5. Преобразователи и регуляторы напряжения

5.1. Основные виды устройств преобразовательной техники. Основные виды устройств силовой электроники символически изображены на рис. 5.1.

а б в

г д е

Рис. 5.1. Основные виды устройств силовой электроники

Дадим определения некоторых видов устройств преобразовательной техники.

Выпрямителями называют преобразователи переменного напряжения U_~ в постоянное напряжение U₌ (рис. 5.1, а).

Инверторами называют преобразователи постоянного напряжения U₌ в переменное напряжение U_~ (рис. 5.1,б).

Преобразователи частоты — это преобразователи переменного напряжения одной частоты U _{f 1} в переменное напряжение другой постоянной или регулируемой частоты U _{f 2} (рис. 5.1, в).

Преобразователи числа фаз — это преобразователь т₁ фазного переменного входного напряжения U_m1 в переменное напряжение U_m2 с другим числом фаз т₂ (рис. 5.1, г).

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).

Регуляторы переменного напряжения — это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одного назначения U~₁ в переменное напряжение другого значения U~₂ (рис. 5.1, е).

Существуют и другие виды преобразования электрической энер­гии: формирование мощных импульсов напряжения для питания лазеров, сигнальных устройств, маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и др.

Используя названные типы преобразователей, можно решать раз­личные задачи и создавать преобразовательные установки для пита­ния конкретных потребителей.

Силовые преобразователи. Силовые преобразователи используют для питания электродвигателей, электромагнитов и т. д., работающих от сетей постоянного и переменного тока различных напряжений.

Силовые преобразователи для питания электромагнитов, как правило, состоят из элемента гальванической развязки на оптопаре и ключа на биполярных и IGBT транзисторах или тиристорах и симисторах. Наиболее сложны схемы гальванической развязки и ключей для электроприводов, но в последнее десятилетие, благодаря успехам силовой электроники, освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых модулей (IPM) с встроенными средствами защиты силовых ключей и интерфейсами для подключения к микропроцессорным системам управления.

По основным выполняемым функциям некоторые виды силовых электронных преобразователей обычно относят к электронным силовым регуляторам. Важными классификационными признаками, отражающими принцип действия преобразователя, а следовательно, и его функциональные возможности являются вид используемых силовых ключей и способы их коммутации. Все силовые электрон­ные ключи можно подразделить на не полностью управляемые и полностью управляемые.

К первой группе ключей относятся диоды, управляемость которых ограничива­ется включением под воздействием прямого напряжения, и обычные, традицион­ные тиристоры. Ко второй группе ключей относятся все электронные ключи, включение и выключение которых осуществляется подачей на их управляющий вход токов или напряжений.

Электронные ключи различаются способами коммутации. Коммутацией в элек­тронном преобразователе принято называть переход тока с одного или нескольких одновременно проводящих ключей на другой ключ в течение конечного интервала времени, когда выключаемый и включаемый ключи одновременно находятся в проводящем состоянии. Коммутация диодов возможна под воздействием перемен­ного напряжения, например электрической сети. Для тиристоров такая коммута­ция также обеспечивается в результате изменения полярности напряжения внеш­него источника. Поэтому преобразователи с силовыми ключами первой группы называются преобразователями с сетевой коммутацией (МЭК 551-16-12). Этот термин достаточно полно отражает основные принципы действия отдельных видов преобразователей. Иногда преобразователи классифицируются по следующим признакам:

• номинальной мощности (малой, средней, большой);

• рабочим напряжению и токам (низкого или высокого напряжения, малых и больших токов);

• значениям частоты входного или выходного напряжения (низкочастотные, высокочастотные);

• числу фаз (однофазные, трехфазные, многофазные);

• модульному принципу исполнения (многоячейковое, многоуровневое и др.);

• способам коммутации тиристоров (с конденсаторной коммутацией, комму­тацией LC-контуром и др.);

• наличию резонансных цепей для снижения коммутационных потерь (квази­резонансные преобразователи постоянного тока и др.);

• способам регулирования (по входу, изменением алгоритма управления сило­выми ключами, по выходу и др.).

Основные параметры и характеристики преобразователей. Электриче­скими параметрами входных и выходных силовых цепей преобразователей элек­тротехнических устройств (источников и потребителей электроэнергии) являются:

• ток (число фаз и частота для переменного тока);

• номинальные действующие значения тока и напряжения (для переменного тока) и средние значения (для постоянного тока);

• диапазон регулирования выходного напряжения (тока);

• номинальные значения полной или активной мощности для переменного тока, а также коэффициент мощности cosφ для основных гармоник тока и напря­жения в номинальном режиме;

• номинальное значение активной мощности для постоянного тока, определя­емое как произведение номинальных средних значений тока и напряжения;

• коэффициент полезного действия η_ном в номинальном режиме работы;

• отклонения основных параметров в динамических режимах при изменениях напряжения внешнего источника электропитания или нагрузки, а также устано­вившиеся значения этих отклонений после завершения переходных процессов.

Механические и другие неэлектрические характеристики приводятся отдельно в соответствии с утвержденными стандартами конкретных типов преобразователей. Характеристики определяются использованием современной элементной базы и технологиями изготовления преобразователей.

Силовые электронные преобразователи в отличие от других электротехниче­ских устройств, например электромашинных преобразователей, выполняются на основе нелинейных электронных ключей, работающих в импульсных режимах. Это приводит к искажению токов и напряжения в силовых цепях преобразователя. Например, во входных цепях преобразователей переменного тока форма тока существенно отличается от синусоидальной, а выходное напряжение выпрямителя кроме постоянной составляющей содержит переменное напряжение несинусои­дальной формы, называемое пульсацией. Для учета этих факторов используют дополнительные характеристики преобразователей электроэнергии, к которым относятся, прежде всего, показатели не синусоидальности переменного тока, а следовательно, мощности на стороне сетевого входа преобразователя и пульсаций на стороне постоянного тока.

В системах автоматизации схемы для согласования уровней напряжения на выходе микропроцессорного контроллера и на входе силового преобразователя и их гальванической развязки называют драйверами.

Основными узлами силовых преобразователей являются неуправляемые и управляемые одно- и трехфазные выпрямители и инверторы напряжения, преобразующие постоянное напряжение в переменное с частотой от нескольких герц до нескольких десятков и сотен килогерц. Инверторы выполняют на тиристорах, биполярных, полевых и IGBT транзисторах. Различные варианты перечисленных узлов будут рассмотрены далее.