Выпрямители

Применение мощных полупроводниковых ключей в силовых схемах

Несмотря на то, что современные ключевые приборы не являются идеальными, не существует принципиальных ограничений для разработки высокоэффективных силовых устройств постоянного и переменного тока в самом широком диапазоне мощностей (от единиц ватт до десятков мегаватт). Мощные полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором, обладая лучшими характеристиками с точки зрения коммутационных потерь, высоких скоростей переключения и стойкости к режимам перегрузки, практически вытеснили силовые биполярные транзисторы из традиционных областей их применения. Биполярные транзисторы применяются в импульсных источниках питания с рабочей частотой 20…60 кГц. В импульсных источниках с частотой преобразования 75…200 кГц и выходной мощностью от сотен ватт до единиц киловатт самое широкое применение находят в основном мощные МДП-транзисторы и дискретные типы высокочастотных IGBT.

Основными задачами улучшения энергетических показателей источников питания являются:

1. Уменьшение габаритных размеров и массы радиаторов силовых ключей за счёт повышения к.п.д. схемы.

2. Уменьшение массо-габаритных характеристик реактивных элементов преобразователя за счёт увеличения частоты преобразования.

3. Исключение из схемы низкочастотных трансформаторов.

Однако увеличение рабочей частоты преобразователя при близкой к прямоугольной форме тока и напряжения приводит к росту динамических потерь в ключах из-за рассеивания дополнительной энергии в паразитных индуктивностях и ёмкостях силовой схемы. Поэтому всё большее применение находят схемы электропитания, построенные на основе резонансных преобразователей, у которых силовые ключи коммутируются либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении, что уменьшает динамические потери и электрические перегрузки элементов преобразователя.

При выборе ключевых приборов в системах управления электродвигателями необходимо учитывать особенности нагрузки:

1. Индуктивный характер.

2. Наличие противонаправленной э.д.с. вращения.

3. Кратковременные, но многократные перегрузки по току.

4. Близость пусковых режимов к режиму короткого замыкания.

Запираемые тиристоры и биполярные транзисторы с изолированным затвором находят основное применение в энергетических установках высоковольтных линий передач постоянного тока, сверхмощных электроприводах и системах электрифицированного транспорта, где требуется преобразование мощности в сотни киловатт - единицы мегаватт.

Основными критериями, использующимися при выборе типа ключа для любого силового устройства являются:

1. Достаточные для получения требуемой мощности преобразования номинальные токи и напряжения.

2. Прямое падение напряжения в открытом состоянии.

3. Значения усилительных параметров, обеспечивающих эффективность ключевых свойств.

4. Времена переключения.

5. Энергия потерь и температура структуры.

6.

7.

,

*

Основным назначением выпрямителей является преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий выпрямленный) ток. В общем случае выпрямитель состоит из силового трансформатора, группы вентилей (диодов, тиристоров или транзисторов), сглаживающего фильтра и устройств управления и защиты. Неуправляемые выпрямители не имеют устройств управления и выполняются с использованием диодов. Регулирование напряжение на выходе выпрямителей осуществляется в управляемых выпрямителях либо переключая витки силового трансформатора, либо используя в выпрямителе тиристоры или транзисторы.

В силовой электронике в основном используют выпрямители, работающие от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц. Выпрямленное напряжение не является идеальным. Оно имеет определенное число пульсаций за период питающего напряжения. Выпрямители трехфазного напряжения можно выполнить с различным числом пульсаций. Применяются трехпульсовые (q =3), шестипульсовые (q =6), двенадцатипульсовые (q =12) выпрямители. Могут и изменятся выпрямители и с большим числом пульсаций(q =18;24).

Различают нулевые и мостовые схемы выпрямителей. В нулевых схемах нагрузка включается между выведенной нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора и общей катодной или анодной точкой вентильной группы. Нулевые схемы иначе называют однополупериодными (или однотактными), так как ток по вторичным обмоткам протекает в течение одного полупериода напряжения сети. В мостовых схемах нагрузка включается между общими точками анодной и катодной группы вентилей. Вторичная обмотка не имеет вывода нулевой точки, а вентили парами подсоединяются к выводам фаз вторичной обмотки: один - катодом, другой - анодом. Мостовые схемы называют двухполупериодными (двухтактными), так как ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает в течение каждого полупериода, т.е. обмотка нагружается в каждом периоде в обоих направлениях.