М29 А.А. Мартынов

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Силовая электроника. Часть I. Выпрямители и регуляторы переменного напряжения. Учебное пособие/ СПбГУАП. СПб., 2011. 177 с.; ил.

Рецензенты: доцент каф.31 к.т.н. Бураков М.В.;

ведущий научный сотрудник ФГУП ЦНИИ СЭТ к.т.н. Сергеев М.Ю.

 

 

Рассматриваются силовые полупроводниковые преобразователи элек­трической энергии, применяемые в системах регулируемого электроприво­да, электроснабжения и в качестве вторичных источников питания систем управления и радио­электронной аппаратуры. Основное внимание уделяется описанию построе­ния схем, анализу электромагнитных процессов и выводу расчетных со­отношений, определяющих энергетические показатели и характеристики выпрямителей и регуляторов переменного напряжения.

 

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Силовая электроника», «Полупроводниковые преобразователи электрической энергии», «Полупроводниковые устройства систем управления», «Промышленная электроника», «Проектирование вторичных источников питания», «Проектирование источников питания радиотехнических устройств».

 

 

Введение

Силовая электроника включает в себя полупроводниковые приборы и полупроводниковые преобразователи электрической энернии. Физические свойства, устройство, принцип работы и характеристики полупроводниковых приборов достаточно полно излагаются в курсе «Электроника», поэтому в пособии основное внимание уделяется полупроводниковым преобразователям электрической энергии.

Полупроводниковые преобразователи электрической энергии находят широкое применение в самых разнообразных электротехнических установках и системах, так как в настоящее время только с помощью их внедрения можно полу­чить дальнейшее повышение КПД, снижение массы и габаритов, повышение точности, быстродействия и расширение диапазонов регулирования в тех­нологии и электроприводе.

Полупроводниковые преобразователи электри­ческой энергии применяются:

-в современных системах электроэнергетики в качестве быстро­действующих систем возбуждения синхронных генераторов, в системах передачи энергии на постоянном токе, в качестве статических компен­саторов реактивной мощности;

-в системах электроснабжения промышленных установок токами не­стандартных частот, а также постоянным током на тяговых подстанциях электрифицированного транспорта, в электрометаллургии, в установках питания лазеров, плазмотронов, физической аппаратуры;

-в системах электроснабжения автономных подвижных объектов при генерировании электрической энергии и при создании вторичных источ­ников питания приборных, вычислительных и радиоэлектронных систем, а также при преобразовании электрической энергии, вырабатываемой топ­ливными элементами, солнечными батареями и другими источниками;

- в системах электропривода промышленных предприятий, транспорта, станков с числовым программным управлением, промышленных роботов и различных устройств автоматического управления.

К полу­проводниковым преобразователям электрической энергии относятся следующие ти­пы преобразователей:

-выпрямители – преобразователи переменного тока в постоянный;

-инверторы – преобразователи постоянного тока в переменный;

-преобразователи частоты и числа фаз переменного тока;

-регуляторы переменного напряжения;

-преобразователи напряжения постоянного тока.

Выпрямители, инверторы и другие полупроводниковые преобразовательные устройства выполняются в настоящее время на по­лупроводниковых вентилях.

Рассмотрим кратко основные типы полупроводниковых приборов (вентилей), применяемых в полупроводниковых преобразователях.

Полупроводниковые приборы (вентили) делятся на два класса- на неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры и транзисторы) [9]. Управляемые вентили в свою очередь подразделяются на два подкласса: c неполным управлением и с полным управлением.

 

 

 

Рис.1. Условные обозначения полупроводниковых приборов

 

Условные изображения основных полупроводниковых приборов (полупроводниковых вентилей), применяемых в полупроводниковых преобразователях электрической энергии, приведенына рис. 1, где обозначены:

а – диод;

б – тиристор (однооперационный управляемый вентиль) триодный с управлением по катоду;

в – запираемый тиристор (двухоперационный управляемый вентиль) с управлением по катоду;

г – биполярный транзистор (п-р-п - типа);

д – биполярный транзистор (р-п-р - типа);

е – полевой транзистор с р-п - переходом с каналом п -типа;

ж – полевой транзистор с р-п- переходом с каналом р -типа;

з – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) со встроенным каналом р -типа и выводом от подложки;

и – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) со встроенным каналом п -типа;

к – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом р -типа и выводом от подложки;

л – полевой транзистор МДП типа (с изолированным затвором) с индукционным каналом п -типа;

м – комбинированный транзистор (IGBT- транзистор) с каналом п -типа.

 

Обозначение выводов элементов, приведенных на рисунке 1:

А – анод;

К– катод;

УЭ – управляющий электрод;

К-Э – коллектор – эмиттер транзисторов;

Б – база транзистора;

З – затвор;

И – исток;

С – сток;

П – подложка.

 

Диоды

 

Диоды –неуправляемые полупроводниковыеприборы, обладающие односторонней проводимостью. Условное обозначение диода приведено на рис. 1, а. Диод проводит ток при подаче на него напряжения в прямом направлении («+» - на аноде, «-» на катоде). Часто при рассмотрении характеристик полупроводниковых преобразователей электрической энергии применяют допущения – считают полупроводниковые приборы идеальными. Вольт-амперная характеристика идеального диода приведена на рис. 2, а. В таком приборе имеется нулевое падение напряжения ∆U _в.пр при протекании прямого тока, нулевой обратный ток I _обр при приложении отрицательного напряжения и лавинообразный процесс нарастания аварийного обратного тока при отрицательном напряжения, превышающем величину напряжения пробоя U _пр.

Выбор диода выполняют по двум параметрам: по среднему значению прямого тока, протекающего через него в открытом состоянии, I _а, и максимальному значению обратного напряжения, прикладываемого к вентилю в закрытом состоянии, U _{обр max}.

Справочные данные по параметрам диодов приведены в конце учебного пособия (см. табл. 10 – 14).

Вентиль с неполным управлением – это однооперационный управляемый вентиль (тиристор).

Вентили с неполным управлением характеризуются тем, что переход из состояния «выключено» в состояние «включено» возможен даже при кратковременном воздействии маломощным сигналом по цепи управления при наличии на вентиле напряжения в прямом направлении («+» – на аноде, «-» на катоде), т.е. напряжения такой полярности, при которой он может пропускать ток. Переход вентиля из состояния «включено» в состояние «выключено», т.е. запирание вентиля и прекращение протекания через него прямого тока, возможен только при смене полярности напряжения на вентиле (на выводах «анод-катод»), т.е. при приложении к нему напряжения обратной полярности («-» - на аноде, «+» на катоде). Таким образом, неполная управляемость означает, что вентиль можно включить воздействием по цепи управления, но невозможно выключить по цепи управления. Для выключения тиристора

а) б)

 

 

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики идеального диода (а) и идеального тиристора (б)

 

необходимо сменить полярность напряжения на вентиле на обратную. Вольт-амперная характеристика идеального однооперационного вентиля представлена на рис. 2, б. Как следует из изложенного, однооперационпый управляемый вентиль способен запирать (блокировать) прямое приложенное к тиристору напряжение вплоть до подачи импульса управления на управляющий электрод тиристора.

Принятые на рис. 2 обозначения:

I _а – анодный ток;

U _а – напряжение анод-катод;

U _пр – напряжение пробоя при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении;

U _пр.кл– напряжение переключения при приложении к вентилю напряжения в прямом направлении;

I _обр – ток, протекающий через вентиль при приложении к вентилю напряжения в обратном направлении;

∆U _в.пр – прямое падение напряжения на открытом вентиле.

Основные параметры тиристоров, с учетом которых производится их выбор:

I _а – среднее значение тока тиристора, по которому он маркируется заводом изготовителем исходя из уровня допустимых потерь активной мощности (выделения тепла) в вентиле при прохождении прямого тока.

U _{пр max} – максимально допустимое прямое напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;

U _{обр max} – максимально допустимое обратное напряжение, которое тиристор может выдерживать без пробоя;

t _в – время восстановления управляющих свойств тиристора, определяется как минимально необходимая продолжительность приложения к нему обратного напряжения (при его выключении) после прохождения прямого тока, в течение которого тиристор восстанавливает свои запирающие свойства и к нему вновь можно приложить прямое напряжение;

du _пр /dt – предельная скорость нарастания прямого напряжения на тиристоре, при превышении которого возможно включение тиристора в прямом направлении. Для большинства современных тиристоров этот показатель находится в пределах от 100 до 1000В/мкс.;

di _пр. /dt – предельная скорость нарастания прямого тока тиристора при его включении, связанная с его неполным распределением по площади р-n- перехода. Обычно этот показатель находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен А/мкс.;

f _пр– предельная частота импульсов прямого тока, до которой вентиль может работать без снижения допустимого среднего значения анодного тока. Для низкочастотных тиристоров и диодов эта величина равна 400Гц, а для высокочастотных- до 10,…, 20кГц.

∫ι² d t – защитный показатель вентиля - это значение временного интеграла от квадрата ударного прямого тока, возникающего при аварии, при превышении которого вентиль разрушается. Чем больше значение аварийного прямого тока через вентиль, тем меньше его длительность;

U _уэ, I _уэ – напряжение и ток управления тиристора, протекающий в цепи управления тиристора. Значение параметров: U _уэ – несколько вольт, а I _уэ –доли ампера.

В качестве примера основных характеристик современных однооперационных управляемых вентилей приведем предельные эксплуатационные показатели тиристоров серии Т:

рабочие токи – до 10000А;

рабочее напряжение – до 6500В;

ударные токи – до 100 кА;

коммутируемые мощности до 10 МВт в длительном режиме и до 500 МВт в импульсном режиме. Справочные данные по нескольким типам тиристоров приведены в табл. 20 – 22 в конце учебного пособия.

Для диодов и тиристоров введены условные обозначения классов по напряжению и условные обозначения для групп:

по допустимой скорости изменения напряжения на тиристоре (du/dt); по времени выключения тиристора, t _q;

по времени обратного восстановления, t _rr.

Условные обозначения классов тиристоров и диодов.

Таблица 1

 

 

Класс по напряжению					….
U обр max,В					….

Условные обозначения групп для тиристоров (d u /d t);

Таблица 2

 

Обозначения группы		Р3	А3	К2	Е2	А2	…	Е1	С1	В1
(d u /d t)критич, В/мкс	Не норми руется						…

 

Условные обозначения групп для небыстродействующих тиристоров по времени восстановления, t _q

Таблица 3

Обозначения группы		В2	С2	Е2	Н2	…	В3	С3	Е3	Н3
	-	-		-		-		-	-
t q, мкс	Не норми руется					…

Условные обозначения групп для быстродействующих тиристоров по времени восстановления, t_q

Таблица 4

Обознач. группы

С3

Е3

Н3

К3

М3

…

К4

Р4

Х4

В5

Е5

-

-

-

-

-

t q, мкс

Не норми руется

…

3,2

1,25

0,8

0,5

Условные обозначения групп для быстровосстанавливающихся диодов по времени обратного восстановления, t _rr.

Таблица 5

Обозначение группы		А4	В4	С4	Е4	…	А6	Е6	Н6	Р6	А7
	-	-	-						-	-
t rr, мкс	Не норми руется			6,3		…	0,1	0,05	0,04	0,02	0,01

 

Приведенный выше в табл. 1-5 широкий спектор параметров тиристоров и диодов позволяет разработчику полупроводникового преобразователя подобрать полупроводниковые вентили с параметрами, наиболее близко совпадающими с теми, что были определены в процессе расчета преобразователя.