СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

PAGE \* MERGEFORMAT 9

ЛЕКЦИЯ №11

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

Силовой электроникой называют область науки и техники, которая решает проблему создания силовых электронных приборов, а также проблемы получения значительной электрической энергии, управления мощными электрическими процессами при использовании в качестве основного инструмента электронные устройства.

Наиболее широко используются полупроводниковые приборы.

Для получения электрической энергии в некоторых странах широко используются солнечные элементы. Однако, доля этой энергии в общем объеме электроэнергии невелика. Однако солнечные элементы считаются очень перспективными источниками электрической энергии, не нарушающие энергетический баланс на Земле.

Управление мощными электрическими процессами является именно той проблемой, при решении которой силовые полупроводниковые приборы широко используются, а интенсивность их применения быстро возрастает. Это объясняется достоинствами силовых полупроводниковых приборов, основными из которых являются высокое быстродействие, малое падение напряжения в открытом состоянии и малый ток в закрытом состоянии, высокая надежность, малые размеры и вес, простота в управлении и т.д.

Все эти достоинства привели к тому, что полупроводниковые приборы, а также электронные устройства на их основе постоянно совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение области применения силовой электроники.

Наиболее распространенными типовыми устройствами силовой электроники являются:

• бесконтактные переключающие устройства переменного и постоянного тока;
• выпрямители;
• инверторы;
• преобразователи частоты и т.д.

По существу устройства силовой электроники выполняют преобразование мощных электрических сигналов, поэтому силовую технику называют также преобразовательной техникой.

Существенным фактором, благотворно влияющим на распространение устройств силовой электроники, является развитие информативной электроники, микропроцессорной техники.

Электронные устройства потребляют значительную мощность. Поэтому даже небольшое увеличение КПД дает большую экономию электроэнергии. Устройства с меньшим коэффициентом очень часто неконкурентоспособны.

В силовых цепях, как правило, не должны использоваться резисторы, рассеивающие существенную мощность, т.к. это снижает КПД. Кроме силовых электронных приборов, источника питания и нагрузки в них могут использоваться катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы, которые в идеальном случае не рассеивают мощность.

Одним из наиболее эффективных способов улучшения технико-экономических показателей устройств является повышение частоты переключения силовых приборов.

Катушка индуктивности:

Рис. 11.1. Катушка индуктивности

Ток i определяется выражением , где i0 – начальное значение тока катушки, L – индуктивность катушки, u – напряжение на катушке, t – время.

Пусть используется прямоугольное напряжение (рис. 11.1) с периодом Т и частотой f=1/Т, причем i0=0.

Тогда импульсы тока будут треугольными, а их амплитуда Im определится выражением

.

Отсюда следует, что при заданных значениях Um и Im увеличение частоты позволяет уменьшить индуктивность, а это обеспечивает уменьшение геометрических размеров катушки.

Трансформатор с ферромагнитным сердечником, который работает на холостом ходе (т.е. вторичная обмотка не подключена к нагрузке):

Рис. 11.2. Трансформатор с ферромагнитным сердечником

В соответствии с законом электромагнитной индукции , где и1 – напряжение первичной обмотки, - потокосцепление, 1 – число витков первичной обмотки, S – площадь сечения проводника, В – магнитная индукция сердечника, t – время.

Отсюда получаем, что , где В0 – начальное значение магнитной индукции.

Пусть используется прямоугольное напряжение (рис. 11.2) с периодом Т и частотой f=1/Т, причем В0=0. Тогда импульсы магнитной индукции будут треугольными.

Из-за нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля для сердечника форма тока i1 первичной обмотки может сильно отличаться от треугольной.

Амплитуда Вт магнитной индукции определяется выражением

.

Отсюда следует, что при заданном значении U1т и выбранным значением Вт увеличение частоты позволяет уменьшить число витков первичной обмотки или площадь сечения сердечника, что обеспечивает уменьшение геометрических размеров и массы трансформатора.

Данный вывод остается справедливым и в случае работы трансформатора на нагрузку.

Конденсатор:

Рис. 11.3. Конденсатор

Напряжение и определяется выражением , где и0 – начальное напряжение конденсатора, С – емкость конденсатора, i – ток конденсатора, t – время.

Пусть через конденсатор протекает прямоугольный ток (рис. 11.3) с периодом Т и частотой f=1/Т, причем и0=0.

Тогда импульсы напряжения будут треугольными, а их амплитуда Uт определяется выражением

.

Из этого следует, что при заданных значениях Uт и Im увеличение частоты обеспечивает уменьшение емкости и, соответственно, геометрических размеров конденсатора.

Однако повышение частоты переключения силовых приборов увеличивает мощность, идущую на их нагрев.

Кроме того, при увеличении частоты импульсов все сильнее проявляется поверхностный эффект в проводниках (и сечения проводников, в том числе и обмоток, используются все хуже), увеличивается влияние паразитных индуктивностей и емкостей, увеличивается уровень электромагнитных наводок в конструктивных элементах, а также помех в цепях управления и в окружающем пространстве.

Поэтому выбор частоты переключения силовых приборов должен выполняться на основе всестороннего анализа.

Для предотвращения поражения электрическим током обслуживающего персонала и защиты цепей управления должна быть предусмотрена гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей. Гальваническая развязка может защитить цепи управления не только от высоковольтных сигналов, способных вывести из строя, но и от электромагнитных помех, создаваемых силовыми цепями. Обычно для гальванической развязки используют оптроны или трансформаторы.

Гальваническая развязка питающей электрической сети и нагрузки обеспечивается трансформаторами.

Часто устройство силовой электроники представляет собой систему со сложным взаимодействием ее элементов. Фактически после каждого очередного переключения силового прибора в устройстве начинается новый переходный процесс.

Практически безальтернативным способом анализа является математическое моделирование, которое может дать полную информацию о процессах, происходящих в устройстве.

При анализе следует учитывать паразитные индуктивности, емкости, сопротивления проводников. Эти параметры сильно зависят от особенностей конструкции силового устройства.

Мощные импульсы тока, особенно при малой длительности передних фронтов и срезов, могут создавать значительные сигналы помех в цепях управления и радиопомехи.

Эффективным способом снижения сигналов помех в цепях управления является скрутка соединительных проводов (использование витых пар), а также экранирование соединительных проводов.

БЕСКОНТАКТНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ПРЕРЫВАТЕЛИ)

Эти устройства называют также регуляторами и переключателями. Прерыватели являются сравнительно простыми по схемотехническим решениям и принципам действия, но и эффективными устройствами силовой электроники, позволяющими подключать нагрузку к питающей сети и отключать ее.

Прерыватели переменного тока

В прерывателях переменного тока обычно используются незапираемые тиристоры или симисторы.

Изменение полярности напряжения питающей сети обеспечивает выключение таких силовых приборов при уменьшении их токов до нуля.

Прерыватели на тиристорах. Прерыватель, подключенный к активной нагрузке с сопротивлением Rн.

Предположим, что входное напряжение – синусоидальное: , где Uвхт – амплитудное значение входного напряжения, - круговая (угловая) частота, t – время.

Рис. 11.4. Прерыватель на тиристорах

Система управления формирует в необходимые моменты времени импульсы для включения тиристоров. Через iy1 и iy2 обозначены токи управляющих электродов.

В силовой электронике используется понятие угла управления. Углом управления называют угол сдвига по фазе между началом каждой положительной полуволны входного напряжения и соответствующим моментом включения тиристора Т1, а также равный ему угол сдвига по фазе между началом каждой отрицательной полуволны и соответствующим моментом включения тиристора Т2.

Пусть угол управления равен нулю. Т.к. =0. то в каждый момент времени один из тиристоров будет включен и напряжение ит будет практически нулевым (напряжение на включенном тиристоре составляет примерно 1 В). Поэтому напряжение на нагрузке будет повторять входное напряжение (рис. 11.5).

Пусть =90 электрических градусов. В этом случае (рис. 11.6) действующее напряжение на нагрузке будет пониженным.

При =180 электрических градусов напряжение на выходе будет нулевым.

Действующее напряжение Uвых напряжение на выходе при изменении угла управления в радианах для 0 определяется выражением:

.

Эту зависимость называют регулировочной характеристикой.

Рис. 11.5. Работа прерывателя при =0

Рис. 11.6. Работа прерывателя при =90

Фазовое управление, рассмотренное на примере прерывателя на тиристорах, широко используется в силовой электронике. Оно характерно тем, что изменение напряжения на нагрузке достигается изменением угла управления.

Т.к. включение силовых приборов производится с помощью импульсов управления, фазовое регулирование называют импульсно-фазовым управлением.

Использование импульсов управления обеспечивает включение тиристоров в строго заданные моменты времени и облегчает их режим работы. Однако достаточно часто используются простейшие схемы управления со сравнительно медленным нарастанием тока управления.

Рассмотрим схему управления с контактом кнопки или реле (рис. 11.7).

Рис. 11.7. Схема прерывателя с контактом кнопки или реле

При разомкнутом контакте S тиристоры не включаются.

Пусть контакт замкнут, uвх>0 и тиристоры выключены. Тогда, uт=uвх>0. При этом будет протекать ток в цепи по следующему направлению: аD2R1Sцепь управления тиристора Т1b.

Пренебрегая падением напряжения на диоде D2 и в цепи управления, получаем

.

По мере роста напряжения uвх этот ток будет увеличиваться и тиристор Т1 включится.

Тиристор Т2, находящийся под обратным напряжением, является выключенным. Ток iy2=0

После включения тиристора Т1 uт=1, поэтому iy1=0 (включение тиристора автоматически снимает сигнал управления).

При изменении полярности входного напряжения тиристоры меняются ролями.

Таким образом, данная схема обеспечивает работу прерывателя при угле управления, близком к нулю, не позволяет плавно изменять действующее напряжение на нагрузке и дает возможность только включать ее или отключать.

Одним из проблем использования устройств прерывателей является применение схем, защищающих силовые приборы от перенапряжений. Уменьшение влияния перенапряжения достигается применением RC-цепочки и варистора (нелинейный резистор, ток которого начинает быстро возрастать после достижения напряжением некоторого порогового значения).

Преимуществами бесконтактных переключающих устройств в сравнении с контактными являются:

• большая допустимая частота переключений;
• большой срок службы;
• бесшумность;
• простота обслуживания и малые эксплуатационные расходы.

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ