Силовые полупроводниковые преобразователи в системах мехатроники

Лекция. Модели устройств силовой электроники

План

1. Введение.

2. Силовые преобразователи.

3. Основные характеристики устройств СЭ.

4. Модель тиристорного преобразователя.

 

Вводные замечания.

Преобразовательная техника, которая последние годы стала именоваться силовой электроникой, является областью нелинейной электротехники, в которой изучаются свойства полупроводниковых преобразователей.

Полупроводниковые преобразователи, построенные на силовых полупроводниковых приборах (диоды, тиристоры, мощные транзисторы), служат для преобразования параметров, характеризующих электрическую энергию. К этим параметрам относятся:

Рис.5.1 Блок-схема силового полупроводникового преобразователя

-тип и форма напряжения и тока (например, постоянные, переменные, синусоидальные, несинусоидальные периодические, импульсные и т.д.);

-величина (значение) напряжения и тока (среднее для постоянных, действующее, амплитудное для переменных);

-частота;

-число фаз.

Блок-схема полупроводникового преобразователя изображена на (рис.5.1).

Полупроводниковый преобразователь преобразует электрическую энергию с параметрами  в электрическую энергию с параметрами  при воздействии сигналов управления.

Кроме силовых полупроводниковых элементов в состав полупроводникового преобразователя, как правило, входят и другие элементы, к ним, в первую очередь, относятся:

- активные элементы- неуправляемые и управляемые источники напряжения и тока;

-реактивные элементы-конденсаторы, катушки индуктивности, дроссели;

-электромагнитные преобразующие элементы-силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы;

- выключатели и переключатели;

-система управления, которая в общем случае представляет собой сложное электронное устройство, реализованное либо на элементах интегральной микросхемотехники, либо на микроконтроллере;

-система защиты и сигнализации аварийных режимов.

 

Первые преобразователи электрической энергии появились в 20-х годах прошлого столетия (20-ого века). Силовыми элементами этих преобразователей служили мощные ламповые тиратроны и игнитроны. Эти преобразователь имели значительные веса и габариты, имели сложные и громоздкие системы охлаждения, были крайне ненадежны. Несмотря на все недостатки, уже тогда они нашли практическое применение в городском и железнодорожном транспорте.

Существенный скачок в развитии преобразовательной техники произошел в шестидесятых годах, когда были созданы первые неуправляемые (диоды) и управляемые (тиристоры) силовые полупроводниковые элементы. Эти элементы позволили создать силовые полупроводниковые неуправляемые и управляемые выпрямители, которые получили широкое распространение на железнодорожном транспорте, в электроприводах постоянного тока и электротермии.

Третий, самый значительный, этап в развитии преобразовательной техники наступил с появлением на рынке первоначально биполярных высоковольтных транзисторов и полностью управляемых (GTO) тиристоров, а затем биполярных транзисторов с изолированной базой IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor), и мощных полевых транзисторов MOSFET (Metal Oxide Semicondactor Field Effect Transistor).

Основной особенностью этого этапа является, можно сказать, революционное изменение техники преобразования энергии. Это изменение базируется на значительном увеличении быстродействия полупроводниковых преобразователей, что в свою очередь позволяет существенно уменьшить массы и габариты, повысить КПД и надежность, реализовать широтно-импульсную модуляцию и микропроцессорное управление.

Использование силовых полупроводниковых преобразователей в электроэнергетике, на транспорте, в металлургии и других отраслях дает громадный экономический эффект. Например, в США на сегодняшний день преобразовывается до 70% всей вырабатываемой энергии.

Жизнь выдвигает все новые и новые задачи и решение этих задач вызывает необходимость дальнейшего развития теории и практики преобразовательной техники. Несомненно, что в этой отрасли ожидаются новые открытия, интересные научные и технические разработки.

 

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах мехатроники.

 

Силовые полупроводниковые преобразователи в системах мехатроники выполняют функцию регулирования скорости и момента электрического двигателя. Они включены между двигателем и основным источником питания. По принципу действия силовые преобразователи разделяются на следующие базовые типы:

• широтно- импульсные преобразователи (ШИП), связывающие источник постоянного тока с двигателем постоянного тока;
• управляемые выпрямители (УВ), связывающие источник переменного тока с двигателем постоянного тока, частным случаем управляемого выпрямителя является выпрямитель неуправляемый, который используется во вторичнвх источниках питания (В);
• автономные инверторы (АИ), связывающие источник постоянного тока с двигателем переменного тока;
• непосредственные преобразователи частоты (НПЧ), связывающие источник переменного тока с двигателем переменного тока.

Функциональные схемы базовых преобразователей показаны на рис. 5.2.

 

 

Рис.5.2. Функциональные схемы силовых полупроводниковых преобразователей.

 

Здесь следует напомнить, что постоянные напряжения характеризуется средними значениями, а переменные – действующими значениями.

Принципы функционирования базовых преобразователей представлен на рис.5.3.

 

 Широтно-импульсный преобразователь преобразует постоянное напряжение питания в постоянное регулируемое напряжение на выходе.

Управляемый выпрямитель преобразует переменное, обычно синусоидальное напряжение частоты 50 Гц постоянного действующего значения (обычно 220В), в постоянное регулируемое напряжение на выходе).

Автономный инвертор преобразует постоянное напряжение питания в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой.

Непосредственный преобразователь частоты преобразует переменное, обычно синусоидальное напряжение частоты 50 Гц постоянного действующего значения (обычно 220В), в переменное напряжение на выходе с регулируемым действующим значением и регулируемой частотой.

Возможные варианты применения базовых силовых преобразователей в системах мехатроники постоянного и переменного тока показаны на рис.5.3.

В системах постоянного тока исполнительным двигателем является двигатель постоянного тока. При питании от источника постоянного тока (аккумулятор, солнечная батарея, генератор постоянного тока) в качестве силового преобразователя используется ШИП, если источником питания является сеть переменного тока, то может быть применен УВ, либо сочетание В+ШИП (рис. 5.3).

 

Рис.5.3.Принципы функционирования базовых преобразователей в системах мехатроники.

 

В системах переменного тока исполнительным двигателем является машина переменного тока. В этом случае при питании от источника постоянного тока применяется АИ, а при питании от источника переменного тока НПЧ, сочетания УВ+АИ, либо В+АИ.

Следует отметить, что для управления двигателями постоянного тока необходимо регулировать только напряжение, а для управления двигателями переменного тока- напряжение и частоту.

Далее рассматриваются силовые полупроводниковые преобразователи, получившие в последнее время преимущественное распространение в системах мехатроники. К таким преобразователям в системах постоянного тока относится УВ, ШИП, а в системах переменного тока – АИ.