Материал: s_electro

высокими частотами процессов преобразования электрической энергии.

Комбинированные транзисторы. В последние годы появился ком-

бинированный прибор, объединяющий конструктивно полевой транзистор с изолированным затвором (на входе) и биполярный транзистор

(на выходе) и названный биполярным транзистором с изолированным затвором (БТИЗ) или транзистором IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). Он имеет высокое входное сопротивление и не требует мощности на управление, как полевой транзистор. Параметры выходного напряжения и тока у него такие же, как у биполярного транзистора, т. е. значительно выше, чем у полевого. В соответствии с четырьмя типами полевых транзисторов с изолированным затвором возможны четыре типа IGBT транзисторов, условные обозначения которых и выходные вольт-амперные характеристики для транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены в строке 4 табл. 1.3.1.

В настоящее время за рубежом выпускаются IGBT-транзисторы четвертого поколения с выходными токами до 1200 А и напряжением до 3500 В.

Особенностью всех типов транзисторов по сравнению с другим их «конкурентом» среди вентилей с полным управлением – GTO тиристором является то, что транзисторам необходим на входе сигнал управления на все время протекания тока в выходной цепи прибора. Причем некоторые типы транзисторов, как это видно из выходных вольт-амперных характеристик в табл. 1.3.1, требуют наличия в цепи управления еще и источника постоянного напряжения для обеспечения запирания транзистора в точках А соответствующей (нижней) вольт-амперной характеристики.

Для GTO-тиристоров необходимы импульсы управления противоположной полярности в моменты отпирания и запирания прибора.

Области предпочтительного использования различных типов полупроводниковых вентилей в 1980–1990 гг и в 2000 г. представлены на диаграммах рис. 1.3.5 (по данным Chip News 1999, N1).

31

Рис. 1.3.5

Дальнейшим развитием полупроводниковой элементной базы устройств силовой электроники явилось создание в одном полупроводниковом кристалле или в одной гибридной конструкции, т. е. модуле, целых фрагментов устройств силовой электроники. Это или совокупность нескольких силовых полупроводниковых приборов, объединенных в схему типового устройства (силовая интегральная схема - СИС), или силовой элемент с устройством управления и защиты (Smart, Intelligent – интеллектуальная схема). Примеры таких модулей будут рассмотрены в соответствующих разделах.

Силовые полупроводниковые приборы, давшие жизнь новой электротехнической отрасли – полупроводниковой силовой электронике, являются главным элементом в базовых ячейках преобразователей электрической энергии. Для расширения возможностей ячеек преобразования, улучшения качества преобразования электрической энергии и обеспечения электромагнитной совместимости преобразователей с питающей сетью базовые ячейки по необходимости снабжаются дополнительными элементами – трансформаторами, реакторами, конденсаторами.

1.3.2.ТРАНСФОРМАТОРЫ И РЕАКТОРЫ

Вотличие от широкой номенклатуры силовых полупроводниковых приборов, насчитывающей многие тысячи разновидностей, отличающихся типом и параметрами, номенклатура трансформаторов промышленного изготовления для полупроводниковых преобразователей значительно скромнее. Это связано с ограниченным рядом значений промышленных напряжений как для сетей электроснабжения, так и для типовых потребителей

32

электрической энергии. В свою очередь, это определяет необходимость выпуска силовых трансформаторов с фиксированными коэффициентами трансформации, которые в составе преобразователя определенного типа со своим коэффициентом преобразования по напряжению обеспечивают передачу преобразованной энергии с уровня напряжения питающей сети на уровень напряжения потребителя. В бывшем СССР это привело к тому, что фактически были унифицированы преобразовательные трансформаторы только для одного класса преобразователей − выпрямителей (и зависимых инверторов). Трансформаторы для других типов преобразователей, работающие при нестандартной частоте 50 Гц, нестандартной форме напряжения (несинусоидальной), с нестандартным коэффициентом трансформации, проектировались и выпускались обычно там же, где и преобразователь в целом. Поэтому они унифицировались на уровне предприятия, а не отрасли.

Справочные данные по унифицированным преобразовательным трансформаторам (для выпрямителей напряжения с частотой 50 Гц) приведены в работах [25,27,36,37]. Эти показатели меняются в зависимости от мощности трансформатора, уменьшаясь с ростом мощности, и для трансформаторов типа ТСП мощностью 10…200 кВА чаще всего будут

MS = 10÷5 кГ/кВА, MV = 4÷2 дм3/кВА.

КПД преобразовательных трансформаторов этого диапазона мощности равен 0,96…0,98.

Реакторы в вентильных преобразователях используют для токоограничения, фильтрации в цепях переменного тока и сглаживания тока в цепях постоянного тока. В случае выполнения вентильного преобразователя без входного трансформатора на входе преобразователя устанавливаются токоограничительные реакторы, призванные ограничить токи при замыкании в нагрузке преобразователя или внутри него. Полная мощность этого реактора Sop определяет как бы эквивалентное напряжение короткого замыкания гипотетического входного трансформатора с типовой мощностью Sт:

Здесь удельные показатели в связи с малой мощностью токоограничительных реакторов типа РТСТ (1…7 кВА) значительно хуже, чем у трансформаторов:

MS = 25÷20 кГ/кВА, MV = 50÷35 дм3/кВА.

Для сглаживающих реакторов типа СРОС, работающих в цепях постоянного тока с малой относительной величиной пульсаций тока (магнитного потока в магнитопроводе), удельные показатели значительно лучше и равны для мощностей реакторов

10…200 кВА

MS = 3,5÷1,5 кГ/кВА, MV = 1,7÷0,7 дм3/кВА.

1.3.3.КОНДЕНСАТОРЫ

Всоответствии с двумя видами электрической энергии (переменный ток и постоянный ток) конденсаторы также различаются по назначению. Для цепей переменного тока предназначаются «косинусные» (компенсирующие) конденсаторы, вырабатывающие в источнике реактивной мощности (ИРМ) реактивный ток, опережающий синусоидальное напряжение на четверть периода, и фильтровые конденсаторы, предназначенные для фильтрации (ослабления) высших гармоник, присутствующих в цепях с преобразователями. Для цепей постоянного тока предназначаются полярные конденсаторы (обычно электролитические), призванные сглаживать пульсации постоянного напряжения.

Реальные массогабаритные показатели конденсаторов существенно зависят, помимо конструктивно-технологических особенностей, еще и от параметров режима электрической цепи, в которой они будут использованы. Режим определяет уровень потерь активной мощности в них, а значит, и степень допустимой электрической загрузки их в зависимости от частоты и формы напряжения (тока) цепи.

Как известно, потери мощности в конденсаторе пропорцио-

нальны тангенсу угла диэлектрических потерь tg δ. Тогда в случае несинусоидального напряжения на конденсаторе результирующие потери на основании метода наложения режимов по отдельным гармоникам будут

34

Обычно в справочниках по конденсаторам приводится зависимость tg δ(n) от частоты, что позволяет рассчитать потери при работе конденсатора в цепи синусоидального тока известной частоты и в цепи несинусоидального тока. С ростом частоты расчетные потери в обоих случаях нарастают, что потребует снижения напряжения на конденсаторе для ограничения роста потерь. Это, в свою очередь, приведет к снижению реальных значений удельных массогабаритных показателей конденсатора. Здесь приведены для примера значения показателей для ряда видов неполярных и полярных конденсаторов. Для отечественных конденсаторов типа МБГТ на f = 50 Гц показатель удельной массы 0,15 дм3/Дж, для конденсаторов типа К72-11 на 500 Гц – 0,6 дм3/кВАР, для электролитических конденсаторов типа К50-27 этот показатель уже 0,002…0,005 дм3/Дж. Через показатель удельного веса конденсаторов, типично равного около 2 кГ/дм3, можно определить показатели удельной массы конденсаторов. Зарубежные конденсаторы имеют на 1–2 порядка лучшие показатели.

1.4. ВИДЫ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Целью данного раздела является знакомство с существующим набором базовых преобразовательных ячеек и силовых интерфейсных ячеек, обеспечивающих электромагнитное совмещение базовых преобразовательных ячеек с питающей сетью и нагрузкой.

Все возможные виды преобразователей электрической энергии из одного вида (определяемого генерирующей стороной) в другой (определяемый потребляемой стороной)

схематически показаны на рис. 1.4.1. Это конечное множество видов преобразователей состоит из сле-

дующих базовых ячеек.

• Преобразователи переменного (двунаправленного) тока в постоянный (однонаправленный) ток, называемые выпрямителями, которые

35