Классификация полупроводниковых преобразователей

Классификация полупроводниковых преобразователей

 

Преобразовательная техника (энергетическая электроника) – дисциплина, изучающая принципы действия и особенности преобразователей электрической энергии(преобразовательных устройств), применяемых в электроприводе, электрической тяге, электротермии, электротехнологии, электроэнергетике и т.д.

Преобразовательное устройство предназначено для управления потоком электрической энергии (видом, количеством, качеством), подводимой из сети, с целью регулирования режимов работы различных электротехнических устройств.

Управление - это регулирование по требуемому закону одной или нескольких координат (напряжение, ток, ЭДС).

Различают два способа управления:

- параметрический – это способ управления посредством изменения параметров цепей (активных и реактивных сопротивлений и т.п.). Характеризуется, как правило, низким КПД и дискретностью;

- энергетический – это способ управления посредством регулирование количества и качества подводимой электрической энергии.

В любом полупроводниковом преобразователе (ПП), как правило, можно выделить две части (рис. 1):

- силовую часть, в которой осуществляются все основные энергетические преобразования и передача энергии от первичного источника к потребителю;

- систему управления, в которой формируются сигналы управления работой силовых регулирующих элементов.

 

Структурная схема ПП

 

 

Принципы работы полупроводниковых преобразователей

 

Автономный инвертор (АИ) – это устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного, регулируемую по амплитуде, частоте, а возможно и фазе, при постоянном напряжении источника.

Принцип преобразования заключается в периодической смене полярности на нагрузке (периодическом подключении нагрузки к разнополярным источникам питания). При этом в статическом режиме длительности подключения к отрицательной и положительной шинам должны быть равны. Период первой гармонической составляющей на выходе преобразователя задается периодом переключения полярности. Варианты формирования выходного напряженияАИ приведены на рис. 5.

 

Варианты формирования выходного напряженияАИ

 

 

Рис. 5. а – прямоугольной формы с длительностью на 180 электронных градусов; б - с длительностью импульса 120 эл. градусов, длительность паузы – 60 эл. градусов; в - прямоугольной формы с использованием ШИР;

г - с использованием ШИМ

 

Достоинством второго варианта является то, что в выходном напряжении отсутствуют гармоники кратные трем.

Широтно-имульсное регулирование (ШИР) применяется для регулирования амплитуды выходного напряжения (рис. 5, в). При этом амплитуда первой гармонической составляющей выходного напряжения будет пропорциональна длительности импульса ШИР.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используется для приближения выходного напряжения к синусоидальному (рис. 5, г).

При необходимости формирования многофазной системы выходного напряжения используют инверторы соответствующей фазности. Простейший многофазный инвертор - это сумма однофазных инверторов, работающих при едином управлении, обеспечивающем требуемый сдвиг фаз многофазной системы.

 

Выпрямитель - это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Выпрямители делятся на неуправляемые, которые осуществляют только преобразование знака напряжения, и управляемые, которые преобразуют не только знак, но и уровень напряжения. Выходное напряжение однофазного неуправляемого выпрямителя имеет вид, приведенный на рис.6, а.

 

Искусственная коммутация.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Принципы регулирования

 

Импульсные преобразователи постоянного напряжения – это устройство, предназначенное для питания нагрузки постоянного напряжения отличного от напряжения источника.

Выходное напряжение импульсного преобразователя представляет собой последовательность прямоугольных импульсов.

Амплитуда импульсов близка к ЭДС источника. Выходное напряжение на нагрузке определяется средним значением импульсного напряжения. Требуемое качество выходного напряжения добивается путем включения фильтрующих элементов.

В основе преобразователей данного типа лежит ключевой режим работы мощных полупроводниковых приборов, для которых характерно малое падение напряжения на открытом p-n-переходе, что приводит к высокому КПД данных устройств. Основные элементы транзисторы, тиристоры.

Там, где применяется тиристор, неизбежно встает вопрос о его запирании в цепи постоянного тока. Для запирания используются внешние накопители электрической энергии (конденсаторы).

Коммутация тиристоров с помощью внешнего накопителя энергии называется искусственной.

Применение в качестве фильтрующих элементов сглаживающих реакторов позволяет запасать в них энергию и поддерживать за счет нее непрерывный ток нагрузки на интервале паузы. Чтобы возникнувшая при этом ЭДС индукции не выводила из строя p-n-переходы создается контур для замыкания реактивной составляющей тока с помощью обратных диодов.

Для сокращения габаритов преобразователя и индуктивности реактора необходимо максимально повышать частоту коммутации.

Регулирование среднего напряжения на нагрузке достигается за счет широтно-импульсного метода, частотно-импульсного метода и их совместного применения.

 

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t_и (рис. 3, а) при неизменном периоде их сле­дования (Т=const, частота f=1/T=const). Среднее значение выходного напряжения преобразователя при широтно-импульсном регулиро­вании связано с напряжением питания соотношением

где = t_и/T - коэффициент регулирования (преобразования).

 

Принципы импульсного регулирования

а) б)

Рис. 3. ШИР (а) и ЧИР (б)

 

В соответствии с (1) диапазон регулирования выходного напря­жения ИППН с ШИР составляет от нуля (t_и = 0, = 0) до Е (t_и = Т, =1).

При частотно-импульсном методе регули­рования (ЧИР) изменение выходного напряжения производит­ся за счет изменения частоты следования выходных импульсов (f=1/Т=var, рис. 3, б) при неизменной их длительности (t_и=const). Регули­ровочные возможности преобразователя характеризуются соотно­шением

Выходному напряжению, равному E, здесь соответствует предель­ная частота следования импульсов, равная 1/t_и, а нулевому выход­ному напряжению - нулевая частота f 0.

Совместное использование ШИР и ЧИР (комбинированное регу­лирование) заключается в изменении двух параметров выходных импульсов: t_и и f.

Выходное напряжение ППН

В основе схем ППН лежат пары встречно-параллельных включённых тиристоров, момент подачи управляющих импульсов у которого сдвигается относительно точки естественной коммутации на угол управления a (рис.15). В итоге, действующее значение напряжения нагрузки, уменьшается. В напряжении появляются высшие гармонические составляющие. Спектральный состав напряжения нагрузки тем хуже, чем больше задержка открытия.

При работе на активно-индуктивную нагрузку тиристор остаётся проводящим на интервале от a до p+d, где d - сдвиг момента перехода тока через ноль относительно перехода через ноль напряжения. Зона прерывистого тока (зона регулирования) сужается до размеров a-d, от куда логически следует вывод: о невозможности регулирования при aЈd, такой регулятор эффективен в основном на нагрузке с достаточно большим COSj.

Трёхфазные схемы ТРПН (рис.15д) строятся на базе элементарных пар. При построении диаг

рамм напряжений на нагрузке необходимо учитывать характер схемы и сдвиг фаз. Регулировочная характеристика:

 

 

Уравнение движения ЭП.

Причинами возникновения переходных режимов в электроприводах является либо изменение нагрузки, связанное с производственным процессом, либо воздействие на электропривод при управлении им, т.е. пуск, торможение, изменение направления вращения и т.п. Переходные режимы в электроприводах могут возникнуть также в результате аварий или нарушения нормальных условий электроснабжения (например, изменения напряжения или частоты сети, несимметрия напряжения и т.п.

Уравнение движение электропривода должно учитывать все силы и моменты,

действующие в переходных режимах.

При поступательном движении движущая сила F всегда уравновешивается силой сопротивления машины и инерционной силой возникающей при изменениях скорости. Если масса тела выражена в килограммах, а скорость - в метрах в секунду, то сила инерции, как и другие силы, действующие в рабочей машине, измеряются в ньютонах

В соответствии с изложенным уравнение равновесия сил при поступательном движении записывается так:

(2.22)

Аналогично уравнение равновесия моментов, для вращательного движения имеет следующий вид:

(2.23)

Уравнение (2.23) показывает, что развиваемый двигателем момент М уравновешивается моментом сопротивления на его валу и инерционным или динамическим моментом В (2.22) и (2.23) принято, что масса тела и соответственно момент инерции привода J является постоянными, что справедливо для значительного числа производственных механизмов.

Из анализа (2.23) видно:

1) при т.е. имеет место ускорение привода;

2) при т.е. имеет место замедление привода;

3) при в данном случае привод работает в установившемся режиме.

Вращающий момент, развиваемый двигателем при работе, принимается положительным, если он направлен в сторону движения привода. Если он направлен в сторону обратную движению, то он считается отрицательным. Знак минус перед указывает на тормозящее действие момента сопротивления, что отвечает усилию резания, потерям трения, подъему груза, сжатию пружины и т.п. при положительном знаке скорости.

При спуске груза, раскручивании или разжатии пружины и т.п. перед ставится знак плюс, поскольку в этих случаях момент сопротивления помогает вращению привода.

При учете сказанного о знаках моментов формула (2.23) соответствует работе двигателя в двигательном режиме при реактивном моменте сопротивления. В общем виде уравнение движения привода может быть записано следующим образом:

(2.23а)

Выбор знаков перед значениями моментов в (2.23а) зависит от режима работы двигателя и характера моментов сопротивления.

 

При выводе уравнений для статистических характеристик двигателя примем следующие допущения; реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту. Тогда уравнения для напряжения, ЭДС якоря и электромагнитного момента будут иметь вид

где - полное сопротивление цепи якоря,Ом; Ф- магнитный поток, Вб.

к= - конструктивный коэффициент двигателя; p-число пар полюсов;N-число активных проводников обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки якоря.

Из предыдущих формул-U и Е получаем формулу для электромеханической характеристики

Формулу для механической характеристики получим с использованием выражения – М

/(

2. Естественной - называется механическая характеристика двигателя, которая соответствует основной схеме включения двигателя, номинальным параметрам питающего напряжения и отсутствию в электрических цепях двигателя дополнительных элементов.

ω

4

 

 

0 3 2 М

Характеристики наиболее распространенных двигателей вращательного движения;

1. Д. Постоянного тока независимого возбуждения;

2. Д. Постоянного тока последовательного возбуждения;

3. А.Д.;

4. С.Д.

Жесткость естественной характеристики зависит от внутреннего сопротивления якорной цепи двигателя Внутреннее сопротивление якорной цепи включает собственное сопротивление якорной обмотки, сопротивление обмотки дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и щеток. Соответственно перепад скорости для естественной характеристики

Регулирование скорости АД.

Показатели

Для количественной оценки и сопоставления различных спосо­бов регулирования скорости используются следующие показатели.

Диапазон регулирования скорости, определяемый отношением максимальной скорости к минимальной, т.е. D= W_max/

Диапазон регулирования будет оп­ределяться отношением W_ном/W ипри заданном моменте нагрузки М_с.

Стабильность скорости, характеризуемая изменением скорости при возможных колебаниях момента нагрузки на валу двигателя и определяемая жесткостью его механических характеристик. Чем она больше, тем стабильнее скорость при изменениях момента нагруз­ки, и наоборот. В рассматриваемом примере большая стабильность обеспечивается при искусственной характеристике 3.

Плавность регулирования скорости, определяемая перепадом ско­рости при переходе с одной искусственной характеристики на дру­гую. Чем больше в заданном диапа­зоне регулирования скорости может быть получено искусственных харак­теристик, тем плавнее будет проис­ходить регулирование скорости.

Направление регулирования скорос­ти. В зависимости от способа воздей­ствия на двигатель и вида получаемых искусственных характеристик его ско­рость может увеличиваться или уменьшаться по сравнению с работой на естественной характеристике данном моменте нагрузки. В первом и М

случае говорят о регулировании скорости вверх от основной ха­рактеристики, во втором - вниз. Можно сказать, что регулирова­ние скорости вверх связано с получением искусственных механи­ческих характеристик, располагающихся выше естественной, а ре­гулирование скорости вниз обеспечивается характеристиками, рас­полагающимися ниже естественной.

Допустимая нагрузка двигателя. Электрический двигатель рас­считывается и проектируется таким образом, чтобы, работая на естественной характеристике с номинальными скоростью, током, моментом и мощностью, он не нагревался выше определенной температуры, на которую рассчитана его изоляция. В этом слу­чае срок его службы является нормативным и составляет обыч­но 15...20 лет. Поскольку потери энергии при нагреве двигателя пропорциональны квадрату тока, нормативный нагрев будет иметь место при протекания номинального тока в нем. Отметим при этом, что нагрев определяется также и условиями охлажде­ния (вентиляции) двигателя.

При регулировании скорости двигатель работает уже на искусственных характеристиках, т.е. при отличных от паспортных условиях. Поэтому для сохранения его нормативного нагрева и тем, са­мым расчетного срока службы нагрузка двигателя (при расчетных условиях его охлаждения) может быть только такой, при которой в нем протекает ток не выше номинального. Именно такая нагрузка и называется допустимой.

Все способы регулирования скорости делятся по этому призна­ку на две группы, для одной из которых характерна допустимая 4 нагрузка, равная номинальному моменту, а для другой - равная номинальной мощности двигателя. При правильном выборе способа регулирования скорости двигатель полностью используется в соответствии со своими возможностями во всем диапазоне ее изме­нения.

Экономичность регулирования скорости. Получение одних и тех же показателей (диапазона, стабильности, плавности и т.д.) мож­но обеспечить с помощью различных ЭП и способов регулирова­ния их скорости. Для выбора наиболее рационального вида регу­лируемого ЭП используются различные технико-экономические показатели - капитальные затраты на его реализацию, эксплуата­ционные расходы, срок окупаемости, надежность, удобство и про­стота в эксплуатации, серийность и унификация средств управле­ния и др. Оценка или сопоставление экономических показателей проводится при выборе возможных способов регулирования ско­рости данного ЭП (или различных ЭП). В результате анализа всех возможных вариантов выявляется экономически обоснованное ре­шение.

 

Классификация полупроводниковых преобразователей

 

Преобразовательная техника (энергетическая электроника) – дисциплина, изучающая принципы действия и особенности преобразователей электрической энергии(преобразовательных устройств), применяемых в электроприводе, электрической тяге, электротермии, электротехнологии, электроэнергетике и т.д.

Преобразовательное устройство предназначено для управления потоком электрической энергии (видом, количеством, качеством), подводимой из сети, с целью регулирования режимов работы различных электротехнических устройств.

Управление - это регулирование по требуемому закону одной или нескольких координат (напряжение, ток, ЭДС).

Различают два способа управления:

- параметрический – это способ управления посредством изменения параметров цепей (активных и реактивных сопротивлений и т.п.). Характеризуется, как правило, низким КПД и дискретностью;

- энергетический – это способ управления посредством регулирование количества и качества подводимой электрической энергии.

В любом полупроводниковом преобразователе (ПП), как правило, можно выделить две части (рис. 1):

- силовую часть, в которой осуществляются все основные энергетические преобразования и передача энергии от первичного источника к потребителю;

- систему управления, в которой формируются сигналы управления работой силовых регулирующих элементов.

 

Структурная схема ПП