Силовая электроника

1. СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Часть 1

Центр инженерной подготовки
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Часть 1
Юдинцев Антон Геннадьевич, к.т.н.
https://
vk.com/id436438364
[email protected]

2. Список рекомендуемой литературы

1) Розанов Ю.К. Силовая электроника: учебник/ Ю. К. Розанов, М. В.
Рябчицкий, А. А. Кваснюк: учебник / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А.
А. Кваснюк. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 632 с.: ил.
2) Петрович В.П., Воронина Н.А., Глазачев А.В. Силовые
преобразователи электрической энергии. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. –
240
с.
3) Попков
О.З. Основы преобразовательной техники : учеб. пособие
для вузов / О.З. Попков. 3-е изд., стереот. – М. : Издательский дом
МЭИ,
2010. –В.И.
200 Транзисторная
с.: ил.
4) Мелешин
преобразовательная техника / В.И.
Мелешин. – Москва: «Техносфера», 2006. – 632 с.: ил.
5) Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными
преобразователями электроэнергии / В.И. Мелешин, Д.А. Овчинников
–6)москва:
«Техносфера»,
Семёнов
Б. Ю. Силовая2011.
электроника для любителей и
профессионалов. Изд. Солон-р. М.: 2001.
7) Семёнов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения.
– М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. – 416 с.: ил.
8) Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства,
характеристики, применение. Изд-во ДОДЕКА, 2005. – 384 с.

3.

Роль и место силовых преобразователей
электрической энергии в современном мире
Ветроэнерге
тика
Ветроэнергетика является бурно
развивающейся отраслью. К началу 2015 года
общая установленная мощность всех
ветрогенераторов составила 369 гигаВатт, к
началу
2016 количество
- 432 гигаВатт.
В 2014 году
электрической
энергии, произведённой всеми
ветрогенераторами мира, составило 706
тераВатт-часов (3 % всей произведённой
человечеством электрической энергии).
Некоторые страны особенно интенсивно
развивают ветроэнергетику, в частности, на
2014 год
в Дании с помощью ветрогенераторов
производится 39 % всего электричества;
в Португалии — 27 %;
в Никарагуа — 21 %;
в Испании — 20 %;
в Ирландии — 19 %;
в Германии — 8 %;
в ЕС — 7,5 %.
В 2014 году 85 стран мира использовали

4.

! Без применения силовой преобразовательной техники
невозможны создание и эксплуатация ветроустановок.
Ветроэнергетика не может существовать без силовых
преобразователей электрической энергии.
Современное сварочное
оборудование
Сварочный
инвертор
Современный сварочный аппарат – это силовой преобразователь
электроэнергии, работающий на высокой частоте, с применением
современных полупроводниковых приборов.

5.

Источники
питания
Блоки питания
компьютеров
Промышленные источники
питания
Лабораторные источники
питания

6.

электропривод (регулирование скорости и момента
вращения
и др.);
ергетика
– Smart
Grid (интеллектуальные энергетические сети);
установки для электролиза (цветная металлургия, химическая
промышленность);
электрооборудование
для передачи электроэнергии на большие
расстояния на постоянном токе;
электрометаллургическое оборудование (электромагнитное
перемешивание металла и др.);
электротермические установки (индукционный нагрев и др.);
электрооборудование для обслуживания аккумуляторов; 
электрооборудование автономных объектов (автомобилей,
самолетов и космических аппаратов);
электрооборудование радиосвязи и телевещания;
устройства для электроосвещения (питание люминесцентных и
светодиодных светильников);
медицинское электрооборудование (ультразвуковая терапия и
и др.);
хирургия
электроинструмент
и устройства бытовой электроники.

7.

Силовая электроника – научно-техническая область изучающая управление
потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов.
Последние, как правило, работают в ключевых режимах, пропуская или
блокируя поток электроэнергии, что позволяет, изменением алгоритмов их
переключения, управлять усредненными значениями мгновенной мощности по
требуемым законам.

8.

Пример внешнего вида силовых
преобразователей
3-х фазный инвертор,
10 кВт
СЭП подводного аппарата,
30 кВт
Устройство
питания

9.

Основной целью разработки преобразователей энергии
является создание силового преобразователя с малыми
размерами и весом, преобразующего существенные объёмы
энергии при высоком КПД.
КПД
 
Мощность потерь
 
КПД является универсальной количественной оценкой
эффективности, позволяющей оценить мощность потерь,
габаритные размеры и надёжность преобразователя.

10.

Обобщённая Т-образная схема замещения
силового преобразователя

11.

Для контроля выходных (входных) токов и/или
напряжений необходимо наличие системы
управления (СУ)

12. Основные виды устройств преобразовательной техники

Выпрямите
ли
Преобразователи
числа фаз
Инверторы
Преобразователи
постоянного
напряжения
Преобразователи
частоты
Регуляторы
переменного
напряжения

13.

Электронным
ключом
называется
устройство
для
замыкания и размыкания силовой электрической цепи,
содержащее
по
крайней
мере
один
управляемый
вентильный
Вентильныйприбор.
прибор (вентиль) – электронный прибор,
проводящий ток в одном направлении.
Понятие
«силовой»
означает,
что
осуществляется
управление потоком электрической энергии, а не потоком
информации.

14.

! Принцип работы любого преобразователя основан на
периодическом включении и выключении силовых электронных
ключей (вентилей).
Тенденция развития элементной базы направлена на унификацию
электронных ключей, уменьшение их установленной мощности,
снижение потерь и уменьшение мощности управления.

15.

Классификация силовых
полупроводниковых ключей

16. Области применения силовых полупроводниковых ключей

17.

Диод, основные
Диод – полупроводниковый
прибор, обладающий односторонней
характеристики
проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности
приложенного напряжения.
Условно диоды делятся по мощности на:
Диоды малой мощности – допускаемый средний анодный
ток Iа ≤ 1 А;
Диоды средней мощности – Iа = 1-10 А;
Диоды
большой диоды
мощности
– Iа ≥на
10низкочастотные
А;
По назначению
делятся
(fдоп
< 500 Гц) и
высокочастотные (fдоп > 500 Гц)

18.

Диоды, внешний
вид
Корпуса для планарного
монтажа
Корпуса мощных
диодов
Корпус ТО247
Корпус ТО220
Диоды таблеточного
типа

19.

Силовые диоды характеризуются системой статических,
динамических и предельных параметров.
К статическим параметрам относятся:
Rст
статическое сопротивление диода
U
I
I пр.ном
номинальное значение прямого тока
I обр.ном
номинальное значение обратного тока
номинальное значение обратного
напряжения
U обр.ном
номинальное значение прямого падения
напряжения
U0
напряжение
отсечки
U пр.ном
В прямом направлении диод описывается
уравнением
U U 0 Rдин I

20.

К динамическим параметрам диода относятся:
Rдин
динамическое сопротивление диода
U
tg
I
di
скорость нарастания прямого тока
dt
dU
dt
скорость нарастания обратного напряжения
время восстановления обратного
напряжения
предельная частотаf max
t восст
! Для использования в устройствах диод
выбирается по среднему прямому току и
обратному напряжению с двойным запасом.

21.

Вольт-амперные характеристики диода CSD20060D
фирмы CREE

22.

Параллельное соединение силовых
диодов
! При параллельном соединении силовых диодов их количество n
определяется соотношением между током I, который будет
протекать в цепи и – допустимым значением тока для каждого
из параллельно соединенных диодов:
n=
I
I а доп

23.

Способы выравнивания токов при
параллельном соединении диодов
Выравнивание токов с помощью выравнивающих
сопротивлений
Выравнивание токов с помощью индуктивных
делителей

24.

Последовательное соединение
силовых диодов
В случае, если обратное напряжение, прикладываемое к диоду,
превышает максимально допустимое значение, то осуществляется
последовательное включение нескольких диодов. Количество их n
определяется
соотношением
величины
прикладываемого
обратного напряжения Uобр и максимально допустимой величины
обратного напряжения диодов Uобр.max :
U обр
n=
U обр. max

25.

Способы выравнивания напряжений при
последовательном соединении диодов
Выравнивание
обратных
напряжений с
помощью шунтовых
резисторов
Схема выравнивания обратных
напряжений в переходных
режимах
Сопротивление выравнивающих резисторов
определяется по формуле:
n U обр.max U обр
Rш
(n 1) I обр.max
где n – число последовательно включенных диодов;
Uобр.max – максимально допустимое обратное напряжение для данного
типа диодов;
Uобр – максимальное обратное суммарное напряжение, приложенное
к диодам;
Iобр.max – максимальное значение обратного тока диодов.

26.

Транзистор, основные
Транзистором
называют электронный прибор на основе
характеристики
полупроводникового кристалла, имеющий три (или более)
электрода и предназначенный для усиления, генерирования и
преобразования электрических колебаний.
Корпус ТО220
ТО247
ТО227

27.

Биполярный
транзистор
Биполярным транзистором
называют полупроводниковый
прибор, имеющий два взаимодействующих p-n перехода.
Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором
созданы три области с чередующимися типами
электропроводности.
• Средний слой структуры – база Б;
• Внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители –
эмиттер Э;
• Собирающий носители – коллектор К;
• Ток базы является током управления;
• ! Биполярный транзистор – электронный ключ управляемый
Основные
током;
недостатки:
Большие затраты
мощности на управление;
Относительно низкая
рабочая частота;
Биполярные транзисторы с
током 50 А и более обычно
рассчитаны на напряжение
менее 600 В и частоту
коммутации до 20 кГц.

28.

В зависимости от последовательности чередования областей с
различным типом проводимости различают p–n–p транзисторы и n–
p–n транзисторы.

29.

При работе транзистора возможны следующие три режима:
линейный (усилительный), насыщения и отсечки.
Работа транзистора основана на управлении токами электродов, в
зависимости от приложенных к его переходам напряжений.
Ток коллектора
транзистора:
Iк Iб
где – β
коэффициент
передачи
транзистора по
току

30.

Процесс коммутации биполярного
транзистора
В режиме отсечки через
транзистор
протекает очень маленький обратный
коллекторный
ток,
которым
в
силовых
транзисторах
часто
пренебрегают, а сам транзистор
представляют в виде разомкнутого
Наоборот, в режиме насыщения
ключа.
через
транзистор
протекает
максимальный коллекторный ток, а
напряжение
очень мало, что
позволяет представить насыщенный
транзистор
в
виде
замкнутого
ключа.
И в режиме насыщения, и в
режиме отсечки на транзисторе
выделяется не большая мощность,
значительно
меньшая,
чем
в
линейном режиме.
В настоящее время биполярные транзисторы почти полностью
вытеснены более эффективными силовыми ключами, кроме
устройств массового применения, где определяющим фактором
является низкая стоимость на единицу мощности.

31.

Полевые
действия полевого
транзистора основан
транзисторы
Принцип
на изменении
электрической проводимости на границе диэлектрика и
полупроводника под воздействием электрического поля.
Полевые транзисторы – полупроводниковые приборы управляемые
напряжением.
В зависимости от типа электрической проводимости канала
различают транзисторы с n- и p-типами каналов.
Транзистор nтипа
Транзистор pтипа

32.

Обозначение транзисторов в отечественной и
зарубежной литературах:
МОП-транзистор (Металл-Окисел-Полупроводник)
МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник)
MOSFET-транзистор (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor)
Наличие
антипараллель
ного диода

33.

Биполярные транзисторы с изолированным
затвором IGBT
Выполненный
в одном кристалле, он имеет низкие потери
мощности во включенном состоянии подобно биполярному
транзистору и высокое входное сопротивление цепи
управления, характерное для полевых транзисторов.
Внутренняя
структура
Графическое изображение, выходные
характеристики

34.

Процесс запирания IGBT
транзистора
Заряд,
накопленный
в
базе
биполярного транзистора, вызывает
характерный «хвост» тока при
IGBT.
выключении
Как только имеющийся в составе IGBT
полевой
транзистор
MOSFET
прекращает проводить ток, в силовой
цепи
начинается
рекомбинация
неосновных
носителей,
которая
является «хвост»
началомведет
«хвоста».
Токовый
к увеличению
тепловых потерь, а также его
необходимо учитывать в мостовых
схемах и вводить промежуток между
интервалами
проводимости
двух
ключей, установленных в одном
несмотря на отмеченные особенности
плече моста.
IGBT-транзисторы на сегодняшний день
представляются
самыми
перспективными
элементами
для
использования
в
качестве
силовых
управляемых
ключей
в
диапазоне
мощностей от единиц киловатт до

35.

Тиристо
• ры
Тиристоры
представляют
собой
четырехслойную
полупроводниковую
структуру p–n–p–n типов проводимости.
• Вывод от крайней области р называют
анодом, вывод от крайней области n
называют катодом, а вывод от одной из
промежуточных
областей
называют
управляющим
электродом. электродом и
• Если
между управляющим
катодом пропустить маленький ток
управления, то в зависимости от
величины
этого
тока
произойдет
переключение тиристора из закрытого
состояния в открытое при большем или
меньшем значении напряжения между
анодом и катодом.
Обозначение на
схеме

36.

Двухтранзисторная модель
тиристора
В данной схеме возникает внутренняя положительная обратная
связь, которая после включения тиристора делает цепь управления
неэффективной, так как оба транзистора поддерживают друг друга
в открытом состоянии и без цепи управления, т.е. закрыть обычный
тиристор по цепи управления невозможно.
Для запирания тиристора необходимо, каким-либо способом снизить
анодный ток до нуля и удерживать его на нулевом уровне в течение
времени рассасывания неосновных носителей, накопившихся в
базах транзисторов.

37.

Выпрямительные
устройства устройства,
называются
Выпрямителями
преобразующие
электрическую энергию переменного тока в энергию постоянного
тока. Выпрямители называются неуправляемыми, если величина
напряжения на выходе выпрямителя Ed определяется только
переменным напряжением E2 на его входе:
Ed K сх Е2
где Ксх – коэффициент пропорциональности, характерный для
данной схемы выпрямления, называемый коэффициентом
схемы.
Неуправляемые выпрямители
Однофазная однополупериодная схема
выпрямления

38.

39.

40.

! Трансформатор Тр играет двойную роль: он служит для подачи на
вход выпрямителя ЭДС Е2, соответствующей заданной величине
выпрямленного напряжения Еd и обеспечивает гальваническую
развязку
цепи
нагрузки и питающей
сети.
Благодаря
односторонней
проводимости
вентиля ток в цепи
нагрузки будет протекать только в течение одной половины
периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что
определяет и название этой схемы. Соотношения между основными
1)
активным и найдем
индуктивным
сопротивлением
обмоток
параметрами
при следующих
допущениях:
трансформатора пренебрегаем;
2) нагрузка имеет чисто активный характер;
3) вентиль В идеальный;
4) током намагничивания трансформатора пренебрегаем;
5) ЭДС обмотки трансформатора синусоидальна:
e2 2 E2 sin θ
На интервале (0-π) ЭДС е2 будет иметь полярность, прямую по
отношению к вентилю В, вентиль открыт и в цепи нагрузки
протекает ток.
На интервале (π-2π) ЭДС е2 имеет противоположную полярность,
вентиль В закрыт и ток нагрузки равен нулю.

41.

Тогда мгновенное значение выпрямленного
напряжения:
Ud
2 E2 sin θ,
Ud
0
0 π
2π
Постоянная составляющая выпрямленного
напряжения:
π
Ed
1
1
U d dθ
2 E2 sin θdθ
2π 0
2 π 0
2 E2
0.45 E2 .
π
Постоянная составляющая
выпрямленного тока E
Id d
Rd
Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока
вентиля (по которому он выбирается из справочника)
I аср I d

42.

Максимальное значение анодного тока
iаmax
2 E2
Id π
R2
Максимальное значение обратного напряжения на вентиле (по
которому он также выбирается)
U вобр.max 2 E2 Ed π
Расчетная мощность трансформатора Тр:
P P2
Pрасч. 1
2
где Р1 и Р2 – расчетная мощность первичной и
вторичной
обмотки. значение тока
Действующее
вторичной обмотки
1 2π 2
I2
i2 dθ I d
2 π 0
2
Тогда Р2 =Е2 ∙I2 может быть получена
E
P2 d
I d 3.49 Pd
2 2
где Рd =Еd ∙Id – мощность нагрузки

43.

Мощность первичной обмотки трансформатора Р1 =Е1 ∙I1,
где Е1 и I1 – действующие значения ЭДС и тока первичной обмотки
трансформатора Е1, находится как E1 =Е2∙Kтр, где Ктр=W1/W2 –
коэффициент трансформации;
W1 и W2 –Действующее
число витков значение
первичной
и вторичной
тока
первичнойобмоток
обмотки
трансформатора.
определяется
1 2π 2
I1
i1 d
где i1 – мгновенное значение
2 π 0
первичного тока.
Из условия равенства намагничивающих сил первичной и
вторичной обмоток трансформатора
i1 w1 (i2 I d ) w2 0
Находим i1:
W
1
i1 2 (i2 I d )
(i2 I d ).
W1
K тр
Поскольку i2 протекает во вторичной обмотке трансформатора
только на интервале от 0 до π, а на интервале (π-2π) он равен 0, то
i1
i
1
0 π
π 2π
Id
K тр
(1 π sin )
Id
K тр
.

44.

Графическое изображение этой функции представлено на
рисунке. Оно
является зеркальным отображением функции ( i2-Id), но масштабы
I d значения, получаем
их отличаются в Ктр раз. Подставляя
I1 1.21
действующее значение первичного
тока:
K тр
Мощность первичной обмотки трансформатора
Р1=Е1∙I1=2.69∙Рd
P1 P2
3.06 Pd
тогда Pрасч.
2
Так как в первичную обмотку трансформируется лишь переменная
составляющая вторичного тока, то в магнитопроводе
трансформатора создается постоянный поток подмагничивания.
Этот поток вызывает дополнительное магнитное насыщение
элементов магнитопровода; для того чтобы это насыщение не
превышало допустимого значения, необходимо увеличить габариты
сердечника.
Эта
мера приводит к увеличению расхода стали и меди, т.е. ведет к
повышению габаритов, веса и стоимости трансформатора.
Этот недостаток однофазной однополупериодной схемы
распространяется и на трехфазную однополупериодную схему при
соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме «звездазвезда
с нулевым
выводом».
Однофазную
однополупериодную
схему применяют лишь для
маломощных
выпрямителей,
что
объясняется
не
только
недостатком, вызванным наличием потока подмагничивания, но и

45.

Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку
Как правило, нагрузка имеет активноиндуктивный
характер, особенно
в
выпрямителях
средней
и
большой
мощности,
где
для
сглаживания
пульсаций выпрямленного напряжения и
тока в цепь нагрузки часто включают
сглаживающий
дроссель. процессов в
Анализ электромагнитных
этом
случае проведём
с учетом
индуктивных сопротивлений рассеяния
первичной Х1 и вторичной Х2 обмоток
трансформатора
Уравнение для цепи первичной обмотки
имеет вид
di
e1 X 1 1 U1 0
dθ
Отсюда выразим e1: e1 U1 X 1
i1
где первичный ток i1 выражается как
di1
dθ
1
(i2 I d ).
K тр

46.

Для цепи вторичной обмотки трансформатора справедливо
уравнение:
e1
di2
e
гд 2
U 2 e2 X 2
K тр
dθ
е
di
U1 x1
U
di
U2
Х2 2 1 Ха 2
Преобразование этого выражения дает:
d
2
K тр K тр
K тр
d
X
1
суммарное индуктивное сопротивление рассеяния
гд X a 2 X 2
обмоток трансформатора, приведенное ко
K тр
е
вторичной цепи.
did
U
i
R
U
X
Для цепи нагрузки можно записатьd d d
2
d
dθ
Подставляя сюда U2 из предыдущего выражения
и обозначая
U
1 E2 и X d X a X
K тр
получаем: X
did
id Rd 2 E2 sinθ
dθ
Решение этого уравнения относительно тока id с учетом нулевых
начальных условий дает
2 E2
X
arctg
id
sin e ctg θ sin( )
гд
Rd
2
2
X Rd
е

47.

id
2 E2
2 sin e ctg θ sin( )
X 2 Rd
did
ex X d
d
Следует отметить, что, исходя из принципа сохранения энергии,
площадь S1, расположенная ниже оси абсцисс должна быть равна
площади S2, расположенной выше оси абсцисс.
Постоянная составляющая выпрямленного
напряжения:
2 E
1 λ
1 λ
Ed
U d dθ
2π 0
(e2 ex ) dθ
2 0
2 π
2 (1 cosλ )
где λ –длительность интервала проводящего состояния вентиля В,
E
или в относительных единицах:
1 cosλ
Ed* d
Emax
2

48.

При определении длительности λ
id|θ=λ
справедливо условие:
а
sin e ctg sin( ) 0
значи
т
Зависимость f ( ) имеет вид
Зависимость длительности
проводящего состояния
вентиля от параметров
нагрузки
=0

49.

Определим составляющую
выпрямленного тока:
E
2 E2
Id d
(1 cosλ)
Rd 2 π Rd
*
I
выразим в относительных единицах: d
где I dmax id
1 cosλ
tg
I dmax
2 π
Id
Rd 0
Ed*
tg
π
2 E2
X
Таким образом, последнее выражение представляет собой
уравнение внешней характеристики
*
* выпрямителя
Ed f ( I d )
Внешняя характеристика
выпрямителя при работе на
активно-индуктивную
нагрузку

50.

При работе выпрямителя на двигательную нагрузку, при заряде
аккумуляторных батарей и в других случаях, когда в цепи нагрузки
имеется противо-ЭДС, имеют место определенные особенности.
Работа однофазного однополупериодного выпрямителя на
двигательную нагрузку
X – суммарное индуктивное
сопротивление в цепи вторичной
обмотки
трансформатора.
Из-за
наличия
противо-ЭДС вентиль В
откроется только в точке ψ.
Поэтому, взяв за начало координат
точку ψ запишем для цепи
нагрузки:
di
di
e2 X d E0 ил
2 E2 sin(θ ψ) X d E0
dθ
dθ
и
Решая это уравнение относительно id
с учетом нулевых начальных
условий, 2получаем:
E
E
id
X
ex X
2 cos cos( )
di
dθ
0
X

51.

Постоянная составляющая тока нагрузки в этом случае:
E0 δ 2 π
2 E2
1 λ
λ cosψ sin(λ ψ) sinψ
Id
id dθ
2 π 0
2 π X
X
где δ
λ
2π
В относительных единицах это выражение примет вид:
Id
1
λ cosψ sin(λ ψ) sinψ Ed* δ 2
I d*
I dmax 2
где I dmax
E0 0
2 E2
X
Ed*
E0
Edmax
Ed max
2 E2
Для установления зависимости между λ, ψ и Id воспользуемся
id|θ=λ= 0,
условием:
Ed* λ
cosψ cos(λ ψ)
откуда находим:
π
Связь между Ed* и ψ дает выражение:
sinψ
Ed* 1
π
которое получается из исходного уравнения для этой схемы в
начале координат (θ=0).

52.

Таким образом, полученные выражения позволяют
построить зависимости
Ed* f ( I d* )
λ f ( I d* ) ψ f ( I d*и) внешнюю характеристику выпрямителя
Зависимость длительности
проводящего состояния
вентиля и угла задержки от
тока нагрузки
Внешняя характеристика
выпрямителя,
работающего на
двигательную нагрузку