|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы A 21 li li B) -o Ж 4 1 21 li 2i 2v 2 ll 2i 2i Рис 1 13 Примеры типовых принципиальных схем диодных (а), тиристорных Кдаодно-?ири?горных (в) модулей и модулей на запираемых тиристорах (г)  Рис. 1.14. Транзисторный однока-скадный модуль по схеме Дарлингтона В области обеспечения идентичности . параметров, выравнивающие сопротивления часто исключаются. Корпуса силовых полупроводниковых модулей, как правило, представляют собой прямоугольную конструкцию из пластмассы с плоским металлическим основанием. В качестве изоляционного материала между полупроводниками и металлическим основанием используются различные керамические материалы с хорошей теплопроводимостью и высоким электрическим сопротивлением. «Разумные» мощные приборы - новый вид интегральных модулей, включающих в себя кроме силовых элементов схемы управления, защиты, контроля, диагностики и др. Их технология основывается на монолитной интеграции силовых и слаботочных структур. Наиболее характерна интеграция биполярных и полевых транзисторов с напряжением до 1000 В и токами до десятков ампер и управляющих низковольтных аналоговых и цифровых логических компонентов, изготовленных ЦО КМОП-технологии. Функционально «разумные» интегральные схемы являются связующим звеном между логической схемой внещнего управления и потребителем. «Разумные» мощные приборы являются идеальными с точки зрения удовлетворения требований по объединению функций управления и за1!иты в одном приборе [7]. В перспективе они могут получить самое широкое распространение в силовой электронике и заменить многие типы аппаратов: реле, выключатели, регуляторы и др. Следует также отметить большие возможности изменения функциональных свойств «разумных» приборов по желанию потребителей на основе единой технологии. 1.2. ТРАНСФОРМАТОРЫ И РЕАКТОРЫ Трансформаторы в силовой электронике широко используются для изменения уровней переменного напряжения, а также для Ьбеспечения гальванической развязки отдельных цепей. ОсновйЬй особенностью использования трансформаторов в силовой электронике является то, что во многих типах преобразователей напряжения и токи в обмотках трансформаторов имеют несинусоидальную форму. Не менее широко в силовой электронике используются различного рода реакторы (дроссели), которые представляют собой устройства различной  г--Hh-- I .ijf зг I X-rirw «-jvv-L 1" I I I -J-, Рис. 1.15. Магнитная система (a) и схема замещения (б) однофазного трансформатора - конструкции, выполнены в виде индуктивных катушек со сталью или без нее. Для переменного тока такие устройства обладают преимущественно индуктивным сопротивлением. Наиболее часто реакторы используются в качестве составных элементов фильтров постоянного и переменного тока. При этом на них выделяются отфильтрованные высокочастотные составляющие переменного напряжения несинусоидальной формы. Кроме того, они используются в цепях с импульсными напряжениями и токами в качестве составных элементов колебательных LC-контуров или элементов, ограничивающих скорость изменения импульсных токов в схеме. В зависимости от схемы, преобразователя, режима его работы и мощности различные параметры трансформаторов оказывают значительное влияние на электромагнитные процессы, протекаюище в отдельных цепях схемы. Поэтому рассмотрим несколько подробнее параметры, характеризующие работу трансформатора. На рис. 1.15, а изображена магнитная система однофазного двухобмоточного трансформатора, первичная Wi и вторичная иг обмотки сцеплены между собой общим магнитным потоком Фо, замыкающимся преимущественно по магнитопроводу. Так 30 как пространственное расположение первичной и вторичной обмоток обычно различно, а магнитная проводимость магнитопроводов реальных трансформаторов имеет ограниченное значение, помимо общего магнитного потока в каждой обмотке возникнет дополнительный поток, который будет сцеплен только со своей обмоткой. Такой поток называется потоком рассеяния Ф. Потоки рассеяния тем меньше, чем равномернее вдоль сердечника и ближе друг к другу расположены обмотки, а также чем выше магнитная проницаемость стали. По сравнению с общим потоком Фо потоки рассеяния Ф и Фг во много раз меньше. При составлении эквивалентной схемы трансформатора потоки рассеяния обмоток учитываются в виде индуктивностей рассеяния и Ь2 (рис. 1.15,6). Помимо индуктивностей рассеяния в эквивалентную схему входят активные сопротивления обмоток Гх и Г2, а индуктивность Lo учитывает ток намагничивания /о, необходимый для создания потока Фо. Сопротивление Го учитывает потери в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи. Параметры элементов эквивалентной схемы определяются обычно из опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Удельные энергетические показатели преобразователей в значительной мере определяются габаритными размерами и массой электромагнитных элементов, в частности трансформаторов. Поэтому при их проектировании важно точно сформулировать исходные данные: значения и формы токов и напряжений, частоты, превышение температуры относительно окружающей среды и др. Важнейшим фактором, определяющим массогабарит-ные показатели трансформатора, является его рабочая частота. Так, например, при синусоидальной форме напряжения на обмотках трансформатора (или реактора) потери в его магнитопроводе, изготовленном из стали или магнитных сплавов, согласно [8] определяются по формуле (1.1) где Рс - удельные потери, Вт/см; /- частота перемагничивания, Гц; В„ - амплитуда Магнитной индукции, Тл; А - эмпирический коэффициент, характеризующий уйелЬные потери для конкретного материала. Параметр А для наиболее распространенных материалов имеет следующие значения: 580 (электротехнические стали толщиной 0,05 мм), 360 (сплав 5 ОН толщиййй 0,05 мм), 90 (сплав 80НХС толщиной 0,05 м). Для ферритов удельные потери определяются значением тангенса угла потерь по формуле Pc = nBiigblMr, (1.2) 31 где Иг-относительная магнитная проницаемость. Формулы (1.1) и (1.2) справедливы для синусоидального напряжения. При несинусоидальном напряжении удельные потери возрастают, что можно учесть введением коэффициента у„: Pc = YhP;, (1.3) где Ун-коэффициент, определяемый при разложении периодической функции в ряд Фурье. Потери в меди обмоток при переменном токе любой формы определяются известным соотношением Рм/г., (1.4) где /-дейсгвующее значение тока обмотки; г~-эквивалентное сопротивление обмотки. Сопротивление г.. может быть выражено через омическое сопротивление /?„ и коэффициент kg, учитывающий увеличение сопротивления на персменнохМ токе: г~ = /гяЛ„. (1.5) С повышением частоты возрастает влияние индуктивностей рассеяния L,i и Е,2, а также «паразитных» емкостных связей Си Ci2 и Сг (см. рис. 1.15), Формулы (1.1) и (1.2) приближенно определяют соотношение между габаритными размерами и мощностью трансформатора. Более точные соотношения, учитывающие влияние частоты, основаны иа введении критериев подобия. В основе системы таких кри1ериев лежат условия подобия и процессов в каждом классе электромагнитных элементов, например трансформаторов юш реакторов. В частности, в [8] получена следующая зависимость объема магнитопровода трансформатора от его мощности и частоты /: где AT- прев>лшение температуры, ° С; к - коэффициент запо.1шения окна магииюпровода проводниковым материалом. Из (1.6) следует, чем выше частота, тем лучше удельные показатели объема и массы трансформатора. Однако возмож-йости повьш1ения частоты в том отношении не беспредельны. Всегда существует граничная (критическая) частота, превышение которой не ведет к дальнейшему уменьшению объема электромагнитного трансформатора. Кроме потерь энергии в магнитопроводе необходимо учитывать также влияние индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, существенно вяи-яюохих на коэффициент "передачи напряжения при повышенной частоте. Так, например, в [8] показано, что для определенного Khacca однофазных трансформаторов средней мощности, с уче- ТОМ взаимосвязи их параметров, включающих и1/дуктивност1, рассеяния, значею,е граничной частоты можеТбытьдо из следующего соотношения: ""ределено f 1,75 10\/дг (1.7) -коэффищент, учитывающий способ резки магнитного где кр материала. Если принять объем трансформатора на частоте У» = 50 Гц и при перегреве на 50° С за базовое значение, то с учетом соотношения (1.7) можно определить, во сколько раз уменьшится объем трансформатора при увеличении рабочей частоты: =2з(Ак, "\ (1.8) К„ и V. -объемы магнитопроводов при fo а f соот- где Го « ггр-ветственно. Из (1.8) следует, что предельное уменьшение объема трансформатора при увеличении рабочей частоты обусловлено потерями в магнитопроводе, мощностью и допустимым перегревом. В качестве примера в табл. 1.1 приведены значения граничных частот для стержневых (ПЛ) магнитопроводов различных марок. Таблица 1 1 Частотна» характерктнка магвитопровода
Влияние часпоты на объем магнитопроводов стержневого типа для трансформаторов мощностью 2 кВт, вьшолненных из различных материалов, показано на рис. 1.16. Согласно приведенным зависимостям степень предельного уменьшения объема магнитопровода незначительно изменяется в зависимости от марки применяемого материала. Существенно изменяется лишь абсолютное значение самого объема. Следует еще раз отметить, что значение fp в значительной мере определяется сопротивлением индуктивностей рассеяния. Поэтому для 3 № 3658 33 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 |