2. Инверторы системах электропривода переменного тока

2.1. Современное состояние силовых полупроводниковых элементов

Основными приборами силовой электроники в настоящее время являются: биполярные транзисторы (ВРТ), полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), тиристоры (Thyristors, SCR) и запираемые тиристоры (GTO), а также диоды (Diodes), силовые интегральные схемы (Power IC) и интеллектуальные силовые интегральные схемы (Smart Power IC).

Самую значительную часть приборов в диапазоне до 50 А составляют полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET. Обладая малыми статическими и динамическими потерями, минимальными затратами на управление, крайне малым временем переключения (способны работать на частотах до 1 МГц) и высокой стойкостью к перегрузкам, они практически полностью вытеснили из низковольтных преобразовательных устройств (до 200 В) все остальные типы силовых полупроводниковых приборов. А разработки фирмы Simens в области создания высоковольтных (600 – 1000 В) MOSFET транзисторов расширяют область их применения до 10 кВт, и позволили потеснить силовые биполярные транзисторы (ВРТ).

Транзисторы MOSFET широко используются в силовых интегральных схемах (Power IC) и интеллектуальных силовых интегральных схемах (Smart Power IC).

Силовые биполярные транзисторы (ВРТ), в токовом диапазоне до 50 А, находят применение в основном в массовом и дешевом бытовом и промышленном оборудовании.

В области средних напряжений (500 – 600В и выше) наиболее предпочтительными для применения являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT- Insulated Gate Bipolar Transistor). Появление этого прибора повлекло за собой столь радикальные изменения в силовой электронике, что можно говорить о второй революции, переживаемой этим научно – техническим направлением.

В настоящее время IGBT транзисторы обеспечивают коммутацию токов до 1800 А при напряжении до 4,5 кВ. При этом время переключения лежит в диапазоне 200 – 400 нсек. Это привело к вытеснению запираемых тиристоров (GTO) при мощностях до 1 МВт (U ≤ 3,5 кВ).

Сами GTO в последние годы были модернизированы (АВВ, Mitsubishi), и появился новый класс приборов – тиристор, коммутируемый по затвору (GCT – Gate Thyristor или IGCT – Integrated Gate Commutated Thyristor).

Наиболее перспективными из них, для схем преобразователей мощностью от единиц ватт до единиц мегаватт, являются транзисторы MOSFET и IGBT.

2. Принцип действия силовых инверторов

Силовые модули обычно используются в цепях преобразователей переменного напряжения в постоянное (конверторы или выпрямители) и постоянного напряжения в переменное - (инверторы). В современных системах электропривода переменного тока практически повсеместно в качестве силовых регуляторов используются инверторы с шестью силовыми модулями (транзисторными ключами - ТК).

Рис.2.1 Трехфазный инвертор с ШИМ

Схема трехфазного инвертора на IGBT силовых модулях, включающего также выпрямительный модуль, подающий на инвертор напряжение U_п, и предназначенного для питания двигателя переменного тока, показана на рис. 2.1.

Статорные обмотки машины (обычно это асинхронная машина с короткозамкнутым ротором) при питании от такого инвертора включаются в звезду или треугольник. Рассмотрим принцип получения регулируемой частоты с помощью управляемого инвертора. Простейшим способом управления транзисторными ключами, является способ с α = 180° (рис. 2.2).

Рис.2.2 Алгоритм управления инвертором с α = 180°

Здесь в течение 1/6 периода выходного напряжения включены три ключа. Последовательность управления ключами следующая: 123, 234, 345, 456, 561 и 612.

Рис. 2.3 Реализация ШИМ на базе инвертора: а) синусоидальный и пилообразный сигналы равной амплитуды; б) напряжение на нагрузке

Могут также реализовываться способы с α = 120° и α = 150°. При α = 120° последовательность управления транзисторными ключами: 12, 23, 34, 45, 56, 61; при α = 150° транзисторные ключи переключаются в такой последовательности: 12, 123, 23, 234, 34, 345, 45, 456, 56, 561,61.

В настоящее время, в связи со значительными достижениями технологии изготовления сило­вых транзисторов, практически повсеместно используются алгоритмы с синусоидальной ШИМ, принцип работы которых иллюстрирует рис. 2.3.

2. Схема замещения, характеристики и режимы работы АД