Электромеханические системы

Табл. 2 Максимально достигнутые параметры приборов силовой электроники

Тип прибора	Фирма-изготовитель	Марка	Ток, A	Напряжение, В
Традиционный тиристор	«ABB Semiconductors»	5STP 34N5200	3500	4400
GTO	«ABB Semiconductors»	5SGT 30J6004	3000	4400
IGCT	«ABB Semiconductors»	5SHY 35L4502	4000	6000
IGBT	«Toshiba Semiconductor Group»	ST1200FXF21	1200	3300

 

Приборы силовой электроники выпускают  следующие зарубежные фирмы: АВВ, «International Rectifier» (США), «Semikron» (Германия), «Siemens» (Германия), «Mitsubishi» (Япония), «Toshiba» (Япония) и др.

 Следует  отметить, что более половины  всех современных силовых полупроводниковых  приборов выпускаются и будут  выпускаться в модульном исполнении. В простейшем случае модуль  представляет собой один или  совокупность силовых ключевых  элементов, а в более сложном  — преобразователь параметров  электрической энергии. Одно-, двух-, четырех- и шестиключевые модули  позволяют создавать компактные  и надежные преобразовательные  устройства. Выпускаются также функционально  законченные модули, например, преобразователь  частоты с промежуточным звеном постоянного тока. На рис. 2 приведены схемы модулей IGBT, выпускаемых фирмой «Mitsubishi»

Рис. 2. Схемы модулей IGBT:

а — одноключевого; б — двухключевого (полумостового); б — трехфазного  мостового; в — преобразователя  частоты по схеме выпрямитель-инвертор

 

Обычные модули выпускаются с обратными  быстро восстанавливающимися диодами (FRD) или без них. По быстродействию IGBT уступают MOSFET, но значительно превосходят  биполярные. Ток управления IGBT мал, поэтому цепь управления — драйвер  конструктивно компактна. В модулях IGBT драйверы непосредственно включены в их структуру.

 Главные  направления в области разработки  перспективных типов IGBT в ближайшие  годы состоят в расширении  диапазона рабочих токов до 2000 А и рабочего напряжения до 3500 В, частоты переключения до 70 кГц при улучшении формы импульсов  и упрощения схем управления.

 Интеллектуальные  силовые модули (IPM-Intelligent Power Modules),   кроме   силовой   части   схемы   преобразователя (мостового  одно- или трехфазного выпрямителя,  мостового инвертора), могут содержать  в одном корпусе также датчики,  драйверы, устройства защит и  диагностики, источники питания  и др.

 В  настоящее время IPM в основном  представляют собой преобразователи  частоты электроприводов переменного  тока (исключая контроллер переменного  тока). В последующих поколениях IPM планируется контроллер включить  в состав модуля. Максимально  достигнутый уровень мощности IPM 200 А/1200 В (каждого ключа мостового  трехфазного инвертора напряжения).

 Конструктивно  модули IGBT можно условно разбить  на 2 типа: паянной с изолированным  основанием (предельные параметры  2,4 кА и 3,3 кВ) и прижимной (таблеточной)  конструкции (предельные параметры  1,2 кА и 3,3 кВ). Последние, помимо  высокой надежности, термоциклоустойчивости, лучшего охлаждения, имеют еще  по сравнению с модулями с  изолированным основанием меньшую  паразитную индуктивность выводов  (единицы наногенри). При этом  снижаются перенапряжения на  выводах приборов и повышается  надежность модулей. 

 Разработки  подобных   модулей  паянной   и   прижимной конструкции,  а также с повышенными требованиями  к механическим и климатическим  воздействиям ведутся в России. НПП «ИНЭЛС» завершило разработку серии силовых модулей MOSFET и IGBT с изолированным основанием на токи 400 А и напряжение 1200 В. Промышленное производство таких модулей освоено на ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск) и ОАО «Контур» (г. Челябинск).

 Серию  силовых модулей IGBT на токи 1200 А и напряжения 1700, 2500 и 3300 В  в пластмассовых корпусах осваивает  ОАО «Электровыпрямитель».

 Серии  модулей IGBT в стандартных и  оригинальных корпусах разрабатывают  также ОАО «Искра»  (г. Ульяновск)  и ОАО «Протон» (г. Орел).

 Ведутся  работы по созданию серии модулей  IGBT по прижимной технологии в  герметичных корпусах таблеточной  конструкции диаметром 75 мм (1000 А/2500 В) и диаметром 85 мм (1200 А/3300 В).

 На  ряде предприятий электронной  промышленности освоено промышленное  производство силовых полевых  транзисторов с изолированным  затвором (MOSFET). Воронежский завод  полупроводниковых приборов производит  более десяти типов таких приборов.

 Характеристики  модулей силовой электроники,  выпускаемых отечественной промышленностью,  приведены в табл. 3. Их условные  обозначения следующие: 

 М  — модуль беспотенциальный (основание  модуля изолировано);

2 — число  ключей;

 ТКП  — полевой МОП-транзистор;

 ТКИ  — биполярный транзистор с  изолированным затвором;

 ДТКИ  — диод — биполярный транзистор  с изолированным затвором;

 ТКИД  — биполярный транзистор с  изолированным затвором — диод;

25; 35; 50; 75; 80; 1 00; 1 50 — максимально допустимый  ток, А; 

0,6; 1; 2; 5; 6; 10; 12 — максимально допустимое  напряжение ( х 1 00 В) — класс  прибора. 

 Климатическое  исполнение приборов — УХЛ,  Т; категория размещения —  2, 3.

Применение  модулей позволяет значительно  снизить массу, габариты и стоимость  преобразовательных устройств. Их применение оказывает существенное влияние  не только на технико-экономические  показатели оборудования, но и изменяет технологию проектирования устройств силовой электроники, сводя ее к выбору элементов высокой заводской готовности на требуемые входные и выходные параметры.

 За  последние годы значительно возросли  параметры (ток, напряжение, быстродействие) традиционных приборов силовой  электроники: диодов, транзисторов  и тиристоров. Кроме диодов одиночного  исполнения выпускаются силовые  модули, включающие в себя последовательно-параллельные  сборки и схемы мостовых конфигураций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Инверторы

 

Инвертированием называют процесс  преобразования электрической энергии  постоянного тока в переменный. Преобразователь, выполненный на базе полупроводниковых  приборов и осуществляющий такое  преобразование, называется инвертором.

 Автономным (независимым) инвертором  является преобразователь, выходные  параметры которого (форма, амплитуда,  частота выходного напряжения) определяются  схемой преобразователя, системой  управления и режимом его работы  в отличие от инвертора, ведомого  сетью, выходные параметры которого  определяются параметрами сети.

 Схема автономного инвертора изображена на рис. 3, а. Если переключать попарно через полупериод  Т/2 ключи К1 — К3 и К2 — К4, то напряжение Uab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплитудой U и частотой f = 1/Т (рис. 3, б).При активной нагрузке форма кривой тока будет повторять кривую напряжения. В схеме рис. 1 , а очень просто увеличить число фаз, для чего нужно добавить пару ключей и подключить нагрузку к точкам между ними (штриховые линии на рис. 3, а ). В трехфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разница состоит лишь в том, что источник питания и нагрузка поменялись местами.

Рис. 3. Схема автономного инвертора (а). Графики (б) напряжения Itb и тока Iн на выходе инвертора

 

Форму выходного  напряжения и, следовательно, его гармонический  состав можно менять, изменяя продолжительность  включенного состояния tt и момент включения t пары ключей (штриховая линия на рис. 3, б).

 Процессы  усложняются при активно-индуктивной  нагрузке. При этом схема рис. 3, а окажется неработоспособной, поскольку при разрыве такой цепи напряжения на ключах достигают бесконечно большой величины. Для обеспечения нормальной работы ключи шунтируют диодами, а источник питания, если его внутреннее сопротивление велико — конденсатором (рис. 4, а). При прямоугольной форме напряжения кривые тока будут состоять из участков экспонент (рис. 4, б). Напряжение и ток имеют различную форму и гармонический состав, первые гармоники тока и напряжения сдвинуты относительно одна другой на некоторый угол.

 Преобразование  постоянного напряжения в переменное  может осуществляться с использованием  всех типов силовых полупроводниковых  ключей. За последние годы в  области средних и больших  мощностей до 1 000 кВт начинают  широко применяться инверторы  на IGBT. Несмотря на более высокую  стоимость по сравнению с традиционными  тиристорами, они представляют  разработчикам более широкие  возможности формирования напряжения  и тока.

 По  характеру процессов, протекающих  в автономных инверторах, их разделяют  на инверторы напряжения (АИН)  и инверторы тока (АИТ).

 Схема  (см. рис. 4, а) представляет собой инвертор напряжения — именно оно формируется принудительно, а ток существенно зависит от нагрузки. В схеме АИН источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается переменным напряжением. Нагрузка в э том случае должна носить индуктивный или активно-индуктивный характер.

Рис. 4. Схема автономного инвертора напряжения (а). Графики ( б) напряжения Utb и тока 1н на выходе инвертора

 

Рис. 5. Схема автономного трехфазного мостового инвертора напряжения (а). Диаграмма интервалов времени открытого состояния ключей ( б). Графики фазных (в) и линейного (г) напряжений на выходе инвертора

 

Для устранения перенапряжений на элементах схемы  при коммутации ключей часть энергии, накопленной в индуктивной нагрузке, возвращают в цепь источника постоянного  напряжения. С этой целью ключевые элементы шунтируют диодами, включенными  «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды  называют «обратными» диодами. Последние  обеспечивают путь для протекания тока на интервалах времени, на которых знаки  тока и напряжения противоположны.

 В  АИН с трехфазным выходом минимальное  число управляемых ключей шесть (рис. 5, а). Номера ключей соответствуют очередности вступления их в работу, представленной на диаграмме (рис. 5, б). Логика работы ключей: в каждой фазе обязательно должен быть замкнут один и только один из ключей в каждой паре (S1 или S4; S3 или S6; S5 или S2). В том случае, когда длительность открытого состояния каждого ключа равна п (и, следовательно, в открытом состоянии всегда находятся три ключа), кривые фазных Ua0, Ub0, Uc0, и линейного напряжения Uab, имеют вид, показанный на рис. 3.

 В  выходном напряжении трехфазного  мостового инвертора отсутствуют  гармоники, кратные трем. Относительное  значение 5-й гармоники равно 20 % основной, 7-й — 14,3 %, 11-й — 9 %, 13-й — 7,7 % и т.д. 

 Достоинствами  АИН являются жесткая внешняя  характеристика, независимость формы  выходного напряжения от параметров  нагрузки, возможность работы при  переменной частоте и, в частности,  при низких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).

Рис. 6. Схема автономного инвертора тока (а). Графики (б) напряжения Utb и тока Iн на выходе инвертора

 

Внешне  АИТ похожи на АИН, имеют аналогичную структуру (рис. 6, а) однако процессы в них существенно различаются. Основное различие — в способе питания: на входе АИТ включен реактор Ld, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты АИТ. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока, он получает питание от источника тока. Напряжение — зависимая переменная ( рис. 6, б). Индуктивность сглаживающего реактора Ld оказывает существенное влияние на динамические характеристики АИТ. В частности, чем меньше Ld, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходе АИТ при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.

В АИТ  ключевые элементы изменяют направление  тока в нагрузке (но не мгновенное значение), так что нагрузка питается как  бы от источника тока, что и нашло  свое отражение в соответствующей  терминологии — инвертор тока Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (на рис. 6, а конденсатор Ск), так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу схемы.

 К  числу достоинств АИТ относится  сравнительно хорошая форма кривой  выходного напряжения при наличии  на выходе параллельного конденсатора. Основными недостатками АИТ являются  падающая внешняя характеристика  и зависимость величины и формы  кривой выходного напряжения  от частоты, в связи с чем  обычно АИТ используется в  диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Преобразователи частоты

 

 Преобразователем частоты называют полупроводниковый преобразователь, осуществляющий преобразование энергии переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой частоты.

 Существуют различные схемы  статических преобразователей частоты  (ПЧ), каждая из которых удовлетворяет  конкретным требованиям по мощности, диапазону регулирования частоты  вращения двигателя, КПД, простоте  осуществления регулирования и  др. Подавляющее большинство наиболее  распространенных схем можно  разделить на два класса: ПЧ  с непосредственной связью и  ПЧ с промежуточным звеном  постоянного тока. Принцип действия  ПЧ с непосредственной связью  с сетью заключается в том,  что напряжение питающей сети  непосредственно подается на  статорные обмотки двигателя  через вентили, когда они открыты.  Частота напряжения на фазах  двигателя регулируется последовательностью  включения вентилей, а амплитуда  — изменением угла их включения.