Силовая электроника, как основа энергосберегающих технологий.

Силовая (энергетическая) электроника является одной из основ создания современной техники и технологии, обеспечивая увеличение производи-тельности и качества труда при минимальном расходовании различных ресурсов.. Широкомасштабное использование силовой электроники в различных сферах человеческой деятельности позволяет экономить значительную часть энергетических ресурсов.

По мнению учёных, дальнейшее развитие техники будет связано с успехами интеллектуальной энергетической электроники, с которой связаны решения проблем энерго- и ресурсосбережения. В подтверждение этого тезиса приведем некоторые факты.

1. Объем годового потребления энергии в мире по оценкам "Международного энергетического агентства" составляет кВт/часов. Ежегодные затраты на производство электроэнергии составляют (400-500) млрд. долларов, причем из них (~73) млрд. приходятся на прямые потери генерирующих, передающих и потребляющих объектов.

2. Основными потребителями электроэнергии являются:

–электропривода различного назначения - 51%;

– освещение - 19%;

– нагрев/охлаждение - 16%;

– телекоммуникации - 14%.

3. В настоящее время в мире менее 25% энергии используется оптимально путем применением высокоэффективных методов управляемого преобразования электроэнергии. Для России это около 50 ГВт установленной мощности.

Рассмотрим для примера проблемы в области электропривода:

· практически все механизмы требуют регулирование скорости вращение. В обычной схеме питания это не возможно;

· электродвигатель рассчитывается на максимальное напряжение сети, из-за соответствующей изоляции никакого ресурсосбережения нет;

· пусковые токи двигателей от 5÷11 раз больше номинальных, пусковые токи создают огромные динамические нагрузки, начинает быстро разрушаться двигатель.

С учетом устройств силовой электроники электропривод будет выглядеть следующим образом:

Здесь КА – коммутационная аппаратура.

Рис.1

Структурная схема регулирования электродвигателя

Достоинства применения регулируемого электропривода:

· возможность регулировать скорость;

· возможность ограничивать напряжение;

· Большой срок службы 100 - 150 тыс. часов нормальной работы;

· плавный запуск электропривода, исчезают динамические удары;

· за счет регулирования частоты и напряжения минимизируется уровень потребления электрической энергии из сети;

· Система управления обеспечивает минимум реактивной мощности вплоть до нуля, разница между активными мощностями сети и нагрузки стремится к минимуму, что сокращает расход энергоресурсов.

При наличии корректора коэффициента мощности преобразователя частоты удается достигнуть входного коэффициента мощности χ ≈ 0,99.

Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor).Его входные характеристики подобны входным характеристикам полевого транзистора, а выходные – выходным характеристикам биполярного. IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора. По быстродействию они значительно превосходят обычные биполярные транзисторы. Чаще всего IGBT-транзисторы используют в качестве мощных ключей, у которых время включения составляет 0,2 - 0,4 мкс, а время выключения 0,2 - 1,5 мкс, коммутируемые напряжения достигают 3,5 кВ, а токи до 1200 А. IGBT-транзисторы вытесняют тиристоры из высоковольтных схем преобразователей частоты и позволяют создать импульсные источники электропитания с качественно лучшими характеристиками. IGBT-транзисторы используются достаточно широко в инверторах для управления электродвигателями, в мощных системах бесперебойного питания с напряжениями свыше 1 кВ и токами в сотни ампер. В какой-то степени это является следствием того, что во включенном состоянии при токах в сотни ампер падение напряжения на транзисторе находится в пределах 1,5 - 3,5В.         Рис. 2. Эквивалентная схема IGBT-транзистора (а) и его условное обозначение в отечественной (б) и иностранной (в) литературе.   Коллектор IGBT-транзистора (рис.2) является эмиттером транзистора VT4. При подаче положительного напряжения на затвор у транзистора VT1 появляется электропроводный канал. Это приводит к тому, что падение напряжения между коллектором транзистора IGBT и его эмиттером становится равным падению напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT4, просуммированному с падением напряжения Uси на транзисторе VT1. В связи с тем, что падение напряжения на р–n-переходе уменьшается с увеличением температуры, падение напряжения на отпертом IGBT-транзисторе в определенном диапазоне токов имеет отрицательный температурный коэффициент, который становится положительным при большом токе. Поэтому падение напряжения на IGBT-транзисторе не опускается ниже порогового напряжения эмиттерного перехода VТ4. При запирании транзистора VT1 ток транзистора VT4 становится малым, что позволяет считать его запертым. Дополнительные слои введены для исключения режимов работы, характерных для тиристоров, когда происходит лавинный пробой. Буферный слой n+ и широкая базовая область n– обеспечивают уменьшение коэффициента усиления по току p–n–p-транзистора. Общая картина включения и выключения транзистора достаточно сложная, так как наблюдаются изменения подвижности носителей заряда, коэффициентов передачи тока у имеющихся в структуре p–n–p- и n–p–n-транзисторов, изменения сопротивлений областей и пр. Хотя в принципе IGBT–транзисторы могут быть использованы для работы в линейном режиме, пока в основном их применяют в ключевом режиме. При этом изменения напряжений у коммутируемого ключа характеризуются кривыми, показанными на рис.3.         Рис. 3. Изменение падения напряжения Uкэ и тока Ic IGBT-транзистора     Исследования показали, что для большинства транзисторов типа IGBT времена включения и выключения с учётом времени запаздывания подачи управляющего импульса тока не превышают 0,5 - 1,0 мкс. Для уменьшения количества дополнительных внешних компонентов в состав IGBT-транзисторов вводят диоды или выпускают модули, состоящие из нескольких компонентов (рис. 4, а – г).     Рис. 4. Условные обозначения модулей на IGBT-транзисторах: а – МТКИД; б – МТКИ; в – М2ТКИ; г - МДТКИ   Условные обозначения IGBT-транзисторов включают: букву М – модуль беспотенциальный (основание изолировано); 2 – количество ключей; буквы ТКИ – биполярный с изолированным затвором; ДТКИ – диод/биполярный транзистор с изолированным затвором; ТКИД – биполярный транзистор с изолированным затвором/диод; цифры: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 – максимальный ток; цифры: 1, 2, 5, 6, 10, 12 – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ (*100В). Например модуль МТКИД-75-17 имеет UКЭ =1700 В, I=2*75А, UКЭотк =3,5 В, PKmax =625 Вт.

Выводы.

Достоинство транзистора - Очень хорошие значения и :

; .

А у тиристоров они равны:

; .

· t_{вкл и} t_выкл = 10 и100нс.

· частота коммутации .

В последнее время разработанные приборы могут работать на частоте .

Недостаток - относительно высокое U_ост = 1,7÷3В .

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим. Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами. Рис. 5. Условно - графическое обозначение тиристоров Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается. Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод. Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер. Тиристор является наиболее распространенным элементом в силовой электронике. Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности. Симисторы (симметричные тиристоры)- проводят ток в обоих направлениях. Технические параметры 1) Время включения тиристора tgl. Это время от подачи импульса до момента снижения анодного напряжения до 10% начального значения при активной нагрузке. 2) Время выключения tg. Это время восстановления запирающей способности тиристора. 3) Критическая скорость нарастания прямого напряжения (duD/dt)crit при разомкнутой цепи управляющего электрода. При превышении du/dt происходит самопроизвольное включение тиристора. 4) Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (diT/dt)crit, которую тиристор выдержит без повреждения. 5) Ток в закрытом состоянии IН (анодный ток). 6) Ток в открытом состоянии IН (наименьший ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии). Для мощных тиристоров IH равен сотням миллиампер. Обозначение тиристоров:   1)Т - тиристор и буква (Б - быстродейственный, С - симметричный, Ч - быстровключаюшийся); 2) Три цифры -типоразмер и другие конструктивные данные; 3) Средний ток в амперах; 4) Класс по напряжению и номеру группы по критической скорости нарастания напряжения, времени включения и выключения.   Пример: ТБ-133-250-8-52. Тиристор быстро-действующий, на ток 250 А; 8 - класс; скорость нарастания напряжения - группа 5 и tвыкл по группе 2. Современные тиристоры: Iпред = 3000 - 4000 A, U =6000 В. Скорость нарастания напряжения - 1000 В/мкс, а тока 1000 - 1500 А/мкс, tвкл - единицы мкс. Имеются также асимметричные тиристоры (AT) и тиристоры с обратной проводимостью (ТОП) (отечественное обозначение ТП), для обеспечения работы в обратном направлении, в качестве диода, введено обозначение ТД (тиристор-диод). Асимметричные тиристоры получаются введением дополнительного слоя с проводимостью n-типа. Быстродействие AT и ТОП тиристоров позволяет использовать их в схемах с повышенными частотами. Рациональная область использования - преобразователи средней мощности. Запираемые тиристоры   Тиристор имеет принципиальный недостаток - неполную управляемость. Его выключение обеспечивается спадом прямого тока до нуля, что достигается введением дополнительных узлов принудительной коммутации. Последнее выполняется на основе энерго-накопительных элементов (конденсаторов), подключение которых с соответствующей полярностью к тиристору создает условия спада прямого тока до нуля. Это усложняет и утяжеляет устройство, поэтому разработаны тиристоры с возможностью отпирания и запирания его по управляющему электроду. Такие тиристоры получили название «запираемые тиристоры». На рис.6 показана схема подключения запираемого тиристора.   Рис.6. Для выключения и включения запираемого тиристора обычно используют два отдельных источника. Коэффициент запирания меньше или равен 5 (отношение выключенного анодного тока к запирающему току управления): IАвыкл/Iупр ≤ 5 Запираемые тиристоры критичнее к скорости нарастания UПРЯМ, поэтому их шунтируют цепью С, R, VD, а для ограничения скорости изме­нения анодного тока включают индуктивность L. Параметры ЗТ. Напряжение до 4500 В и ток до 2500 А. Энергетические области различных полупроводниковых приборов На рис. 7 приведены энергетические характеристики:   I, А 3 2   U, В 0 500 5000   Рис.7 1- тиристора, 2- запираемого тиристора, 3- IGBT транзистора . Как видно из рис. 7, тиристоры обладают наилучшими энергетическими характеристиками. Однако, в последнее время IGBT –транзисторы всё чаще вытесняют тиристоры из их традиционных областей применения. Разработанные преобразователи на таких транзисторах имеют выходные мощности десятки и сотни киловатт при напряжениях несколько киловольт.     Лекция 2. Преобразователи электрической энергии В настоящее время широко применяются различные преобразователи, которые осуществляют преобразование, регулирование и стабилизацию напряжения, тока, частоты. Это регуляторы переменного напряжения, импульсные преобразователи постоянного напряжения, выпрямители, ведомые сетью и автономные инверторы, непосредственные преобразователи частоты. Регуляторы переменного напряжения Тиристорные регуляторы переменного напряжения широко применяются в электроприводе, также для питания электротермических установок. Применение тиристоров для коммутации статорных цепей асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором позволяет решить задачу создания простого и надежного бесконтактного асинхронного электропривода. Можно эффективно воздействовать на процессы разгона, замедления, осуществлять интенсивное торможение и точную остановку. Безыскровая коммутация, отсутствие подвижных частей, высокая степень надежности позволяют применять тиристорные регуляторы во взрывоопасных и агрессивных средах. Регуляторы переменного напряжения по числу фаз подразделяются на однофазные и трехфазные. По способу регулирования подразделяются на фазовое, ступенчатое, фазо-ступенчатое, широтно-импульсное регулирование. Однофазный регулятор переменного напряжения с фазовым способом регулирования Основным элементом однофазного регулятора является тиристорный симистор, он представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора, при помощи, которых нагрузка подсоединяется к цепи переменного тока (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема однофазного регулятора переменного напряжения

Фазовые методы регулирования базируются на управлении действующим значением переменного напряжения на нагрузке путем изменения длительности открытого состояния одного из включенных встречно-параллельно тиристоров в течение полупериода частоты сети. При фазовом методе частота выходного напряжения соответствует частоте питающей сети, а регулирование производится путем изменения формы кривой выходного напряжения и тока. Форма тока зависит от характера нагрузки. Рассмотрим простой случай, когда . Нагрузка чисто активная характерная для электротермических установок и ламп накаливания.

Фазовое регулирование возможно с отстающим углом управления ; с опережающим углом управления; либо с тем и другим (двустороннее фазовое управление).