Материал: s_electro
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник является второй частью из трех запланированных по курсу «Основы силовой электроники» [1]. К первой части учебника примыкает методическое руководство к лабораторным работам [2], реализованным с помощью кафедрального пакета программ моделирования устройств силовой электроники PARUS-PARAGRAPH. Материал второй части учебника поддерживается компьютеризированными курсами лабораторных работ [3,4].
Во второй части учебника рассмотрены следующие базовые схемы устройств силовой электроники:
•преобразователи постоянного напряжения в постоянное;
•преобразователи постоянного напряжения в (независимое) переменное – автономные инверторы;
•регуляторы переменного напряжения (преобразователи с одинаковой частотой напряжения на входе и выходе);
•преобразователи переменного напряжения в переменное другой частоты – преобразователи частоты;
•вентильные компенсаторы неактивных составляющих полной мощ-
ности;
•системы управления вентильными преобразователями.
Принцип «четыре в одном» проводится и здесь путем структурирования материала по глубине изложения для предполагаемых четырех уровней: двух разных направлений подготовки («неспециалист» и «специалист» по силовой электронике) и двух различных видов их деятельности на каждом уровне [1].
На первом уровне подготовки «неспециалистов» необходимо знать типы вентильных преобразователей и их входные и выходные характеристики и свойства. На втором уровне подготовки «неспециалистов» требуется дополнительно иметь представление об электромагнитных процессах внутри вентильных преобразователей и знать основные формулы, номера которых выделены жирным шрифтом, кроме тех, которые находятся в разделах, выделенных по полям вертикальной полужирной чертой.
Третий уровень изложения материала рассчитан на первый уровень подготовки «специалистов» (инженерная подготовка) и включает в себя требование знать весь материал, кроме параграфов, отмеченных звездочками. Четвертый уровень изложения рассчитан на второй уровень подготовки «специали-
7
стов» (магистерская подготовка), здесь необходимо знать весь материал учебника, уметь его творчески использовать и помимо учебников по курсу ознакомиться еще и с монографиями из списка литературы по выбранной проблеме.
Во второй части учебника, как и в первой, по возможности выдержана единая концепция анализа базовых ячеек на основе прямых методов расчета их энергетических показателей. Только в случае нелинейных математических моделей преобразователей использовались и другие методы: метод припасовывания; линеаризации в малом; линеаризации в большом – спектры и гармоническая линеаризация.
Контрольные вопросы к главам структурированы для проверки знаний по двум уровням изложения (для «неспециалистов» и для «специалистов» силовой электроники).
За время написания второй части учебника была выпущена электронная версия первой его части, предназначенная для дистанционного образования, демо-версия которого размещена в сети Интернет на сайтах www.edu.nstu.ru. и www.ref.nstu.ru. Там же выставлен и электронный вариант нашего учебного пособия для магистрантов [5].
Обилие материала по пяти типам рассмотренных вентильных преобразователей привело к большому числу рисунков в тексте, и автор выражает благодарность аспирантам Е. Левину и А. Обухову, студенту И. Проскурину за помощь в их оформлении. По-прежнему отдельной благодарности заслуживает за компьютерный набор рукописи старший лаборант Л.А. Ларичева. Остается в силе, как и в первой части, наша готовность творчески откликнуться на все конструктивные замечания и предложения читателей.
8
1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ВПОСТОЯННОЕ
Рассмотренные в первой части учебника [1] вентильные преобразователи с выходом на постоянном токе получали на входе электроэнергию от источника переменного напряжения, в качестве которого обычно используются синхронные генераторы. В то же время имеется множество первичных источников электроэнергии, которые вырабатывают ее в виде постоянного напряжения. Это и солнечные батареи, работающие на основе фотоэффекта, и термоэлектрогенераторы, и магнитогидродинамические (МГД) генераторы, и топливные элементы, использующие энергию химических реакций, и аккумуляторы как источники запасенной электроэнергии и, наконец, электромашинные генераторы постоянного напряжения. Для приведения постоянных напряжений этих источников к требуемому уровню, его стабилизации или (и) регулирования и требуются преобразователи постоянного напряжения в постоянное.
Ниже рассмотрены базовые схемы таких преобразователей, осуществляющие прямое (однокаскадное) преобразование постоянного напряжения в постоянное без использования какого-либо промежуточного (многокаскадного) преобразования, например, постоянного напряжения в переменное (первый каскад) с последующим преобразованием переменного напряжения в постоянное (второй каскад). Такие составные преобразователи будут проанализированы в части 3 нашего учебника.
Можно выделить четыре типа базовых схем преобразователей постоянного напряжения в постоянное:
•с широтно-импульсным (времяимпульсным) регулированием;
•с управляемым обменом энергии реактивных элементов;
•с использованием резонансных явлений LC-контуров;
•с дозированной передачей энергии в нагрузку.
1.1. ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
1.1.1. СХЕМЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Строго говоря, широтно-импульсные преобразователи постоянного на-
пряжения преобразовывают постоянное напряжение в импульсное, среднее значение которого (т.е. его постоянную составляющую, выделяемую в нагрузке фильтрами) можно регулировать. Выходное напряжение таких преобразователей (до выходного фильтра) может иметь вид однополярных или двухполярных импульсов, как показано на рис. 1.1.1,а,б соответственно.
9
|
|
|
|
|
|
а |
Рис. 1.1.1 |
б |
|
Частота дискретизации зависит от динамических свойств вентилей, на которых выполнен преобразователь. В связи с постоянным напряжением на входе преобразователя естественная коммутация вентилей невозможна, что требует выполнения его на вентилях с полным управлением (запираемые тиристоры, транзисторы). GTO-тиристоры допускают частоту переключений до 1 кГц, IGBT-транзисторы – примерно до 10 кГц, полевые транзисторы – примерно до 1000 кГц и выше. Очевидно, что частота коммутации определяет возможную скорость регулирования параметров преобразованной энергии.
Регулировочная характеристика широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения показывает зависимость относительного среднего значения выходного напряжения (в долях среднего значения входного) преобразователя от относительной длительности импульса напряжения на выходе преобразователя. Эта длительность положительного (отрицательного) импульса напряжения определяется по отношению к периоду следования импульсов, называемому длительностью такта Тт. С учетом рис. 1.1.1,а, уравнение регулировочной характеристики широтно-импульсного преобразователя (ШИП) с однополярными импульсами (однополярная модуляция), определяющее степень регулирования среднего значения выходного напряжения, имеет вид
|
Uвых |
1 |
T |
1 |
|
tи |
tи |
* |
|
|||
Cш.о = |
|
|
= |
|
∫Uшип.д dt = |
|
|
|
∫Uвхdt = |
|
= tи. |
(1.1.1) |
U |
вх |
T |
U |
вх |
T |
T |
||||||
|
|
|
т 0 |
|
0 |
т |
|
|
||||
Уравнение регулировочной характеристики ШИП с двухполярной модуляцией (рис. 1.1.1,б ) получаем аналогично
|
1 |
|
1 T |
||
Cш.д = |
|
|
|
∫U |
|
Uвх T |
|||||
|
0 |
||||
|
1 |
|
1 |
tи |
Tт |
|
|
||
шип.дdt = |
∫Uвхdt + |
∫ |
(−Uвх )dt |
= |
|||||
U |
|
T |
|||||||
|
вх |
|
tи |
|
|
||||
|
|
|
|
0 |
|
(1.1.2) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
= |
2tи −Tт |
= 2tи* −1 . |
|
||
|
Tт |
|
При однополярной модуляции 0 ≤ Ср < 1, при двухполярной -1 ≤ Ср ≤ 1, т.е. имеется возможность изменения знака (реверса) напряжения на выходе преобразователя.
Простейшая базовая схема ШИП показана на рис. 1.1.2,а.
10
В схеме возможна только однополярная модуляция. При включении транзистора Т1 (в режиме ключа, см. 1.3.1.2.2 части 1) на выходе формируется положительный импульс напряжения. При выключении транзистора Т1 включается в режиме нулевого вентиля (см. раздел 2.2 части 1) диод D1, замыкая через себя ток нагрузки в случае наличия в цепи нагрузки индуктивности (собственной или фильтра). На этом интервале формируется нулевая пауза напряжения на нагрузке.
|
|
а |
б |
Рис. 1.1.2
Так как в этой схеме напряжение и ток на выходе могут иметь только одну полярность, то внешние характеристики ШИП, показывающие зависимость среднего значения выходного напряжения от среднего значения выходного
тока при постоянной относительной длительности импульса tи* , будут одно-
квадрантными. При допущении идеальности элементов ШИП внешние характеристики будут параллельными горизонтальными прямыми, как показано на рис. 1.1.2,б.
Формы напряжений и токов всех элементов схемы приведены на рис. 1.1.3.
Рис. 1.1.3
11