СЭ_ВСП_УП

Введение

Современные транспортные системы электроснабжения (судов,

автомобилей, железнодорожных или воздушных транспортных средств,

робототехнических систем) характеризуются наличием значительного числа потребителей, включая электромеханические,

электрогидравлические и электронные устройства, требующих питания постоянным током с регулируемым уровнем напряжения или переменным током с регулируемыми напряжением и частотой.

В связи с этим возникает необходимость в устройствах, способных осуществлять преобразование мощных потоков электрической энергии,

вырабатываемой электроэнергетической установкой или поступающей из единой сети, из одного вида в другой. Вопросами, связанными с созданием подобных устройств, занимается область науки и техники, называемая преобразовательной техникой. Распространено и другое название – силовая и энергетическая электроника.

Электротехнические устройства, связывающие две или более систем с отличными друг от друга параметрами, а также позволяющие изменять эти параметры по определенному алгоритму (закону), обеспечивая при этом обмен энергией между связанными системами, называются статическими преобразователями (СП) или преобразовательными устройствами.

В зависимости от вида преобразования электрической энергии СП подразделяются на следующие:

выпрямители, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный;

инверторы, предназначенные для преобразования постоянного тока

впеременный;

преобразователи частоты, предназначенные для преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты;

5

преобразователи числа фаз, предназначенные для преобразования переменного тока трехфазной сети в переменный ток однофазной или многофазной сети;

преобразователи – регуляторы постоянного напряжения,

предназначенные для преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.

Статические преобразователи характеризуются существенными достоинствами против ранее широко используемых электромашинных преобразователей такими, как:

-высокая степень надежности из-за отсутствия механического износа вращающихся частей;

-низкая металлоемкость, масса и габариты;

-высокий КПД;

-высокое быстродействие.

-большой коэффициент усиления и низкая мощность управления.

Однако, СП не лишены и существенными недостатками такими, как:

-относительно невысокую перегрузочную способность СП по току и напряжению, обусловленную пока ещё относительно небольшой перегрузочной способностью по этим параметрам силовых полупроводниковых приборов;

-повышенное влияние на питающую сеть (пониженный уровень электромагнитной совместимости).

Для улучшения качества преобразования электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости СП с питающей сетью автономных объектов в состав преобразователей включаются трансформаторы и фильтры.

Среди СП, используемых на автономных объектах, наибольшее применение нашли управляемые выпрямители (УВ) и инверторы, а также преобразователи частоты.

6

В этом учебном пособии рассматриваются только ведомые сетью полупроводниковые преобразователи. Их работа обусловлена питающей сетью переменного тока низкой частоты (для России – это 50 Гц, для США,

Канады и некоторых других стран – 60 Гц). Они могут функционировать в выпрямительном и в инверторном режиме в зависимости от того, в каком режиме работает нагрузка (например, электрическая машина электропривода: двигательном или генераторном).

Ввыпрямительном режиме СП, называемый выпрямителем,

преобразует энергию сети переменного тока в энергию постоянного тока

(AC/DC –преобразователи). В качестве нагрузки при этом могут выступать:

R- нагрузка, RL- нагрузка, противо-ЭДС (например, якорь машины постоянного тока, работающая в двигательном режиме), С-нагрузка.

В инверторном режиме СП, называемый ведомым или зависимым инвертором, преобразует энергию постоянного тока, поступающую от нагрузки (например, с якоря машины постоянного тока, работающей в генераторном режиме), в энергию переменного тока, отдаваемую в сеть переменного тока (DC/ AC – преобразователи).

Для улучшения качества преобразования электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости СП с питающей сетью автономных объектов в состав преобразователей включаются трансформаторы и фильтры.

Трансформатор согласует напряжение питающей сети переменного тока с напряжением нагрузки и обеспечивает требуемую, в ряде случаев,

гальваническую развязку нагрузку и сети. Если согласование не требуется,

вместо него включают линейные реакторы, ограничивающие скорость нарастания тока в вентилях при коммутации, а также токи при внешних по отношению к СП коротких замыканиях.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя обычно устанавливают сглаживающие фильтры.

7

Вентили осуществляют периодическое подключение нагрузки к фазам питающей сети.

Система управления формирует сигналы управления, которые обеспечивают

надежное отпирание вентилей в заданные моменты времени.

Элементы защиты защищают СП от перегрузок в штатном и аварийном режимах работы.

1.Элементная база ведомых сетью преобразователей

Полупроводниковые вентили, используемые в ведомых сетью СП,

предназначены для работы в ключевом режиме, то есть находятся только в двух состояниях: открытом, проводят ток в прямом направлении, и

закрытом (непроводящем ток). Реально в закрытом состоянии вентили пропускают небольшой ток, называемый током утечки, и находятся в этом состоянии до тех пор, пока обратное напряжение на вентиле не превышает предельно допустимого значения (напряжение пробоя). В открытом состоянии падение напряжения вентиля (прямое напряжение) не превосходит нескольких вольт. Силовой ток в прямом направлении может достигать десятка килоампер.

Во всех перечисленных СП вентили (силовые полупроводниковые приборы: силовые диоды, тиристоры и IGBT-транзисторы) являются главными элементами. На сегодняшний день существуют силовые полупроводниковые приборы, предельные параметры которых по прямому току от 2,5 кА до 3,0 кА, по напряжению от 3,5 кВ до 6,0 кВ.

1.1.Диоды

Функционально диод является двухэлектродным электронным прибором, имеющий два выхода (анод со стороны р- слоя и катод со стороны n- слоя), содержащий один p-n переход и обладающий

8

односторонней проводимостью тока. При подключении к внешнему источнику он переходит в открытое состояние, если к аноду прикладывается положительный потенциал, к катодуотрицательный. Ток диода определяется параметрами внешней цепи и величиной питающего напряжения. При приложении обратного напряжения ток, протекающий через диод пренебрежительно мал. На рис.1. представлены: условное обозначение диода (рис1.а) и его вольт-амперная характеристика (ВАХ) (рис1.б).

a

Рис.1. Условное обозначение и ВАХ диода

В открытом состоянии падение напряжения диода U незначительно

(не более трех вольт); в закрытом состоянии обратный ток практически близок нулю и неограниченно возрастает только при превышении допустимого обратного напряжения Uобрmax. При приложении обратного напряжения в пределах допустимого диод восстанавливает свои запирающие свойства за определенное время, называемое временем восстановления tвосс .

Диоды выпускаются на токи до 8 кА, обратное напряжение до 10 кВ.

В схемах диоды обозначаются VD.

1.2.Тиристоры

Тиристор является электронным прибором, обладающий

четырехслойной структурой и имеющий три выхода (анод со стороны р-

слоя, катод со стороны n- слоя и управляющий электрод).

9

Тиристор представляет собой управляемый диод, переходящий в открытое состояние при положительном анодном напряжении и при наличии управляющего импульса, подаваемого на управляющий электрод.

Такой тиристор называют однооперационным, а иногда полууправляемым,

поскольку закрывание тиристора невозможно обеспечить снятием управляющего импульса. Для закрывания однооперационного тиристора необходимо обеспечить спад прямого тока до нуля, что осуществляется изменением полярности анодного напряжения. На рис.2. представлены:

условное обозначение однооперационного тиристора (рис2.а) и его вольт-

амперная характеристика (рис2.б).

Рис.2. Условное обозначение и ВАХ однооперационного тиристора Однооперационный тиристор выдерживает прямое и обратное

напряжение (в пределах допустимого), не переходя в проводящее состояние. Для того чтобы открыть тиристор, нужно приложить к цепи анод — катод (А—С) положительное (прямое) напряжение и подать импульс тока на управляющий электрод G(до 500мА) определенной длительности. При приложении обратного напряжения на анод тиристор в течение некоторого времени закрывается. Основная область применения таких тиристоров - ведомые сетью полупроводниковые преобразователи. В этом случае тиристор коммутируется (закрывается)

под действием напряжения сети переменного тока низкой частоты.

Силовые тиристоры выпускаются на ток до 8 кА, обратное напряжение до 10 кВ.

В схемах тиристоры обозначаются VS.

10