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 Um1в переменное напряжение Um2с другим числом фаз т2 (рис. 5.1, г).
Регуляторы (трансформаторы) постоянного напряжения — это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одного значения U=1в 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.
Трехфазные выпрямители
В трехфазном однотактном выпрямителе с активной нагрузкой вентили работают поочередно по 2π/3 периода каждый, если не учитывать влияния на процесс коммутации вентилей индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток трансформатора. В каждый заданный момент времени работает вентиль фазы, напряжение которой является наибольшим, так как катоды всех трех вентилей имеют одинаковый потенциал, практически равный потенциалу анода открытого вентиля (падением напряжения на вентиле пренебрегаем), по отношению к которому потенциалы анодов двух других вентилей отрицательны (рис. 5.2, а).
Точки а, b, с (см. рис. 5.2, б) называют точками естественной коммутации, в них происходит смена проводящих ток вентилей.
В промежутке времени от а до б работает вентиль V 1фазы а, так как напряжение фазы Uа при этом наиболее положительно; в промежутке bс работает вентиль V 2фазы b, так как напряжение Uв становится наиболее положительным, и т. д.
Таким образом, каждый вентиль в условиях естественной коммутации работает в течение 2π/3, или в течение одной трети каждого периода выпрямленного тока.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
. (5.1)
Коэффициент пульсации:
g= 2/ (km)2 -1 =0,25. (5.2)
Однотактные трехфазные выпрямители применяют в выпрямителях средней мощности. Двухтактный трехфазный выпрямитель, в отличие от однотактного трехфазного выпрямителя, у которого вторичные обмотки трансформатора можно соединять только в звезду, позволяет соединять обмотки трансформатора как в звезду, так и в треугольник.
Рис. 5.2. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б)трехфазного однотактного выпрямителя при работе на активную нагрузку
Это значит, что с помощью одного силового трансформатора, переключая вторичные обмотки со звезды на треугольник, можно получить два выпрямленных напряжения, отличающихся в 1,7 раз (рис. 5.3, а, б). Каждый вентиль работает в течение одной трети каждого периода, но, поскольку четные и нечетные вентили переключаются со сдвигом по фазе, тосмена пар вентилей происходит каждую шестую долю периода.
Рис. 5.3. Принципиальная схема (а), временные диаграммы (б)двухтактного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме Ларионова и принципиальная схема (в), временные диаграммы выпрямителя с уравнительным реактором
При работе выпрямителя на активную нагрузку выпрямленное напряжение
, (5.3)
где U 2Л — линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U 2ф— фазное напряжение вторичной обмотки.
Число фаз выпрямления т = 6, поэтому коэффициент пульсации
m = 2 (σ2 - 1) =0,057.
Обратное напряжение U обр = 1,045 U 0.
Среднее значение тока через вентиль I ср= I 0/3.
Полная мощность трансформатора P тр=1,05 Р 0.
По всем показателям схема Ларионова превосходит рассмотренные ранее схемы выпрямления, поэтому она является одной из основных схем для выпрямителей большой мощности.