1 Общие сведения о преобразователях (1). Полупроводниковые преобразователи напряжения
 Скачать 2.24 Mb.
|
|
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ 1. Общие сведения о преобразователях К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся: 1. Выпрямление переменного тока – преобразование переменного тока в постоянный ток. 2. Инвертирование тока – преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии дает постоянный ток, а для потребителей нужна энергия переменного тока. 3. Преобразование частоты – преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. 4. Преобразование числа фаз – в ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный или, наоборот, однофазного в трехфазный. 5. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей – диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением. Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Появление новых силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ – IGBT) перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются. Импульсные преобразователи получают широкое распространение в источниках питания бортовой аппаратуры, зарядных устройствах, сварочных агрегатах и целом ряде новых применений (пускорегулирующие устройства осветительных установок, электрофильтры и пр.). 1 2.Импульсные преобразователи 2.1 Особенности импульсного метода регулирования постоянного напряжения Регулирование постоянного напряжения посредством импульсных преобразователей (ИП) принято называть импульсным регулированием. С помощью импульсного преобразователя источник постоянного напряжения периодически подключается к нагрузке. В результате на выходе преобразователя формируются импульсы напряжения. Если регулирующий элемент преобразователя считать идеальным ключом (рисунок 2.1,а) и пренебречь сопротивлением соединительных проводов, то в интервале, когда ключ замкнут (интервал проводимости), мгновенное напряжение на нагрузке равно напряжению источника питания, а в интервале, когда ключ разомкнут (интервал паузы), мгновенное напряжение на нагрузке равно нулю. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять изменением времени открытого состояния импульсного элемента регулятора по отношению к периоду коммутации. При этом регулируется относительное время проводимости ключа за период, что приводит к плавному изменению среднего значения напряжения на нагрузке. Выходное напряжение идеального преобразователя представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся скважностью (рисунок 2.1,в). Рисунок 2.1 - Принцип построения импульсных преобразователей постоянного напряжения Для преобразования импульсного напряжения преобразователя в постоянное напряжение служит демодулятор, который представляет собой дроссель Дрфи диод Вф (рисунок 2.1,б). В течение интервала проводимости в дросселе Дрф запасается энергия; в течение интервала паузы эта энергия передается нагрузке через диод Вф, в результате ток нагрузки iн получается сглаженным, а ток источника э.д.с. id пульсирующим (рисунок 2.1,г,д). 2 Регулирование относительного интервала проводимости импульсного элемента осуществляют либо путем изменения интервала проводимости ключа при постоянстве частоты его прерывания (рисунок 2.2,а), либо изменением частоты при постоянстве интервала проводимости (рисунок 2.2, б) импульсного элемента. Такое регулирование называют широтно- импульсным, а преобразователи - широтно-импульсными преобразователями (ШИП). Рисунок 2.2 - Методы импульсного регулирования постоянного напряжения Второй метод реализуется более простыми и экономичными устройствами. Однако, если предъявляются жесткие требования к величине пульсаций выходного напряжения, применяется первый метод, позволяющий использовать при постоянной частоте настроенные фильтры. Преимущества широтно-импульсных преобразователей: 1) высокий к.п.д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности в случае непрерывного регулирования; 2) слабая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим параметром является время проводимости ключа, а не величина внутреннего сопротивления регулирующего элемента, что имеет место при непрерывном регулировании; 3) высокое быстродействие, 4) возможность получения значительных пусковых моментов электрических двигателей 5) высокая точность управления при сохранении устойчивости; 6) гибкость регулирования выходного напряжения в широком диапазоне. Однако широтно-импульсным преобразователям присущи и некоторые недостатки: 1) импульсный режим работы регулирующего элемента обусловливает значительные пульсации выходного напряжения, что приводит к необходимости устанавливать громоздкие фильтры; 3 2) наличие громоздких фильтров вызывает инерционность процесса регулирования в замкнутых системах; 3) импульсные преобразователи неустойчиво работают на импульсную нагрузку; 4) высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи ШИП приводят к возникновению радиопомех. Несмотря на указанные недостатки, применение импульсных преобразователей перспективно в тех случаях, когда на первое место выдвигаются требования высокой экономичности, надежности, малых габаритов, малой чувствительности к колебаниям температуры, высокой гибкости и точности регулирования. 2.2 Классификация широтно-импульсных преобразователей Схемы тиристорных широтно-импульсных преобразователей, представленные на рисунке 2.3, можно классифицировать по их признакам. Импульсные преобразователи постоянного напряжения делятся на две большие группы: нереверсивные и реверсивные. Последние обычно используются для регулирования электроприводов и представляют собой широко известные схемы автономных мостовых инверторов напряжения. Группу нереверсивных ШИП можно разделить на два больших класса - параллельные и последовательные. Рисунок 2.3 - Варианты схемотехнических решений силовой части импульсных преобразователей с ШИП последовательного типа постоянного напряжения В ШИП последовательного типа, представленном на рисунке 2.3,а, рабочий тиристор Вр включен последовательно с нагрузкой. Кроме того, в схеме предусмотрены коммутирующий узел (предназначен для запирания рабочего тиристора) и система управления. Выходная часть устройства состоит из фильтрующего дросселя Дрф, нагрузки Rн и диода Вф. На входе схемы включен блокировочный конденсатор Свх, емкость которого определяется внутренним сопротивлением источника питания и частотной коммутации. 4 Нагрузочная часть схемы может быть выполнена либо с автотрансформаторным (рисунок 2.3,в) включением диода Вф, либо с подключением его к отпайке фильтрующего дросселя (рисунок 2.3, б). Первая схемная модификация выходной цепи применима тогда, когда напряжение на нагрузке не регулируется до значений, близких нулевым. Такое включение дает возможность скомпенсировать внутренние потери напряжения в схеме. Вторая схемная модификация выходной цепи позволяет получить режим работы со значительным отношением . В данной схеме обе секции дросселя Дрф включены последовательно с нагрузкой, что приводит к снижению бросков тока черезтиристор Вр, когда он работает в режиме больших токов и малых скважностей . Характерной особенностью последовательных ШИП является невозможность получения напряжения на их выходе выше напряжения источника питания. Классификацию последовательных импульсных преобразователей необходимо проводить с учетом особенностей их коммутирующих цепей. Схемы последовательных ШИП строятся двояко в зависимости от выполнения узлов коммутации. В одних устройствах узел коммутации связан либо с цепью рабочего тиристора, либо с цепью нагрузки, в других он отделен от этих цепей. Первую группу последовательных ШИП называют импульсными преобразователями с зависимыми узлами коммутации, или просто зависимыми ШИП, а вторую группу - импульсными преобразователями с независимыми коммутирующими узлами или независимыми ШИП. 2.3 Зависимые ШИП с зарядом коммутирующего конденсатора через рабочий тиристор Схема ШИП с параллельной емкостной коммутацией изображена на рисунке 2.4. Рисунок 2.4 - Схемотехническое решение силовой части импульсного преобразователя с параллельной емкостной коммутацией 5 Принцип действия ее заключается в следующем. При отпирании рабочего тиристора Вр ток протекает через нагрузку, и конденсатор С заряжается до напряжения источника питания через тиристор Вр и резистор R к. После отпирания коммутирующего тиристора Вк конденсатор С разряжается через тиристоры Вки Вр, что приводит к запиранию последнего. При работе данной схемы на емкостную нагрузку или нагрузку другого вида с противо-Э.Д.С. в процессе коммутации возникают недопустимо большие токи. Существенным недостатком ШИП с параллельной емкостной коммутацией является то, что в процессе переключения, напряжение на нагрузке достигает удвоенных значений питающего напряжения. От этого недостатка свободна схема с резонансной коммутацией (рисунок 2.5). В течение интервала коммутации напряжение на нагрузке в данной схеме меняется менее чем на 2 в. К недостаткам схемы с резонансной коммутацией следует отнести сложность настройки резонансного контура с конденсатором С и дросселем Дрк, а также большее по сравнению с первой схемой число элементов. Рисунок 2.5 - Принципиальная схема силовой части ШИП с параллельной резонансной коммутацией ШИП с автотрансформаторной коммутацией (рисунок 2.6) отличается тем, что заряд коммутирующего конденсатора происходит не только в результате резонанса, но также вследствие магнитной связи обмоток автотрансформатора АТ. Эта особенность обусловливает более устойчивую коммутацию при изменениях нагрузки. Схема обеспечивает возможность коммутации значительных токов при меньшем значении емкости коммутирующего конденсатора. Кроме того, ШИП с автотрансформаторной коммутацией менее чувствителен к вибрациям, не требует сложной настройки и удобен в эксплуатации, что дало ему широкое распространение в регулируемом электроприводе. Заряд коммутирующих конденсаторов рассмотренных схем осуществляется через рабочий тиристор, что может привести к сбоям в работе ШИП в результате ухудшения перезаряда конденсатора при снижении нагрузки. 6 Рисунок 2.6 - Принципиальная схема силовой части ШИП с параллельной автотрансформаторной коммутацией 2.4 Зависимые ШИП с зарядом коммутирующего конденсатора через нагрузку ШИП с дополнительным тиристором На рисунок 2.7 изображена схема широтно-импульсного преобразоваться с дополнительным коммутирующим тиристором и линейным дросселем в узле коммутации. Рисунок 2.7 - Принципиальная схема силовой части ШИП с дополнительным тиристором К моменту отпирания рабочего тиристора Вг коммутирующий конденсатор С заряжается до напряжения источника питания через элементы Дрк, В/к, Др0, Rн. Отпирание рабочего тиристора приводит к появлению тока в цепи нагрузки. После включения коммутирующего тиристора Вк образуется колебательный контур Дрк, С, Вк. В течение первого полупериода колебаний ток разряда конденсатора протекает через тиристор Вк в прямом направлении. Диод В/к не сможет пропускать ток до тех пор, пока не изменится знак напряжения на конденсаторе, а ток в колебательном 7 контуре не достигнет нулевого значения. Такой момент наступают после полного перезаряда конденсатора. Диод В/к открывается, в результате чего образуется новый колебательный контур С, Дрк, В/к, Вр, ток которого снижает ток через рабочий тиристор до нуля. После запирания тиристора конденсатор С разряжается через нагрузку. Закономерности изменения тока и напряжения накоммутирующем конденсаторе ШИП с дополнительным тиристором приведены на рисунке 2.8. Главным ограничением в применении тирующем конденсаторе шип рассматриваемой схемы является то, что с дополнительным тиристором в процессе коммутации броски тока через тиристор Вк намного превышают амплитуду тока через рабочий тиристор; данная зависимость наиболее сильно проявляется при высокой частоте коммутации ШИП. Это приводит к необходимости увеличения мощности коммутирующего тиристора, т. е. увеличения установленной мощности импульсного преобразователя. Рисунок 2.8 - Временные диаграммы тока и напряжения на коммутирующем конденсаторе ШИП с дополнительным тиристором ШИП с дросселем насыщения В схеме ШИП с дросселем насыщения (рисунок 2.9) коммутация осуществляется с помощью насыщающегося дросселя. Дроссель насыщения выполняет теже функции, что и элементы Вк, Дрк, В/кв предыдущей схеме. Кроме того, дроссель Дркобеспечивает задержку времени, которая ранее осуществлялась цепью управления тиристора Вк. Рисунок 2.9 - Принципиальная схема силовой части ШИП с дросселем насыщения в звене коммутации 8 Основным достоинством данной схемы является наличие одного тиристора, что упрощает систему управления. Недостатком этого ШИП является значительная установленная мощность дросселя насыщения. Временные диаграммы схемы ШИП с дросселем насыщения приведены на рисунке 2.10. Рисунок 2.10 - Временные диаграммы схемы ШИП с дросселем насыщения ШИП с комбинированной коммутацией ШИП с комбинированной коммутацией, принципиальная схема силовой части которого представлена на рисунке 2.11, имеет более сложное решение узла коммутации. Здесь дополнительный тиристор Вк, линейный дроссель Дрк и дроссель насыщения Дрнобъединены в одном коммутирующем контуре, поэтому такую схему ШИП называют схемой с комбинированной коммутацией. При комбинированной коммутации обеспечиваются преимущества обоих рассмотренных ранее ШИП. ШИП с комбинированной коммутацией более экономичен, так как используемые в нем дроссель насыщения и тиристор Вк имеют меньшую мощность, чем в предыдущих схемах. Диод ВL предотвращает протекание обратного тока через дроссель Дрки, следовательно, срыв колебаний в коммутирующем узле схемы. Рисунок 2.11 - Принципиальная схема силовой части ШИП с комбинированной коммутацией 9 Комбинированная коммутация снижает установленную мощность тиристора Вкдо З0 % в сравнении со схемой (рисунок 2.7), габариты дросселя насыщения уменьшаются в несколько раз по сравнению со схемой (рисунок 2.9). Таким образом, несмотря на то, что в ШИП с комбинированной коммутацией используется большее число элементов, чем в любой из схем (см. рисунки 2.7, 2.9), такой преобразователь оказывается более экономичным и малогабаритным, что обусловливает целесообразность его применения. Общим недостатком трех последних схем является связь контура коммутации с цепью нагрузки, что затрудняет коммутацию в режимах малых нагрузок и делает невозможной работу устройства на холостом ходу. Для устранения этого недостатка достаточно ввести в контур коммутации специальные зарядные цепочки Дрз, Вз (показаны пунктиром на каждой из рассмотренных схем), а рабочий тиристор зашунтировать встречным диодом и индуктивностью. 2.5 Независимые ШИП с последовательной трансформаторной коммутацией Импульсные преобразователи с независимыми коммутирующими узлами обеспечивают устойчивую работу систем питания в широком диапазоне нагрузок. Наиболее известными представителями данной группы ШИП являются импульсные преобразователи с гашением рабочего тиристора от отдельного источника. В качестве ключевого элемента контура коммутации в данных устройствах обычно используются мощные транзисторы. Однако ШИП с индивидуальными источниками коммутации не нашли широкого распространения ввиду, необходимости в отдельном источнике питания. В схемах независимых ШИП в качестве источника запирающего напряжения обычно используется предварительно заряженный конденсатор, как это имело место в рассмотренных выше устройствах. Возможны самые различные схемные решения указанного принципа, однако общая идея коммутации рабочего тиристора сохраняется во всех ШИП данного типа. Рассмотрим несколько схем ШИП с независимыми узлами коммутации. Схема ШИП с трансформаторной коммутацией рабочеготиристора изображена на рисунке 2.12. Рисунок 2.12 - Принципиальная схема силовой части ШИП с трансформаторной коммутацией рабочеготиристора 10 При подаче напряжения uк на контур коммутации происходит резонансный заряд конденсатора С через элементы В/к, Дрки первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ. Рабочий тиристор Вр отпирается по цепи управления, в результате чего нагрузка обтекается током от источника питания. Для гашения рабочего тиристора включается тиристор Вк, в результате конденсатор С разряжается через тиристор Вк и первичную обмотку импульсного трансформатора, на вторичной обмотке которого создается напряжение, обратное по знаку питающему напряжению и превышающее его по величине. Ток в цепи рабочего тиристора прерывается. Коммутирующий тиристор Вк начнет запираться после достижения током разряда конденсатора нулевого значения. Данную схему целесообразно применять тогда, когда необходимо разделить по напряжению питания контур коммутации и силовую цепь. Зачастую такая задача возникает в электроприводе, где для питания силовой цепи требуется напряжение порядка сотен вольт. 2.6 Независимые ШИП с двойным коммутирующим контуром Для питания динамической нагрузки нашли применение ШИП с двойным коммутирующим контуром (рисунок 2.13.). Рисунок 2.13 - Принципиальная схема силовой части ШИП с двойным коммутирующим контуром Схема включает в себя рабочий тиристор Вр и четыре вспомогатель-ных тиристора В1, В/1, В2, В/2, основное назначение которых - обеспечивать надежноезапирание рабочего тиристора Вр. Контуры Др1, С1, Др/1, С/1 являются резонансными. Импульсные преобразователи с двойными коммутирующими узлами обеспечивают надежную работу устройства в режимах малых нагрузок, позволяют получать гибкость и высокую плавность регулирования в широком диапазоне скоростей электропривода. К недостаткам схемы можно отнести сложность схемотехнического решения коммутирующего узла и, как следствие сложность системы управления тиристорами. 11 2.7 Параллельные ШИП Характерной особенностью параллельных ШИП является возможность получения напряжения на нагрузке, превышающего по величине напряжение источника питания. Принцип построения таких преобразователей очевиден из (рисунок 2.14, а.)В качестве импульсного элемента здесь используется тиристор Др,который периодически замыкает источник питания на дроссель Дрф. В процессе размыкания рабочего тиристора на дросселе Дрфнаводится значительная ЭДС, направленная согласно с напряжением источника питания, в результате через диод Вфи выходной конденсатор Свихтечет ток, имеющий форму всплеска. Напряжение на нагрузке при этом равно сумме напряжений на дросселе Дрф и источника питания. Рисунок 2.14 - Варианты схемотехнических решений силовой части импульсных преобразователей с параллельными ШИП На практике применяется несколько схемотехнических решений параллельных ШИП. Иногда диод Вф подключается к отпайке фильтрующего дросселя Дрф (рисунок 2.14, б).Такое включение позволяет снизить потери мощности на коммутацию (за счет снижения величины ), однако степень повышения выходного напряжения при этом также уменьшается. Данная схема применяется, если необходимо поддерживать выходное напряжение достаточно стабильным, при изменениях нагрузки. Если требуется широкий диапазон регулирования выходного напряжения, применяется схема (рисунок 2.14, е) с подключением рабочего тиристора к отпайке фильтрующего дросселя. Однако такая схема обладает худшими энергетическими показателями за счет увеличения коммутационных потерь. Основные различия рассмотренных ШИП заключаются в особенностях выполнения их коммутирующих узлов схемотехнических решений силовой части, исходя из чего и проведена классификация существующих схем. 12 Электромагнитные процессы, протекающие в коммутирующих цепях ШИП, описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, так как моменты переключения ШИП зависят от параметров элементов контура коммутации. Приведенная классификация, отражающая особенности перезаряда коммутирующего конденсатора, облегчает выбор метода анализа процессов в ШИП, что очень важно, так как в настоящее время нет единого метода анализа нелинейных цепей. В каждом конкретном случае следует выбирать такой метод анализа, который позволил бы получить наименьшую погрешность конечного результата. В качестве примера проанализируем электромагнитные процессы в наиболее характерных схемах ШИП. 13 14 |