Современная элементная база силовой электроники

Одним из весьма эффективных направлений энергосбере­гающих технологий является широкое применение устройств силовой электроники. Достигнутый за последние 20 лет уро­вень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся об­ласти техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.

Промышленное освоение полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями коммутируемой мощности, КПД, массогабаритных показателей и надежности, позволило осуществлять экономичное преобразование электроэнергии и открыло широкие возможности для создания современных преобразовательных устройств.

В горной промышленности устройства силовой электроники находят все большее применение в коммутационных аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирования скорости электроприводов технологических установок, агрегатов бесперебойного питания и др.

Силовая электроника — область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов, которые, как правило, работают в ключевых режимах, пропуская или блокируя поток электроэнергии, что позволяет изменением алгоритмов их переключения управлять усредненными значениями мгновенной мощности по требуемым законам. Это интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая по существу все сферы деятельности человека — промышленность, добывающие отрасли, транспорт и др.

Основными элементами силовой электроники служат полупроводниковые приборы, обладающие характеристикой ключевого элемента, которые коммутируют (включают и от­ключают) участки электрической цепи.

Действие ключевого элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выклю­ченном — весьма большим сопротивлением.

Основными параметрами ключевого элемента являются сопротивление во включенном и выключенном состояниях, остаточное напряжение и быстродействие, определяемое временем переключения.

Потери мощности в ключе сказываются на КПД силового электронного устройства, поэтому их снижение является одной из основных задач разработчиков приборов.

Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение на повышение рабочих частот силовых электронных устройств.

В то же время повышение рабочих частот силовых электронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой электронике за последние годы. Это дает возможность улучшить технико-экономические показатели преобразовательных устройств и повысить их быстродействие.

В настоящее время функции ключевых элементов выполняют полупроводниковые приборы различных типов. К элементам силовой электроники относят приборы, рассчитанные на предельные значения среднего или действующего значе­ния тока более 10 А.

Классификацию ключевых элементов проводят по степени их управляемости. При этом под признаком управляемости подразумевают возможность переводить прибор из проводя­щего состояния в непроводящее и обратно посредством воз­действия на него маломощным управляющим сигналом.

Управляемые полупроводниковые приборы по степени управляемости подразделяются на следующие группы:

1. Не полностью управляемые приборы, которые можно посредством управляющего сигнала переводить только в проводящее состояние, но не наоборот (традиционные тиристо­ры, симмисторы).

2. Полностью управляемые (запираемые) приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно посредством управляющего сигнала (транзисторы, запирае­мые тиристоры).

Силовая электроника начиная с 80-х годов переживает вторую революцию. Ее интенсивное развитие обусловлено освоением производства за последние 15 — 20 лет новых пол­ностью управляемых приборов силовой электроники, из ко­торых в настоящее время наибольшее распространение полу­чили следующие типы:

1. Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor);

2. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor);

3. Запираемые тиристоры (GTO-Gate-Turn-Off);

4. Запираемые тиристоры с интегрированным управлени­ем (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor). 5. Запираемые тиристоры, коммутируемые по управляе­мому электроду (GCT-Gate-Commutated Thyristor).

6. Запираемые тиристоры с полевым управлением (MCT-Cortrol Thyristor), содержащие в системе управления два полевых транзистора, один из которых обеспечивает про­цесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой аналогично — процесс выключения ти­ристора.

Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управ­ления современных приборов силовой электроники позволя­ет реализовать силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле технологическими приемами изготавливают­ся силовые ключевые элементы, устройства их управления, защиты и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных силовых (Smart Intelligent) схем. Их можно определить как устройства функционально и конструктивно объединяющие элементы силовой и информационной элек­троники на основе высоких технологий и интеграции.

Области применения приборов силовой электроники сле­дующие.

Традиционные тиристоры (SCR) — преобразователи с ес­тественной (сетевой) коммутацией большой (свыше 1 МВ·А) мощности, применяемые для электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемых электроприводов пере­менного тока, мощных статических компенсаторов реактив­ной мощности, технологических целей (электролиз, гальвани­ка, плавка).

Запираемые тиристоры (GTO) — преобразователи мощно­стью в сотни киловольт-ампер (а в будущем свыше 3 МВА) для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных), мощных агрегатов бесперебойного питания (АБП), статических компенсаторов реактивной мощности.

GCT превосходит GTO по быстродействию и стойкости к скоростям изменения тока и напряжения. Последние разра­ботки GCT способны блокировать напряжение до б кВ и управлять током до 6 кА.

Тиристоры МСТ имеют ряд принципиальных преимуществ перед тиристорами типа GTO и GCT в отношении быстро­действия и в более простой реализации управления.

Область применения GCT и МСТ аналогична GTO.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — преобразователи мощностью до единиц мегавольт-ампер для электроприводов переменного тока, АБП, статических компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров, ключевых источников питания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) — высокочастотные преобразователи (сотни кило­герц) и низковольтные преобразователи для приводов вен­тильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников питания.

Симмисторы (Triac) — преобразователи для пуска и управления двигателями переменного тока, ключи и реле.

В настоящее время перечисленные полностью управляе­мые приборы силовой электроники вытесняют практически из всех областей применявшиеся ранее традиционные тири­сторы (SCR-Silicon Controlled Rectifier) и биполярные силовые транзисторы (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же коммутируемых токах и напряжениях они имеют значи­тельно меньшие мощности управления и время коммутации, более высокую стойкость к перегрузкам по току и напряже­нию, а также более широкую область безопасной работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность систем управления обеспечили значительное улуч­шение технико-экономических показателей (снижение габа­ритов и массы, повышение надежности и КПД) преобразова­тельного оборудования на базе IGBT по сравнению с обору­дованием с использованием тиристоров (SCR).

IGBT является продуктом развития технологии силовых транзисторов и сочетает в себе два транзистора в одной по­лупроводниковой структуре: биполярный (образующий сило­вой канал) и полевой (образующий канал управления). При­бор введен в силовую цепь выводами биполярного транзи­стора Е (эмиттер) и С (коллектор), а цепь управления — вы­водом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних выхода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной струк­туре позволило объединить достоинства полевых и биполяр­ных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии.

Коммерческое использование IGBT началось с 1980-х годов и уже прошло четыре стадии своего развития. Параметры IGBT существенно улучшались, утраиваясь каждые два года.

I поколение (1985 г.): предельные коммутируемые напря­жения 1000 В и токи 200 А, прямое падение напряжения в открытом состоянии 3,0 — 3,5 В, частоты коммутации до 5 кГц (время включения/выключения около 1 мкс).

II поколение (1991 г.): коммутируемые напряжения до 1600 В, токи до 500 А, прямое падение напряжения 2,5 — 3,0 В, частота коммутации до 20 кГц (время включения/выключения около 0,5 мкс).

III поколение (1994 г.): коммутируемые напряжения до 3500 В, токи до 1200 А, прямое падение напряжения 1,5 — 2,2 В, частота коммутации до 50 кГц (время включе­ния/выключения около 200 не).

IV поколение (1998 г.): коммутируемые напряжения до 4500 В, токи до 1800 А, прямое падение напряжения 1,0 — 1,5 В, частота коммутации до 50 кГц (время включе­ния/выключения около 200 нc).

IGBT в устройствах силовой электроники будет занимать доминирующее положение как минимум и следующее деся­тилетие.

По прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные биполярные транзисторы и GTO в преобразо­вательном оборудовании мощностью до единиц мегавольт-ампер. В области малых мощностей и низковольтных преоб­разователей будут доминировать MOSFET, а в области боль­ших мощностей (выше 3 MB·А) — GTO.

За последние годы рядом фирм (ABB, «Mitsubishi») освоено производство нового класса приборов силовой электроники IGCT-тиристоров, управляемых по затвору. По сравнению с GTO у IGCT значительно снижены падение напряжения при прямом токе и мощность управления (снижена примерно в 5 раз), уменьшены статические и динамические потери, значи­тельно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготовлен и с 1996 года проходит опытную эксплуатацию преобразова­тель мощностью 100 MB·А (г. Бремен).

Число квалификационных испытаний и опыт эксплуатации преобразователей на базе IGCT показали, что для 3 МВ·А трехфазного инвертора можно получить наработку на отказ не менее 45 лет и интенсивность потока отказов не более 2300 FIT (FIT соответствует одному отказу на миллиард часов).

Ожидается, что приборы IGCT будут основными элемен­тами для применения в области средних и больших напряже­ний мощностью от 0,5 до 100 МВА. Это достигается последо­вательным соединением мощных приборов. Высокая надеж­ность IGCT и возможность последовательного соединения достаточного числа приборов открывает широкие перспек­тивы их применения в области очень высоких мощностей и в специальном силовом оборудовании.

Таблица 5.1 Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники с двухсторонним теплоотводом
Тип прибора	Преимущества	Недостатки	Относительная стоимость
Традиционный тиристор (SCR)	Самые низкие потери во включенном состоя­нии. Самая высокая пере­грузочная способность. Высокая надежность. Возможность парал­лельного и последовательного соединения	Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота
Запираемый тиристор (GTO)	Способность к управ­ляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способ­ность. Возможность последо­вательного соединения. Рабочие частоты до 250 Гц при напряже­нии до 4 кВ	Высокие потери во включенном состоянии. Очень большие потери в системе управления. Сложные систе­мы управления. Большие потери при переключении
Запираемый тиристор с интегрирован­ным управле­нием (IGCT)	Способность к управ­ляемому запиранию. Перегрузочная способ­ность такая же, что у СТО. Низкие потери во включенном состоянии на переключение. Рабочие частоты до единиц кГц. Встроенный блок управления. Возможность последо­вательного соединения	Не выявлены из-за недостаточно­го опыта эксплуатации
Биполярный транзистор с изолирован­ным затвором (IGBT)	Способность к управ­ляемому запиранию. Высокая рабочая час­тота (десятки кГц). Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер	Большие потери во включенном состоянии

С учетом дополнительных требований по низкой стоимо­сти, малого числа элементов в преобразователе и высокой эффективности в сравнении с другими приборами силовой электроники IGCT не имеют реальных конкурентов в этом диапазоне мощностей.

На ряде предприятий электронной промышленности ос­воено промышленное производство силовых полевых транзи­сторов с изолированным затвором (MOSFET). Воронежский завод полупроводниковых приборов производит более десяти типов таких приборов.

 

ВЫПРЯМИТЕЛИ

С помощью выпрямителей осуществляется преобразова­ние энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители широко применяются в электроприводе по­стоянного тока, в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока, в системах возбуждения синхронных дви­гателей.

Выпрямители классифицируются по нескольким призна­кам. По числу фаз напряжения переменного тока их подраз­деляют на однофазные и трехфазные, а по виду схемы сило­вой части — на мостовые и с нулевым выводом. По управ­ляемости (возможности регулирования напряжения на выхо­де выпрямителя) их подразделяют на неуправляемые, полу­управляемые и управляемые. Выпрямители, позволяющие из­менять полярность своего выходного напряжения, называют­ся реверсивными, они обычно состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей.

В силовой части неуправляемых выпрямителей использу­ются диоды и их модули, в полууправляемых — диоды и ти­ристоры, а управляемых — тиристоры. Для согласования уровней переменного (входного) напряжения и постоянного (выходного) напряжения в схемах выпрямителей используют­ся трансформаторы, которые одновременно выполняют роль гальванической развязки цепей переменного и постоянного тока.

В промышленных установках применяют различные схемы преобразования переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. При сравне­нии различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики: число полупроводниковых при­боров, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.

Рассмотрим типовые схемы выпрямления переменного тока.

Однофазная мостовая схема содержит четыре диода V1 — V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напря­мую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряже­ния, а в другую (точки 2 и 4) — нагрузка R_H. Общая точка 2 катодных выводов служит положительным полюсом выпря­мителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным. В од­нофазной мостовой схеме диоды работают поочередно пара­ми VI, V3 и V2, V4.

Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряже­ния применяют в основном в электроустановках малой мощ­ности.

Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 5.7, а) со­стоит из трех диодов. Анодные выводы диодов обычно под­ключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов. При активной на­грузке R_H ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (см. рис. 5.7, в). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, б и в (см. рис. 5.7, б), назы­ваемых точками естественной коммутации диодов, ток пре­кращает проходить в одном диоде и начинает протекать че­рез другой диод. Трехфазная нулевая схема позволяет полу­чать выпрямленное напряжение более сглаженной формы с переменной составляющей U_d~ меньшей амплитуды, чем однофазная мостовая. Наибольшее обратное напряжение U_{обр. max}, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного напряжения (см. рис. 5.7, г).

Недостаток трехфазной нулевой схемы — прохождение через вторичные обмотки тока (i_a2, i_b2, i_c2) только в одном на­правлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вызывающий дополнительный нагрев трансформатора. По­этому схему широко применяют только в выпрямительных установках с трансформаторами, ток вторичной обмотки ко­торых не превышает 100 А.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.8, а) со­стоит из шести диодов, которые образуют две группы: с об­щим катодным выводом (V1, V3 и V5) и общим анодным вы­водом (V2, V4 и V6). Диоды подключаются непосредственно к сети или через трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник.

В трехфазной мостовой схеме в любой момент времени при активной нагрузке ток проходит через два диода — один из нечетной, а другой — из четной группы. Диоды нечетной группы коммутируются в момент пересечения положитель­ных участков синусоид (точки а, б, в), а четной группы — в момент пересечения отрицательных участков (точки г, д, е). В результате при наличии двух групп получают шестипульсное выпрямление (кривая U_d0, см. рис. 5.8, б).

Достоинствами трехфазных мостовых схем, широко при­меняемых в выпрямительных устройствах, являются: неболь­шой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обратное напряжение; малая габаритная мощность трансформаторов; отсутствие вынужденного подмагничивания, так как ток во вторичной обмотке трансформатора из­меняет свое направление.

Управляемые выпрямители позволяют преобразовать переменный ток в постоянный и плавно изменять выпрям­ленное напряжение от нуля до максимального значения.

В настоящее время в электроприводах постоянного тока и в системах возбуждения синхронных двигателей основной элементной базой при построении управляемых выпрямите­лей являются тиристоры.

Тиристоры — не полностью управляемые полупроводни­ковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояния­ми равновесия: открытым (проводящим ток) и закрытым (не проводящим тока). Тиристор (рис. 5.9, а), имеющий три элек­трода (анодный вывод А, катодный К и управляющий элек­трод У), начинает проводить ток в том случае, если к анод­ному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляющий сигнал. При приложении к анодному выводу положительного потен­циала сопротивление тиристора будет зависеть от управляю­щего тока. При отсутствии управляющего сигнала (I_у = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляю­щего тока (I_у = I_ун) тиристор перейдет в открытое состояние и проводимость его будет высокой.

Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управ­ления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательно­го напряжения.

Для управления тиристором используют систему импульсно-фазного управления (СИФУ), которая формирует управ­ляющий импульс нужной формы и мощности, а также осу­ществляет сдвиг по фазе импульса относительно напряжения сети.

Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофаз­ной сети на активную нагрузку (см. рис. 5.9, а). Предполо­жим, что управляющий импульс в интервале Ωt₀ - Ωt₁ от­сутствует (I_у = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку R_H практические не проходит (см. рис. 5.9, б).

После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (I_у = I_ун) тиристор открывается (см. рис. 5.9, в), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижа­ется. Под действием напряжения сети U_c через нагрузку R_H проходит ток I_н (см. рис. 5.9, г), который зависит от напря­жения сети и сопротивления резистора (интервал Ωt₁ — Ωt₂). При отрицательном напряжении на анодном выводе (интер­вал Ωt₂ — Ωt₃) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору при­кладывается обратное напряжение U_обр (см. рис. 5.9, д). На рис. 5.9, б, д приняты обозначения: U_H — напряжение на на­грузке; U_aк — напряжение анод — катод тиристора; U_yк — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом.

Для изменения среднего значения выпрямленного напря­жения U_d необходимо сдвинуть по фазе управляющий им­пульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения не­обходимо управляющий импульс подавать с отставанием по отношению к точке естественной коммутации тиристора (см. рис. 5.9, в). Сдвиг по фазе между точкой естественной ком­мутации тиристора и моментом подачи управляющего им­пульса называется углом регулирования α.

В электроприводах находят применение также сдвоенные тиристоры, называемые симмисторами, которые обладают свойствами встречно-параллельно соединенных тиристоров, но имеют лишь один управляющий электрод. При подаче управляющего сигнала симмистор открывается для обеих по­луволн переменного тока.

Однофазный полууправляемый преобразователь пере­менного тока в постоянный. В полууправляемом однофазном преобразователе, имеющем в плечах мостовой схемы управ­ляемые и неуправляемые диоды, выходное напряжение все­гда положительно, поэтому поток энергии направлен из сети к двигателю. В электропроводах с полууправляемыми преоб­разователями рекуперация энергии в сеть невозможна.

Схема, графики токов и напряжений при симметричном управлении тиристорами и непрерывном токе якоря изобра­жены на рис. 5.10.

В полууправляемом преобразователе тиристор VS1 пере­ходит в открытое состояние в момент, соответствующий углу α, а тиристор VS2 — углу π + α относительно питающего на­пряжения u. В течение фазового интервала α < Ωt < π двига­тель подключается к сети через тиристор VS1 и диод VD2, а напряжение на зажимах якорной цепи u _я равно питающему u. При Ωt > π напряжение и изменяет полярность. Ток якоря i_я теперь потечет через обратный диод VD0, поскольку тири­стор VS1 закрыт. Обратный диод выполняет функцию защи­ты преобразователя от перенапряжений. В фазовом интервале π < Ωt < π+α цепь якоря закорочена обратным диодом, в связи с чем напряжение на якоре u _я = 0.

В интервале открытого состояния тиристора (α < Ωt < π) энергия поступает из сети и преобразуется в энергию, запасаемую в индуктивности якорной цепи L_я, кинетическую энергию движущихся частей электропривода и полезную ра­боту. В фазовом интервале π < Ωt < π + α тиристор закрыт, запасенная в индуктивности энергия преобразуется в меха­ническую, а продолжающий протекать по якорной цепи ток i_я создает электромагнитный момент. В этом интервале энер­гия в сеть не возвращается.

Таким образом, в полууправляемом преобразователе про­исходит чередование интервалов, в одном из которых двига­тель соединен с сетью через открытый тиристор, а в дру­гом — отсоединен от сети.

Уравнения для якорной цепи двигателя, управляемого от полууправляемого преобразователя, имеют вид:

где e_я — ЭДС двигателя.

При α = 0 и синусоидальной форме питающего напряже­ния среднее значение напряжения якорной цепи определяет­ся по формуле

 

где U — действующее значение напряжения переменного тока на входе преобразователя.

В связи с невозможностью рекуперации энергии в сеть электродвигатель, управляемый от полууправляемого преоб­разователя, работает только в первом квадранте механиче­ских характеристик.

Однофазный полностью управляемый полупроводнико­вый преобразователь переменного тока в постоянный. В полностью управляемом преобразователе, показанном на рис. 5.11, а, тиристоры VS1 и VS3 переходят в открытое со­стояние одновременно в фазе α, a VS2 и VS4 — в фазе π + α. В этой схеме двигатель постоянно связан с сетью через пары тиристоров, причем в фазовом интервале α < Ωt < π + α открыты тиристоры VS1, VS3. В момент, соответствующий π + α, тиристоры VS2 и VS4 переходят в открытое состоя­ние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые тиристоры VS2 и VS4 прикладывается напряжение обратной по­лярности, которое закрывает их. Такая коммутация получила название естественной.

Ток якоря двигателей i _я, ранее протекающий через VS1 и VS3, теперь начнет протекать через тиристоры VS2 и VS4.

В течение фазового интервала α < Ωt < π энергия из сети передается двигателю, поскольку u, i, и u _я, i _я положительны, см. рис. 5.11, б. Напротив, в течение фазового интервала π < Ωt < π + α часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть, так как u _я и i _я, а также u и i, имеют разные знаки.

Уравнение для якорной цепи двигателя, управляемого от полностью управляемого преобразователя, имеет вид:

При синусоидальной форме питающего напряжения сред­нее значение напряжения якорной цепи для полностью управляемого преобразователя определяется по формуле

 

При α > 90° среднее значение напряжения якорной цепи становится отрицательным. Если ЭДС изменяет свою поляр­ность вследствие изменения направления вращения вала дви­гателя на противоположное, а направление тока в якорной цепи остается неизменным, то электрическая машина работа­ет как генератор, отдавая энергию в сеть. Режим работы пре­образователя, при котором энергия возвращается в сеть, на­зывается инверторным и применяется для рекуперативного торможения двигателя. Поскольку из-за односторонней про­водимости тиристоров ток якоря не изменяет свое направле­ние, а полярность напряжения якорной цепи может изме­няться, электропривод с одним комплектом полностью управ­ляемого преобразователя может работать в первом и четвер­том квадрантах механических характеристик.

В трехфазной мостовой схеме, в которой вместо диодов включены тиристоры (рис. 5.12, а), управляющие импульсы U_y1 – U_y2, поступающие от СИФУ, должны быть соответст­вующим образом сфазированы с напряжением трансформа­тора (сети), т.е. подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в и г, д, е (см. рис. 5.12, б) естественного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подавать на тиристоры в базо­вых точках, то получим наибольшее выпрямленное напряже­ние U_d0. При подаче управляющих импульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на угол α (рис. 5.12, б) тиристоры открываются позже, а среднее вы­прямленное напряжение U_{d ср} будет меньше, чем наибольшее выпрямленное U_d0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле

U_{d ср} = U_do cosα,

где α — угол регулирования ТП.

Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы тиристоров, а ток в любой момент протекает минимум че­рез два тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы (см. рис. 5.12, б), сдвинутые относительно друг друга на 60 эл. град. В этом случае имеет место одновременная подача им­пульсов в тиристоры двух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2, и т.д.). Наличие двух групп тиристоров обеспечивает шестипульсное выпрямление (кривая U_d, см. рис. 5.12, б).

 

ИНВЕРТОРЫ

Инвертированием называют процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Преобразователь, выполненный на базе полупроводниковых приборов и осуществляющий такое преобразование, называ­ется инвертором.

Автономным (самокоммутируемым и независимым) инвер­тором является преобразователь, выходные параметры кото­рого (форма, амплитуда, частота выходного напряжения) оп­ределяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы в отличие от инвертора, ведомого сетью, выходные параметры которого определяются параметрами сети.

В автономных инверторах коммутация вентилей осуществ­ляется либо включением и выключением полностью управ­ляемых полупроводниковых приборов, либо с помощью уст­ройств принудительной коммутации, входящих в состав схе­мы преобразователя и создающих коммутируемое напряже­ние, обеспечивающее включение не полностью управляемых полупроводниковых приборов.

Принцип действия автономного инвертора можно проил­люстрировать рис. 5.13, а. Если переключать попарно через полупериод T/2 ключи К1, КЗ и К2, К4, то график напряже­ния U_ab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплиту­дой U_ab = U и частотой f = 1/T (см. рис. 5.13, б). При ак­тивной нагрузке форма кривой тока будет повторять кривую напряжения. В схеме рис. 5.13, а очень просто увеличить число фаз, для чего нужно добавить пару ключей и подклю­чить нагрузку к точкам между ними (штриховые линии на рис. 5.13, а). В трехфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разница состоит лишь в том, что ис­точник питания и нагрузка поменялись местами.

Форму выходного напряжения и, следовательно, его гар­монический состав можно менять, изменяя продолжитель­ность включенного состояния t_iи момент включения t` пары ключей (штриховая линия на рис. 5.13, б).

Процессы усложняются при активно-индуктивной нагруз­ке. При этом схема (рис. 5.13, а) окажется неработоспособ­ной, поскольку при разрыве такой цепи напряжения на ключах достигнут бесконечно большой величины. Для обес­печения нормальной работы ключи шунтируют диодами, а источник питания, если его внутреннее сопротивление вели­ко — конденсатором (рис. 5.14, а). При прямоугольной форме напряжения, кривые тока будут состоять из участков экспо­нент (рис. 5.14, б). Напряжение и ток имеют различную форму и гармонический состав, первые гармоники тока и напряжения сдвинуты относительно друг друга на некото­рый угол.

Преобразование постоянного напряжения в переменное может осуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковых ключей. За последние годы в области средних и больших мощностей до 1000 кВт начинают широ­ко применяться инверторы на IGBT. Несмотря на более вы­сокую стоимость по сравнению с традиционными тиристора­ми, они представляют разработчикам более широкие воз­можности формирования напряжения и тока.

По характеру процессов, протекающих в автономных ин­верторах, их разделяют на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ).

Инвертор напряжения — инвертор, питаемый от цепи по­стоянного тока с преобладающими свойствами (характери­стиками) источника напряжения.

Схема (см. рис. 5.14, а) представляет собой инвертор на­пряжения, именно оно формируется принудительно, а ток существенно зависит от нагрузки. В схеме АИН источник по­стоянного напряжения подключен непосредственно к ключе­вым элементам, которые периодически с изменением поляр­ности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается переменным напряжением. Нагрузка в этом случае должна носить индуктивный или активно-индуктивный характер.

Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутации ключей часть энергии, накопленной в индуктив­ной нагрузке, возвращают в цепь источника постоянного на­пряжения. С этой целью ключевые элементы шунтируют быстро восстанавливающимися диодами, включенными «об­ратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды называют «обратными» диодами. Последние обеспечивают путь для протекания тока на интервалах вре­мени, на которых знаки тока и напряжения противоположны.

В АИН с трехфазным выходом минимальное число управ­ляемых ключей равно шести (рис. 5.15, а). Номера ключей соответствуют очередности вступления их в работу, пред­ставленной на диаграмме (рис. 5.15, б). Логика работы клю­чей: в каждой фазе обязательно должен быть замкнут один и только один из ключей в каждой паре (S1 или S4; S3 или S6; S5 или S2). В том случае, когда длительность открытого со­стояния каждого ключа равна π (и, следовательно, в откры­том состоянии всегда находятся три ключа) кривые фазных U_a0, U_b0, U_c0 и линейного напряжения U_ab, при соединении на­грузки по схеме звезда, имеют вид, показанный на рис. 5.15, в и г.

В выходном напряжении трехфазного мостового инверто­ра отсутствуют гармоники, кратные трем. Относительное значение 5-й гармоники равно 20 % основной, 7-й - 14,3 %, 11-й - 9 %, 13-й - 7,7 % и т.д.

Достоинствами АИН являются: жесткая внешняя характе­ристика, независимость формы выходного напряжения от параметров нагрузки, возможность работы при переменной частоте и, в частности, при низких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).

Инвертор тока — инвертор, питаемый от цепи постоян­ного тока с преобладающими свойствами источника тока.

Внешне АИТ похожи на АИН, имеют аналогичную струк­туру (рис. 5.16, а), однако процессы в них существенно раз­личаются. Основное различие — в способе питания: на входе АИТ включен реактор Ld, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты АИТ. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока и он получает пи­тание от источника тока. Напряжение — зависимая перемен­ная (рис. 5.16, б). Индуктивность сглаживающего реактора L_d оказывает существенное влияние на динамические характе­ристики АИТ. В частности, чем меньше L_d, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходе АИТ при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.

В АИТ ключевые элементы изменяют направление тока в нагрузке (но не его мгновенное значение), так что нагрузка

питается как бы от источника тока, что и нашло свое отра­жение в соответствующей терминологии — инвертор тока.

Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (см. на рис. 5.16, а конденсатор С_к), так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу схемы.

К числу достоинств АИТ относится сравнительно хорошая форма кривой выходного напряжения при наличии на выхо­де параллельного конденсатора. Основными недостатками АИТ являются падающая внешняя характеристика и зависи­мость величины и формы кривой выходного напряжения от частоты, в связи с чем обычно АИТ используется в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Преобразователем частоты называют полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты.

Преобразователи частоты классифицируются по мощно­сти, напряжению, числу фаз входного и выходного напряже­ний, схеме преобразования. Работа преобразователя и его технико-экономические характерист