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.