Энергосберегающая энергетическая электроника

Министерство образования и науки Российской федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» УДК 621.311(07) Х818 Х.К. Харасов Энергосберегающая энергетическая электроника Конспект лекций для студентов заочного обучения Часть 1 Челябинск 2018 Оглавление. Лекция 1. Элементная база полупроводниковых преобразователей………………..…...2 Лекция 2. Преобразователи переменного напряжения в переменное той же частоты (Регуляторы переменного напряжения)………………………………………………17 Лекция 3. Преобразователи постоянного напряжения в постоянное (преобразователи DC/DC)…………………………………………………………..28 Лекция 4. Автономные инверторы ………………………………………………………35 Лекция 4 Энергетические показатели преобразователей ………………………………38 Лекция 1 Введение По данным Международного энергетического агентства в мире ежегодно производится около 50000 миллиардов кВт.часов электрической энергии. Для производства такого количества электроэнергии сжигаются миллионы тонн угля, нефтепродуктов, миллиарды кубометров газа. Продукты сжигания, попадая в атмосферу, отрицательно влияют на качество жизни людей. Поэтому внедрение энергосберегающих технологий является важнейшей задачей энергетиков и технологов. Основными потребителями электроэнергии являются: • электроприводы различного назначения - 51%; • освещение - 19%; • нагрев/охлаждение - 16%; • телекоммуникации - 14%. Повышение эффективности использования этих потребителей достигается, прежде всего, применением силовой электроники. Например, для регулируемого электропривода, по сравнению с традиционными схемами электропитания, это даёт следующие преимущества: • возможность регулировать скорость без снижения КПД привода; • возможность ограничивать напряжение, значит экономить на изоляции проводов статорной обмотки; • плавный запуск электропривода, исчезают динамические нагрузки в двигателях, что увеличивает срок их службы; • за счет регулирования частоты и напряжения из сети потребляется меньше электроэнергии; • Система управления преобразователем может обеспечить минимум потребления реактивной мощности из сети, что уменьшает потери активной мощности и электроэнергии в сетях. Использование полупроводниковых преобразователей в осветительной технике наряду с использованием более эффективных источников света позволяет экономить значительное количество электроэнергии при том же световом потоке. Значительную экономию электроэнергии даёт использование полупроводниковых преобразователей в технологических процессах нагрева и охлаждения. С точки зрения преобразования видов электрической энергии можно привести следующую классификацию: 1.Преобразователи переменного напряжения в переменное напряжение той же частоты (регуляторы напряжения); 2.Преобразователи постоянного напряжения в постоянное (импульсные преобразователи постоянного напряжения); 3.Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители); 4.Преобразователи постоянного напряжения в переменное напряжение (инверторы); 5.Преобразователи переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (преобразователи частоты); 6.Преобразователи числа фаз (например, однофазное напряжение в трёхфазное). В силовых преобразователях основными компонентами являются: • Диоды; • Тиристоры; • Мощные транзисторы. Диоды. Диод – полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только в одном направлении. Рис 1.1 иллюстрирует принцип работы диода. Рис. 1.1. Схема включения диода в электрическую цепь. У диодов имеются два слоя проводимостей: «электронная» (n-проводимость) и «дырочная» (p-проводимость) и один p-n переход. Напомним, электронная проводимость обусловлена наличием свободных электронов, а «дырочная» проводимость недостатком их на орбитах атомов. Диоды имеют два вывода: анод (p-слой) и катод (n – слой). Если к аноду приложить положительную полярность источника, а к катоду отрицательную, то диод будет проводить ток. Если выводы диода подключить к противоположным полярностям источника, то диод будет заперт. В этом режиме через диод протекает лишь незначительный (на несколько порядков меньший прямого тока) ток утечки, который называют обратным током утечки. Для большинства диодов этот ток не превышает 1 мА. Максимальное допустимое обратное напряжение лежит в пределах от десятков вольт до единиц киловольт. Если обратное напряжение, приложенное к диоду, превысит максимально допустимое значение, то происходит необратимый пробой р-п перехода и выход диода из строя. Однако существуют диоды, допускающие кратковременно превышение обратного максимального напряжения. Такие диоды называются лавинными. В прямом (проводящем) направлении напряжение на всех кремниевых диодах составляет (0.5 – 0.8) В. К разновидностям полупроводниковых диодов относятся: диоды Шоттки (с переходом металл-полупроводник), стабилитроны (с рабочей обратной ветвью вольт-амперной характеристики), варикапы (с ёмкостью р-п перехода, зависящей от приложенного обратного напряжения), однако перечисленные приборы в силовых цепях практически не используются. Основные технические параметры полупроводниковых диодов: • Номинальный ток в прямом направлении; • Обратный ток при обратном напряжении на диоде; • Максимальный выпрямленный ток; • Максимальный допустимый прямой ток; • Напряжение на диоде при протекании номинального тока; • Максимально допустимое обратное напряжение; • Диапазон рабочих температур. Тиристоры. Тиристор – многослойный полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями: включён или выключен. Различают следующие разновидности тиристоров: • Одно-операционный (полу-управляемый); • Опто-тиристор; • Лавинный тиристор; • Двух-операционный (управляемый по управляющему электроду); • Комбинированно выключаемый тиристор; • Симметричный тиристор (симистор). Одно-операционный тиристор - полупроволниковый не полностью управляемый (незапираемый) четырёхслойный прибор с двумя устойчивыми состояниями: включен или выключен. Различают одно-операционные тиристоры с управлением по катоду (рис.1.2, а) или с управлением по аноду (Рис. 1.2, б). а б Рис. 1.2. Условное графическое обозначение одно-операционных тиристоров. В тиристорах с управлением по катоду включение осуществляется путём подачи положительного импульса тока между управляющим электродом и катодом тиристора. После включения тиристор остаётся в этом состоянии и после снятия отпирающего импульса. Импульсы тока управления могут иметь различные длительности и формы: одиночный короткий, одиночный широкий, колоколообразный или в виде «частокола». Сравнительно широкие импульсы тока управления требуются для коммутации нагрузок индуктивного характера, что связано с необходимостью нарастания тока нагрузки больше тока удержания тиристора, после чего тиристор останется во включенном состоянии и после окончания управляющего импульса. Выключение тиристора происходит либо при изменении полярности напряжения между анодом и катодом, либо при снижении уровня анодного тока менее тока удержания. После запирания тиристора прямое напряжение к нему можно приложить только после определённого времени, называемого временем выключения тиристора. Оно необходимо для рассасывания электронов и «дырок» в полупроводниковых слоях. Опто-тиристор – тиристор с оптической развязкой цепей управления от высокого напряжения силовой части преобразователя. Наличие опто-диода или опто-транзистора в структуре такого тиристора позволяет обходиться без традиционных импульсных трансформаторов тока. Лавинный тиристор – тиристор, допускающий кратковременное перенапряжение без выхода его из строя (так же как у лавинного диода). При превышении максимального обратного напряжения в таком тиристоре возникает лавинный пробой без выхода тиристора из строя. Двух-операционный (запираемый) тиристор – это управляемый полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, включение и выключение которых осуществляется путём кратковременной подачи импульсов тока управления положительной полярности для включения, а отрицательной полярности для выключения. Таким образом, двух-операционный тиристор в отличие от одно-операционного тиристора может быть отключен импульсом управляющего тока отрицательной полярности. Комбинированно-выключаемый тиристор - это тиристор выключаемый по управляющему электроду с одновременной подачей отрицательного напряжения на анод тиристора. Существуют два типа комбинированно-выключаемых тиристоров: запираемый тиристор по аноду и запираемый тиристор по катоду. Симметричный тиристор – это полупроводниковый прибор, который может проводить электрический ток в обоих направлениях. Следовательно, симметричный тиристор (симистор) выполняет функции двух встречно включённых одно-операционных тиристоров и может использоваться в качестве бесконтактного ключа в цепи переменного тока. Принцип управления симистора не отличается от принципа управления одно-операционным тиристором. На рис.1.3. приведены условные графические обозначения различных тиристоров, установленные ГОСТ 2.730-73 VS1-динистор, VS2 – симметричный динистор VS3- незапираемый (однооперационный) тиристор с управлением по катоду; VS4- незапираемый (однооперационный) тиристор с управлением по аноду; VS5- симметричный незапираемый тиристор (симистор). Рис 1.3. Условные графические обозначения тиристоров Основные технические параметры тиристоров К основным параметрам тиристоров, устанавливаемым ГОСТ 20332-84, относятся параметры предельно допустимых режимов в закрытом состоянии, в открытом состоянии тиристоров, по цепи управления, а также динамические и тепловые параметры: • Постоянное напряжение в закрытом состоянии - наибольшее прямое напряжение, которое может быть приложено к прибору и при котором он находится в закрытом состоянии; • Постоянное обратное напряжение - наибольшее напряжение, которое может быть приложено к прибору в обратном направлении; • Напряжение в открытом состоянии - падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии; • Минимальное постоянное отпирающее напряжение управления - напряжение между управляющим электродом и катодом тиристора; • Ток утечки - ток в закрытом состоянии тиристора при определенном прямом напряжении; • Ток утечки - ток при определенном значении обратного напряжения; • Максимальное значение тока в открытом состоянии; • Минимальный отпирающий ток управления - наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора; • Ток удержания - наименьший прямой ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии; • Запираемый анодный ток тиристора - наибольшее значение анодного тока, при котором обеспечивается запирание двух-операционных тиристоров; • Максимальная рассеиваемая мощность; • Время включения тиристора - время переключения тиристора из закрытого состояния в открытое; • Время выключения - наименьший интервал времени между моментом равенства нулю анодного тока в процессе выключения тиристора и моментом, при котором прямое напряжение не приводит к отпиранию тиристора; • Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии - наибольшее значение скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, которое не вызывает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое. • Критическая скорость нарастания анодного тока в открытом состоянии тиристора; • Диапазон рабочих температур. Буквенно-цифровой код тиристоров. Буквенно-цифровой код согласно с ГОСТ 20859.1—89 состоит из следующих элементов: первый элемент — буква или буквы, обозначающие вид прибора: Т — тиристор; ТЛ — лавинный тиристор; ТС — симметричный тиристор (симистор); ТО — оптотиристор; ТЗ — запираемый тиристор; ТБК — комбинированно выключаемый тиристор; ТД — тиристор-диод; второй элемент — буква, обозначающая подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч — высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б — быстродействующий; И — импульсный; Третий, четвёртый и пятый цифры – обозначения предприятия-изготовителя; Следующая группа цифр – допустимый длительный ток (среднее значение); Далее через тире указывается число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии. Максимально допустимое напряжение для тиристора это произведение 100 на число, обозначающее класс по напряжению. В обозначении тиристоров могут быть указаны так же цифры и буквы, характеризующие динамические параметры тиристоров и их конструктивные особенности. Пример 1: ТЛ171-320-10-6 — тиристор лавинный, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А, повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии - 10-й класс (1000 В), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии - группа 6 (500 В/мкс). Пример 2: ТБ-133-250-8-52. Тиристор быстродействующий, номинальный ток 250А; 8 - класс; скорость нарастания напряжения - группа 5 и время выключения tвыкл по группе 2. Современные тиристоры изготавливают на токи от десятков мА до десятков кА, на напряжения от нескольких десятков В до нескольких кВ, скорость нарастания в них прямого тока достигает 109 А/с, напряжения — 109 В/с, время включения составляет величины от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд (мкс) , время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен микросекунд (1мкс =1/ 1000000 сек). Транзисторы. Транзистор это управляемый полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами. Транзисторы различают: биполярные, полевые и биполярные с изолированным затвором (IGBT). Биполярный транзистор. Различают 2 типа биполярных транзисторов: р-n-p и n-p-n транзисторы. Выводы транзисторов называют коллектором, эмиттером и базой. Биполярные транзисторы являются приборами с токовым управлением, т.е. отпирание транзистора происходит при протекании тока между базой и эмиттером. Транзистор может работать в линейном режиме, когда ток коллектора пропорционален току базы и в ключевом режиме, когда транзистор находится либо в режиме «полностью открыт», либо в режиме «полностью закрыт». В силовой электронике транзисторы обычно работают в ключевом режиме, что связано с потерями мощности в транзисторе. В ключевом режиме в зависимости от состояния ключа либо напряжение, либо ток близки к нулю, поэтому потери мощности в транзисторе, пропорциональные произведению тока на напряжения будут малы. Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор управляемый, в отличие от биполярного транзистора, электрическим полем. У полевого транзистора, так же как у биполярного есть три вывода. Эти выводы называются: сток (D), исток (S) и затвор (G). Известны 2 разновидности полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и так называемые МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник). В каждой разновидности существуют n-канальный и р-канальный транзисторы. Эти транзисторы различаются по характеристикам управления: У n-канальных транзисторов ток стока становится тем меньше, чем меньше потенциал затвора (напряжение между затвором и истоком). Следует отметить, что большинство полевых транзисторов симметричны, т.е. выводы D и S можно поменять местами. Полевые транзисторы без подачи управляющего напряжения могут находиться либо в открытом (иметь малое сопротивление между стоком и истоком), либо в закрытом состоянии (большое сопротивление). Положительным свойством полевых транзисторов является ничтожно малая мощность управления. Недостатком, по сравнению с биполярными транзисторами, является большое падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии. Биполярные с изолированным затвором (IGBT) (Insulated Gate Bipolar Transistor). Желание объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к разработке IGBT – транзистора. Его входные характеристики аналогичны входным характеристикам обычного полевого транзистора (управление полем), а выходные – выходным характеристикам биполярного транзистора. IGBT – транзистор имеет малые значения напряжения в открытом состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. IGBT – транзистор можно представить как составной транзистор на входе которого полевой транзистор, а на выходе – биполярный. На Рис 1.4, приведены графические обозначения IGBT – транзистора. а) б) Рис 1.4 Условные графические обозначения IGBT – транзистора. а – упрощённое структурное представление, б – обозначение транзистора на схемах. Реально транзистор имеет достаточно сложную структуру, благодаря которой достигнуты высокие динамические и статические характеристики. В частности, время включения и время выключения может составлять 0,1 - 1,0 мкс. Эти показатели превосходят обычные биполярные транзисторы. IGBT-транзисторы чаще всего используют в качестве мощных ключей, хотя они могут работать и в линейном режиме. В качестве управляемых ключей в ряде областей преобразовательной техники, например в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания. Процесс включения и выключения транзистора происходит не мгновенно. Это свойственно так же и тиристорам. На рис.1.5, например, приведены временные диаграммы тока и напряжения на транзисторе при включении транзистора. Мгновенная мощность, выделяемая на транзисторе при переключениях равна произведению мгновенных значений тока и напряжения. Рис. 1.5. Временные диаграммы тока и напряжения при включении IGBT-транзистора. При малых временах переключения транзисторов существенное влияние на динамические режимы могут оказывать паразитные индуктивности и ёмкости соединительных проводов. Поэтому IGBT-транзисторы для силовых преобразователей выпускаются в виде модулей (рис. 1.6, а – г). Рис. 1.6. Условные обозначения модулей на IGBT-транзисторах: а – МТКИД; б – МТКИ; в – М2ТКИ; г – МДТКИ Условные обозначения модульных IGBT-транзисторов: М – модуль беспотенциальный (основание изолировано); число – указывает количество ключей; буквы ТКИ – биполярный с изолированным затвором; ДТКИ – диод/биполярный транзистор с изолированным затвором; ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диод; цифры: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150, …. – максимальный ток; цифры: 1, 2, … – классы по напряжению (максимальные напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ) [ класс умножается на 100В]. Например: Модуль МТКИД-75-17 имеет ток коллектора Iк= 75 А, максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора Uкэ =1700 В. Основные динамические параметры IGBT-транзисторов (скорости изменения тока и напряжения, частота коммутации): Максимально-допустимое напряжение «коллектор-эмиттер» для дискретных IGBT транзисторов находится в пределах 300…1500 В, а максимальный ток коллектора достигает 200 А. В модульном исполнении предельные значения напряжений достигают 5-7 кВ и токи до единиц кило-ампер. Спектральный анализ токов и напряжений. Применение полупроводниковых приборов в электрических сетях обычно приводит к появлению периодических несинусоидальных напряжений и токов. Из курса математики известно, что любая периодическая несинусоидальная функция вре­мени f(t), удов­летворяющая условиям Дирихле: 1. В любом конечном интервале функция f(t) непрерывна или имеет конечное число разрывов первого рода; 2. В пределах одного периода функция f(t) имеет конечное число максимумов и минимумов, то подобная функция может быть представлена тригонометрическим рядом Фурье: ….(1) Здесь: А0 – постоянная составляющая, - k-я гармониче­ская составляю­щая или сокращенно k-я гармоника, Ак – амплитуда к - ой гармоники, - начальная фаза k-я гармоники. Первая гармоника называется основной, а все последующие гармоники - выс­шими, - начальная фаза гармоники зависит от выбора начала координат. Поэтому выражение (1) можно представить в виде ряда, содержащего только косинусные или синусные и косинусные гармонические составляющие. В последнем случае тригонометрический ряд представляется в следующем виде: ………………….. (2) Между амплитудами гармоник и их начальными фазами в (2) существуют следующие соотношения:……....(3) Если периодическая несинусоидальная функция во времени задана аналитически, то коэф­фициенты ряда Фурье могут быть оп­ределены по формулам, известным из курса теоретических основ электротехники: , ………………………………………(4) , ……………….……(5) , …………………….(6) . ………………………………………………(7) Таким образом, для определения коэффициентов Ак, Вк, Ск и угла необходимо для каждой гармоники воспользоваться выражениями (4)….(7). Количество учитываемых гармоник зависит от формы несинусоидальной кривой и требуемой точности. Зная амплитуды и начальные фазы гармоник можно построить амплитудный и фазовый спектры тока, представляющие зависимость их расчётных значений от номера гармоники. Очевидно, что просуммировав все гармоники разложения кривой в ряд Фурье с учётом их начальных фаз мы получим исходную несинусоидальную кривую. С целью графической иллюстрации этого положения на рис 1.7  показаны несинусоидальные кривые тока i(t) и первые три гармоники разложения: нулевая, первая и вторая, а так же кривая, полученная путём суммирования этих гармоник. а) б) Рис.1.7. Примеры несинусоидальных кривых тока. Где: I0 –постоянная составляющая тока, Im1 – амплитуда 1-й гармоники, Im2 – амплитуда 2-й гармоники разложения в ряд Фурье. Сравнение суммарной кривой с соответствующей исходной кривой тока показывает, что даже учёт только трёх слагаемых ряда Фурье уже даёт представление об исходной кривой. Пример. Пусть кривая тока имеет вид, представленный на рис. 1.8. Рис. 1.8. Форма несинусоидального тока. Где: α - угол, в течение которого ток равен нулю. Мгновенное значение тока определяется соотношениями: i=0 при αу >α>0; I = Im sinα при α > αу ; Разложение кривой тока в ряд Фурье представим в виде ряда, содержащего синусные и косинусные составляющие. i(kωt) = Поскольку рассматриваемая кривая симметрична относительно оси абсцисс, то в этом ряде постоянная составляющая отсутствует (А0 = 0). Значения коэффициентов Вк и Ск согласно [4] в относительных единицах определяются из выражений (8): (8) Здесь за базовое значение тока принято действующее значение тока при угле управления α = 0. Зная коэффициенты Вк, Ск, амплитуды Ак и начальные фазы гармоник αк определяются по формулам (7). После определения значений Aк и αк гармоник можно построить амплитудные и фазовые спектральные характеристики. По оси абсцисс откладываются частоты, кратные основной частоте, 2ω, 3ω …. kω, а по оси ординат соответствующие значения Ак и αк. Мощности в цепях с переменными токами и напряжениями. Мощности синусоидальных величин Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.     Пусть мгновенные значения напряжения и тока определяются по формулам:            Тогда мгновенная мощность            Среднее значение мгновенной мощности за период называют активной мощностью Единица измерения активной мощности – вт (ватт). Активная мощность – положительна на всём периоде, она в нагрузке совершает полезную работу (создаёт тепло, момент). Произведение действующих напряжений, тока и sinφ называют реактивной мощностью . Реактивная мощность непосредственно не совершает полезную работу. Она лишь способствует передаче активной мощности путём создания переменного магнитного или электрического поля. Таким образом она характеризует энергию, которая периодически циркулирует между источником и нагрузкой. При , т.е. при индуктивной нагрузке . При , т.е. при емкостной нагрузке . Единица измерения реактивной мощности – вар (вольт-ампер реактивный). Кроме активной и реактивной мощностей, цепь синусоидального тока характеризируется полной мощностью S. Единица измерения ВА (вольтампер). Активная, реактивная и полная мощности графически представляются в виде треугольника мощностей Где это угол сдвига между током и напряжением цепи. Мощности несинусоидальных величин Действующим значением тока называется среднеквадратичное за период значение величины: …………………………..(9) Для точного расчёта действующего значения несинусоидального тока необходимо знать её математическое описание и уметь вычислить интеграл в пределах периода изменения. Если известно разложение его в тригонометрический ряд Фурье в виде суммы синусоидальных гармоник, ……………………(10) то действующее значение тока можно представить следующим образом: ………………………….(11) Каждый из интегралов от тригонометрических функций на интервале (0….Т) в последнем выражении равен нулю. Поэтому можно записать: или . …………….…………..(12) Аналогичные выражения можно записать для действующего значения напряжения. Пусть мгновенные значения напряжения и тока представлены в виде следую-щих выражений:   ………..….(13) Тогда для активной мощности можно записать ……(14) Как было показано при выводе соотношения (12) для действующего значения несинусоидальной переменной, среднее значение произведения синусоидальных функций частотой отличной от основной (первой) гармоники равно нулю. Следовательно, , …………….(15) Где . Таким образом, активная мощность несинусоидального тока равна сумме активных мощностей отдельных гармонических: ………………….………………………..(16) Аналогично для реактивной мощности можно записать ………………………(17) Полная мощность , Где: Т – мощность искажения. Это фиктивная (добавочная, реально не существующая) мощность, связанная с различием форм кривых напряжения и тока, т.к. S² > P² + Q². Мощность искажения равна нулю только при активном сопротивлении нагрузки, когда формы тока и напряжения совпадают.   Лекция 2 Преобразователи переменного напряжения в переменное той же частоты (Регуляторы переменного напряжения) Тиристорные (симисторные) регуляторы переменного напряжения осуществляют регулирование действующего значения напряжения (тока) в нагрузке без изменения частоты [1-6]. Они чаще всего используются для коммутации статорных цепей асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, а так же для регулирования электрической мощности нагревателей. Регуляторы переменного напряжения по числу регулируемых фаз подразделяются на однофазные и трехфазные. По способу регулирования подразделяются на фазовое, ступенчатое, фазо-ступенчатое и широтно-импульсное регулирование [7,8, 10] . Однофазный регулятор переменного напряжения с фазовым способом регулирования Тиристорный регулятор представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора или один симистор, при помощи, которых нагрузка подсоединяется к цепи переменного тока (рис. 2.1). Рисунок 2.1 - Схема однофазного регулятора переменного напряжения на одно-операционных тиристорах. Здесь и1 – напряжение питающей сети, и2 – напряжение на нагрузке, СУ – система управления тиристорами. Фазовый способ регулирования основан на изменении длительности открытого состояния тиристоров на полупериоде переменного напряжения. При активной нагрузке длительность угла с момента появления положительного напряжения на тиристоре до момента включения тиристора называют углом управления (регулирования, запаздывания). Очевидно, что до момента включения тиристора напряжение на нагрузке равно нулю. В это время входное напряжение (напряжение сети) приложено к тиристорам регулятора. После включения тиристора управляющим импульсом оставшаяся часть полуволны входного напряжения прикладывается к нагрузке. Длительность (λ) открытого состояния тиристора называют интервалом проводимости тиристора. При активной нагрузке формы напряжения и тока совпадают. Однако, при активно – индуктивной нагрузке форма тока будет отличаться от формы напряжения. При любой нагрузке частота напряжения и тока нагрузки соответствует частоте входного напряжения сети. В зависимости от способов управления тиристорами регулятора первая гармоника несинусоидального тока от напряжения сети может: отставать, опережать или совпадать по фазе. Последние два способа могут быть реализованы только на управляемых ключевых приборах (запираемый тиристор, IGBT-транзистор и др.). Рассмотрим указанные способы регулирования и приведём основные соотношения напряжений и токов при различных нагрузках. Фазовое регулирование с отстающим углом управления при Lн=0, R>0. Временная диаграмма (рисунок 2.2) иллюстрирует фазовое регулирование с отстающим углом управления α (первая гармоника тока отстаёт от входного напряжения регулятора). Тиристоры поочередно открываются в интервалах положительного напряжения на каждом из тиристоров при подаче импульса управления. Запирание тиристора происходит при снижении тока через тиристор меньше значения тока удержания. При активной нагрузке это углы ,,. Рисунок 2.2 - Временная диаграмма фазового регулирования с отстающим углом управления Зависимость действующего значения напряжения на нагрузке от угла управления называется регулировочной характеристикой и определяется из выражения: . …………………………..(2.1) Интегрирование выражения (2.1) с учётом табличного неопределённого интеграла .………………………….….(2.2) даёт выражение регулировочной характеристики (2.3) . …………………………………..(2.3) Ток при активной нагрузке равен: I2 = U2 / Rн, Форма тока совпадает с формой напряжения на нагрузке. Действующее значение тока через тиристор равно половине действующего значения тока нагрузки, а ток, потребляе-мый из сети равен току нагрузки. При α = α рег первая гармоника тока будет отставать от напряжения и1 на угол , что характерно для активно-индуктивной нагрузки. Поэтому этот способ регулирования получил название «фазовое регулирование с отстающим углом» Фазовое регулирование с опережающим углом управления при Lн=0, R>0. Как было отмечено выше, работа регулятора с опережающим углом возможна только при полностью управляемых ключах, т.е. когда моменты включения и выключения зависят только от системы управления. Работу регулятора с опережающим углом иллюстрирует временная диаграмма, представленная на рис.2.3. Рисунок 2.3 - Временная диаграмма фазового регулирования с опережающим углом управления Здесь полупроводниковый ключ, например, на основе запираемого тиристора, отпирается управляющим импульсом в момент перехода входного напряжения через нуль, а выключение в момент, соответствующий углу ( - ). Форма напряжения и тока это части полуволн синусоидального напряжения. Если представить основную (первую) гармонику тока, то не трудно заметить, что она будет опережать напряжение на угол , то есть будет иметь ёмкостный характер. В данном случае действующее значение напряжения на нагрузке от угла регулирования (регулировочная характеристика) определяется выражением: . ………………………(2.4) Фазовое регулирование с двухсторонним углом управления при Lн=0, R>0. Работа регулятора с двухсторонним фазовым управлением основана на формировании части напряжения симметричной на интервале (0 – π) . Временная диаграмма (рис.2.4) иллюстрирует указанный способ фазового регулирования. Рисунок 2.4 - Временная диаграмма напряжений и токов при двухстороннем фазовом регулировании. Открытие ключа регулятора происходит по истечению угла , а запирание происходит при угле ( - ). Зависимость действующего значения выходного напряжения согласно [8] определяется выражением . …………………….(5) Из временной диаграммы (2.5) видно, что первая гармоника тока, потребляемая из сети, совпадает по фазе с напряжением , что характерно для активной нагрузки. На рис. 2.6 приведены регулировочные характеристики рассмотренных регуляторов при различных способах управления. Рисунок 2.5 - Регулировочные характеристики: 1 - с отстающим и с опережающим углом управления; 2 - с двухсторонним управлением. Максимум тока в нагрузке при всех рассмотренных способах регулирования имеет место при угле регулирования . Среднее значение тока тиристора за период .,……………………………….… (2.6) а максимальное значение обратного напряжения ……………………………………………..….…(2.7) Фазовое регулирование с отстающим углом управления при Lн>0 Rн=0. Реально чисто активная нагрузка имеет место лишь при электропитании нагревателей. Чаще нагрузка носит активно-индуктивный характер, например при питании асинхронных короткозамкнутых электродвигателей. За исключением маломощных электродвигателей, асинхронный электродвигатель средней и большой мощности обладает преимущественно индуктивным сопротивлением. Поэтому представляет интерес работа регулятора на чисто индуктивную нагрузку. В регуляторах, работающих на индуктивную нагрузку, в основном применяются регуляторы с отстающим углом управления. Это объясняется простотой схемы управления и возможностью использовать сравнительно недорогие однооперационные тиристоры. При работе на индуктивную нагрузку без потерь (Rн=0) форма тока существенно отличается от формы напряжения на нагрузке (рис.2.6) Рисунок 2.6 - Временная диаграмма работы регулятора переменного напряжения при индуктивной нагрузке (пунктиром схематично показана 1-я гармоника тока нагрузки) При отпирании тиристора в момент 1 ток в индуктивности нарастает практически по синусоидальной кривой. При этом происходит накопление электромагнитной энергии индуктивностью нагрузки. В момент 2 тиристор продолжает проводить ток несмотря на изменение полярности входного напряжения. На этом участке до момента 3 электромагнитная энергия индуктивности нагрузки отдаётся в источник. Если угол регулирования будем уменьшать, то длительность проводимости тиристора будет увеличиваться и при / 2 четверть периода индуктивность будет накапливать энергию, а другую четверть периода будет отдавать в источник. Таким образом, тиристор будет открыт в течение полпериода тающего напряжения. В другой полупериод будет открыт встречно включённый тиристор, т.е. при угле регулирования(/ 2) регулятор полностью открыт и напряжение на нагрузке и ток нагрузки будут синусоидальны. Напряжение на нагрузке становится равным входному. Дальнейшее уменьшение угла регулирования, естественно не приводит к изменению напряжения и тока, так как тиристоры регулятора уже полностью открыты. Уравнение регулировочной характеристики имеет вид [8] …………. (8) Регулировочная характеристика для случая чисто индуктивной и чисто активной нагрузки показаны рисунке 2.7. Рисунок 2.7 - Регулировочные характеристики: 1- при чисто активной нагрузке ( ); 2- при чисто индуктивной нагрузке (). При активно-индуктивной нагрузке регулировочная характеристика будет находиться между характеристиками для чисто активной и чисто индуктивной нагрузок. Максимальный угол регулирования, при котором тиристоры будут полностью открыты называют критическим углом. Регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке определяется следующим выражением / Ю.И.Хохлов. ЭЭЭ в СЭС.Учебное пособие /: U2 = U1 √ 2(θ- α )+Sin2α – Sin2 θ / √2 π Где θ = α + λ λ - угол проводимости тиристора; α - угол управления (регулирования). αкр = arctg (X / R) находится в пределах от 0 до / 2. При изменении угла управления α изменяется форма напряжения на нагрузке. Следовательно, будут изменяться амплитуды и начальные фазы гармоник. Регулирование напряжения с помощью тиристорных регуляторов сопровождается изменением cosφ и амплитуд высших гармонических составляющих. На рис 2.8. приведены зависимости амплитуд гармоник тока регулятора и угла φ1 от угла управления. Рис. 2.8. Графики изменения токов гармоник от угла управления. С увеличением угла управления тиристоров α в выходном напряжении возрастают нечетные высшие гармоники: 3-я, 5-я, 7-я и т.д. [8]. Для заданного угла регулирования α из рис. 2.9 можно найти амплитуды 1-й, 3-й, 5-й и 7-й гармоник. Значения амплитуд для соответствующей частоты позволяют построить амплитудный спектр тока. Определив по формуле (7) с учётом выражений (8) начальные фазы гармоник можно построить фазовый спектр тока. Для регулируемого электропривода или другой трёхфазной нагрузки используется трёхфазный регулятор напряжения. Управляющие импульсы на тиристоры фаз должны формироваться с учётом фазовых сдвигов напряжений в трёхфазной системе. На рис 2.9 приведена силовая схема трёхфазного регулятора, работающего на индуктивную нагрузку. Рисунок 2.9 - Трехфазный регулятор переменного напряжения. Следует отметить, что работа тиристоров в каждой фазе практически не отличается от работы тиристоров рассмотренного выше однофазного регулятора напряжения. Ступенчатый и фазо-ступенчатый способы регулирования напряжения. Ступенчатый способ регулирования основан на изменении коэффициента трансформации трансформатора или автотрансформатора с помощью тиристорных ключей. На рис. 2.10 показана принципиальная схема регулятора с двухступенчатым регулированием. Рисунок 2.10 - Схема регулятора переменного напряжения со ступенчатым методом регулирования С помощью тиристоров нагрузка подсоединяется к одному из двух выводов вторичной обмотки трансформатора. Напряжение на нагрузке остается синусоидальным, если тиристоры открываются и закрываются в моменты перехода напряжений через ноль. Регулирование происходит ступенчато. Фазо-ступенчатый способ регулирования основан на использовании фазового и ступенчатого переключения тиристоров рассматриваемого регулятора. На рис 2.11 иллюстрируется ступенчатый (a,b) и фазо-ступенчатый (с) способы регулирования. Рисунок 2.11 - Временная диаграмма работы регулятора переменного напряжения со ступенчатым (a,b) и фазоступенчатым методом регулирования (c) При ступенчатом способе регулирования меньшее напряжение подводится к нагрузке, когда включаются тиристоры VT1 и VT2 (рисунок 2.11,а), а большее - когда включаются тиристоры VT3 и VT4 (рисунок 2.11,b). При фазо-ступенчатом способе регулирования (рис.2.11с) изменяя угол управления тиристоров VT3 и VT4, можно плавно регулировать подводимое к нагрузке напряжение. Регулировочная характеристика при фазо-ступенчатом способе регулирования определяется выражением [8] + = = …………..……(10) Широтно-импульсный метод регулирования Широтно-импульсный метод регулирования основан на изменении числа периодов переменного напряжения, подводимого к нагрузке, он может быть реализован по схеме (рисунок 2.12,а), где S– электронный ключ, который может коммутировать напряжение под действием управляющего сигнала. В качестве электронного ключа могут использоваться встречно параллельно включённые тиристоры или симметричные тиристоры (симисторы). С целью уменьшения динамических потерь мощности отпирание ключа осуществляется в момент перехода напряжения через нуль. Этот метод используется в тех случаях, когда нагрузка обладает большой тепловой инерцией, например, печи сопротивления. Рисунок 2.12 - Схема широтно-импульсного преобразователя (а) и временная диаграмма его работы (b) Диаграмма (рисунок 2.12,b) иллюстрирует принцип работы широтно-импульсного регулятора. При замкнутом ключе S на интервале времени к нагрузке подводится мощность, при разомкнутом ключе S на интервале времени подводимая мощность равна нулю. Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, равна . ……………………………(11) Здесь Pmax – максимальная мощность нагрузки. Достоинством этого способа регулирования является простота и отсутствие высших гармоник тока. Недостатком является наличие в потребляемом токе низкочастотных пульсаций, возникающих при замыкании и размыкании ключа. Лекция 3 Преобразователи постоянного напряжения в постоянное (преобразователи DC/DC). Преобразователи постоянного напряжения в постоянное, требуемого уровня, называют конверторами. Они применяются в тех случаях, когда первичные источники энергии вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. К таким источникам относятся: солнечные батареи, термо-электрогенераторы, топливные элементы, использующие энергию химических реакций, аккумуляторы и электромашинные генераторы постоянного напряжения. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню его стабилизация и регулирование производится с помощью конверторов. На основе конверторов строятся бестрансформаторные высоковольтные источники и импульсные стабилизаторы напряжения. Работа преобразователя основана на периодическом подключении источника (рис. 3.1) с помощью ключа S к нагрузке. Рис. 3. 1 - Принцип действия ключевого преобразователя постоянного напряжения Постоянное напряжение преобразуется в импульсное, среднее значение которого можно регулировать. Время замкнутого (tи.- длительность импульса) и разомкнутого (tп- длительность паузы) состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления СУ. В результате на выходе будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рис. 3.2. Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке, формируемое фильтром среднего значения Ф, будет зависеть от соотношения времен замкнутого и разомкнутого состояний ключа S. Согласно определению среднего значения напряжения можно записать ………………(1) где Uн ─ среднее значение напряжения на нагрузке; Т ─ период переключения ключа S; f = 1/Т ─ частота переключения ключа; ─ коэффициент заполнения. Рис. 3. 2. Диаграмма выходного напряжения импульсного преобразователя после ключа S. Изменяя коэффициент заполнения , можно регулировать среднее значение напряжения на нагрузке . Если период постоянен, то этот способ называют регулированием с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) входного напряжения. DC/DC преобразователи подразделяются на понижающие , повышающие и повышающие с инверсией . Поскольку напряжение после ключевого элемента носит явно выраженный импульсный характер в ключевых преобразователях устанавливаются фильтры, состоящие из реактивных элементов: индуктивностей и емкостей. Назначение выходных фильтров — отфильтровать переменную составляющую напряжения, выделив среднее значение напряжения и, тем самым, уменьшить коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке. Помимо выходных фильтров некоторые типы преобразователей содержат входные фильтры, предназначенные для уменьшения пульсаций тока, потребляемого от источника постоянного тока. Понижающий широтно-импульсный преобразователь Этот тип преобразователя называется понижающим, так как его выходное напряжение не может превышать входное. В соответствии со схемой (рис. 3.3) его называют преобразователем с последовательным ключом. Рис. 3.3 - Понижающий преобразователь постоянного напряжения. Где а –функциональная схема, b – временная диаграмма работы На рисунке 3.3,а представлена силовая часть схемы преобразователя с L-фильтром, ключом S и обратным диодом VD. Последний служит для замыкания тока при выключении ключа S. При отсутствии диода VD возможны недопустимые перенапряжения, связанные с э.д.с. самоиндукции в индуктивности фильтра при размыкании ключа. В качестве ключа S могут применяться силовые транзисторы или запираемые тиристоры. При работе преобразователя происходит периодическое изменение двух состояний схемы. Первое состояние (интервал I) (рис. 3.3,b) имеет место при включенном ключе S длительностью . На этом интервале ток протекает через индуктивность и нагрузку, диод VD заперт обратным напряжением. За счет тока в индуктивности накапливается электромагнитная энергия. Второе состояние (интервал II) при выключенном состоянии ключа S в течение времени . На этом интервале ток создается за счет энергии, накопленной в индуктивности на первом интервале, и протекает через диод VD. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, а сопротивление нагрузки малым, составим уравнения для I-го интервала , ………………………(2) и для II–го интервала ……………………(3) Учитывая, что изменение тока происходит по линейному закону, уравнения можно переписать в виде …………………….. (4) . …………………….(5) Из этих уравнений следует, что , в соответствии с этим выражением регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 3.6, I. Повышающий широтно-импульсный преобразователь Этот тип преобразователя называют также импульсным преобразователем с параллельным ключом. Силовая часть схемы преобразователя с параллельным ключом S приведена на рис. 3.4,а. Рис. 3.4. Повышающий широтно-импульсный преобразователь ( a ), b - диаграмма его работы Принцип действия преобразователя основан на периодическом накоплении энергии и передаче ее из индуктивности L в цепь и нагрузки RН. Чередуются два состояния схемы: включен (интервал I), ключ S выключен (интервал II). На интервале I при замкнутом ключе S ток медленно нарастает, в реакторе L накапливается энергия, во II интервале при разомкнутом ключе S ток протекает через нагрузку, создавая в ней пульсирующее напряжение. Диаграммы, иллюстрирующие этот режим работы, показаны на рисунке 3.4,b. Длительности интервалов I и II составляют и соответственно. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, а сопротивление нагрузки пренебрежимо малым, составим уравнения для I-го интервала , …………………(6) и для II–го интервала 0= L dI / dt ……………….(7) Учитывая, что изменение тока происходит по линейному закону, уравнения можно переписать в виде . …………………..(8) ………………..(9) Из этих уравнений следует, что , в соответствии с этим выражением регулировочная характеристика имеет вид, показанный на рис. 3. 6, III. Повышающий широтно-импульсный преобразователь с инверсией Этот тип преобразователя называется так же преобразователем с параллельным индуктивным накопителем. Такое название обусловлено схемой включения дросселя (рис. 3.5,b). Диаграммы токов и напряжений в схеме представлены на рис. 3.5,b. Рис. 3.5 - Повышающий широтно-импульсный преобразователь с инверсией выходного напряжения (a), диаграмма его работы ( b) При замкнутом ключе S (интервал tu) к дросселю L приложено напряжение Е и он накапливает энергию за счет протекания тока. Длительность этого интервала соответствует времени включенного состояния ключа. При размыкании ключа S диод VD переходит в проводящее состояние и электромагнитная энергия дросселя отдаётся в нагрузку (интервал tn). Длительность интервала tn соответствует времени выключенного состояния ключа. Принимая ключ S, источник E и дроссель идеальными, сопротивление нагрузки малым, а изменение тока по линейному закону можно записать: . ……………….(10) Из уравнений состояний следует, что регулировочная характеристика имеет вид: . …………….(11) На рис. 3.6,II. показана характеристика, соответствующая выражению (11). Рис. 3.6 - Регулировочные характеристики импульсных преобразователей: понижающего - I, повышающего –III повышающего с инверсией –II (U/E ˂ 0). В повышающих преобразователях амплитуда импульса напряжения на нагрузке стремится к бесконечности, но в реальных схемах из-за наличия активных сопротивлений выходное напряжение ограничено. Однако это не исключает выход из строя элементов под воздействием повышенного напряжения. Неблагоприятным в этом отношении является режим холостого хода, когда нагрузка отсутствует. Для уменьшения выбросов и пульсаций напряжения параллельно нагрузке включают емкостный фильтр. Наряду с приведёнными основными схемами DC/DC преобразователей известны схемы, содержащие комбинацию последовательного и параллельного ключей [9]. Реверсивные преобразователи постоянного напряжения В рассмотренных преобразователях полярность выходного напряжения и направление тока остаются неизменным. Реверсивные преобразователи позволяют не только регулировать среднее значение напряжения, но и изменять его полярность. Они находят применение для регулирования частоты и направления вращения двигателей постоянного тока. Рис. 3.7 - Схема реверсивного преобразователя постоянного напряжения Схема реверсивного преобразователя (рис. 3.7) состоит из моста, образованного запираемыми тиристорами VT1 …VT4, параллельно которым включены диоды VD1…VD4. Эти диоды служат для протекания тока, вызванного энергией, запасенной в индуктивной нагрузке при запирании тиристоров. Очевидно, что вместо запираемых тиристоров могут использоваться и силовые транзисторы. Возможны два способа управления: симметричный и несимметричный. Симметричный способ управления тиристорами Временная диаграмма работы при симметричный способе управления показана на рисунке 3.8,а. На диаграмме сплошной утолщенной линией показаны интервалы времени, на которых соответствующие тиристоры открыты. На интервале открыты тиристоры VT1 и VT3. Начиная с точки 1, через них протекает ток . В точке 2 открываются тиристоры VT2 и VT4, но ток через индуктивную нагрузку не может мгновенно изменить направление. На интервале 2-3 протекает через диоды VD2 и VD4, и только в точке 3 ток меняет свое направление. Он протекает через открытые тиристоры VT2 и VT4. Рис.3.8. Диаграмма работы реверсивного преобразователя постоянного напряжения при симметричном управлении: а - ; b -. На нагрузке формируется напряжение в виде прямоугольных импульсов. Среднее значение импульсного напряжения можно найти как разность средних значений положительных и отрицательных частей импульса ……………………. ( 12) При напряжение нагрузки имеет положительный знак, а при - отрицательный. Недостатком симметричного управления тиристорами являются сравнительно большие пульсации выходного напряжения. Несимметричный способ управления тиристорами. Пульсации можно уменьшить, исключив отрицательную часть в выходном напряжении. Это обеспечивается в несимметричном способе управления тиристорами, диаграмма работы для этого случая показана на рис. 3.9. Для исключения отрицательной части в выходном напряжении (рис.3.9,а) тиристоры VT2 иVT4 постоянно закрыты, тиристор VT3 – постоянно открыт. Для смены полярности выходного напряжения (рис. 3.9,b) тиристоры VT1 и VT3 закрывают, открывают тиристор VT4, напряжение на выходе регулируется изменением длительности . Рис. 3.9 - Диаграмма работы реверсивного преобразователя постоянного напряжения при несимметричном управлении. Рассмотренные преобразователи постоянного напряжения на основе транзисторов или тиристоров, в целях ограничения скорости нарастания тока и напряжения, как правило, дополняются специальными L-R-D-C цепями (см. рис. 3.10). В зарубежной литературе они имеют название «снабберы». Рис. 3.10. Примеры ограничения скорости нарастания тока и напряжения на тиристоре. Индуктивность L ограничивает скорость нарастания тока, а R-D-C цепь ограничивает скорость нарастания обратного напряжения на тиристоре. В качестве индуктивности может так же использоваться ферритовое кольцо, охватывающее проводник с током (дроссель с числом витков w=1) . Лекция 4. Автономные инверторы Автономными инверторами называют преобразователи постоянного напряжения в переменное, работающие на автономную (отдельную) нагрузку, непосредствен-но не связанную с питающей сетью. Основные области применения: - получение переменного напряжения, когда имеется только источник постоянного напряжения; - в системах бесперебойного питания потребителей; -  в электротранспорте, который питается от контактной сети постоянного тока, а электропривод осуществляется асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором; - в преобразователях высокой частоты, применяемых в электротермии (индукционный нагрев, плавка и закалка) и других областях.   Выходное напряжение инвертора (форма, амплитуда и частота) определяется схемой преобразователя, системой управления и режимом работы. По характеру протекающих электромагнитных процессов автономные инверторы делятся на  автономные инверторы тока (АИТ), автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). Названия инверторов определяются характером потребляемой энергии от источника постоянного напряжения.  В АИН источник питания работает в режиме источника ЭДС, а в АИТ в режиме источника тока. В АИР нагрузка входит в состав колебательного контура, коммутируемый ток носит колебательный характер. Рассмотрим различия инверторов тока и напряжения. На рис 4.1 показаны Упрощённые схемы инвертора тока (а) и инвертора напряжения (б). Рис. 4.1. Упрощенные схемы инверторов: а — инвертор тока; б — инвертор напряжения В цепи постоянного тока инвертора тока включен дроссель с большой индуктивностью. Поэтому в интервале между коммутациями ключевых элементов S1-S4 ток от источника изменяется незначительно. Ключи S1, S4 замкнуты в один полупериод выходного напряжения, а ключи S2, S3 замкнуты в другой полупериод. Таким образом, на нагрузке формируются токи разных полярностей. Ключи инвертора изменяют только направление тока в нагрузке (но не мгновенное значение) и можно считать, что нагрузка питается от источника тока. Нагрузка носит емкостный характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы. В схеме (б) источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые попарно S1,S4 и S2,S3 в каждый полупериод нагрузку подключают непосредственно к источнику постоянного напряжения. Поэтому такой преобразователь называют инвертором напряжения. Нагрузка в этом случае должна носить активный или активно-индуктивный характер, так как при емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения полярности напряжения имели бы место всплески токов. Часть энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, в таких инверторах возвращают в источник постоянного напряжения. Для этого управляемые ключи шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды называют «обратными» диодами. На упрощенной схеме диоды не показаны. На рис 4.2 Приведена схема автономного инвертора тока на запираемых тиристорах и временная диаграмма напряжения и тока. Рис 4.2. Автономный инвертор тока. В рассматриваемой схеме в каждом полупериоде выходного напряжения тиристоры V1,V2 и V3,V4 попарно включены и выключены, при этом ток через нагрузку в каждом полупериоде меняет направление. Под действием проходящего тока напряжение на активно-ёмкостной нагрузке изменяется по закону экспоненты. Постоянная времени такой нагрузки [сек]. На рис 4.3 приведена схема автономного инвертора напряжения на запираемых тиристорах. Рис 4.3. Автономный инвертор напряжения. Рассмотрим работу схемы инвертора напряжения при активно-индуктивной нагрузке. В момент t1 отпираются тиристоры V1,V2. Под действием приложенного напряжения ток нарастает по экспоненте. В момент t2 тиристоры V1,V2 выключаются, но ток через нагрузку идет в том же направлении через диоды VD3, VD4 за счет энергии, запасенной в индуктивности, при этом напряжение на нагрузке уже изменило знак, а ток постепенно спадает. В момент t3 ток равен нулю и включаются тиристоры V3 и V4, полярность напряжения при этом не меняется, а ток меняет направление. Как видно из рис.4.3 ток в нагрузке изменяется по экспоненциальному закону. Постоянная времени такой цепи определяется отношением индуктивности к активному сопротивлению [сек] Обратные диоды предназначены для возврата реактивной энергии нагрузки в источник питания. На рис.4.4 показана схема резонансного инвертора. Рис.4.4. Автономный резонансный инвертор В автономном резонансном инверторе (АИР) индуктивность и конденсатор и активное сопротивление нагрузки Rн образуют колебательный контур. Из курса ТОЭ известно, чтобы ток был колебательным должно выполняться условие То есть активное сопротивление нагрузки должно быть меньше критического сопротивления . При включении V1 и V2 проходит полуволна тока и конденсатор Cк заряжается с указанной полярностью. После перехода тока через нуль тиристор запирается. При включении V3 и V4 напряжение источника и напряжение на конденсаторе Cк действуют согласно, ток проходит в противоположном направлении, конденсатор перезаряжается, V3 и V4 запираются при спаде тока до нуля. Напряжение на нагрузке Rн повторяет форму тока. Как видно из описания работы в АИР могут работать обычные (незапираемые) тиристоры. В автономных инверторах применяются: однооперационные (с неполным управлением), двухоперационные (управляемые) тиристоры и мощные транзисторы в ключевом режиме. По способу коммутации автономные инверторы (АИ) на однооперационных тиристорах делятся: • на АИ с одноступенчатой коммутацией, в которых коммутация осуществляется с помощью коммутирующих конденсаторов основными вентилями схемы без применения дополнительных тиристоров; • на АИ с двухступенчатой коммутацией, в которых для коммутации применяются специальные коммутирующие вентили. В электроприводе и источниках бесперебойного питания в настоящее время наибольшее применение находят АИН на IGBT транзисторах. Лекция 5. Энергетические показатели преобразователей Важнейшими из этих показателей являются следующие: 1.Коэффициенты преобразования устройства по напряжению и току соответственно , (1) Они определяются в режимах, соответствующих максимально возможному напряжению на выходе преобразователя, т. е. при отсутствии его регулирования, для полезных составляющих напряжения и тока. В цепях переменного тока полезными составляющими, переносящими активную мощность, являются как правило, первые гармоники напряжения и тока, а в цепях постоянного тока – средние значения напряжения и тока. 2.Коэффициент искажения тока (аналогично и для напряжения) (2) где I(1) – действующее значение первой гармоники тока, I – действующее значение полного тока. Действующее значение тока или напряжения в общем случае определяется по формуле 4.Коэффициент амплитуды (отношение максимального значения к действующему) . 5.Коэффициент формы (отношение действующего значения к среднему по модулю) . Среднее за период значение (постоянная составляющая) определяется по формуле . Среднее значение тока или напряжения в преобразователях может быть определено так же за полпериода Т/2. 3.Коэффициент гармоник тока (коэффициент несинусоидальности Кнс) (3) где IВ.Г – действующее значение высших гармоник тока (отличных от первой гармоники). Эти два коэффициента очевидным образом связаны между собой. (4) Откуда коэффициент гармоник (5) 4.Коэффициент сдвига тока относительно напряжения по первой гармонике. , (6) где P(1) – активная мощность в цепи, создаваемая первыми гармониками напряжения и тока; Q(1) – реактивная мощность сдвига в цепи, создаваемая первыми гармониками напряжения и тока. 5.Коэффициент мощности (7) где P – активная мощность; S – полная мощность. В случае цепи с синусоидальным напряжением и несинусоидальным током (8) 6.Коэффициент полезного действия (9) В случае идеализированного преобразователя в рамках первого уровня анализа (отсутствие потерь мощности в элементах преобразователя) из выражения (6) следует соотношение между коэффициентами сдвига тока входной и выходной цепей преобразователя. , 1. (10) 7.Энергетический коэффициент полезного действия (11) 8.Коэффициент пульсаций для цепей постоянного тока (12) где Xmах – амплитуда данной (обычно первой) гармонической составляющей напряжения (тока), Xср – среднее значение напряжения (тока). В тех случаях, когда с помощью вентильного преобразователя создается автономная система электроснабжения (борт судна, самолета, наземного транспортного средства), набор показателей качества электроэнергии и их числовые значения определяются соответствующими государственными и отраслевыми стандартами, аналогично тому, как качество электрической энергии в электрических сетях общего пользования должно соответствовать государственному стандарту ГОСТ 13109-97. Литература для дополнительного изучения. 1. Г322 Гельман, М.В. Преобразовательная техника: учебное пособие / Гельман М.В., Дудкин М.М., Преображенский К.А.. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - 425 с. 2.Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. Ч.1. – 199 с. 3.Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – Ч. 2 – 197 с. 4.Х862 Хохлов Ю.И. Энергосберегающая энергетическая электроника в системах электроснабжения. Часть 1.Изд-во ЮУРГУ, 2006 г. -250 с. ISBN 5-696-03645-7 5.Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992г.-296 с. 6.Бар В.И. Основы преобразовательной техники. Курс лекций. Г. Тольяти, 2005 г. – 105 с. 7.Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Силовые преобразователи в электроснабжении. Уч. пособие.- г.Томск, изд-во ТПУ, 2007 г. – 144 с. 8. // Электроника / Lektsia16Regul_peremennogo_napr_11.doc/ 9. Патент № 593207 Импульсный стабилизатор постоянного напряжения. Авт. М.В.Гельман, Х.К.Харасов . 10. Абрамов А.В., Терехов В.П. Источники питания электрических печей сопро-тивления, г.Чебоксары, 2007г.