|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы силовая электрика 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 ее преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности и др. Эти функции, тесно связанные с традиционными задачами электроэнергетики, определили и другое название силовой электроники - энергетическая электроника. Информационная электроника преимущественно Hcnojib3y-ется для управления информационны1и процессами. В частности, устройства информационной электроники являются основой систем управления и регулирования различными объектами, в том числе и аппаратами силовой электроники. Однако несмотря на интенсивное расширение функций аппаратов силовой электроники и областей их применения основные научно-технические проблемы и задачи, решаемые в области силовой электроники, связаны с. преобразованием электрической энергии. Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц*, в виде постоянного тока (свыше 20% всей вырабатываемрй электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основном * За исключением США и некоторых других стран, где за основную принята частота 60 Гц. 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 ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются: 1) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный); 2) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный); 3) преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты). Существует - также ряд других, менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаях используется комбинация нескольких видов преобразования. «Кроме того, электроэнергия может преобразовываться с целью улучшения качества ее параметре)], например для Стабилизации напряжения или частоты переменного тока. I Преобразование электроэнергии может производиться различными способами. В частности, традиционным для электротехники является преобразование посредством электромашинных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей, инерционность и др. Поэтому параллельно с развитием электромашинного преобразования в электротехнике большое внимание уделялось разработке способов статического преобразование электроэнергии. Большинствр таких разработок основывалось на использовании нелинейных элементов электронной техники. Основными элементами силовой электроники, ставшими базой для создания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы. Проводимость большинства полупроводниковых приборов в существенной мере зависит от направления электрического тока: в прямом направлении их проводимость велика, в" обратном - мала (т. е. 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. Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их использованию для преобразования электроэнергии быйи работы академиков В. Ф. Миткевича, Н. Д. Папелекси и др. в 30-х годах в СССР и за рубежом были распространены газоразрядные приборы* (ртутные вентрли, тиратроны, газотроны и др.). Одновременно с освоением газоразрядных приборов развивалась теория преобразования электроэнергии. Были разработаны основные типы схем и проведены обширные исследования электромагнитных процессов, протекающих при выпрямлении и инвертировании переменного тока. В это же время появились первые работы по анализу схем автономных инверторов. В развитии теории ионных преобразователей большую роль сыграли работы советских ученых И. Л. Каганова, М. А. Чернышева, Д. А. Завалишина, а также и зарубежных: К. Мюллер-Любека, М. Демонтвинье, В. Шилинга и др. Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, когда появились мощные полупроводниковые приборы-диоды и тиристоры. Эти приборы, разработанные на основе кремния, по своим техническим характеристикам намного превосходят газоразрядные приборы. Они обладают малыми габаритами и массой, имеют высокое значение КПД, обладают быстродействием и повышенной надежностью при работе в широком температурном диапазоне. Использование силовых полупроводниковых приборов существенным образом повлияло на развитие силовой электроники. Они стали основой для разработки высокоэффективных преобразовательных устройств всех типов. В этих разработках были приняты многие принципиально новые схемотехнические и конструктивные решения. Освоение промышленностью силовых полупроводниковых устройств электроэнергии интенсифицировало проведение в этой области научно-исследовательских работ и создание новых технологий. С учетом специфики силовых полупроводниковых приборов были уточнены старые и разработаны новые методы анализа схем. Значительно расширились классы схем автономных инверторов, преобразователей частоты, регуляторов постоянного тока и многие другие, а также появились новые виды устройств силовой электроники-статические контакторы с естественной и искусственной коммутацией, тиристорные компенсаторы реактивной мощности, быстродействующие аппараты защиты с ограничителями напряжения и др. Одной из основных областей эффективного исцользования силовой электроники стал электропривод. Для электропривода постоянного тока разработаны тиристорные агрегаты и комплектные устройства, успешно используемые в металлургии, станкостроении, на транспорте и других отраслях промышленности. Освоение тиристоров обусловило значительный прогресс в области регулируемого электропривода переменного тока. Созданы высокоэффективные устройства, преобразующие ток промышленной частоты в переменный ток .регулируемой частоты для управления скоростью электродвигателей. Для различных областей техники разработано много типов преобразователей частоты со стабилизированными выходными параметрами. В частности, для индукционного нагрева металла созданы высокочастотные мощные тиристорные агрегаты, дающие большой технико-экономический эффект за счет увеличения ресурса их работы по сравнению с электромашинными агрегатами. На основе внедрения полупроводниковых преобразователей была проведена реконструкция электрических подстанций для подвижного электротранспорта. Значительно улучшено качество некоторых технологических процессов в электрометаллургической и химической отраслях промышленности за счет внедрения выпрямительных агрегатов с глубоким регулированием выходного напряжения и тока. Достоинства полупроводниковых преобразователей определили их широкое применение в системах бесперебойного электроснабжения. Расширилась область применения силовых электронных устройств в сфере бытовой электроники (регуляторы напряжения и др.). С начала 80-х годов, благодаря интенсивному развитию электроники, начинается создание нового поколения изделий силовой электроники. Базой для него явились разработка и освоение промышленностью новых типов силовых полу-проводн1овых приборов: запираемых тиристоров, биполярных транзистйров, МОП-транзисторов и др. Одновременно существенно повысились быстродействие полупроводниковых приборов, значения предельных параметров диодов и тиристоров, развились интегральные и гибридные технологии изготовления полупроводниковых приборов различных типов, начала широко внедряться микропроцессорная техника для управления и контроля преобразовательными устройствами. Использование новой элементной базы позволило принципиально улучшить такие важнейшие технико-экономические показатели, как КПД, удельные значения массы и объема, надежность, качество выходных параметров и др. Определилась тенденция повышения частоты преобразования электроэнергии. В настоящее время разработаны миниатюрные вторичные источники питания малой и средней мощности с промежуточным преобразованием электроэнергии на частотах сверхзвукового диапазона. Освоение высокочастотного (свыше 1 мГц) диапазона привело к необходимости решения комплекса научно-технических проблем по конструированию преобразо- вательных устройств и обеспечению их электромагнитнбй совместимости в составе технических систем. Получаемый за счет перехода на повышенные частоты технико-экономический эффект полностью компенсировал затраты на решение этих задач. Поэтому в настоящее время тенденщ1я создания многих типов преобразовательных устройств с промежуточным вы-сокочас! отным звеном сохраняется. Следует отметить, что использование полностью управляемых быстродействующих полупроводниковых приборов в тра-дищюнных схемах существенно расширяет их возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новых функциональных свойств изделий силовой электронной техники. ГЛАВА ПЕРВАЯ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 1.1. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Основными элементами силовой электроники являются йелинейные элементы, вольт-амперные характеристики которых приближаются к идеализированной характеристике элемента ключевого или релейного типа, изображенной на рис. 1.1. Элементы с такими характеристиками имеют два явно выраженных состояния: включенное, соответствующее высокой проводимости, и выключенное, соответствующее низкой проводимости. В настоящее время функции ключевых элементов в силовой электронике выполняют полупроводниковые приборы различных типов. Эти приборы представляют собой сочетание полупроводящих слоев с различными типами электронной проводимости. Преимущественно для нужд силовой электроники разработаны силовые полупроводниковые приборы. К ним относятся приборы с максимально допустимым средним или действующим током свыше 10 А или максимально допустимым импульсным током свыше 100 А. Силовые полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, степени управляемости, назначению, применению и др. По принципу действия силовые полупроводниковые приборы разделяют на три основных вида: диоды, тиристоры, транзисторы. В свою очередь основные виды полупроводниковых приборов подразделяются на группы, определяемые особенностями конструктивного и технологического исполнения, характером физических процессов и др. Например, среди тиристоров можно выделить запираемые
Рис. I ! Вольт-амперная характеристика идеального ключевого элемента [ 0 ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 |