Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
А. П. Маругин
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Конспект лекций
Екатеринбург – 2014
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
А. П. Маругин
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Конспект лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом
Уральского государственного горного университета
в качестве учебного пособия
Екатеринбург – 2014
УДК 621/313
М 25
Рецензент: Юнусов Х. Б., канд. техн. наук, доцент кафедры ЭГП
Печатается по решению Редакционно-издательского совета
Уральского государственного горного университета
Маругин А. П.
М25 Силовая электроника: конспект лекций/ А. П. Маругин;
Урал. гос. горный ун-т.- Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2014. - 248с.
Рассмотрены принципы преобразования электрической энергии — выпрямления, инвертирования, преобразования частоты. Проанализированы основные схемы преобразовательных устройств. При изложении материала особое внимание уделено физической стороне принципа работы того или иного устройства, анализу основных характеристик и показателей, подходам к расчету и выбору элементов схемы. В конце каждой главы даны контрольные вопросы и задачи, помогающие усвоить материал и обратить внимание на принципиальные вопросы при анализе работы устройств.
Конспект лекций предназначен для подготовки студентов специализации «Электропривод и автоматика» направления подготовки – 140400.62 “Электроэнергетика и электротехника”.
Рис. 150. Табл. 3. Библ. назв. 12.
УДК 621/313
© Уральский государственный
горный университет, 2014
© Маругин А. П., 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
0
0
0
А. П. Маругин 0
ВВЕДЕНИЕ 6
Примерно половина всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии: электрическая энергия постоянного тока (для электрического транспорта, электрохимических установок, электропривода постоянного тока, сварочных агрегатов, питания радиоэлектронной аппаратуры, передачи энергии постоянным током и в целом ряде других случаев); электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (для электропривода переменного тока, индукционного нагрев и др.); электрическая энергия переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве первичного источника постоянного напряжения (для энергоснабжения подвижных объектов, устройств гарантированного питания, рекуперации энергии в сеть переменного напряжения и др.). 6
1.1. Силовые электронные ключи 7
1.4. Тиристоры 40
1.4.1. Принцип действия тиристора 40
2. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ КЛЮЧАМИ 52
2.1. Общие сведения о схемах управления 52
2.2. Формирователи импульсов управления 55
2.3. Драйверы управления мощными транзисторами 64
3.1. Электромагнитные компоненты 70
3.2. Конденсаторы для силовой электроники 81
3.3. Теплоотвод в силовых электронных приборах 92
96
96
4. ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ 96
ЭЛЕКТРОННЫМИ КЛЮЧАМИ 96
4.1. Общие сведения 96
4.2. Фазовое управление 98
4.3. Импульсная модуляция 102
4.4. Микропроцессорные системы управления 107
111
111
5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 112
112
5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. 112
112
Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1. 112
Регуляторы (трансформаторы) постоянного напряжения — это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одного значения U=1 в постоянное напряжение другого значения U=2 (рис. 5.1, д). 112
Регуляторы переменного напряжения — это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одного назначения U~1 в переменное напряжение другого значения U~2 (рис. 5.1, е). 112
Существуют и другие виды преобразования электрической энергии: формирование мощных импульсов напряжения для питания лазеров, сигнальных устройств, маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и др. 113
5.2. Трехфазные выпрямители 115
5.3. Эквивалентные многофазные схемы 122
5.4. Управляемые выпрямители 124
5.5. Особенности работы полууправляемого выпрямителя 131
5.6. Коммутационные процессы в выпрямителях 133
6. ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И РЕГУЛЯТОРЫ 137
НАПРЯЖЕНИЯ 137
6.1. Импульсный регулятор напряжения 138
140
6.2. Импульсные регуляторы на основе дросселя 141
7. ИНВЕРТОРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 148
148
7.3. Трёхфазные автономные инверторы 156
159
8. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ 159
8.1. Общие сведения 159
8.2. Традиционные методы ШИМ в автономных инверторах 166
8.3. Инверторы тока 179
8.4. Модуляция пространственного вектора 182
8.5. Модуляция в преобразователях переменного и постоянного тока 188
195
195
9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С СЕТЕВОЙ КОММУТАЦИЕЙ 195
9.1. Общие сведения 195
Классификация преобразователей. Основными силовыми электронными устройствами являются преобразователи, осуществляющие преобразование электроэнергии, т. е. изменение одного или нескольких ее параметров посредством электронных силовых приборов, без существенных потерь мощности (МЭК 551-11-02). Такими параметрами обычно являются напряжение, частота, число фаз и т. п. Силовые преобразователи подразделяются на следующие типы [5]: 195
10.1. Преобразователь с непосредственной связью 204
10.2. Преобразователи с промежуточным звеном 205
11. РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 221
11.1. Общие сведения 221
Резонансными преобразователями называются преобразователи, в которых используются электрические цепи с индуктивными и емкостными элементами для коммутации ключей. Раскрывая это определение более подробно, можно сказать, что явления резонанса напряжения или токов в схемах преобразователей используются для решения следующих задач: 221
11.2. Преобразователи с резонансным контуром 223
11.2.1. Преобразователи с последовательным соединением элементов резонансного контура и нагрузки 223
11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром 233
11.4. Преобразователи класса Е 234
11.5. Инверторы с коммутацией в нуле напряжения 237
12. НОРМАТИВЫ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 241
12.1. Общие сведения 241
12.2. Коэффициент мощности и КПД выпрямителей 242
12.3. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей 246
12.4. Корректор коэффициента мощности 247
13. РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 252
13.1. Регуляторы напряжения переменного тока на тиристорах 252
13.2. Регуляторы напряжения переменного тока на транзисторах 255
14. НОВЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМИ ЛАМПАМИ 260
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 263
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 264
ВВЕДЕНИЕ
Примерно половина всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии: электрическая энергия постоянного тока (для электрического транспорта, электрохимических установок, электропривода постоянного тока, сварочных агрегатов, питания радиоэлектронной аппаратуры, передачи энергии постоянным током и в целом ряде других случаев); электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (для электропривода переменного тока, индукционного нагрев и др.); электрическая энергия переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве первичного источника постоянного напряжения (для энергоснабжения подвижных объектов, устройств гарантированного питания, рекуперации энергии в сеть переменного напряжения и др.).
Принцип работы любого статического преобразователя основан на периодическом включении и выключении электронных ключей (вентилей) в определенной последовательности (по заданному алгоритму). Особое значение имеет принцип запирания электронного вентиля, который определяется видом питающего напряжения. Процесс перехода тока от одного вентиля к другому называется процессом коммутации.
Последнее десятилетие прошедшего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники: было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) с встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным набором специализированных периферийных устройств сделал необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления. Под прямым цифровым управлением понимается не только непосредственное управление от микроконтроллера каждым ключом силового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя, если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микроконтроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типа сигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующей программно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера.