Силовые электронные устройства

 

 

Рис.2 - а) Базовая схема параллельного  инвертора;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях параллельного инвертора

 

Недостатки

1. Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.
2. Ток источника питания не является чистым постоянным током.
3. Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

 

Мостовые инверторы. Однофазный полумостовой инвертор

 

Однофазный полумостовой инвертор состоит из двух источников питания и двух коммутаторов. Нагрузка подключена между общим выводом источников питания и общей точкой коммутаторов.

 

Полумостовой инвертор с RLC – нагрузкой

 

Рис.5 - а) Схема полумостового инвертора  с RLC-нагрузкой, б) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

 

Электрическая схема  и форма выходного сигнала  однофазного полумостового инвертора с RLС-нагрузкой изображены на рис.5. Если инвертор питает RLС-нагрузку, отдельная цепь коммутирования не требуется. Это можно объяснить с помощью символического изображения на рис.5б. Рабочая частота инвертора должна быть выбрана такой, чтобы Х_с > X_L. При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t₀ до t_l тиристор Т₁ находится в проводящем состоянии. В момент времени t₁ = t₂ тиристор Т₁, выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t₁ до t₂ диод D₁ находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D₁ находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D₁ находится в состоянии проводимости, тиристор Т₁ смещен в обратном направлении. Таким образом, специальная цепь принудительной коммутации в этом случае не требуется. В этой схеме RLC-нагрузка обеспечивает коммутацию тиристоров. В течение отрицательного полупериода тиристор Т₂ находится в проводящем состоянии, через некоторое время диод D₂ начинает проводить, вследствие этого тиристор Т₂ смещается в обратном направлении и запирается.

 

Инвертор Мак-Мюррея (инвертирующий преобразователь)

 

Принцип работы инвертора  Мак-Мюррея основан на коммутировании тока. Полумостовой инвертор работает на индуктивную нагрузку, как изображено на рис.6. Тиристоры Т_А1 и Т_А2 в этой схеме являются вспомогательными. Они используются для коммутации основных тиристоров Т₁ и Т₂. Индуктивность L и емкость С являются коммутирующими элементами. Конденсатор предварительно заряжен слева отрицательно, а справа -положительно. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т₁ запускается, тем самым инициируется положительный полупериод преобразования. Постоянный ток нагрузки протекает через тиристор Т₁.

Фаза I I. В момент времени t₁ запускается вспомогательный тиристор Т_А1. По замкнутой цепи L, С, Т_{ и Т_А1 начинает протекать ток, при этом ток через конденсатор синусоидально нарастает, как показано на рис.6в. В промежутке времени от t₁ до t₂ значение i_c <I₀. В момент времени t= t₂; t_c = I₀. Ток, текущий через тиристор Т₁, становится равным нулю, и тиристор выключается. Следует заметить, что в этой фазе ток через тиристор Т₁, уменьшается до нуля.

Фаза III. После выключения тиристора Т₁ ток продолжает протекать через D₁. Диод находится в состоянии проводимости до момента времени t₃ до тех пор пока i_c - I₀ положительны. В момент времени t = t₃ диод D₁, перестает проводить, так как ток через него уменьшается до нуля.

Фаза IV. После того как диод D₁ запирается, постоянный ток нагрузки протекает через конденсатор и дозаряжает его слева отрицательно, а справа положительно. Напряжение на конденсаторе изменяется линейно, так как через конденсатор протекает постоянный ток.

Фаза V. Ток через диод увеличивается, в то время как ток через конденсатор уменьшается. Когда ток через тиристор T_a уменьшается до нуля, тиристор выключается.

Фаза VI. На индуктивной нагрузке изменяется полярность напряжения, и диод D₁ смещается в прямом направлении. Начинается процесс рециркуляции. Энергия, запасенная в нагрузке, передается обратно в источник питания V_r После запирания диода D₁ запускается тиристор Т₂. Чтобы выключить тиристор Т₂ необходимо включить тиристор Т_A2. Далее подобные процессы повторяются аналогично вышеизложенным.

 

Инвертор Мак-Мюррея –  Бедфорда

 

Инвертор  Мак-Мюррея содержит два вспомогательных  тиристора. Инвертор Мак-Мюррея-Бедфорда не требует никаких вспомогательных тиристоров. Один основной тиристор в этой схеме коммутирует другой основной тиристор. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала инвертора Мак-Мюррея - Бедфорда изображены на рис.7. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т₁ запущен. Постоянный ток протекает через тиристор Т₁ , и индуктивность L₁. Напряжение на индуктивности L₁ равно нулю, так как через нее протекает постоянный ток. Конденсатор С, замкнут через Т₁ и L₁. Конденсатор С₂ заряжен до напряжения V₁ + V₂: верхняя обкладка заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.

 

 

Рис.7 - а) Схема инвертора Мак-Мюррея; б) Фазы работы схемы

 

Фаза II. После включения тиристора Т₂ напряжение с конденсатора С₂ подается на индуктивность L₂. Это напряжение равно удвоенному напряжению питания. За счет взаимной индукции на индуктивности L₁ появляется напряжение, равное напряжению на индуктивности L₂. Напряжение на катоде тиристора Т₁ равно учетверенному напряжению питания, а на аноде удвоенному напряжению питания. Таким образом, после включения тиристора Т₂ тиристор Т₁ выключается. Быстрое выключение тиристора L₁ возможно благодаря тому, что энергия, запасенная в индуктивности L₁ передается на индуктивность L₂ поскольку общий магнитный поток должен оставаться постоянным. Из рис.7в видно, что ток в схеме перераспределяется от тиристора Т₁ на тиристор Т₂ в начале фазы II. По цепи L₂ и С₂ начинает протекать ток. Диод D₂ смещается в обратном направлении напряжением на конденсаторе С₂.

Фаза III. Как только полярность напряжения на конденсаторе изменяется на обратную, диод D₂ переходит в проводящее состояние и тем самым шунтирует конденсатор С₂. Энергия, запасенная на индуктивности L₂ поддерживает неизменное направление тока через тиристор Т₂ и диод D₂. Постепенно запасенная в индуктивности L₂ энергия рассеивается на активном сопротивлении нагрузки, и тиристор Т₂ выключается.

Фаза IV. Диод D₂ по-прежнему смещен в прямом направлении за счет тока, протекающего через индуктивность нагрузки. Здесь имеет место процесс рециркуляции энергии, запасенной на индуктивности нагрузки. Диод D₂ находится в проводящем состоянии до тех пор, пока запасенная энергия передается источнику питания V₂.

Тиристор Т₂ снова включается, тем самым инициируя аналогичный отрицательный полупериод инвертора. В конце отрицательного полупериода тиристор Т₁ остается в проводящем состоянии и процесс, описанный выше, повторяется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преобразователь частоты  – это устройство, предназначенное  для преобразования переменного  тока (напряжения) одной частоты  в переменный ток (напряжение) другой частоты. 

Выходная частота в современных  преобразователях может изменяться в широком диапазоне и быть как выше, так и нижечастоты питающей сети.  

Схема любого преобразователя частоты  состоит изсиловойи управляющей  частей. Силовая часть преобразователей обычно выполнена на тиристорах или  транзисторах, которые работают в  режиме электронных ключей. Управляющая часть выполняется на цифровых микропроцессорах и обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита). 

Преобразователи частоты, применяемые в регулируемом электроприводе, в зависимости от структуры и принципа работы силовой части разделяются на два класса: 

1. Преобразователи частоты с  явно выраженным промежуточным  звеном постоянного тока. 

2. Преобразователи частоты с непосредственной связью (без промежуточного звена постоянного тока). 

Каждый из существующих классов  преобразователей имеет свои достоинства  инедостатки, которые определяют область  рационального применения каждого  из них.

 

 

 

 

 

Исторически первыми  появились преобразователи с непосредственной связью (рис. 4.), в которых силовая часть представляет собой управляемый выпрямитель и выполнена на не запираемых тиристорах. Система управления поочередно отпирает группы тиристотров и подключает статорные обмотки двигателя к питающей сети. 

 

 

  

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, выходное напряжение преобразователя  формируетсяиз «вырезанных» участков синусоид входного напряжения. На рис.5. показан пример формирования выходного  напряжениядля одной из фаз нагрузки. На входе преобразователя действует трехфазное синусоидальное напряжение u_а, u_в, u_с. Выходное напряжение u_вых имеет несинусоидальную «пилообразную» форму, которую условно можно аппроксимировать синусоидой (утолщенная линия). Из рисунка видно, что частота выходного напряжения не может быть равна или выше частоты питающей сети. Она находится в диапазоне от 0 до 30 Гц. Как следствие малый диапазон управления частоты вращения двигателя (не более 1 : 10). Это ограничение не позволяет применять такие преобразователи в современных частотно регулируемых приводах с широким диапазоном регулирования технологических параметров. 

Использование не запираемых тиристоров требует относительно сложных систем управления, которые увеличивают  стоимость преобразователя. 

«Резаная» синусоида на выходе преобразователя является источником высших гармоник, которые вызывают дополнительные потери в электрическом двигателе, перегрев электрической машины, снижение момента, очень сильные помехи в питающей сети. Применение компенсирующих устройств приводит к повышению стоимости, массы, габаритов, понижению к.п.д. системы в целом. 

Наряду с перечисленными недостатками преобразователей с непосредственной связью, они имеют определенные достоинства. К ним относятся:  

- практически самый высокий  КПД относительно других преобразователей (98,5% и выше),  

- способность работать с большими  напряжениями и токами, что делает  возможным их использование в  мощных высоковольтных приводах,  

- относительная дешевизна, несмотря  на увеличение абсолютной стоимости  за счет схем управления  и дополнительного оборудования. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подобные схемы преобразователей используются в старых приводах и  новые конструкции их практически  не разрабатываются. 

Наиболее широкое применение в  современных частотно регулируемых приводах находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (рис. 6.) 

В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической  энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе (В), фильтруется фильтром (Ф), сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором (И) в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению к.п.д. и к некоторому ухудшению массогабаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью. 

Для формирования синусоидального  переменного напряжения используются автономные инверторы напряжения и  автономные инверторы тока. 

В качестве электронных ключей в  инверторах применяются запираемые тиристоры GTO и их усовершенствованные модификации GCT, IGCT, SGCT, и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. 

Главным достоинством тиристорных  преобразователей частоты, как и  в схеме с непосредственной связью, является способность работать с  большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия.  Они имеют более высокий КПД (до 98%) по отношению к преобразователям на IGBT транзисторах (95 – 98%).

Преобразователи частоты  на тиристорах в настоящее время занимают доминирующее положение в высоковольтном приводе в диапазоне мощностей от сотен киловатт и до десятков мегаватт с выходным напряжением 3 - 10 кВ и выше. Однако их цена на один кВт выходной мощности самая большая в классе высоковольтных преобразователей. 

До недавнего прошлого преобразователи  частоты на GTO составляли основную долю и в низковольтном частотно регулируемом приводе. Но с появлением IGBT транзисторов произошел «естественный отбор» и сегодня преобразователи на их базе общепризнанные лидеры в области низковольтного частотно регулируемого привода. 

Тиристор является полууправляемым  приборам: для его включения достаточно подать короткий импульс на управляющий  вывод, но для выключения необходимо либо приложить к нему обратное напряжение, либо снизить коммутируемый ток до нуля. Для этого в тиристорном преобразователе частоты требуется сложная и громоздкая система управления.