Силовая электроника

1 Федеральное агентство морского и речного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» Н.В. Белоусова, В. Ф. Самосейко Конспект лекций по дисциплине Силовая электроника Направление подготовки: «Электроэнергетика и электротехника» Санкт-Петербург 2020 2 ВВЕДЕНИЕ Конспект лекций по дисциплине «Силовая электроника» направлен на формирование профессиональных компетенций в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом по уровню бакалавриата ПКР-4. Способность принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности в соответствии с техническим заданием и нормативно-технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования. Конспект лекций предназначен для обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электропривод и автоматика», может быть использован при изучении других дисциплин, направленных на формирование профессиональных компетенций. В курсе «Силовая электроника» изучаются силовые вентильные преобразователи. Силовые вентильные преобразователи - это электротехнические устройства, позволяющие преобразовывать различные параметры электрической энергии (электрические преобразователи). Реализуются электрические преобразователи на вентильных элементах, т.е. на элементах, работающих в ключевом режиме. К таким элементам относятся – диоды, тиристоры и транзисторы. Они используются в основном в ключевом режиме, так как имеют высокий к.п.д. и сравнительно небольшие потери энергии (в идеальном вентильном ключе потери энергии равны 0). Кроме того, они используются в аналоговом режиме, например, в устройствах питания электронных элементов. В зависимости от функций, выполняемых преобразователями электрической энергии их можно подразделить на: Выпрямители - преобразователи переменного напряжения в постоянное. Тириристорные преобразователи переменного напряжения Инверторы - преобразователи постоянного напряжения в переменное. Регуляторы переменного напряжения - преобразователи переменного напряжения одного уровня в переменное напряжение другого уровня (одной и той же частоты). Преобразователи частоты - преобразователи переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты. Регуляторы постоянного напряжения - преобразователи знакопостоянного напряжения одного среднего значения в знакопостоянное напряжение другого среднего значения. Цель электронного учебного пособия – приобретение студентами теоретических и практических знаний процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии, конструкций и характеристик трансформаторов и различных типов электрических машин и аппаратов, применяемых в промышленности и на транспорте. Содержание данного электронного учебного пособия соответствует рабочей программе дисциплины и основано на материалах отечественных и зарубежных исследований, включая современные публикации. Каждый раздел конспекта включает контрольные вопросы. АННОТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Силовая электроника 1. Место дисциплины в структуре образовательной программы Дисциплина “Силовая электроника” относится к части, формируемой участниками образовательных отношений, Блока 1 учебного плана по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электропривод и автоматика». 3 2. Планируемые результаты обучения по дисциплине В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: принципы действия силовых полупроводниковых приборов и их назначение, основные схемотехнические решения устройств силовой электроники, основные уравнения процессов, схемы замещения, характеристики, понимать принцип действия и алгоритмы управления в электронных преобразователях электрической энергии. Уметь: использовать полученные знания при решениипрактических задач по проектированию, испытаниям и эксплуатации устройств силовой электроники, ставить и решать простейшие задачи моделирования силовых электронных устройств. Владеть: навыками элементарных расчетов и выбора силовых электронных преобразователей. 3. Объем дисциплины по видам учебных занятий Объем дисциплины составляет 4 зачетных единицы, всего 144 часоа, из которых:  68 часов составляет контактная работа обучающегося с преподавателем (17 часов практические занятия, 34 часа лабораторные работы, 17 часов лекции) по очной форме обучения;  16 часов контактная работа обучающегося с преподавателем (4 часа практические занятия, 8 часов лабораторные работы, 4 часов лекции) по заочной форме обучения. 4 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Работа полупроводниковых преобразователей энергии основа на коммутациях (включениях — выключениях) электронных ключей. Электронный ключ  полупроводниковый прибор, работающий в ключевом режиме, характеризующемся двумя состояниями: включен  выключен. Электронные ключи являются основными элементами импульсных устройств. Идеальный ключ  виртуальный управляемый ключ, обладающий двухсторонней проводимостью с нулевым падением напряжения в проводящем состоянии, бесконечным сопротивлением в непроводящем состоянии и мгновенным переходом из состояния в состояние. Изображение на схемах показано на Рис. 1.1, а. Мощность, выделяемая на идеальном ключе p  ui равна нулю, так как в открытом состоянии u  0, а в закрытом состоянии i  0. Поэтому коэффициент полезного действия импульсных устройств, реализованных на идеальных ключах равен 1. Реальные полупроводниковые ключи имеют падение напряжения в открытом состоянии около 12 Вольт. Поэтому работа реального ключа в проводящем состоянии сопровождается потерями. Кроме того, переход из состояния в состояние мощных электронных ключей происходит за конечное время порядка 410 микросекунд, что также ведет к дополнительным коммутационным потерям. Маломощные ключи коммутируются за существенно меньшее время. Реальные полупроводниковые ключи: диоды, тиристоры, транзисторы. а) б) в) A u К К A VD i г) VS УЭ VT З К Э Рис. 1.1. Графическое и буквенное обозначение электронных ключей на схемах: а) идеальный ключ; б) диод; в) тиристор; г) IGBT- транзистор, где А  анод; К  катод; З  затвор; УЭ  управляющий электрод Диод  неуправляемый ключ с односторонней проводимостью (Рис. 1.1, б. Включается диод при положительном напряжении на переходе анод (A)  катод (К), а выключается при уменьшении тока, протекающего через него в положительном направлении до тока удержания, который достаточно мал. Тиристор  полууправляемый ключ с односторонней проводимостью (Рис. 1.1, в. Включается тиристор при протекании через переход управляющий электрод (УЭ)  катод (К) импульса тока. Выключается тиристор при уменьшении тока, протекающего через переход анод (A)  катод (К), до тока удержания, который достаточно мал. Управление осуществляется только включением транзистора. Промышленностью выпускаются полностью управляемые тиристоры, которые включаются и выключаются по сигналу с системы управления. Такие полностью управляемые тиристоры содержат в своем составе устройство искусственной коммутации. Транзистор  полностью управляемый ключ с односторонней проводимостью (Рис. 1.1, г. Управление осуществляется как включением, так и выключением. В силовой импульсной технике распространение получили IGBT – транзисторы. Его полное название биполярный транзистор с изолированным затвором. 5 а) в) б) К (С) СCG ICмах К СCE IC З (G) З СGE Э UCE Э (E) UCE0 Рис. 1.2. Транзистор IGBT: а) составная схема; б) обозначение; в) вольтамперная характеристика открытого транзистора IGBT-транзистор  составной трехэлектродный (затвор, коллектор, эмиттер) полупроводниковый прибор, состоящий из полевого и биполярного транзисторов (Рис. 1.2). Причем управление составного транзистора аналогично управлению полевым транзистором, а выход аналогичен биполярному транзистору. Он наследует их положительные качества. Включается  выключается IGBT-транзистор как полевой: при подаче  снятии напряжения с перехода затвор (З)  эмиттер (Э). В результате на включение  выключение требуется достаточно малая мощность. Рабочий ток IC протекает через переход коллектор (К)  эмиттер (Э). По своим вольтамперным характеристикам он аналогичен биполярному транзистору. Вольтамперная характеристика открытого транзистора приведена на Рис. 1.2, в. Основными параметрами открытого состояния являются пороговое напряжение UCE0 В и динамическое сопротивление, которое можно оценить по формуле Rдин /ICмах Ом, где ICмах  максимальный ток коллектора (А). Динамические характеристики IGBT-транзистора определяются паразитными емкостями между электродами СGE, СCG, СCE. Входная емкость Свх  СGE + СCG, выходная емкость Свых  ССE + СCG, емкость обратной связи (емкость Миллера) Сос  СCG. Динамические процессы при переключении достаточно сложны. Наличие паразитных емкостей определяет задержки в нарастания  спадания напряжения UCE при включении  выключении транзистора относительно тока коллектора IC. Упрощенный характер динамических процессов при включении  выключении показан на Рис. 1.3. IC Iн UCE Uн t ton toff Рис. 1.3. Упрощенная временная диаграмма включения  выключения транзистора Потери мощности на транзисторном ключе складываются из потерь в статическом режиме и потерь в динамическом режиме P  Pст  Pдин . 6 Статические потери в ключах образуются при протекании по ним тока. Статические потери в транзисторах рассчитываются по формуле: Pст  UCE0  I ср  Rдин  I д , где UCE0  пороговое значение напряжения вольтамперной характеристики; Rдин  динамическое сопротивление транзистора; Iср  среднее значение тока коллектора; Iд  действующее значение тока коллектора. Динамические потери в ключах возникают при их коммутациях. Динамические потери в транзисторах рассчитываются по формуле: Pдин  Eonoff  f0 , где Eon-off  энергия коммутационных потерь (включения  выключения) транзистора; f0  частота модуляции. Энергия коммутационных потерь (включения  выключения) транзистора находится по справочным данным производителя транзисторных модулей. Приближенное значение энергии коммутационных потерь может быть найдено по формуле U I Eonoff  н н  tonoff , 2 где Uн  коммутируемое напряжение; Iн  коммутируемый ток; ton-off  время включения  выключения транзистора. Время включения транзистора 0,2  0,5 мкс, а время выключения 0,2  1,5 мкс. Технологии изготовления IGBT-транзисторов постоянно совершенствующиеся. Ведутся работы по снижению тепловых потерь в транзисторах. Выбор силовых транзисторов для схем электрических преобразователей производят по конструктивному исполнению модуля, максимальному напряжению коллектор-эмиттер, максимальному току коллектора. Проверка выбранного электронно-ключевого модуля производится по температуре нагрева кристалла полупроводника с учетом выбранного охладителя и способа отвода тепла от него. Если температура полупроводника силового модуля получается меньше допустимой температуры нагрева кристалла, то модуль считается выбранным верно. В настоящее время силовые транзисторы IGBT выпускаются многими как иностранными (Mitsubishi, Siemens, Semikron, Eupec, Infineon и др.), так и отечественными производителями (ПАО “Электровыпрямитель”, АО “Электрум-АВ”, АО “Ангстрем” и др.). С 1998 года на Саранском предприятии "Электровыпрямитель" осуществляется выпуск мощных высоковольтных IGBT- модулей на ток до 2400 А и напряжение до 3300 В. Выпускаемые силовые IGBT-транзисторы модули разделяются на обычные (стандартные) модули и интеллектуальные (IPM). Стандартные IGBT-модули конструктивно можно разделить на два типа: паяной конструкции с изолированным основанием и подложкой и прижимной (таблеточной) конструкции (Press-Pack). Модули с изолированным основанием выпускают в прямоугольных пластмассовых корпусах с односторонним прижимом и охлаждением через основание. Модули в таблеточном исполнений имеют двухстороннее жидкостное охлаждение. Конструкции таблеточных модулей более сложны. Их система охлаждения требует деионизации охлаждающей жидкости. Стандартные модули выпускаются в одно-, двух-, четырех- и шестиключевом исполнении (Рис. 1.4), которые, как правило, уже содержат в своем составе обратный быстро восстанавливающийся диод (FRD — Fast Recovery Diodes). Реже выпускают модули без обратных диодов. 7 а) б) в) г) Рис. 1.4. Стандартные модули в различном исполнении: а) одноключевом; б) двухключевом; в) четырехключевом; г) шестиключевом В последнее время при проектировании электрических преобразователей разработчики широко применяют интеллектуальные силовые модули (IPM – Intelligent Power Modules), которые кроме силовой части схемы электрического преобразователя содержат в едином корпусе драйверы, датчики температуры, тока и напряжения, источники питания, устройства диагностики и защиты и т.п. Транзисторы обладают односторонней проводимостью. а) б) в) Рис. 1.5. Электронные ключи с двухсторонней проводимостью: а) несимметричный; б) симметричный с одним транзистором; в) симметричный с двумя транзисторами Драйвер транзистора — электронное устройство, предназначенное для управления транзистором. Драйвер обычно выполняется отдельным модулем, который обеспечивает преобразование электрических управляющих сигналов в электрические сигналы, пригодные для включения — выключения силового ключа. Драйверы выполняют следующие функции: гальванически развязывают цепи управления и силовой ключ, усиливают сигналы, а также выполняют диагностику состояния ключа и защиты, например, — от перегрузки по току, от короткого замыкания. Кроме того, драйверы могут выполнять вспомогательную логику, цепи задержки на включение, исключения включения верхнего и нижнего ключей преобразователя и другие. Для включения IGBT-транзистора необходимо подать на вход драйвера напряжение, соответствующее логической единице   1, а для его выключения необходимо подать на вход драйвера напряжение, соответствующее логическому нулю   0. Логическая переменная , принимающая значения 0 или 1, ниже называется коммутационной функцией ключа. Коммутируемые напряжения электронными ключами достаточно велики по сравнению с падением напряжений на открытых электронных ключах. Периоды электромагнитных процессов без коммутаций в импульсной технике существенно превосходят время самих коммутаций реальных ключей. Поэтому при анализе электромагнитных процессов в систе- 8 мах управления с импульсной преобразовательной техникой реальные электронные ключи можно рассматривать как идеальные ключи. 1.1. Контрольные вопросы по теме Электронные ключи 1. 2. 3. 4. 5. 6. Какие электронные ключи используются в преобразовательной технике? Какой электронный ключ называется идеальным? Чему равны потери мощности на идеальном ключе? Какой электронный ключ называется полууправляемым? Каким образом открываются и закрываются тиристоры? Чему равны потери мощности на транзисторном силовом ключе? 2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ Неуправляемые преобразователи переменного напряжения в постоянное называются также выпрямителями. Выпрямители можно разделить по числу фаз выпрямления: - однофазные, - трехфазные, - многофазные. Выпрямители можно также разделить на полумостовые и мостовые. Полумостовые выпрямители обеспечивают однополупериодное выпрямление, а мостовые — двухполупериодные. К наиболее часто применяемым неуправляемым выпрямителям относятся однофазные однополупериодные выпрямители (ООВ); однофазные двухполупериодные выпрямители (ОДВ); трехфазные однополупериодные выпрямители (ТОВ); трехфазные двухполупериодные выпрямители (ТДВ), которые рассматриваются в данной главе. 2.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель Схема однофазного однополупериодного выпрямителя (ООВ) применяется достаточно редко, однако позволяет достаточно наглядно рассмотреть основные принципы работы выпрямителей. На Рис. 2.1 приведена схема ООВ, работающего на активную нагрузку. VD id A u uVD Rн ud Рис. 2.1. Cхема однофазного однополупериодного выпрямителя Активная нагрузка Rн питается через диод VD от источника переменного напряжения (непосредственно от сети или от вторичной обмотки трансформатора). Если к диоду VD приложено прямое напряжение (плюс к аноду и минус к катоду), то диод находится в открытом состоянии и по цепи через нагрузку будет протекать ток. При смене полярности переменного напряжения к диоду будет приложено обратное напряжение и он будет находиться в закрытом состоянии. Обычно при исследовании работы схем вентильных преобразователей вентили (диоды) полагаются идеальными элементами, т. е. при подаче прямого напряжения сопротивление идеального диода и, следовательно, падение напряжения на нем будет равно нулю. При подаче обратного напряжения на диод ток, протекающий по диоду и, следовательно, падение напряжения на нагрузке будет равно нулю. 9 u t Um 2 ud id ud, id t uVD VD VD t Um Рис. 2.2. Временные диаграммы: входного напряжения u, напряжения ud и тока id на нагрузке, напряжения на диоде uVD однофазного однополупериодного выпрямителя На Рис. 2.2 представлена эпюра фазного напряжения, подаваемого на вход выпрямителя: u = Um · sin(ω· t), где Um = Umф — максимальное значение фазного напряжения; ω = 2··f — угловая частота фазного напряжения, 1/c; f = 50 Гц — частота фазного напряжения; t — текущее время, с. В первый полупериод синусоидального входного напряжения (от 0 до ) диод будет открыт, так как к нему приложено прямое напряжение. В этом случае по диоду и нагрузке будет протекать прямой ток id. Если положить, что диод идеальный, то падение напряжения на диоде uVD будет равно нулю, а напряжение на нагрузке будет равно питающему напряжению и точно повторять положительную полуволну напряжения u (Рис. 2.2). При смене полярности питающего напряжения (от  до 2) диод находится под обратным напряжением и ток через диод и нагрузку не протекает. В этом случае (при условии идеальности диода) падение напряжения на нагрузке ud можно считать равным нулю, а к диоду окажется приложено входное напряжение u (отрицательная полуволна). Эпюры напряжения на нагрузке ud, тока нагрузки id и напряжения на диоде uVD изображены на Рис. 2.2. Основными параметрами, характеризующими работу выпрямителей, являются: - среднее значение выпрямленного напряжения — Ud; - действующее значение выпрямленного напряжения — Udd; - коэффициент схемы — Ксх; - коэффициент искажений — Ки. Напряжение на нагрузке ud представляет собой периодическую несинусоидальную знакопостоянную функцию. Найдем среднее значение выпрямленного напряжения Ud за период: T T 2 U ф U 1 1 U d   ud  t  dt   ud  t  dt  m  , T 0 T 0   где T = 1/f =2·/ ω  период фазного напряжения, с; Uф  действующее значение фазного напряжения; Um  макисмальное значение фазного напряжения. Определим действующее значение выпрямленного напряжения Udd. Из курса ТОЭ известно, что действующее значение периодической несинусоидальной функции может быть найдено по следующей формуле: 10  1 U  ud2  t  dt  U d2  U di2  m , T 0 2 i 1 T U dd  где Ud — среднее значение выпрямленного напряжения, В; (2.1)  U i 1 2 di — сумма квадратов дейст- вующих значений всех гармонических составляющих выпрямленного напряжения. Для измерения среднего значения используются приборы магнитоэлектрической системы, а для измерения действующего значения электромагнитной системы. Из формулы (2.1) видно, что величина действующего значения напряжения больше величины среднего значения на сумму гармонических составляющих выпрямленного напряжения  U dd2  U d2  U di2 . i 1 Коэффициент схемы Ксх — это отношение среднего значения выпрямленного напряжения Ud к действующему значению фазного (входного) напряжения Uф U К сх  d . Uф Таким образом, коэффициент схемы определяет связь между значениями входного и выходного напряжения выпрямителя. Определим значение коэффициента схемы ООВ U 2 К сх  d   0, 45 . Uф  Коэффициент искажений Кu — равен отношению корня квадратного из суммы квадратов действующих значений всех гармонических составляющих выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения   U di2 U dd2 U d2 . Ки   Ud Ud Чем больше значение коэффициента искажений, тем хуже выпрямляющие свойства преобразователя. При постоянном выпрямленном токе коэффициент искажений равен нулю Определим значение коэффициента искажений ООВ i 1 U m2 U m2  U U dd2 U d2  4   1, 21 . i 1 Ки    Um Ud Ud  При разложении в ряд Фурье в составе выпрямленного напряжения ООВ будут гармоники порядков 0, 1, 2, 4, 6… ud (t )  U 0  U1  cos( t )  U 2  cos(2   t )  U 4  cos(4   t ) Нулевая гармоника – это среднее значение выпрямленного напряжения: U0 Ud. Таким образом, действующее значение отличается от среднего на величину высших гармонических составляющих. ООВ позволяет получить на выходе напряжение постоянное по знаку. Выбор диодов Диод выбирается по следующим параметрам: 1. Среднему значению тока, протекающего через диод за период (диод открыт) U IVDср  I d  d , Rн  2 di 11 где Id — среднее значение тока на нагрузке за период; Ud — среднее значение напряжения на нагрузке за период. При естественном охлаждении диодов это значение нужно увеличить в 2  4 раза. Затем из справочных данных выбрать ближайшее большее значение. При искусственном охлаждении (охладители, радиаторы, воздушное, водяное) обычно выбирается ближайшее большее к среднему значение. 2. Максимальному значению обратного напряжения (диод закрыт) U vdmax.обр U mф  2 U ф , где Uф – действующее значение входного (фазного) напряжения; Um – максимальное значение фазного напряжения. В зависимости от этого значения диоды (силовые высоковольтные) подразделяются на классы: 1 класс - 100 В, 2 класс - 200 В и т.д. При выборе диода необходимо напряжение взять с 1,5  2-кратным запасом и затем выбрать диод из класса, имеющего ближайшее большее значение напряжения. 2.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя на активную нагрузку. Однофазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель (ОДВ) реализуется на основе схемы диодного моста. Схема выпрямителя представлена на Рис. 2.3. id M A VD1 VD3 + Rн iA u VD4 ud VD2 Lн – N Рис. 2.3. Cхема однофазного двухполупериодного выпрямителя: A, 0 — выводы переменного (фазного) напряжения источника питания; M, N — выводы постоянного (выпрямленного) напряжения Диоды образуют плечи моста: VD1, VD3 — катодная группа диодного моста (катоды диодов соединены в одну точку); VD2, VD4 — анодная группа диодного моста (аноды диодов соединены в одну точку); iA — ток, потребляеый из сети фазой A. Всегда работает только одна пара диодов VD1—VD2 или VD3—VD4 в зависимости от соотношения потенциалов на выводах переменного напряжения u. Если A > 0 = 0 (положительная полуволна входного напряжения), то ток протекает через диоды VD1 и VD2. Если A < 0 = 0 (отрицательная полуволна входного напряжения), то работают диоды VD3 и VD4 (рис.2.4). Эпюры мгновенных значений напряжения на входе выпрямителя — u(t), напряжения на нагрузке — ud(t), тока на нагрузке — id(t) при активной нагрузке Rн представлены на Рис. 2.4 12 u Um t 2 ud t п id VD1,VD2 VD3,VD4 VD1,VD2 VD3,VD4 t Рис. 2.4. Временные диаграммы однофазного двухполупериодного выпрямителя при активной нагрузке Rн При разложении в ряд Фурье в составе выпрямленного напряжения будут гармоники порядков 0, 2, 4,… ud (t )  U 0  U1  cos(2   t )  U 4  cos(4   t ) Найдем среднее значение выпрямленного напряжения ОДВ T  2 Um 1 1 U d   ud  t  dt   U m  sin  t  dt  . T 0  0  Найдем действующее значение выпрямленного напряжения U 1 T 2 U dd   ud  t  dt  m . T 0 2 Найдем коэффициент схемы ОДВ U 2 U m 2  2 U ф 2  2 К сх  d     0,9 . U ф U ф U ф  Коэффициент искажений ОДВ будет равен U dd 2  U d 2  0, 483 . Ud Коэффициент схемы ОДВ в 2 раза больше коэффициента схемы ООВ. Ки  Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Положим, что Lн  0. В этом случае ток, протекающий по нагрузке, будет отставать от напряжения и сглаживаться. При большой величине индуктивности, т.е. когда постоянная времени цепи нагрузки  много больше (приблизительно в 3  4 раза) угла повторяеL мости выходного напряжения  п (   н  п ), ток в нагрузке можно считать идеально Rн сглаженным (Lн ∞). Таким образом, при индуктивном характере нагрузки ток, протекающий по ней, можно считать величиной постоянной Id = const. Эпюры мгновенных значений 13 напряжения на входе выпрямителя — u(t), напряжения на нагрузке — ud(t), тока на нагрузке — id(t) при индуктивном характере нагрузки представлены на рис.2.5 Выбор диодов Диод выбирается по следующим параметрам: 1. Среднему значению тока, протекающего через диод за период. Так как ток протекает через каждый диод в течение 1/2 периода (когда диод открыт), то среднее значение тока, протекающего через каждый диод за период, будет I IVDср  d , 2 U где I d  d — среднее значение тока на нагрузке за период. (При расчете среднего значеRн ния тока учитывается только значение активной составляющей нагрузки – см. курс ТОЭ); Ud — среднее значение напряжения на нагрузке за период. При естественном охлаждении диодов это значение нужно увеличить в 2  4 раза. Затем из справочных данных выбрать ближайшее большее значение. При искусственном охлаждении (охладители, радиаторы, воздушное, водяное) обычно выбирается ближайшее большее к среднему значение. 2. Максимальному значению обратного напряжения ( когда диод закрыт) UVDmax.обр  U m  2 U ф , где Uф – действующее значение входного (фазного) напряжения; Um – максимальное значение фазного напряжения. В зависимости от этого значения диоды (силовые высоковольтные) подразделяются на классы: 1 класс - 100 В, 2 класс - 200 В и т.д. При выборе диода необходимо напряжение взять с 1,5  2-кратным запасом и затем выбрать диод из класса, имеющего ближайшее большее значение напряжения. u Um t Um t 2 ud id VD1,2 VD3,4 VD1,2 VD3,4 Id t Рис. 2.5. Временные диаграммы однофазного двухполупериодного выпрямителя при индуктивном характере нагрузки (L ) 2.3. Трехфазный однополупериодный выпрямитель Возможны две схемы соединения диодов образующих трехфазный однополупериодный выпрямитель (ТОВ): 14 1. Схема с катодной группой диодов (катоды соединены в одну точку) Рис. 2.6, а. Катодная группа диодов выполняет математическую операцию выбора максимального значения из трех. 2. Схема с анодной группой диодов (аноды соединены в одну точку). Рис. 2.6, б. Анодная группа диодов выполняет математическую операцию выбора минимального значения напряжения из трех. iA A а) VD1 iA A iB iB VD2 B iС С B iС VD3 С VD2 VD3 ud ud Rн б) VD1 Lн Rн Lн N id M M id N Рис. 2.6. Cхемы трехфазного однополупериодного выпрямителя с группой диодов: а) анодной, б) катодной; A, B, C— выводы переменного (трехфазного) напряжения источника; M, N — выводы постоянного (выпрямленного) напряжения VD1, VD3, VD5 — катодная группа диодного моста (катоды диодов соединены в одну точку); VD2, VD4, VD6 — анодная группа диодного моста (аноды диодов соединены в одну точку). Всегда работает только один диод VD1, VD2 или VD3 в зависимости от соотношения потенциалов A , B и C на выводах переменного напряжения u. (рис.2.6). Временные диаграммы напряжений и токов для схемы Рис. 2.6,а приведены на Рис. 2.7. На вход выпрямителя подается трехфазное напряжение u A U mф  sin   t  ; uB U mф  sin   t   ; uC U mф  sin   t    , 2 — угол межфазового сдвига; Umф  амплитуда фазного напряжения; . 3 Найдем среднее значение выпрямленного напряжения T 3  6 U ф 1 U d    ud (t )dt  , T 0 2 где T— период сетевого напряжения. где  15 u ud a) id (R) uA uB Um t Um t 2  п VD1 б) uС VD2 VD3 Id t id (R-L) Id t Рис. 2.7. Временные диаграммы трехфазного однополупериодного выпрямителя с R, L – нагрузкой: а) L=0; б) L  Действующее значение выпрямленного напряжения находится по формуле T 1  ud2 (t )dt . T 0 Найдем коэффициент схемы трехфазного однополупериодного выпрямителя U 3 6 K сх  d   1,17 . Uф 2 Коэффициент искажений будет равен U dd  U dd 2  U d 2 Ки   0,183 . Ud Выбор диодов Диоды выбираются по следующим параметрам: 1. Среднему значению тока, протекающего через диод за период. Так как каждый диод открыт только 1/3 периода, то среднее значение тока, протекающего через каждый диод за период, будет I IVDср  d , 3 U где I d  d — среднее значение тока, протекающего по нагрузке за период входного наRн пряжения. (При расчете среднего значения тока учитывается только значение активной составляющей нагрузки – см. курс ТОЭ); Ud — среднее значение напряжения на нагрузке за период. При естественном охлаждении диодов это значение нужно увеличить в 2  4 раза. Затем из справочных данных выбрать ближайшее большее значение. При искусственном ох- 16 лаждении (охладители, радиаторы, воздушное, водяное) обычно выбирается ближайшее большее к среднему значение. 2.Максимальному значению обратного напряжения ( когда диод закрыт) будет равно линейному напряжению UVDmax.обр U mл  2  3 U ф  2, 45 U ф  2, 09 U d , где Uф – действующее значение входного (фазного) напряжения; Umл – максимальное значение линейного напряжения. В зависимости от этого значения диоды подразделяются на классы: 1 класс - 100 В, 2 класс - 200 В и т.д. При выборе диода необходимо напряжение взять с 1,5  2-кратным запасом и затем выбрать диод из класса, имеющего ближайшее большее значение напряжения Частота кривой выпрямленного напряжения в 3 раза больше частоты сети. Следовательно, кривая выпрямленного напряжения содержит гармоники порядка 0, 3, 6, 9,… Недостатки схемы. В однополупериодной схеме из сети потребляются постоянные по направлению (знаку) токи, т.е. сеть загружается постоянными составляющими, ухудшается качество напряжения сети. Это также приводит к подмагничиванию магнитопровода трансформатора, что не позволяет применять молумостовые выпрямители в мощных установках. Данная схема применяется для нагрузок мощностью до 5 кВт. 2.4. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель Трехфазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель (ТДВ) применяется наиболее часто в силовой электронике. Мощности ТДВ достигают десятки мегаватт. Схема ТДВ представлена на Рис. 2.8. M + VD1 VD3 VD5 iA A B Нагрузка id Rн iB ud iС Lн C VD4 VD6 VD2 – N Рис. 2.8. Cхема трехфазного двухполупериодного выпрямителя: A, B, C— выводы переменного (трехфазного) напряжения источника питания; M, N — выводы постоянного (выпрямленного) напряжения На Рис. 2.8 VD1, VD3, VD5 — катодная группа диодного моста (катоды диодов соединены в одну точку); VD2,VD4, VD6 — анодная группа диодного моста (аноды диодов соединены в одну точку); iA ,iB, iC — токи, потребляемые из сети фазами A, B, C. 17 В каждый момент времени ток проводит один диод катодной группы и один диод анодной группы. Всегда ток протекает по нагрузке только через одну пару диодов VD1—VD6, VD1— VD2, VD3—VD2, VD3—VD4, VD4—VD5, VD5—VD6 в зависимости от соотношения потенциалов A , B и С на выводах переменного напряжения u. (рис.2.9). Временные диаграммы напряжений и токов для схемы Рис. 2.8. приведены на Рис. 2.9. uA uB uС uф Umф uCB uAB uAС uBС uBA uСA t uСB uл Umл t ud Umл а) id (R) 1, 6 1, 2 t Id t 2 5, 6 б) id (R-L) Ud 3, 2 3, 4 5, 4 5, 6 VD Id t Рис. 2.9. Временные диаграммы трехфазного мостового выпрямителя с R, L – нагрузкой: а) L=0; б) L  На выводы переменного тока выпрямителя подается система трехфазных линейных напряжений (рис.2.8) u AB  3 U mф  sin   t  ; uBC  3 U mф  sin   t   ; uCA  3 U mф  sin   t    , где   2 — угол межфазового сдвига; Umф  максимальное значение фазного напряже3 ния. Найдем среднее значение выпрямленного напряжения T 3 3 U mф 3 6 U ф 1 U d   ud  t  dt    2,3391U ф , T 0   18 где Uф  действующее значение фазного напряжения, Umф — максимальное значение фазного напряжения; T — период сетевого напряжения. Действующее значение выпрямленного напряжения находится по формуле   T 3 3 3  2   1  ud2  t  dt  U ф  2,34115 U ф . T 0 2 Найдем коэффициент схемы ТОВ U 3 6 К сх  d   2,34 . Uф  Коэффициент искажений ТОВ будет равен U dd  U dd 2  U d 2 Ки   0, 042 . Ud Выбор диодов Диод выбирается по следующим параметрам: 1. Среднему значению тока, протекающего через диод за период. Так как каждый диод открыт 1/3 периода, то среднее значение тока, протекающего через каждый диод за период, будет I IVDср  d , 3 где Id  Ud/Rн — среднее значение тока, протекающего через нагрузку за период входного напряжения. (При расчете среднего значения тока учитывается только значение активной составляющей нагрузки – см. курс ТОЭ); Ud — среднее значение напряжения на нагрузке за период. При естественном охлаждении диодов это значение нужно увеличить в 2  4 раза. Затем из справочных данных выбрать ближайшее большее значение. При искусственном охлаждении (охладители, радиаторы, воздушное, водяное) обычно выбирается ближайшее большее к среднему значение. 2. Максимальному значению обратного напряжения ( когда диод закрыт) будет равно линейному напряжению UVDmax.обр U mл  2  3 U ф  2, 45 U ф  2, 09 U d , где Uф —действующее значение входного (фазного) напряжения; Umл — максимальное значение линейного напряжения (рис.1.9). В зависимости от этого значения диоды подразделяются на классы: 1 класс - 100 В, 2 класс - 200 В и т.д. При выборе диода необходимо напряжение взять с 1,5  2-кратным запасом и затем выбрать диод из класса, имеющего ближайшее большее значение напряжения Частота кривой выпрямленного напряжения в 6 раза больше частоты сети. Следовательно, кривая выпрямленного напряжения содержит гармоники порядка 0, 6, 12, 18,… Достоинства трехфазного мостового выпрямителя. Меньше частота пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с другими, рассмотренными выпрямителями. Таблица параметров различных типов выпрямителей Тип выпрямителя К сх Ки m № гармоник ООВ ОДВ ТОВ ТДВ 0,45 1,211 1 0,1,2,4,6… 0,90 0,483 2 0,2,4.6… 1,17 0,183 3 0,3,6,9… 2,34 0,042 6 0,6,12,18… 19 где m — число пульсаций выпрямленного напряжения на периоде сетевого. 2.5. Контрольные вопросы по теме «Неуправляемые выпрямители» 1. Гармоники каких порядков содержит кривая выпрямленного напряжения ООВ? 2. Среднее значение выпрямленного напряжения равно 450 В. Чему равно действующее значение фазного напряжения, подаваемого на вход ОДВ? 3. Что называется выпрямителем? 4. Среднее значение выпрямленного тока для ТОВ составляет 6 А. На какой ток выбираются диоды при искусственном охлаждении? 5. Действующее значение фазного напряжения, подаваемого на вход ТДВ, равно 100 В. Какого класса диоды нужно выбрать (с учетом запаса)? 6. Чему равночисло пульсаций выпрямленного напряжения на периоде сетевого для ТОВ? 7. Построить эпюру тока, потребляемого из сети одной фазой, при активной нагрузке для ТДВ (показать период сетевого напряжения). 8. По какой формуле может быть найден коэффициент схемы? 9. Чем больше коэффициент искажений, тем качество выпрямления лучше или хуже и почему? 10. При каком условии выпрямленный ток на активно-индуктивной нагрузке можно считать идеально сглаженным? 11. Чему равен коэффициент искажений ООВ? 12. Чему равен коэффициент схемы ТДВ? Литература Теоретические основы управления электропри- Самосейко В.Ф. водом Белоусов И.В Импульсная преобразоГельвер Ф.А. вательная техника Самосейко В.Ф. Электроэнергетические Воскобович В.Ю. установки и силовая Королева Т.Н. электроника транспортПавлова В.А. ных средств Промышленная элекГорбачев Г.Н. троника Чаплыгин Е.Е Основы преоразоваЧиженко И.М. тельной техники Руденко В.С. Силовая электроника. Преобразовательная техника. Учебное пособие СПб.: Элмор, 2007.- 464 с. Учебное СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. пособие Макарова, 2019. — 150 с. Учебное СПб.: Элмор, 2001.- 384 с. пособие Учебник М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с для вузов Учебник для М.: Высшая школа, 1980. – 422 с. ВУЗов http://window.edu.ru/resource/330/76330 http://window.edu.ru/resource/624/75624