Основы силовой электроники

Скачать DjVu (2,78 МБ)

Описание

Излагаются принципы преобразования электрической энергии: выпрямления, инвертирования, преобразования частоты и др. Описаны основные схемы преобразовательных устройств, способы управления ими и регулирования основных параметров, показаны области рационального использования различных типов преобразователей. Рассмотрены особенности конструирования и эксплуатации.

Для инженеров и техников по разработке и эксплуатации электрических систем, содержащих преобразовательные устройства, а также занятых испытанием и обслуживанием преобразовательной техники.

Книга издана при содействии Консорциума «Электромеханика и силовая электроника» при Московском энергетическом институте

ПРЕДИСЛОВИЕ

Силовая электроника является постоянно развивающейся и перспективной областью электротехники. Достижения современной силовой электроники оказывают большое влияние на темпы технического прогресса во всех развитых индустриальных обществах. В этой связи возникает необходимость для широкого круга научно-технических работников в более ясном понимании основ современной силовой электроники.

Силовая электроника имеет в настоящее время достаточно глубоко разработанные теоретические основы, однако автор не ставил перед собой задачи даже частичного их изложения, поскольку этим вопросам посвящены многочисленные монографии и учебники. Содержание настоящей книги и методика его изложения рассчитаны в первую очередь на инженерно-технических работников, не являющихся специалистами в области силовой электроники, но связанных с применением и эксплуатацией электронных устройств и аппаратов и желающих поручить представление об основных принципах работы электронных устройств, их схемотехнике и общих положениях по разработке и эксплуатации. Кроме того, большинство разделов книги может быть также использовано учащимися различных технических учебных заведений при изучении дисциплины, в программу которых входят вопросы силовой электроники.

Автор благодарен всем товарищам, оказавшим помощь при подготовке рукописи к печати, а также доктору техн. наук Ф. И. Ковалеву за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

В электронной технике выделяют силовую и информационную электронику. Силовая электроника первоначально возникла как область техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значи- ft тельно расширить функциональные возможности, силовых электронных устройств и соответственно области их применения.

Устройства современной силовой электроники, позволяют управлять потоками электроэнергии не только в целях ее преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности и др. Эти функции, тесно связанные с традиционными задачами электроэнергетики, определили и другое название силовой электроники — энергетическая электроника.

Информационная электроника преимущественно используется для управления информационными процессами. В частности, устройства информационной электроники являются основой систем управления и регулирования различными объектами, в том числе и аппаратами силовой электроники.

Однако несмотря на интенсивное расширение функций аппаратов силовой электроники и областей их применения основные научно-технические проблемы и задачи, решаемые в области силовой электроники, связаны с. преобразованием электрической энергии.

Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц (За исключением США и некоторых других стран, где за основную принята частота 60 Гц), в виде постоянного тока (свыше 20% всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии.

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

1) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);

2) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);

3) преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).

Существует - также ряд других, менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаях используется комбинация нескольких видов преобразования. «Кроме того, электроэнергия может преобразовываться с целью улучшения качества ее параметре^, например для стабилизации напряжения или частоты переменного тока. I

Преобразование электроэнергии может Производиться различными способами. В частности, традиционным для электротехники является преобразование посредством электромашинных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей, инерционность и др. Поэтому параллельно с развитием электромашинного преобразования в электротехнике большое внимание уделялось разработке способов статического преобразований электроэнергии. Большинству таких разработок основывалось на использовании нелинейных элементов электронной техники.

Основными ' элементами силовой электроники, ставшими базой для создания^ статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы. Проводимость большинства полупроводниковых приборов в существенной мере зависит от направления электрического тока: в прямом направлении их проводимость велика, В" обратном — мала (т. е. полупроводниковый прибор имеет два явно выраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемыми и управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокой проводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности. Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их использованию для преобразования электроэнергии бьйш работы академиков В. Ф. Миткевича, Н. Д. Папелекси и др.

В 30-х годах в СССР и за рубежом были распространены газоразрядные приборы* (ртутные вентрли, тиратроны, газотроны и др.). Одновременно с освоением газоразрядных приборов развивалась теория преобразования электроэнергии. Были разработаны основные типы схем и проведены обширные исследования электромагнитных процессов, протекающих при выпрямлении и инвертировании переменного тока. В это же время появились первые работы по анализу схем автономных инверторов. В развитии теории ионных преобразователей большую роль сыграли работы советских ученых И. JI. Каганова, М. А. Чернышева, Д. А. Завалишина, а также и зарубежных: К. Мюллер-Любека, М. Демонтвинье, В. Шилинга и др.

Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, когда появились мощные полупроводниковые приборы—диоды и тиристоры. Эти приборы, разработанные на основе кремния, по своим техническим характеристикам намного превосходят газоразрядные приборы. Они обладают малыми габаритами и массой, имеют высокое значение КПД, обладают быстродействием и повышенной надежностью при работе в широком температурном диапазоне.

Использование силовых полупроводниковых приборов существенным образом повлияло на развитие силовой электроники. Они стали основой для разработки высокоэффективных преобразовательных устройств всех типов. В этих разработках были приняты многие принципиально новые схемотехнические и конструктивные решения.

Освоение промышленностью силовых полупроводниковых устройств электроэнергии интенсифицировало проведение в этой области научно-исследовательских работ и создание новых технологий. С учетом специфики силовых полупроводниковых приборов были уточнены старые и разработаны новые методы анализа схем. Значительно расширились классы схем автономных инверторов, преобразователей частоты, регуляторов постоянного тока и многие другие, а также появились новые виды устройств силовой электроники—статические контакторы с естественной и искусственной коммутацией, тиристорные компенсаторы реактивной мощности, быстродействующие аппараты защиты с ограничителями напряжения и др.

Одной из основных областей эффективного использования силовой электроники стал электропривод. Для электропривода постоянного тока разработаны тиристорные агрегаты и комплектные устройства, успешно используемые в металлургий, станкостроении, на транспорте и других отраслях промышленности. Освоение тиристоров обусловило значительный прогресс в области регулируемого электропривода переменного тока.

Созданы высокоэффективные устройства, преобразующие ток промышленной частоты в переменный ток .регулируемой частоты для управления скоростью электродвигателей.

Для различных областей техники разработано много типов преобразователей частоты со стабилизированными выходными параметрами. В частности, для индукционного нагрева металла созданы высокочастотные мощные тиристорные агрегаты, дающие большой технико-экономический эффект за счет увеличения ресурса их работы по сравнению с электромашинными агрегатами.

На основе внедрения полупроводниковых преобразователей была проведена реконструкция электрических подстанций для подвижного электротранспорта.

Значительно улучшено качество некоторых технологических процессов в электрометаллургической и химической отраслях промышленности за счет внедрения выпрямительных агрегатов с глубоким регулированием выходного напряжения и тока.

Достоинства полупроводниковых преобразователей определили их широкое применение в системах бесперебойного электроснабжения.

Расширилась область применения силовых электронных устройств в сфере бытовой электроники (регуляторы напряжения и др.).

С начала 80-х годов, благодаря интенсивному развитию электроники, начинается создание нового поколения изделий силовой электроники. Базой для него явились разработка и освоение промышленностью новых типов силовых полупроводниковых приборов: запираемых тиристоров, биполярных транзисторов, МОП-транзисторов и др. Одновременно существенно повысились быстродействие полупроводниковых приборов, значения предельных параметров диодов и тиристоров, развились интегральные и гибридные технологии изготовления полупроводниковых приборов различных типов, начала широко внедряться микропроцессорная техника для управления и контроля преобразовательными устройствами.

Использование новой элементной базы позволило принципиально улучшить такие важнейшие технико-экономические показатели, как КПД, удельные значения массы и объема, надежность, качество выходных параметров и др. Определилась тенденция повышения частоты преобразования электроэнергии. В настоящее время разработаны миниатюрные вторичные источники питания малой и средней мощности с промежуточным преобразованием электроэнергии на частотах сверхзвукового диапазона. Освоение высокочастотного (свыше 1 мГц) диапазона привело к необходимости решения комплекса научно-технических проблем по конструированию преобразовательных устройств и обеспечению их электромагнитной совместимости в составе технических систем. Получаемый за счет перехода на повышенные частоты технико-экономический эффект полностью компенсировал затраты на решение этих задач. Поэтому в настоящее время тенденция создания многих типов преобразовательных устройств с промежуточным высокочастотным звеном сохраняется.

Следует отметить, что использование полностью управляемых быстродействующих полупроводниковых приборов в традиционных схемах существенно расширяет их возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новых функциональных свойств изделий силовой электронной техники.