен, а в конце отрицателен. В момент t2 включается вентиль V2 и ток переходит на него. В интервале t2-t3 ток нагрузки проходит через вентиль VЗ. В момент t3 вступает в работу вентиль V3 и работает до момента t4. Среднее выпрямленное напряжение для всего диапазона управления UHα = U0cosα. Угол регулирования 90°.
Данная схема выпрямления является наиболее распространенной, так как позволяет обходиться без трансформатора и имеет по сравнению с трехфазной нулевой схемой (см. рис. 5.11, а и б) вдвое большую частоту пульсаций. Недостатками схемы являются большое число управляемых вентилей и сложность системы управления, в частности, из-за необходимости изолировать цепи управления вентилей анодной группы.
На практике находит применение схема выпрямителя с несимметричным управлением (или «полууправляемая» мостовая схема), в которой управление осуществляется только вентилями катодной группы, а в анодную группу установлены неуправляемые вентили.
Среднее значение выпрямленного напряжения схемы с несимметричным управлением
(5.10)
Следовательно, диапазон изменения угла регулирования при несимметричном управлении увеличился до 180°.
Рис. 5.11. Кривые фазного (а) и выпрямленного (б) напряжения
Тиристорные преобразователи (ТП) для двигателей постоянного тока (ДПТ) выпускаются многими фирмами во всех странах. Наиболее совершенны ТП фирмы Siemens, которые выпускаются на ток от 15 до 2000 А, комплектно для цепи якоря и возбуждения [9]. Якорный контур выполняют по управляемой схеме. Если требуется реверсивный ТП, то используют двух- мостовые схемы. Питание ТП производится от трёхфазной сети 0,4; 0,6 кВ. Контур возбуждения выполняют по полу управляемой мостовой схеме питаемой от сети 220/380 В.
При управлении и регулировании также играют роль и вспомогательные функции, выполняемые микропроцессорной системой. Ввод заданий, режимов работы может производиться в цифровом и аналоговом виде.
Панель управления содержит: светодиоды состояния и кнопки ввода параметров, кнопки вверх, вниз, светодиоды готов, работа, сбой. Комфортные панели содержат жидкокристаллический дисплей 4*16. Предусмотрено управление через ПК, подключаемый к преобразователю через интерфейс.
Функции регулирования в якорном контуре. Скорость двигателя задаётся через: аналоговый сигнал U = 0-10В или I = 0-20 mА; встроенный потенциометр; последовательный интерфейс; дополнительный модуль. Контроль скорости идёт через: тахометр ТГ с U = 8/250 В. Возможна работа без тахометра, контролем ЭДС ДПТ. Функциональная схема ТП для питания якорной цепи приведена на рис. 5.12.
Рис. 5.12. Функциональная схема ТП для ДПТ
Функции регулирования в контуре возбуждения. Регулятор ТП сравнивает текущие значения U и ЭДС. двигателя и вырабатывает задание для регулирования тока возбуждения.
В схеме ТП приведенной на рис. 5.12 управление напряжением на двигателе осуществляет микропроцессор МК в соответствии с заданием, программой и сигналами ОС по току, скорости и ЭДС двигателя. Микропроцессорный контроллер управляет тиристорным выпрямителем UZ, выполненным по схеме Ларионова; пульсации напряжения фильтруются LC фильтром.