Электромеханические системы

 

CОДЕРЖАНИЕ

 

Введение……………………………………………………….....3

1. Современная элементная база силовой электроники….……5

2. Инверторы……………………………………………….……15

3. Преобразователи  частоты……………………………………20

Список литературы………………………………………...…....26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 значительно  расширить функциональные возможности  силовых электронных устройств  и соответственно области их применения.

Устройства  современной силовой электроники  позволяют управлять потоками электроэнергии не только в целях её преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей  защиты электрических цепей, компенсации  реактивной мощности и так далее. 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 схем управления и регулирования  различными объектами, в том числе  и аппаратами силовой электроники.

Электроэнергия  используется в разных формах: в  виде переменного тока с частотой 50 Гц, в виде постоянного тока (свыше 20% всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной  формы. 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  её преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

• выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);
• инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);
• преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).

Основными элементами силовой электроники, ставшими базой для создания статических  преобразователей, явились полупроводниковые  приборы. Проводимость большинства  из них в существенной мере зависит от приложенного напряжения, в прямом направлении их проводимость велика, в обратном – мала (то есть 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Современная элементная база силовой электроники

 

Одним из весьма эффективных направлений  энергосберегающих технологий является широкое применение устройств силовой  электроники. Достигнутый за последние 20 лет уровень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся области  техники, выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.

 Промышленное  освоение полностью управляемых  силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями  коммутируемой мощности, КПД, массогабаритных  показателей и надежности, позволило  осуществлять экономичное преобразование  электроэнергии и открыло широкие  возможности для создания современных  преобразовательных устройств. 

 В  нефтегазовой промышленности устройства  силовой электроники находят  все большее применение в коммутационных  аппаратах, устройствах плавного  пуска и регулирования скорости  электроприводов технологических  установок, агрегатов бесперебойного  питания. 

 Силовая  электроника — область техники,  связанная с управлением потоками  электроэнергии посредством мощных  электронных приборов, которые, как  правило, работают в ключевых  режимах, пропуская или блокируя  поток электроэнергии, что позволяет  изменением алгоритмов их переключения  управлять усредненными значениями  мгновенной мощности по требуемым  законам. Это интенсивно развивающаяся  область науки и техники, охватывающая  по существу все сферы деятельности  человека, — промышленность, добывающие  отрасли, транспорт, связь. 

 Основными  элементами силовой электроники  служат полупроводниковые приборы,  обладающие характеристикой ключевого  элемента, которые коммутируют (включают  и отключают) участки электрической  цепи.

 Современный  силовой полупроводниковый ключ  — сложная схема, содержащая  множество параллельных структур.

 Действие  ключевого элемента основано  на том, что во включенном  состоянии он обладает очень  малым сопротивлением, а в выключенном  — весьма большим. Обозначение  ключевого элемента показано  на рис. 1

 Основными  параметрами ключевого элемента  являются сопротивления во включенном  и выключенном состояниях, остаточное  напряжение и быстродействие, определяемое  временем переключения. Вольтамперная  характеристика «идеализированного»  ключевого элемента показана  на рис. Элементы с такими  вольтамперными характеристиками  имеют два устойчивых состояния:  включенное, соответствующее Rвкл= 0 (участок 1 вольтамперной характеристики); выключенное, соответствующее Rвыкл = ∞ (участок 2). При этом должно  обеспечиваться мгновенное переключение  из одного состояния в другое  и наоборот по соответствующему  логическому сигналу управления  нулевой мощности.

 Реальные  ключевые элементы, у которых  RвклФ 0 и Rвыкл Ф не равно  ∞, могут лишь приближаться  по своим параметрам к «идеализированным». При этом разные параметры  накладывают и различные ограничения  на возможность эффективного  использования ключей. Так, например, вольтамперная характеристика реального  элемента, имеющего падение напряжения  при прямом токе AUS и обратный  ток A ИР (рис. 1), определяет потери мощности в ключе в проводящем и непроводящем состояниях

Рис. 1 Обозначение ключевого элемента (а). Вольт-амперные характеристики ключевых элементов - идеализированного (б) и  реального (в)

 

Потери  мощности в ключе сказываются  на КПД силового электронного устройства, поэтому их снижение является одной  из основных задач разработчиков  приборов. Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение  на повышение рабочих частот силовых  электронных устройств. В то же время  повышение рабочих частот силовых  электронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой  электронике за последние годы. Это дает возможность улучшить технико-экономические показатели преобразовательных устройств и повысить их быстродействие.

 В  настоящее время функции ключевых  элементов выполняют полупроводниковые  приборы различных типов. К  элементам силовой электроники  относят приборы, рассчитанные  на предельные значения среднего  или действующего значения тока  более 10 А. Классификацию ключевых  элементов проводят по степени  их управляемости. При этом  под признаком управляемости  подразумевают возможность переводить  прибор из проводящего состояния  в непроводящее и обратно посредством  воздействия на него маломощным  управляющим сигналом.

По степени  управляемости управляемые полупроводниковые  приборы разделяются на следующие  группы:

1. Не  полностью управляемые приборы,  которые можно посредством управляющего  сигнала переводить только в  проводящее состояние, но не  наоборот (традиционные тиристоры,  симмисторы).

2. Полностью  управляемые (запираемые) приборы,  которые можно переводить в  проводящее состояние и обратно  посредством управляющего сигнала  (транзисторы, запираемые тиристоры).

Силовая электроника, начиная с 80-х годов  переживает вторую революцию. Ее интенсивное  развитие обусловлено освоением  производства за последние 1 5—20 лет  новых полностью управляемых  приборов силовой электроники, из которых  в настоящее время наибольшее распространение получили следующие  типы:

1 . Полевые  транзисторы с изолированным  затвором (MOSFET-Metall-Oxid-Semiconductor Field-Effekt-Transistor).

2. Биполярные  транзисторы с изолированным  затвором (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor).

 3. Запираемые тиристоры (GTO-Gate-Turn-Off).

4. Запираемые тиристоры с интегрированным управлением (IGCT-Integrated Gate-Commutated Thyristor).

 Низкий уровень потерь энергии и малая мощность управления современных приборов силовой электроники позволяет реализовать силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле технологическими приемами изготавливаются силовые ключевые элементы, устройства их управления, защиты и диагностики. Такие устройства получили название интеллектуальных (Smart Intelligent) схем.

Области применения приборов силовой электроники  следующие.

 Традиционные  тиристоры (SCR) — преобразователи  с естественной (сетевой) коммутацией  большой (свыше 1 МВ-А) мощности, применяемые для электроприводов  постоянного тока, высоковольтных  регулируемых электроприводов переменного  тока, мощных статических компенсаторов  реактивной мощности, технологических  целей (электролиз, гальваника, плавка).

 Запираемые  тиристоры (GTO) — преобразователи  мощностью сотни киловольт-ампер  (а в будущем свыше 3 МВ-А)  для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных); мощных агрегатов бесперебойного  питания (АБП); статических компенсаторов  реактивной мощности.

 Биполярные  транзисторы с изолированным  затвором (IGBT) — преобразователи  мощностью до единиц мегаватт-ампер  для электроприводов переменного  тока, АБП, статических компенсаторов  реактивной мощности и активных  фильтров, ключевых источников питания. 

 Полевые  транзисторы с изолированным  затвором (MOSFET) — высокочастотные  преобразователи (сотни килогерц) и низковольтные преобразователи  для приводов вентильных двигателей, компактных АБП, ключевых источников  питания. 

 Симмисторы (Triac) — преобразователи для пуска  и управления двигателями переменного  тока, ключи и реле.

 Указанные  полностью управляемые приборы  силовой электроники в настоящее  время вытесняют практически  из всех областей применявшиеся  ранее традиционные тиристоры  (SCR-Silicon Controlled Rectifier) и биполярные  силовые транзисторы (BPT-Bipolar Power Transistor), так как при тех же коммутируемых  токах и напряжениях они имеют  значительно меньшие мощности  управления и время коммутации, стойкость к перегрузкам по  току и напряжению, а также  более широкую область безопасной  работы. Высокие частоты коммутации (до 50 кГц), простота и малая мощность  систем управления обеспечили  значительное улучшение технико-экономических показателей (снижение габаритов и массы, повышение надежности и КПД) преобразовательного оборудования на базе IGBT по сравнению с оборудованием тиристоров (SCR).

 Параметры  приборов силовой электроники  непрерывно улучшаются, например, за  последние два десятилетия сменилось  три поколения IGBT. Величина коммутируемого  напряжения увеличилась с 1,2—1,7 кВ в конце 80-х годов до 3,0 — 3,5 кВ в настоящее время,  намечается в будущем производство IGBT с коммутируемым напряжением  4,5 — 7,0 кВ. Прямое падение напряжения  уменьшилось: 4 В у I поколения, 3,3 В у II, 2,1 В у III и 1,2 В у  IV и в настоящее время. 

 По  прогнозам в ближайшие годы IGBT полностью заменят традиционные  биполярные транзисторы и GTO в  преобразовательном оборудовании  мощностью до единиц мегавольт-ампер.  В области малых мощностей  и низковольтных преобразователей  будут доминировать MOSFET, а в области  больших мощностей (выше 3 МВ-А)  — GTO.

 За  последние годы рядом фирм (АВВ,  «Mitsubishi») освоено производство  нового класса приборов силовой  электроники IGC — тиристоров, управляемых  по затвору. По сравнению с  GTO у IGCT значительно снижены падение  напряжения при прямом токе, мощность  управления, статические и динамические  потери; значительно увеличено быстродействие. На базе IGCT изготовлен и с 1996 г. проходит опытную эксплуатацию  преобразователь мощностью 1 00 МВ-А  (г. Бремен).

 Число  квалификационных испытаний и  опыт эксплуатации преобразователей  на базе IGCT показали, что для 3 МВ*А трехфазного инвертора можно  получить наработку на отказ  не менее 45 лет и интенсивность  потока отказов не более 2300 FIT (FIT соответствует одному отказу  на миллиард*ч).

 Ожидается,  что приборы IGCT будут основными  элементами для применения в  области средних и больших  напряжений мощностью от 0,5 до 100 МВ-А. Это достигается последовательным  соединением мощных приборов. Высокая  надежность IGCT и возможность последовательного  соединения достаточного числа  приборов открывает широкие перспективы их применения в области очень высоких мощностей и в специальном силовом оборудовании.

 С  учетом дополнительных требований  по низкой стоимости, малого  числа элементов в преобразователе  и высокой эффективности в  сравнении с другими приборами  силовой электроники IGCT не имеют  реальных конкурентов в этом  диапазоне мощностей. 

 В  табл. 1 приведены сравнительные  характеристики современных приборов  силовой электроники, а в табл. 2 — максимально достигнутые на конец 1997 г. их параметры.

Табл. 1 Сравнительные характеристики современных приборов силовой электроники с двухсторонним теплоотводом

Тип прибора	Преимущества	Недостатки	Недостатки
1	2	3	4
Традиционный  тиристор (SCR	Самые низкие потери во включенном состоянии. Самая высокая  перегрузочная        способность. Высокая надежность. Возможность     параллельного и  последовательного  соединения	Не    способен    к принудительному  запиранию по управляющему электроду.  Низкая     рабочая   частота	1
Запираемый   тиристор (GTO)	Способность к управляемому запиранию.  Сравнительно высокая перегрузочная  способность.  Возможность последовательного  соединения. Рабочие    частоты   до 250 Гц при напряжении до 4 кВ	Высокие     потери во включенном состоянии. Очень      большие потери в системе управления. Сложные системы  управления. Большие     потери при переключении	2
Запираемый   тиристор  с  интегрированным  управлением  (IGCT)	Способность к управляемому запиранию.  Перегрузочная способность  такая же, что у  GTO. Низкие    потери     во включенном     состоянии на переключение. Рабочие    частоты   до единиц кГц.  Встроенный блок   управления. Возможность последовательного  соединения	Не выявлены из-за недостаточного опыта    эксплуатации	3
Биполярный   транзистор     с   изолированным   затвором (IGBT)	Способность к управляемому запиранию. Высокая рабочая  частота (десятки  кГц). Простая    неэнергоемкая  система управления. Встроенный драйвер	Способность к управляемому запиранию. Высокая рабочая частота (десятки  кГц). Простая    неэнергоемкая  система   управления. Встроенный драйвер	4