Силовая электроника, как основа энергосберегающих технологий.

Лекция 1 Силовая электроника, как основа энергосберегающих технологий. Силовая (энергетическая) электроника является одной из основ создания современной техники и технологии, обеспечивая увеличение производи-тельности и качества труда при минимальном расходовании различных ресурсов.. Широкомасштабное использование силовой электроники в различных сферах человеческой деятельности позволяет экономить значительную часть энергетических ресурсов. По мнению учёных, дальнейшее развитие техники будет связано с успехами интеллектуальной энергетической электроники, с которой связаны решения проблем энерго- и ресурсосбережения. В подтверждение этого тезиса приведем некоторые факты. 1. Объем годового потребления энергии в мире по оценкам "Международного энергетического агентства" составляет кВт/часов. Ежегодные затраты на производство электроэнергии составляют (400-500) млрд. долларов, причем из них (~73) млрд. приходятся на прямые потери генерирующих, передающих и потребляющих объектов. 2. Основными потребителями электроэнергии являются: –электропривода различного назначения - 51%; – освещение - 19%; – нагрев/охлаждение - 16%; – телекоммуникации - 14%. 3. В настоящее время в мире менее 25% энергии используется оптимально путем применением высокоэффективных методов управляемого преобразования электроэнергии. Для России это около 50 ГВт установленной мощности. Рассмотрим для примера проблемы в области электропривода: • практически все механизмы требуют регулирование скорости вращение. В обычной схеме питания это не возможно; • электродвигатель рассчитывается на максимальное напряжение сети, из-за соответствующей изоляции никакого ресурсосбережения нет; • пусковые токи двигателей от 5÷11 раз больше номинальных, пусковые токи создают огромные динамические нагрузки, начинает быстро разрушаться двигатель. С учетом устройств силовой электроники электропривод будет выглядеть следующим образом:   Здесь КА – коммутационная аппаратура. Рис.1 Структурная схема регулирования электродвигателя Достоинства применения регулируемого электропривода: • возможность регулировать скорость; • возможность ограничивать напряжение; • Большой срок службы 100 - 150 тыс. часов нормальной работы; • плавный запуск электропривода, исчезают динамические удары; • за счет регулирования частоты и напряжения минимизируется уровень потребления электрической энергии из сети; • Система управления обеспечивает минимум реактивной мощности вплоть до нуля, разница между активными мощностями сети и нагрузки стремится к минимуму, что сокращает расход энергоресурсов. При наличии корректора коэффициента мощности преобразователя частоты удается достигнуть входного коэффициента мощности χ ≈ 0,99. Силовые полупроводниковые приборы. В силовых полупроводниковых преобразователях в качестве управляемых ключей используются обычно IGBT транзисторы, тиристоры, симисторы и запираемые тиристоры. IGBT транзисторы   Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor). Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного. IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. По быстродействию они значительно превосходят обычные биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения составляет 0,2 - 0,4 мкс, а время выключения 0,2 - 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи до 1200 А. IGBT-транзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразователей частоты и позволяют создать импульсные источники электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT-транзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 - 3,5В. Рис. 2. Эквивалентная схема IGBT-транзистора (а) и его условное обозначение в отечественной (б) и иностранной (в) литературе. Коллектор IGBT-транзистора (рис.2) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 появляется электропроводный канал. Это приводит к тому, что падение напряжения между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1. В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе уменьшается с увеличением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения эмиттерного перехода VТ4. При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои введены для исключения режимов работы, характерных для тиристоров, когда происходит лавинный пробой. Буферный слой n+ и широкая базовая область n– обеспечивают уменьшение коэффициента усиления по току p–n–p-транзистора. Общая картина включения и выключения транзистора достаточно сложная, так как наблюдаются изменения подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, изменения сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут быть использованы для работы в линейном режиме, пока в основном их применяют в ключевом режиме. При этом изменения напряжений у коммутируемого ключа характеризуются кривыми, показанными на рис.3. Рис. 3. Изменение падения напряжения Uкэ и тока Ic IGBT-транзистора Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения с учётом времени запаздывания подачи управляющего импульса тока не превышают 0,5 - 1,0 мкс. Для уменьшения количества дополнительных внешних компонентов в состав IGBT-транзисторов вводят диоды или выпускают модули, состоящие из нескольких компонентов (рис. 4, а – г). Рис. 4. Условные обозначения модулей на IGBT-транзисторах: а – МТКИД; б – МТКИ; в – М2ТКИ; г - МДТКИ Условные обозначения IGBT-транзисторов включают: букву М – модуль беспотенциальный (основание изолировано); 2 – 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, 5, 6, 10, 12 – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ (*100В). Например модуль МТКИД-75-17 имеет UКЭ =1700 В, I=2*75А, UКЭотк =3,5 В, PKmax =625 Вт. Выводы.  Достоинство транзистора - Очень хорошие значения и : ; .  А у тиристоров они равны:  ; .  · tвкл и tвыкл = 10 и100нс. · частота коммутации . В последнее время разработанные приборы могут работать на частоте . Недостаток - относительно высокое Uост = 1,7÷3В . Тиристоры Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода. Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим. Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами. Рис. 5. Условно - графическое обозначение тиристоров Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается. Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод. Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер. Тиристор является наиболее распространенным элементом в силовой электронике. Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности. Симисторы (симметричные тиристоры) - проводят ток в обоих направлениях. Технические параметры 1) Время включения тиристора tgl. Это время от подачи импульса до момента снижения анодного напряжения до 10% начального значения при активной нагрузке. 2) Время выключения tg. Это время восстановления запирающей способности тиристора. 3) Критическая скорость нарастания прямого напряжения (duD/dt)crit при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении du/dt происходит самопроизвольное включение тиристора. 4) Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)crit, которую тиристор выдержит без повреждения. 5) Ток в закрытом состоянии IН (анодный ток). 6) Ток в открытом состоянии IН (наименьший ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии). Для мощных тиристоров IH равен сотням миллиампер. Обозначение тиристоров: 1) Т - тиристор и буква (Б - быстродейственный, С - симметричный, Ч - быстровключаюшийся); 2) Три цифры -типоразмер и другие конструктивные данные; 3) Средний ток в амперах; 4) Класс по напряжению и номеру группы по критической скорости нарастания напряжения, времени включения и выключения. Пример: ТБ-133-250-8-52. Тиристор быстро-действующий, на ток 250 А; 8 - класс; скорость нарастания напряжения - группа 5 и tвыкл по группе 2. Современные тиристоры: Iпред = 3000 - 4000 A, U =6000 В. Скорость нарастания напряжения - 1000 В/мкс, а тока 1000 - 1500 А/мкс, tвкл - единицы мкс. Имеются также асимметричные тиристоры (AT) и тиристоры с обратной проводимостью (ТОП) (отечественное обозначение ТП), для обеспечения работы в обратном направлении, в качестве диода, введено обозначение ТД (тиристор-диод). Асимметричные тиристоры получаются введением дополнительного слоя с проводимостью n-типа. Быстродействие AT и ТОП тиристоров позволяет использовать их в схемах с повышенными частотами. Рациональная область использования - преобразователи средней мощности. Запираемые тиристоры Тиристор имеет принципиальный недостаток - неполную управляемость. Его выключение обеспечивается спадом прямого тока до нуля, что достигается введением дополнительных узлов принудительной коммутации. Последнее выполняется на основе энерго-накопительных элементов (конденсаторов), подключение которых с соответствующей полярностью к тиристору создает условия спада прямого тока до нуля. Это усложняет и утяжеляет устройство, поэтому разработаны тиристоры с возможностью отпирания и запирания его по управляющему электроду. Такие тиристоры получили название «запираемые тиристоры». На рис.6 показана схема подключения запираемого тиристора. Рис.6. Для выключения и включения запираемого тиристора обычно используют два отдельных источника. Коэффициент запирания меньше или равен 5 (отношение выключенного анодного тока к запирающему току управления): IАвыкл/Iупр ≤ 5 Запираемые тиристоры критичнее к скорости нарастания UПРЯМ, поэтому их шунтируют цепью С, R, VD, а для ограничения скорости изме­нения анодного тока включают индуктивность L. Параметры ЗТ. Напряжение до 4500 В и ток до 2500 А. Энергетические области различных полупроводниковых приборов На рис. 7 приведены энергетические характеристики: I, А 5000 2000 1 3 2 U, В 0 500 5000 Рис.7 1- тиристора, 2- запираемого тиристора, 3- IGBT транзистора . Как видно из рис. 7, тиристоры обладают наилучшими энергетическими характеристиками. Однако, в последнее время IGBT –транзисторы всё чаще вытесняют тиристоры из их традиционных областей применения. Разработанные преобразователи на таких транзисторах имеют выходные мощности десятки и сотни киловатт при напряжениях несколько киловольт. Лекция 2. Преобразователи электрической энергии В настоящее время широко применяются различные преобразователи, которые осуществляют преобразование, регулирование и стабилизацию напряжения, тока, частоты. Это регуляторы переменного напряжения, импульсные преобразователи постоянного напряжения, выпрямители, ведомые сетью и автономные инверторы, непосредственные преобразователи частоты. Регуляторы переменного напряжения Тиристорные регуляторы переменного напряжения широко применяются в электроприводе, также для питания электротермических установок. Применение тиристоров для коммутации статорных цепей асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором позволяет решить задачу создания простого и надежного бесконтактного асинхронного электропривода. Можно эффективно воздействовать на процессы разгона, замедления, осуществлять интенсивное торможение и точную остановку. Безыскровая коммутация, отсутствие подвижных частей, высокая степень надежности позволяют применять тиристорные регуляторы во взрывоопасных и агрессивных средах. Регуляторы переменного напряжения по числу фаз подразделяются на однофазные и трехфазные. По способу регулирования подразделяются на фазовое, ступенчатое, фазо-ступенчатое, широтно-импульсное регулирование. Однофазный регулятор переменного напряжения с фазовым способом регулирования Основным элементом однофазного регулятора является тиристорный симистор, он представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора, при помощи, которых нагрузка подсоединяется к цепи переменного тока (рисунок 1). Рисунок 1 - Схема однофазного регулятора переменного напряжения Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров в течение полупериода частоты сети. При фазовом методе частота выходного напряжения соответствует частоте питающей сети, а регулирование производится путем изменения формы кривой выходного напряжения и тока. Форма тока зависит от характера нагрузки. Рассмотрим простой случай, когда . Нагрузка чисто активная характерная для электротермических установок и ламп накаливания. Фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления ; с опережающим углом управления; либо с тем и другим (двустороннее фазовое управление). Фазовое регулирование напряжения Фазовое регулирование с отстающим углом управления. Временная диаграмма (рисунок 2) иллюстрирует фазовое регулирование с отстающим углом управления . Тиристоры поочередно открываются в интервале положительной полуволны напряжения, приложенного к их анодам в момент прихода импульса тока в цепь управляющего перехода. Тиристоры закрываются в точках естественной коммутации,,. Рисунок 2 - Временная диаграмма фазового метода с отстающим углом управления Зависимость действующего значения напряжения на нагрузке от угла управления называется регулировочной характеристикой, определяется из уравнения . …………………………..(1) При нахождении интеграла учтем, что .…………………………….(2) Получим . …………………………………..(3) Как видно из временной диаграммы угол сдвига первой гармонической составляющей тока , относительно питающего напряжения. В этом заключается некоторый парадокс: нагрузка чисто активная, а ток отстает от напряжения, что характерно для индуктивной нагрузки. Фазовое регулирование с опережающим углом управления. Работа регулятора с опережающим углом возможна только за счет принудительной коммутации, когда тиристор закрывается в интервале положительной полуволны питающего напряжения. Эту задачу решают заменой однооперационных тиристоров на двухоперационные или на силовые транзисторные ключи. Рисунок 3 - Временная диаграмма фазового метода с опережающим углом управления Временная диаграмма (рисунок 3) иллюстрирует фазовое регулирование с опережающим углом управления . Тиристоры поочередно открываются в начале положительной полуволны напряжения приложенного к их анодам в момент прихода положительных импульсов тока в цепь управляющего перехода (точки 0,2,4). Тиристоры закрываются с опережением в момент прихода отрицательных импульсов тока в цепь управляющего перехода (точки 1,3). Таким образом, формируется последовательность разнополярных импульсов напряжения, действующее значение которой зависит от угла управления, и определяется уравнением регулировочной характеристики . ………………………(4) Как видно из временной диаграммы первая гармоническая составляющая тока, потребляемая из сети, опережает напряжение , что говорит о том, что нагрузка носит емкостный характер. Фазовое регулирование с двухсторонним управлением. Работа регулятора с двухсторонним фазовым управлением также возможна только при принудительной коммутации. Временная диаграмма (рисунок 4) иллюстрирует двухстороннее фазовое управление. Рисунок 4 - Временная диаграмма фазового метода с двухсторонним управлением При двухстороннем управлении из синусоидального напряжения выделяется центральная часть. Открытие тиристора происходит с запаздыванием на угол , а закрытие - с опережением на этот угол. Коммутация происходит под действием управляющих импульсов тока. Зависимость действующего значения выходного напряжения определяется выражением . …………………….(5) Форма тока, потребляемая от сети при чисто активной нагрузке, совпадает с формой выходного напряжения. Фазовый сдвиг между питающим напряжением и первой гармонической составляющей тока . Регулировочные характеристики рассмотренных преобразователей показаны на рисунке 5. Рисунок 5 - Регулировочные характеристики: 1 - с отстающим и с опережающим углом управления; 2 - с двухсторонним управлением Для всех случаев среднее значение тока через тиристор принимает максимальное значение при и равно .,…………………………….… (6) а максимальное значение обратного напряжения ……………………………………………..……(7) Часто нагрузкой регулятора переменного напряжения служит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Нагрузка носит практически чисто индуктивный характер. На частоте сети индуктивное сопротивление в сотни раз больше активной составляющей. В регуляторах, работающих на индуктивную нагрузку, в основном применяются регуляторы с отстающим углом управления. Это объясняется простотой управления и возможностью использовать однооперационные тиристоры. При работе на индуктивную нагрузку меняется форма токов, как показано на рисунке 16.6. Рисунок 6 - Временная диаграмма работы регулятора переменного напряжения при индуктивной нагрузке По временной диаграмме можно проследить, что в точке 1 на тиристор VT1 поступает управляющий импульс, который смещен относительно напряжения на угол. Тиристор открывается, и ток через индуктивность начинает медленно возрастать (интервал 1-2). В индуктивности происходит накопление энергии. В точке 2 тиристор остается открытым за счет тока, который создает индуктивность (интервал 2-3), отдавая энергию в нагрузку. Если не учитывать потери на активном сопротивлении нагрузки, то тиристор будет открыт на интервале . В точке 4 открывается тиристорVT2, он будет открыт на интервале 4-6. Здесь на интервале 4-5 индуктивность запасает энергию, а на интервале 5-6 отдает ее в нагрузку. Далее процессы повторяются. Если уменьшать , то интервал проводимости тиристоров увеличится, а при , тиристоры будут открыты в течение половины периода. Ток примет синусоидальную форму и будет сдвинут относительно напряжения(форма тока показана пунктиром). Уравнение регулировочной характеристики имеет вид , ………………(8) из этого уравнения видно, что при все напряжение будет приложено к нагрузке. Минимальный угол, при котором тиристоры открыты в течение , называется критическим. Приформа напряжения и тока через нагрузку не изменяется. Регулировочная характеристика для случая чисто индуктивной нагрузки показана рисунке 16.7. Рисунок .7 - Регулировочные характеристики: 1- с чисто активной нагрузкой (); 2- с чисто индуктивной нагрузкой () Трехфазный регулятор переменного напряжения с фазовым способом управления состоит из трех однофазных регуляторов (рисунок 8). Применяется способ регулирования с запаздывающим углом управления, причем угол управления в каждой фазе задается отдельно от момента прохождения через ноль фазного напряжения. Рисунок 8 - Трехфазный регулятор переменного напряжения Ступенчатый метод регулирования Для реализации ступенчатого метода регулирования необходимо применить трансформатор с несколькими выводами от вторичной обмотки (рисунок 16.9). Рисунок 9 - Схема регулятора переменного напряжения со ступенчатым методом регулирования С помощью симисторов нагрузка подсоединяется к одному из выводов вторичной обмотки трансформатора. Напряжение на нагрузке остается синусоидальным, т.к. тиристоры открываются и закрываются в моменты перехода напряжений через ноль. Регулирование происходит ступенчато (рисунок 10 а,b). Рисунок 10 - Временная диаграмма работы регулятора переменного напряжения соступенчатым (a,b) и фазоступенчатым методом регулирования (c) Наименьшее напряжение подводится к нагрузке, когда включаются тиристоры VT1 и VT2 (рисунок 10,а), а наибольшее - когда включаются тиристоры VT3 и VT4 (рисунок 10,b). Эта схема регулятора может быть использована и для фазоступенчатого метода регулирования, в котором совместно используется фазовый и ступенчатый методы регулирования (рисунок 10,с). Изменяя угол управления тиристоров VT3 и VT4, можно плавно регулировать подводимое напряжение. Регулировочная характеристика определяется выражением += =. …………..……(9) Широтно-импульсный метод регулирования Широтно-импульсный метод регулирования основывается на изменении числа периодов переменного напряжения, подводимого к нагрузке, он может быть реализован по схеме (рисунок 11,а), где S– электронный ключ, который может коммутировать напряжение под действием управляющего сигнала. В качестве электронного ключа могут использоваться встречно параллельно включённые тиристоры или 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, лампы накаливания. Рисунок11 - Схема широтно-импульсного преобразователя (а) и временная диаграмма его работы (b) Диаграмма (рисунок 11,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 . ……………………………(10) Недостатком этого метода является наличие в потребляемом токе низкочастотных пульсаций, возникающих в момент замыкания и размыкания 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-электро-генераторы, 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 (рисунок 1) с помощью ключаS к нагрузке. Постоянное напряжение преобразуется в импульсное , среднее значение которого можно регулировать. Времена замкнутого (tи.- длительность импульса) и разомкнутого (tп- длительность паузы) состояний ключа можно автоматически изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления СУ. Рисунок 1 - Принцип действия ключевого преобразователя постоянного напряжения В результате на выходе будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме, представленной на рисунке 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 ключаS; f─ частота переключения ключа; ─ коэффициент заполнения. Рисунок 2 - Диаграмма выходного напряжения импульсного преобразователя Изменяя коэффициент заполнения , можно регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения коэффициента заполнения можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключомS. Наибольшее распространение получила широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда —var, Т–const. В широтно-импульсных преобразователях используется широтно-импульсная модуляция. По свойствам преобразователи подразделяются на понижающие , повышающиеи 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, уменьшив тем самым 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 (рисунок 3) его называют преобразователем с последовательным ключом. Рисунок 3 - Понижающий преобразователь постоянного напряжения -аи диаграмма его работы -b Импульсное преобразование вызывает значительную пульсацию выходного напряжения. Поэтому на выходе преобразователя для уменьшения пульсаций, как правило, включают фильтр. Для рассматриваемой схемы наиболее эффективным и распространенным, особенно при низкоомной нагрузке, является L-фильтр. На рисунке 3,а представлена силовая часть схемы преобразователя с L-фильтром, ключом S и обратным диодом VD. Последний создает цепь протекания токапри выключении ключа S. При отсутствии диода VD будут возникать недопустимые перенапряжения на ключе при его выключении, обусловленные возникновением противо-э.д.с.в индуктивности фильтра. В качестве ключа S могут применяться все разновидности силовых транзисторных ключей и запираемые тиристоры. При работе преобразователя происходит периодическое изменение двух состояний схемы. Первое состояние (интервал I) (рисунок 3,b) имеет место при включенном ключе S длительностью. На этом интервале токпротекает 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 Sв течение времени. На этом интервале токсоздается за счет энергии, накопленной в индуктивности на первом интервале, и протекает через диод VD. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, а сопротивление нагрузкималым, составим уравнения для I-го интервала , …………………..(2) и 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 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 рисунке 4,а. Рис.4. Повышающий широтно-импульсный преобразователь- a, диаграмма его работы - b 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 то к медленно нарастает, в реакторе L накапливается энергия, во II интервале при разомкнутом ключе Sток протекает через нагрузку, создавая в ней пульсирующее напряжение. Диаграммы, иллюстрирующие этот режим работы, показаны на рисунке 4 , b. Длительности интервалов I и II составляютисоответственно. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, а сопротивление нагрузки малым, составим уравнения для I-го интервала , …………………(6) и 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 рисунке 6,II. Повышающий широтно-импульсный преобразователь с инверсией Этот тип преобразователя называется также преобразователем с параллельным индуктивным накопителем. Такое название обусловлено схемой включения реактора (рисунок 5,b). Реактор L накапливает энергию при включенном состоянии ключа S, передает ее в нагрузку. Рисунок 5 - Повышающий широтно-импульсный преобразователь с инверсией выходного напряжения- a, диаграмма его работы - b Диаграммы токов и напряжений в схеме представлены на рисунке 5,b. При включенном ключе (интервал I )к реактору L приложено напряжение Е и он накапливает энергию за счет протекания тока . Длительность этого интервала соответствует времени включенного состояния ключа . При выключении ключа диод VD переходит в проводящее состояние и энергия реактора поступает в нагрузку (интервал II).Длительность интервала II соответствует времени выключенного состояния ключа. Принимая ключ S, источник E и реактор идеальными, сопротивление нагрузки малым, с учётом изменения тока по линейному закону можно записать: . ……………….(10) Из уравнений состояний следует, что , в соответствии с этим выражением регулировочная характеристика имеет вид показанный на рисунке 6,III. Рисунок 6 - Регулировочные характеристики импульсных преобразователей: понижающего - I, повышающего –II, повышающего с инверсией –III В повышающих преобразователях амплитуда импульса напряжения на нагрузке стремится к бесконечности, но следует отметить, что в реальных схемах потери мощности ограничивают выходное напряжение, но не устраняют опасность выхода из строя элементов под воздействием повышенного напряжения. Неблагоприятным в этом отношении является режим холостого хода, когда нагрузка отсутствует. Для уменьшения пульсаций в схемах повышающих преобразователей параллельно нагрузке включают емкостный фильтр. 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. Рисунок 7 - Схема реверсивного преобразователя постоянного напряжения Схема реверсивного преобразователя (рисунок 7) состоит из моста, образованного тиристорами VT1 …VT4, параллельно которым включены диоды VD1…VD4. Эти диоды служат нулевыми диодами, они обеспечивают протекание тока, вызванного энергией, запасенной в индуктивной нагрузке при запирании тиристоров. Возможны два способа управления тиристорами: симметричный и несимметричный. Рассмотрим симметричный способ управления тиристорами, временная диаграмма показана на рисунке 8,а. На диаграмме сплошной утолщенной линией показаны интервалы времени, на которых соответствующие тиристоры открыты. На интервале открыты тиристорыVT1 и VT3. Начиная с точки 1, через них протекает ток . В точке 2 открываются тиристоры VT2 иVT4, но ток через индуктивную нагрузку не может мгновенно изменить направление. На интервале 2-3 протекает через диоды VD2 иVD4, и только в точке 3 ток меняет свое направление. Он протекает через открытые тиристоры VT2 иVT4. Рис.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 ……………………. ( 11) При напряжение , а принапряжение . Недостатком симметричного управления тиристорами являются значительные пульсации выходного напряжения. Пульсации можно уменьшить, исключив отрицательную часть в выходном напряжении. Это обеспечивается в несимметричном способе управления тиристорами, диаграмма работы для этого случая показана на рисунке 9. Для исключения отрицательной части в выходном напряжении (рисунке 9,а) тиристоры VT2 иVT4 постоянно закрыты, тиристорVT3 – постоянно открыт. Для смены полярности выходного напряжения (рисунок 9,b) тиристоры VT1 и VT3 закрывают, открывают тиристор VT4, напряжение на выходе регулируется изменением длительности . Рисунок 9 - Диаграмма работы реверсивного преобразователя постоянного напряжения при несимметричном управлении. Рассмотренные преобразователи постоянного напряжения на основе транзисторов или тиристоров, как правило, дополняются специальными цепочками, ограничивающие скорости нарастания тока и напряжения на них. В зарубежной литературе они имеют название «снабберы». Лекция 4. Энергетические характеристики и спектральный анализ токов и напряжений регулятора переменного напряжения Энергетические показатели Регулирование напряжения с помощью тиристорных регуляторов переменного напряжения сопровождается уменьшением cosφ и появлением в кривых напряжения и тока высших гармонических составляющих. Для регуляторов, построенных по принципу фазо-импульсного управления, с увеличением угла управления тиристоров α в выходном напряжении резко возрастают нечетные высшие гармоники: 3-я, 5-я, 7-я и т.д. (рис.1). Гармонический спектр напряжения тиристорного переключателя, принцип работы которого эквивалентен широтно-импульсному управлению, содержит гармоники с частотой, как меньшей частоты питания, так и большей ее. Минимальная частота, определяемая периодом регулирования Тр, численно равна 1/ Три на практике составляет менее 1 Гц. Рис. 1 Зависимость амплитуд напряжения гармоник регулятора от угла отпирания тиристоров (1, 3, 5, 7, 9 – номера гармоник) Рис.2. Зависимость cosφ (1) и среднеквадратичного значения тока высших гармоник (2) регулятора от глубины регулирования напряжения При фазо-импульсном управлении активная мощность передается из сети к регулятору только основной гармоникой тока , ……………………………(1) где φ – угол сдвига между напряжением сети и первой гармоникой тока. Сдвиг по фазе основной гармоники тока создает в сети реактивную мощность Q = Uc I1sinφ …………………………….. (2) различие в формах кривых напряжения и тока характеризуется мощностью искажения ……………………………..(3) и коэффициентом искажения . ……………………………………….(4) Полная мощность, потребляемая из сети, определяется из выражения . ………………………………(5) Из трех составляющих полной мощности лишь активная является полезной. Коэффициент мощности установки при фазо-импульсном управлении равен …………………………..…….. (6) При чисто активной нагрузке определяем ………… (7) Зависимость cosφ и среднеквадратичного значения токов высших гармоник ………………………..(8) приведена на рис.2. С помощью косинусных конденсаторов можно лишь частично улучшить коэффициент мощности за счет увеличения cosφ. Мощность конденсаторной батареи, необходимой для повышения cosφ до единицы, равна: , ………………………..(9) где Рном– номинальная мощность нагрузки, кВ.А. При этом результирующий коэффициент мощности при установке косинусных конденсаторов будет равен . ……………………………..(10) Рис. 3. Зависимость результирующего коэффициента мощности регулятора при установке косинусных конденсаторов от глубины регулирования напряжения При широтно-импульсном управлении в случае активной нагрузки сдвиг между током I и напряжением сети Uc отсутствует, то есть φ = 0, и коэффициент мощности определяется только коэффициентом искажения: , ………………………………(11) где – относительная продолжительность включения (скважность); в свою очередь m – целое число; Тс – период напряжения сети и Тр – период регулирования. Рис.4. Зависимость коэффициента мощности регулятора от глубины регулирования напряжения и числа установок В случае активно-индуктивной нагрузки коэффициент мощности как при фазо-импульсном, так и при широтно-импульсном управлении зависит также от фазового угла нагрузки и ухудшается с его увеличением. Особенностью широтно-импульсного управления является увеличение коэффициента мощности при одновременной работе нескольких установок, включенное состояние которых полностью или частично не совпадает. Как показал анализ, проведенный, исходя из теории вероятности, результирующий (средневзвешенный) коэффициент мощности группы установок равен , …………………………(12) где п– число установок. На рис.4 представлены соответствующие графики для разных значений п (в пределах 1 – 10) при активной нагрузке, из которых видно, что при широтно-импульсном управлении с ростом числа установок результирующий коэффициент мощности будет неограниченно приближаться к единице вследствие «усреднения» тока сети во времени. Последнее говорит о существенных преимуществах широтно-импульсного управления при групповых установках. Снижение коэффициента мощности тиристорного источника в процессе регулирования приводит к ухудшению КПД линии, так как циркуляция реактивной мощности Q и мощности искажения Тиск в линии от генератора до приемника электроэнергии вызывает дополнительные активные потери. Последнее означает, что полная мощность установки увеличивается не только для покрытия непроизводительных составляющих мощности Q и Тиск, но и для покрытия дополнительных активных потерь мощности в линии, связанных с их циркуляцией. В одиночном регуляторе коэффициент мощности можно увеличить путем ступенчатого регулирования однофазного напряжения как показано на рис.5, а. На интервале от 0 до α1включен тиристор VS3. При угле отпирания α1включается тиристор VS2, к тиристору VS3 прикладывается обратное напряжение, и напряжение на нагрузке увеличивается. В момент  =  тиристор VS2 запирается и подается отпирающий импульс на тиристор VS4. В момент  = α2 отпирается тиристор VS1. Относительное значение регулируемого напряжения, коэффициент сдвига и коэффициент мощности равны ………………………..(13) а б Рис. 5. Принципиальная электрическая схема (а) и временные диаграммы (б) фазо-ступенчатого регулирования однофазного напряжения ……………………(14) ……………………(15) . …………………………………(16) Мощность искажения Тиск, обусловленная токами высших гармоник, вредно влияет на питающую сеть и подключенные к ней приемники, так как вызывает дополнительные потери в обмотках магнитопроводов, порождает при неблагоприятном сочетании параметров вредные резонансные явления и создает существенные помехи в расположенных вблизи линиях связи. Реактивная мощность может быть достаточно полно скомпенсирована, в то время как мощность искажения скомпенсировать более сложно. Поэтому в одиночной установке ухудшение коэффициента мощности более предпочтительно допускать за счет коэффициента сдвига. Таким образом, несинусоидальные периодические переменные, например токи, характеризуются следующими величинами: 1. Максимальное значение - . 2.Действующее значение - . 3.Среднее по модулю значение - . 4.Среднее за период значение (постоянная составляющая) – . 5.Коэффициент амплитуды (отношение максимального значения к действующему) – . 6.Коэффициент формы (отношение действующего значения тока к среднему по модулю) - . 7.Коэффициент искажений (отношение действующего значения первой гармоники к действующему значению всего тока) - . 8. Коэффициент гармоник (отношение действующего значения высших гармонических к действующему значению первой гармоники) – . 9.Коэффициент мощности - = Р /S. Лекция 5 Спектральный анализ токов и напряжений. Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание, которое, для напряжения, можно записать в следующем виде: …………….(1) где и - амплитуда, период, частота и начальная фаза соответственно. Если периодический несинусоидальный сигнал задан в интервале в виде функции с частотой , где - период повторения, и при этом выполняются условия Дирихле: 1. в любом конечном интервале функция непрерывна или имеет конечное число разрывов первого рода; 2. в пределах одного периода функция имеет конечное число максимумов и минимумов, то подобная функция может быть представлена тригонометрическим рядом Фурье: ……….(2) Здесь - среднее значение функции за период или постоянная составляющая, а и - амплитуды косинусоидальных и синусоидальных членов разложения . Эти величины определяются выражениями: ………………(3) Выражение (3) можно представить в виде суммы только косинусоид или только синусоид, но с различными фазами, например ……………..(4) где амплитуда и фаза n-ой гармоники определяются выражениями ………………………………….(5) ……………………………….……….. (6) Совокупность значений и называется спектром функции . На рис. 1, в качестве примера, изображён график амплитудного спектра (5): Рис. 1. Графическое представление спектра периодической функции. Из выражения (5) и рис. 1 видно, что спектр периодической функции (сигнала) состоит из отдельных линий, отображающих в заданном масштабе амплитуды гармоник, соответствующих частотам и т.д. Такой спектр называется линейчатым или дискретным. Для полной характеристики сигнала необходимо вычислить по формуле (6) фазу каждой гармоники. С целью упрощения расчётов, вместо тригонометрических формул (3) и (4) можно использовать комплексную форму записи ряда Фурье, которую можно получить из выражения (3), используя формулу Эйлера: ……………………………(7) После подстановки (7) в (2) и выполнения преобразований получим ряд Фурье в комплексной форме: ……………………………………...(8) Комплексная амплитуда и фаза n-ой гармоники определяются выражениями: ……………….(9) …………………………………………..(10) Подставив значения и из (3) в (10), получим ………………………..(11) Из полученных выражений следует, что структура спектра периодического сигнала полностью определяется двумя характеристиками: амплитудной и фазовой, т.е. модулем и аргументом комплексной амплитуды. Действующее значение периодического несинусоидального сигнала определяется согласно (4): …………………(12) С учётом (12) можно получить выражение для действующего значения тока: . ………………………… (13) Откуда следует, что действующее значение периодического негармонического тока равно сумме действующих значений его гармоник и не зависит от их начальных фаз . Действующее значение периодического несинусоидального напряжения находим аналогично Среднее значение периодических несинусоидальных тока и напряжения определяются согласно выражениям (2) и (3) Активная мощность периодического несинусоидального сигнала определяется по формуле Пусть ток и напряжение имеют вид где - сдвиг фаз между током и напряжением k-й гармоники.     Мгновенная мощность p(t)=u(t)*i(t). Тогда активная мощность будет представлена в следующем виде:     Таким образом, активная мощность несинусоидального тока равна сумме активных мощностей отдельных гармоник.     Реактивная мощность Q несинусоидального тока определяется по аналогии с активной мощностью P как алгебраическая сумма реактивных мощностей отдельных гармоник:     Как известно, реактивная мощность Q синусоидального тока характеризует интенсивность (величину) колебаний энергии (Q=ωWmax) с частотой ω между электромагнитным полем элемента и источником. В цепи несинусоидального тока колебания энергии происходят на разных частотах. Сложение реактивных мощностей отдельных гармоник, характеризующих колебания энергии на разных частотах, лишено физического смысла. Математически может получиться, что реактивные мощности отдельных гармоник имеют разные знаки и в сумме дают нуль, хотя колебания энергии при этом имеют место. Таким образом, для цепи несинусоидального тока понятие реактивной мощности лишено физического смысла. Имеет смысл говорить лишь об основной гармонике тока и величине реактивной мощности, вызванной его отставанием от кривой напряжения.     Для цепи несинусоидального тока применяется понятие полной мощности, которая определяется как произведение действующих значений напряжения и тока:     Как известно, для цепи синусоидального тока мощности P, Q, S образуют прямоугольный треугольник, из которого следует соотношение: S2=P2+Q2. Для цепей несинусоидального тока это соотношение между мощностями выполняется только для резистивных элементов, в которых в соответствии с законом Ома (u=iR) формы кривых функций u(t) и i(t) идентичны. Если в цепи содержатся реактивные элементы L и С, то это соотношение не выполняется: S2≥P2+Q2. Для баланса этого уравнения в его правую часть вносят добавочную мощность: S2 = P2+Q2+T2, откуда ,     Добавочная мощность Т - называется мощность искажения – понятие математическое, характеризует степень различия в формах кривых напряжение u(t) и тока i(t).