Силовая электроника

2) Петрович В.П., Воронина Н.А., Глазачев А.В. Силовые преобразователи электрической энергии. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 240 с.

3) Попков О.З. Основы преобразовательной техники : учеб. пособие для вузов / О.З. Попков. 3-е изд., стереот. – М. : Издательский дом МЭИ, 2010. – 200 с.: ил.

4) Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин. – Москва: «Техносфера», 2006. – 632 с.: ил.

5) Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии / В.И. Мелешин, Д.А. Овчинников – москва: «Техносфера», 2011.

6) Семёнов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. Изд. Солон-р. М.: 2001.

7) Семёнов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. – 416 с.: ил.

8) Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. Изд-во ДОДЕКА, 2005. – 384 с.

В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 706 тераВатт-часов (3 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2014 год
в Дании с помощью ветрогенераторов производится 39 % всего электричества;
в Португалии — 27 %;
в Никарагуа — 21 %;
в Испании — 20 %;
в Ирландии — 19 %;
в Германии — 8 %;
в ЕС — 7,5 %.
В 2014 году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.

! Без применения силовой преобразовательной техники невозможны создание и эксплуатация ветроустановок. Ветроэнергетика не может существовать без силовых преобразователей электрической энергии.

установки для электролиза (цветная металлургия, химическая промышленность);

электрооборудование для передачи электроэнергии на большие расстояния на постоянном токе;

электрометаллургическое оборудование (электромагнитное перемешивание металла и др.);

электротермические установки (индукционный нагрев и др.);

электрооборудование для обслуживания аккумуляторов; 

электрооборудование автономных объектов (автомобилей, самолетов и космических аппаратов);

электрооборудование радиосвязи и телевещания;

устройства для электроосвещения (питание люминесцентных и светодиодных светильников);

медицинское электрооборудование (ультразвуковая терапия и хирургия и др.);

электроинструмент и устройства бытовой электроники.

КПД

Мощность потерь

КПД является универсальной количественной оценкой эффективности, позволяющей оценить мощность потерь, габаритные размеры и надёжность преобразователя.

Вентильный прибор (вентиль) – электронный прибор, проводящий ток в одном направлении.

Понятие «силовой» означает, что осуществляется управление потоком электрической энергии, а не потоком информации.

Тенденция развития элементной базы направлена на унификацию электронных ключей, уменьшение их установленной мощности, снижение потерь и уменьшение мощности управления.

Условно диоды делятся по мощности на:
Диоды малой мощности – допускаемый средний анодный ток Iа ≤ 1 А;
Диоды средней мощности – Iа = 1-10 А;
Диоды большой мощности – Iа ≥ 10 А;

По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп < 500 Гц) и
высокочастотные (fдоп > 500 Гц)

напряжение отсечки

В прямом направлении диод описывается уравнением

статическое сопротивление диода

номинальное значение прямого тока

номинальное значение обратного тока

номинальное значение обратного напряжения

номинальное значение прямого падения напряжения

время восстановления обратного напряжения

предельная частота

! Для использования в устройствах диод выбирается по среднему прямому току и обратному напряжению с двойным запасом.

Выравнивание токов с помощью индуктивных делителей

где n – число последовательно вклю­ченных диодов;
Uобр.max – максимально допустимое обратное напряжение для данного типа диодов;
Uобр – максимальное обратное суммарное напряжение, приложенное к диодам;
Iобр.max – максимальное значение обратного тока диодов.
Для выравнивания напряжений в переходных режимах параллельно диодам включают R-С цепочки

Выравнивание обратных напряжений с помощью шунтовых резисторов

Схема выравнивания обратных напряжений в переходных режимах

Корпус ТО-220

ТО-247

ТО-227

Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности.

Средний слой структуры – база Б;
Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители – эмиттер Э;
Собирающий носители – коллектор К;
Ток базы является током управления;
! Биполярный транзистор – электронный ключ управляемый током;

Основные недостатки:

Большие затраты мощности на управление;

Относительно низкая рабочая частота;

Биполярные транзисторы с током 50 А и более обычно рассчитаны на напряжение менее 600 В и частоту коммутации до 20 кГц.

где – β коэффициент передачи транзистора по току

Ток коллектора транзистора:

В режиме отсечки через транзистор протекает очень маленький обратный коллекторный ток, которым в силовых транзисторах часто пренебрегают, а сам транзистор представляют в виде разомкнутого ключа.

Наоборот, в режиме насыщения через транзистор протекает максимальный коллекторный ток, а напряжение очень мало, что позволяет представить насыщенный транзистор в виде замкнутого ключа.

И в режиме насыщения, и в режиме отсечки на транзисторе выделяется не большая мощность, значительно меньшая, чем в линейном режиме.

Принцип действия полевого транзистора основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля.

Полевые транзисторы – полупроводниковые приборы управляемые напряжением.

Транзистор n-типа

Транзистор p-типа

Наличие антипараллельного диода

Внутренняя структура

Графическое изображение, выходные характеристики

Заряд, накопленный в базе биполярного транзистора, вызывает характерный «хвост» тока при выключении IGBT.

Как только имеющийся в составе IGBT полевой транзистор MOSFET прекращает проводить ток, в силовой цепи начинается рекомбинация неосновных носителей, которая является началом «хвоста».

Токовый «хвост» ведет к увеличению тепловых потерь, а также его необходимо учитывать в мостовых схемах и вводить промежуток между интервалами проводимости двух ключей, установленных в одном плече моста.

Тиристоры представляют собой четырехслойную полупроводниковую структуру p–n–p–n типов проводимости.

Вывод от крайней области р называют анодом, вывод от крайней области n называют катодом, а вывод от одной из промежуточных областей называют управляющим электродом.

В данной схеме возникает внутренняя положительная обратная связь, которая после включения тиристора делает цепь управления неэффективной, так как оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии и без цепи управления, т.е. закрыть обычный тиристор по цепи управления невозможно.

где Ксх – коэффициент пропорциональности, характерный для данной схемы выпрямления, называемый коэффициентом схемы.

Неуправляемые выпрямители

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Благодаря односторонней проводимости вентиля ток в цепи нагрузки будет протекать только в течение одной половины периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что определяет и название этой схемы. Соотношения между основными параметрами найдем при следующих допущениях:

1) активным и индуктивным сопротивлением обмоток трансформатора пренебрегаем;
2) нагрузка имеет чисто активный характер;
3) вентиль В идеальный;
4) током намагничивания трансформатора пренебрегаем;
5) ЭДС обмотки трансформатора синусоидальна:

На интервале (0-π) ЭДС е2 будет иметь полярность, прямую по отношению к вентилю В, вентиль открыт и в цепи нагрузки протекает ток.
На интервале (π-2π) ЭДС е2 имеет противоположную полярность, вентиль В закрыт и ток нагрузки равен нулю.

Расчетная мощность трансформатора Тр:

где Р1 и Р2 – расчетная мощность первичной и вторичной обмотки.

Действующее значение тока вторичной обмотки

Тогда Р2 =Е2 ∙I2 может быть получена

где Рd =Еd ∙Id – мощность нагрузки

где i1 – мгновенное значение первичного тока.

Действующее значение тока первичной обмотки определяется

Из условия равенства намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток трансформатора

Находим i1:

Поскольку i2 протекает во вторичной обмотке трансформатора только на интервале от 0 до π, а на интервале (π-2π) он равен 0, то

Мощность первичной обмотки трансформатора Р1=Е1∙I1=2.69∙Рd

тогда

Однофазную однополупериодную схему применяют лишь для маломощных выпрямителей, что объясняется не только недостатком, вызванным наличием потока подмагничивания, но и значительными пульсациями выпрямленного тока.

Так как в первичную обмотку трансформируется лишь переменная составляющая вторичного тока, то в магнитопроводе трансформатора создается постоянный поток подмагничивания.

Этот поток вызывает дополнительное магнитное насыщение элементов магнитопровода; для того чтобы это насыщение не превышало допустимого значения, необходимо увеличить габариты сердечника.

Эта мера приводит к увеличению расхода стали и меди, т.е. ведет к повышению габаритов, веса и стоимости трансформатора.

Этот недостаток однофазной однополупериодной схемы распространяется и на трехфазную однополупериодную схему при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме «звезда-звезда с нулевым выводом».

Уравнение для цепи первичной обмотки имеет вид

Отсюда выразим e1:

где первичный ток i1 выражается как

Как правило, нагрузка имеет активно-индуктивный характер, особенно в выпрямителях средней и большой мощности, где для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и тока в цепь нагрузки часто включают сглаживающий дроссель.

Для цепи нагрузки можно записать

Подставляя сюда U2 из предыдущего выражения и обозначая

и

получаем:

Решение этого уравнения относительно тока id с учетом нулевых начальных условий дает

где

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

где λ –длительность интервала проводящего состояния вентиля В, или в относительных единицах:

Внешняя характеристика выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку

Работа однофазного однополупериодного выпрямителя на двигательную нагрузку

X – суммарное индуктивное сопротивление в цепи вторичной обмотки трансформатора.

Из-за наличия противо-ЭДС вентиль В откроется только в точке ψ.

Поэтому, взяв за начало координат точку ψ запишем для цепи нагрузки:

или

Решая это уравнение относительно id с учетом нулевых начальных условий, получаем:

где

Для установления зависимости между λ, ψ и Id воспользуемся условием:

id|θ=λ= 0,

откуда находим:

Связь между Ed* и ψ дает выражение:

которое получается из исходного уравнения для этой схемы в начале координат (θ=0).