- •1.Преобразователи параметров электрической энергии, их назначение, области применения, классификация, краткая история развития.
- •2. Силовые полупроводниковые приборы, их основные типы, параметры и
- •3.Выпрямители 3-фазного переменного тока, основные типы схем, способы повышения эквивалентного числа фаз.
- •4. Коммутация вентилей, ее влияние на характеристики преобразователей зависимость «гамма» от «альфа».
- •5.Работа m-фазных нулевых преобразователей на различные типы нагрузки.
- •6.Инверторный режим работы тиристорных преобразователей, его особенности.
- •7.Регулировочные и внешние характеристики тиристорных преобразователей.
- •8.Реверсивные тиристорные преобразователи, их назначение, области применения, силовые схемы, способы управления.
- •9. Системы управления тиристорными преобразователями, их типы, структура, параметры и характеристики.
- •10.Расчет параметров и выбор элементов тиристорных преобразователей.
- •11. Непосредственные преобразователи частоты, их принцип действия, классификация, основные параметры.
- •15. Способы регулирования выходного напряжения трехфазных аин.
- •16. Автономные инверторы тока (аит), их особенности.
- •17. Трехфазный аит и его работа.
- •18. Автономные инверторы резонансного типа, их силовые схемы, основные свойства.
1.Преобразователи параметров электрической энергии, их назначение, области применения, классификация, краткая история развития.
Преобразуемые параметры электрической энергии (f, U, cos(φ),…) и параметры нагрузки(P,I,…)
1.U-напряжение
2. f-частота
3. m-число фаз
4.Форма напряжения, характеризуется коэффициентом формы, так например у синусоиды K = . Чтоб математически охарактеризовать форму сигнала его нужно разложить в ряд Фурье.
П
араметры нагрузки: ток, мощность.
ППЭЭ
управление
Главный параметр ППЭЭ: η(кпд)
Для повышения η используются полупроводниковые приборы. Ключевой режим позволяет увеличить КПД.
Классификация
1.Управляемые/неуправляемые
2.По функции преобразователей
а)только преобразование
б)преобразование+регулирование
в)преобразование+ стабилизация
3.По характеру преобразования
Выпрямитель
инвертор
не управл
управл
зи(ивс)
аи
нпч
рпч
Ревер..с
нерев.с
аин
аитт
аир
н/р
рев
ЗИ-зависимый инвертор
ИВС-инвертор ведомый сетью
АИ-автономный инвертор
АИН-АИ напряжения
АИТ-АИ тока
АИР-АИ резонансного типа
ИППН- импульсный преобразователь постоянного напряжения
ППН-преобразователь постоянное/переменное напряжение
Реверсивные преобразователи-преобразователи позволяющие току протекать в обоих направлениях
АИН- формирует кривую напряжения.
АИТ- формирует нагрузочную кривую тока.
РПН- реверсивный преобразователь напряжения.
НПЧ- непосредственный преобразователь частоты
4.По способу управления
а)Импульсные(ШИМ) (на = токе)
б)Фазовые( на токе)
5.По типу силовых схем.
а)мостовые,нулевые
б)трансформаторные, безтрансформаторные
в)1,2 и 3 фазные
6.По типу полупроводниковых приборов
VD, VT, VS+ комбинированные
7.По назначению
Область применения.
Силовые полупроводниковые преобразователи используются в приводной технике(выпрямители, частотные преобразователи и т.д.) Также используются как электронные ключи и для изменения свойств напряжения и тока.
2. Силовые полупроводниковые приборы, их основные типы, параметры и
характеристики, режимы работы.
В основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов лежат явления и
процессы, возникающие на границе между двумя областями полупроводника с
различными типами электрической проводимости – электронной (n-типа) и дырочной (р-
типа). В области n-типа преобладают электроны, которые являются основными носителями электрических зарядов, в р-области таковыми являются положительные заряды (дырки). Граница между двумя областями с различными типами проводимости называется р-n-переходом.
Вентили
Диоды.
Диоды общего назначения.
Эта группа диодов отличается высокими значениями обратного напряжения (от 50 В до 5
кВ) и прямого тока (от 10 А до 5 кА). Массивная полупроводниковая структура диодов
ухудшает их быстродействие. Поэтому время обратного восстановления диодов обычно
находится в диапазоне 25-100 мкс, что ограничивает их использование в цепях с частотой
выше 1 кГц. Как правило, они работают в промышленных сетях с частотой 50 (60) Гц.
Прямое падение напряжения на диодах этой группы составляет 2,5-3 В. Силовые диоды выпускаются в различных корпусах. Наибольшее распространение получили два вида исполнения: штыревой и таблеточный.
Тиристоры
Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому
иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который
может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать
специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля. Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение. Тиристор имеет четырехслойную p-n-p-n-структуру с тремя выводами: анод (A), катод (C) и управляющий электрод (G), что отражено на рис. 1
Предельное прямое напряжение, которое выдерживается тиристором без его включения,
имеет максимальные значения при Iпр = 0. При увеличении тока Iпр прямое напряжение,
выдерживаемое тиристором, снижается. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь II, выключенному – ветвь I, процессу включения – ветвь III. Удерживающий ток или ток удержания равен минимально допустимому значению прямого тока IA , при котором тиристор остается в проводящем состоянии. Этому значению также соответствует минимально возможное значение прямого падения напряжения на включенном тиристоре.
Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными
коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.
Транзисторы
Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-
переходов и способный работать как в усилительных, так и в ключевых режимах.
В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью
управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться
в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии.
В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение,
определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение.
В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и не выдерживают обратного
напряжения. По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов:
• биполярные транзисторы,
• полевые транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили
транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (MOSFET - metal oxide
semiconductor field effect transistor),
• биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - insulated gate bipolar
transistor).
Биполярные транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводниковых материалов с
различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоёв структуры
различают транзисторы р-п-р- и n-p-n-типов. Среди силовых транзисторов широкое
распространение получили транзисторы n-р-n-типа рис a.
Средний слой структуры называется базой (В), внешний слой, инжектирующий
(внедряющий) носители – эмиттером (Е), собирающий носители – коллектором (С). Каждый из слоев – база, эмиттер и коллектор – имеет вывод для соединения с элементами
электрической схемы и внешними цепями.
MOSFET-транзисторы. Принцип действия МОП – транзисторов основан на изменении
электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под
воздействием электрического поля. Из структуры транзистора имеются следующие выводы: затвор (G), исток (S), сток (D), а также вывод от подложки (B), соединяемой обычно с истоком рис b.
Принципиальным отличием МОП – транзисторов от биполярных транзисторов является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП – транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие.
Допустимые значения коммутируемых токов МОП – транзисторов существенно зависят от напряжения. При токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В при частоте коммутации до 100 кГц.
Полевые – потенциальные п/п приборы
+ управляется полем, а не током, это упрощает схему и снижает затрачиваемую на
управление мощность.
+ В них нет неосновных зарядов, следовательно, время переключения у них быстрее.
+ Термоустойчивые.
MOSFET
1. управляется не током, а напряжением;
2. меньшая зависимость параметров от температуры;
3. рабочее напряжение MOSFET, теоретически, не имеет нижнего предела
4. низкое сопротивление канала (до 0,003 Ом);
5. широкий диапазон токов (от 0,5 до 100 А);
6. высокая частота переключения (до 500 кГц);
7. рабочее напряжение до 1000 В при больших линейных и нагрузочных изменениях,
тяжелых рабочих циклах и низких выходных мощностях.
SIT-транзисторы. Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (рис c).
Рабочая частота SIT-транзисторов обычно не превышает 100 кГц при напряжении коммутируемых цепей до 1200 В и токах до 200 – 400 А.
IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно
биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления,
характерное для полевого транзистора. Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, не более 1200 В, а предельные значения токов достигают нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.
Приведённые выше характеристики обуславливают области применения различных типов
силовых транзисторов в современных силовых электронных устройствах. Традиционно
применялись биполярные транзисторы, основной недостаток которых заключается в
потреблении значительного тока базы, что требовало мощного оконечного каскада
управления и приводило к снижению КПД устройства в целом. Затем были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие небольшие мощности из системы управления. Основным недостатком МОП – транзисторов являются большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.
В последнее время лидирующее положение в области применения занимают IGBT –
транзисторы, сочетающие в себе достоинства биполярных и полевых транзисторов.
1. малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
2. характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
3. управление как у MOSFET — напряжением.
IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:
1. высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от транзисторов с изолированным затвором
2. низкое значение остаточного напряжения во включенном состоянии — от биполярных
транзисторов.
Основное применение IGBT — это инверторы, импульсные регуляторы тока, частотно-
регулируемые приводы. Широкое применение IGBT нашли в источниках сварочного тока, вуправлении мощным электроприводом, в том числе на городском электрическом
транспорте.