Силовая электроника

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

Курсовая работа

по дисциплине «Силовая электроника»

Вариант 10

Студент гр. БАГи-17-01 _____________И.Ф. Харрасова

(подпись, дата)

Преподаватель _____________ Д.В. Карташева

(подпись, дата)

Уфа 2019

ЗАДАНИЕ

Задание 1 – Диодные симисторы «диак»

Задание 2 – Однофазный мостовой выпрямитель с несимметричным управлением (, )

ВВЕДЕНИЕ

Одним из весьма эффективных направлений энергосберегающих технологий является широкое применение устройств силовой электроники. Достигнутый за последние 20 лет уровень развития этой наукоемкой и быстроразвивающейся области техники выдвинул ее на передовые рубежи высоких технологий.

Промышленное освоение полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов, характеризующихся высокими значениями коммутируемой мощности, массогабаритных показателей и надежности, позволило осуществлять экономичное преобразование электроэнергии и открыло широкие возможности для создания современных преобразовательных устройств.

В нефтегазовой промышленности устройства силовой электроники находят все большее применение в коммутационных аппаратах, устройствах плавного пуска и регулирования скорости электроприводов технологических установок, агрегатов бесперебойного питания.

Симисторы – преобразователи для пуска и управления двигателями переменного тока, ключи и реле. Первоначально они предназначались для применения в производственной сфере, например, для управления электродвигателями станков или других устройств, где требуется плавная регулировка тока. Впоследствии, когда техническая база позволила существенно уменьшить размеры полупроводников, сфера применения симисторов существенно расширилась. Сегодня эти устройства используются не только в промышленном оборудовании, а и во многих бытовых приборах, например: зарядные устройства, бытовое компрессорное оборудование, различные виды электронагревательных устройств, начиная от электродуховок и заканчивая микроволновками, ручные электрические инструменты (шуроповерт, перфоратор).

Что касается выпрямителей, то они используется там, где необходимо преобразовать переменный ток в постоянный. Значительная часть производимой электрической энергии (30–35 %) используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния, однако производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряжения. Следовательно, электротехнические устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное актуальны всегда. Кроме того, рассматриваемая несимметричная мостовая схема выпрямления имеет ряд достоинств: простоту управления, широкий диапазон регулирования выходного напряжения, высокий уровень выходного напряжения; высокую надежность и малые габариты. В работе представлены временные диаграммы заданной схемы при активно-индуктивной нагрузке , а также при коммутации, то есть .

1 Силовые полупроводниковые ключи

Современный силовой полупроводниковый ключ – сложная схема, содержащая множество параллельных структур. Действие ключевого элемента основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым сопротивлением, а в выключенном – большим. При этом должно обеспечиваться мгновенное переключение из одного состояния в другое и наоборот по соответствующему логическому сигналу управления нулевой мощности.

Реальные ключевые элементы могут лишь приближаться по своим параметрам к «идеализированным». При этом разные параметры накладывают и различные ограничения на возможность эффективного использования ключей.

Динамические потери в ключевом элементе, возникающие в процессе его коммутации, накладывают ограничение на повышение рабочих частот силовых электронных устройств. В то же время повышение рабочих частот силовых электронных устройств является доминирующей тенденцией в силовой электронике за последние годы. Это дает возможность улучшить технико-экономические показатели преобразовательных устройств и повысить их быстродействие.

Полупроводниковый ключ должен обеспечить коммутацию значительных токов и при этом выдерживать значительные напряжения в закрытом состоянии [1].

Развитие технологии силовых ключей привело к созданию ключей основных типов. Области применения приборов силовой электроники приведены ниже.

Однооперационные тиристоры – преобразователи с сетевой коммутацией большой мощности, применяемые для электроприводов постоянного тока, высоковольтных регулируемых электроприводов переменного тока, мощных статических компенсаторов реактивной мощности, технологических целей (электролиз, гальваника, плавка).

Запираемые тиристоры – преобразователи мощностью сотни киловольт-ампер для привода вентиляторов, компрессоров, насосов (в том числе высоковольтных); мощных агрегатов бесперебойного питания; статических компенсаторов реактивной мощности.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором – преобразователи мощностью до единиц мегаватт-ампер для электроприводов переменного тока, статических компенсаторов реактивной мощности и активных фильтров, ключевых источников питания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором – высокочастотные преобразователи (сотни килогерц) и низковольтные преобразователи для приводов вентильных двигателей, ключевых источников питания.

В данной работе будет рассмотрен один из видов тиристоров – диодный симистор «диак». Однако сначала необходимо ознакомиться с тиристорами и их классификацией.

1.1 Тиристоры

Наиболее распространенным полупроводниковым прибором в силовой электронике в настоящее время является тиристор. Это по существу ключевой полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью и неполной управляемостью, включающийся по сигналу управления, а выключающийся при спадании прямого тока до нуля [2].

Существует несколько разновидностей тиристоров, которые отличаются способом управления: диодные тиристоры, триодные тиристоры однооперационные с управлением относительно катода или анода, триодные тиристоры двухоперационные.

В настоящей работе обратим внимание на диодные тиристоры. Их условное графическое обозначение приведены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Условно-графические обозначение диодного тиристора

Диодный тиристор (динистор) имеет два вывода: анод и катод. Включение и выключение производится по анодной цепи. Для включения необходимо, чтобы анодное напряжение было больше некоторого напряжения переключения (), а выключение происходит при анодном напряжении меньшем или равным нулю (). Динисторы называют также переключающими диодами.

Особенность динистора в том, что у него три перехода, а число зон полупроводника равно четырем. Это конструктивная особенность, а достигает она особенность функциональную, ‒ пороговое отпирание диода на прямой ветви. Хорошо иллюстрируется эта особенность на вольт-амперной характеристике динистора рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Вольт-амперная характеристика динистора

При подаче прямого напряжения на динистор ток в нём мал и почти не растёт (жирная ветвь). При некотором напряжении наступает пробой, и динистор мгновенно переключается в состояние высокой проводимости и низкого остаточного напряжения (пунктирная ветвь). Дальнейший рост напряжения ничем не отличается от диодного режима (верхняя ветвь). Напряжение переключения не управляется, поэтому выпускают динисторы с различными значениями напряжения пробоя.

Динистор в своей работе похож на обычный полупроводниковый диод. Если динистор несимметричный, то при обратном включении он ведёт себя как диод и не пропускает ток до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет критического для данного типа динистора и он сгорит. Для симметричных полярность включения в схему не имеет значения.

Динисторы применяются в устройствах типа генератор или пороговых устройствах. В радиоэлектронной аппаратуре динистор встречается довольно редко, хотя его можно встретить на печатных платах широко распространённых энергосберегающих ламп, предназначенных для установки в цоколь обычной лампы. В них он используется в цепи запуска. В маломощных лампах его может и не быть. Также динистор можно обнаружить в электронных пускорегулирующих аппаратах, предназначенных для ламп дневного света. В радиолюбительских конструкциях динистор может применяться в стробоскопах, переключателях мощной нагрузки, регуляторах мощности и многих других полезных приборах.

Динисторам присущи два недостатка. Во-первых, они реализуют переключение тока нагрузки только в одном направлении, а это ограничивает их применение в цепях управления переменного напряжения. Во-вторых, напряжение включения нерегулируемо. Первый недостаток устранен в симметричном динисторе, а второй – в триодных тиристорах. В нём пробой вызывается в произвольный момент через третий электрод.

Динистор имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура, показанная на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Структура динистора (а), двухтранзисторная модель тиристора (b)

Четыре слоя полупроводника образуют три p-n перехода П1, П2 и П3. Кроме них есть еще два омических перехода, один из которых между слоем p1 и металлическим электродом, называемым анодом, а второй – между слоем n2 и металлическим электродом, называемым катодом.

1.2 Симметричный диодный тиристор

Динисторы, рассмотренные выше, могут коммутировать токи, протекающие лишь в одном направлении. Кроме таких однонаправленных приборов, имеются также двунаправленные полупроводниковые приборы, основанные на многослойных электронно-дырочных структурах. При воздействии напряжений различной полярности прибор способен переключаться как в прямом, так и в обратном направлении. При каждом направлении включения внешнего напряжения такие приборы могут находиться в двух устойчивых состояниях – запертом (с высоким внутренним сопротивлением) и открытом (с малым внутреннем сопротивлением). Таким образом, при любой полярности внешнего напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики любого динистора. Такие приборы называются симисторами.

Симисторы представляют собой параллельно-встречное включение двух динисторов «диак» (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Условное графические обозначения симистора

Симистор, изображенный на рисунке 1.5 (а) представляет собой пятислойную n-p-n-p-n-структуру с четырьмя переходами, причем области nх и рх подключены к аноду, а области р2 и n3 – катоду с помощью контактирующих пластин, то есть применен метод частичного шунтирования по аналогии с динистором. Пятислойную структуру симистора можно представить как две совмещенные структуры динистора VS1 и VS2, включенные параллельно (рисунок 1.5, б). Рассматривая токопрохождение в этих структурах при полярности напряжения , показанной в скобках на рисунке 1.5 (а), видим, что включается левая половина прибора (направление движения электронов показано стрелкой). При изменении полярности напряжения, (полярность напряжения без скобок) движение электронов осуществляется через правую половину прибора. Таким образом, для левой половины прибора эмиттерными переходами являются переходы 1 и 3, а коллекторным – переход 2. Для правой половины эмиттерными переходами являются переходы 4 и 2, а коллекторным – переход 3.

При работе левой половины симистора эмиттерный переход 4 правой структуры не работает, как и переход 1 при работе правой структуры симистора. Структура тиристора позволяет частично зашунтировать эмиттерные переходы 1 и 4 контактирующими пластинами, подключаемыми непосредственно к областям: пластина анода – к n1 и p1 пластина катода – к n3 и p2. Это позволяет снизить коэффициент инжекции в эмиттерных переходах, которые участвуют в токопрохождении при соответствующей полярности внешнего напряжения, и уменьшить напряжение включения симистора . Такой метод называется методом шунтирования.

Рисунок 1.5 – Симметричный тиристор (симистор):

а – структура симистора; б – замена симистора двумя динисторами

При подключении напряжения полярностью, показанной без скобок, переходы 2 и 4 находятся под прямым смещением, а 1 и 3 – под обратным смещением. Однако переход 1, находящийся под обратным смещением, зашунтирован контактной пластиной анодного вывода и не оказывает никакого влияния. Поэтому практически весь ток проходит через структуру р1-n2-р2-n3, которая, как четырехслойная структура динистора, открывается в направлении от анода к катоду (от р1 к n3). Если напряжение мало, через структуру протекает небольшой ток. Основная часть тока течет параллельно переходу 4, стремясь достичь вывода катода по пути наименьшего сопротивления в обход перехода 4, несмотря на то что и переход практически имеет малое сопротивление при прямом смещении.

Таким образом, из-за частичного шунтирования перехода 4, находящегося под напряжением прямого смещения, большая часть электронов непосредственно поступает в область р2 от катода, огибая переход 4 и тем самым исключает частично проход электронов через переход 4, что ускоряет начало процесса экстракции в переходе 3. В результате ускоряется процесс накопления зарядов возле перехода 3, а следовательно, усиливается ударная генерация и открытие тиристора.

Характеристика симистора при шунтировании имеет более крутой участок АБ на рисунке 1.6, чем аналогичный участок для динистора. В остальном в структуре симистора будут наблюдаться те же процессы, что и в структуре динистора.

При противоположной полярности напряжения , приложенного между анодом и катодом, происходит включение структуры р2-n2-р1-n1.

Вольт-амперная характеристика симисторов представляет собой две почти симметричные (относительно начала координат) ветви, аналогичные прямой ветви динистора (рисунок 1.6). Таким образом, анод и катод в такой структуре не имеют физического смысла.

Рисунок 1.6 – Вольт-амперная характеристика симистора

2 Однофазный мостовой выпрямитель с несимметричным управлением (, )

2.1 Однофазные управляемые мостовые выпрямители

Принцип электронного силового выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентильных приборов проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Процессы при выпрямлении определяются видом вентильного прибора и способом его управления, характером нагрузки на стороне постоянного тока, техническими характеристиками источника энергии переменного тока [3].

Однофазный мостовой выпрямитель выполняется по аналогии со схемой неуправляемого выпрямителя, в котором неуправляемые вентили заменены управляемыми тиристорами. Трансформатор здесь не является обязательным элементом, как в схеме выпрямителя со средней точкой. В зависимости от полярности токи через нагрузку протекают поочередно через пару тиристоров VT1, VT3 или VT2, VT4. Существует несколько разновидностей схем с симметричным и несимметричным управлением [1].

Перед изучением схемы с несимметричным управлением рассмотрим работу схемы с симметричным управлением и резистивно-индуктивной нагрузкой, когда ток id идеально сглажен (рисунок 2.1).

В цепь нагрузки включена индуктивность Ld, которая обычно исполняет роль фильтра переменной составляющей выпрямленного напряжения. Наличие в цепи нагрузки индуктивности Ld существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Форма выпрямленного тока будет зависеть от индуктивности, частоты пульсаций выпрямленного напряжения, сопротивления.

Рисунок 2.1 – Схема однофазного управляемого мостового

выпрямителя с симметричным управлением

Индуктивность согласно закону коммутации не позволяет мгновенно изменяться току id, то есть препятствует нарастанию тока и стремится удержать его спад. Из временной диаграммы (рисунок 2.2) видно, что наличие индуктивности в цепи постоянного тока при угле управления изменяет характер протекания тока через тиристоры. После открытия тиристора ток начинает медленно нарастать, так как в это время происходит накопление энергии в индуктивности.

Рисунок 2.2 – Временная диаграмма работы выпрямителя

при активно-индуктивной нагрузке в режиме прерывистого тока

При прохождении напряжения на вторичной обмотке через ноль (точка 2) ток цепи открытого тиристора будет поддерживаться за счет энергии, запасенной в индуктивности до момента снижения тока до нуля. Такой режим называют режимом прерывистого тока. В выпрямленном напряжении появится отрицательный выброс, интервал проводимости тиристора λ будет больше, чем π–α.

При увеличении индуктивности, энергии, запасенной в ней будет достаточной, чтобы поддержать ток до момента открытия тиристора VT2 (рисунок 2.3). Ток носит непрерывный характер, интервал проводимости тиристора λ будет равен π.

Рисунок 2.3 – Временная диаграмма работы выпрямителя

при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока

Большая величина является характерным случаем при использовании выпрямителя на практике. Управляемый выпрямитель часто работает на электрическую машину постоянного тока, при этом .

Ток через нагрузку становится постоянным, а через тиристор – имеет прямоугольную форму, как показано на диаграмме (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Временные диаграммы однофазного управляемого

мостового выпрямителя с симметричным управлением

Регулировочная характеристика определяется из выражения:

где – действующее напряжение на секции обмотки трансформатора, В.

И описывается соотношением:

где – угол управления.

Токи вторичных обмоток трансформатора определяются токами тиристоров VT1 и VT2. Первичный ток связан с вторичными токами коэффициентом трансформации и имеет форму прямоугольных импульсов. Фазовый сдвиг между питающим напряжением и первой гармонической составляющей тока будет равен , что сказывается на уменьшении коэффициента сдвига и на увеличении потерь вызванных потреблением реактивной мощности.

При работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку, как видно из временных диаграмм, ток отстает от напряжения питания на угол . Это приводит к потреблению выпрямителем от сети реактивной составляющей, что неблагоприятно сказывается на энергетических показателях установки. Для устранения отрицательного выброса в выпрямленном напряжении применяют мостовые схемы с несимметричным управлением (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Схема однофазного управляемого мостового

выпрямителя с несимметричным управлением

В промышленности широко распространены данные схемы. Они имеет ряд достоинств: простота управления; широкий диапазон регулирования выходного напряжения; высокий уровень выходного напряжения; высокая надежность и малые габариты.

В этой схеме вместо тиристоров включены последовательно-встречно диоды VD1 и VD2. Диаграмма работы однофазного управляемого мостового выпрямителя с несимметричным управлением показана на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Временная диаграмма однофазного управляемого

мостового выпрямителя с несимметричным управлением

Режим работы схемы подобен режиму однофазной схемы со средней точкой и нулевым диодом. На интервале 1–2 с приходом управляющего сигнала, который сдвинут относительно начала синусоиды на угол α, открывается тиристор VT1, ток протекает через диод VD2. В момент прохождения синусоиды питающего напряжения через ноль полярность напряжения меняется, что приводит к запиранию диода VD2. Ток нагрузки , поддерживаемый за счет энергии, накопленной в индуктивности, протекает через тиристор VТ1 и диод VD1 (интервал 2–3).

Цепь нагрузки оказывается замкнутой через тиристор VT1 и диод VD1. Энергия от сети не потребляется, ток в первичной обмотке трансформатора равен нулю. В точке 3 открывается тиристор VT2, ток протекает через диод VD1. Это происходит на интервале 3–4. В точке 3 закрывается диод VD1 и ток нагрузки , поддерживаемый за счет энергии, накопленной в индуктивности, протекает через тиристор VТ2 и диод VD2 (интервал 4–5). Цепь нагрузки оказывается замкнутой через тиристор VT2 и диод VD2, эти элементы выполняют функцию нулевого диода. В схеме на интервале угла управления ток в первичной обмотке трансформатора не протекает. Фазовый сдвиг между первой гармоникой тока и питающего напряжения равен .

2.2 Коммутация в однофазных выпрямителях

Принципиальное отличие выпрямителей средней и большой мощности от выпрямителей малой мощности – это влияние индуктивности рассеяния, активные сопротивления обмоток трансформатора оказываются меньше индуктивного сопротивления . Это объясняется увеличением при росте габаритов и уменьшении , так как обмотки трансформатора выполняются проводниками большего сечения.

Появление индуктивности в анодной цепи тиристоров сказывается на процессе перехода тока нагрузки с одного тиристора на другой (процесс коммутации). Ток при выключении тиристора убывает некоторое время, а ток при включении тиристора возрастает примерно это же время, таким образом, на некотором интервале времени оба тиристора остаются открытыми. Этот интервал называется интервалом коммутации .

Индуктивность в анодной цепи тиристора определяется выражением:

где – индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора;

– индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора;

– индуктивность сети.

Рассмотрим процесс коммутации при чисто индуктивной нагрузке.

На рисунке 2.7 показан процесс коммутации при . Влияние индуктивности на процесс переключения проявляется в том, что при открытии тиристора VT1 ток медленно нарастает, а ток через закрывающийся резистор медленно убывает.

Рисунок 2.7 – Временная диаграмма процесса коммутации

Таким образом, на участке коммутации оба тиристора находятся в проводящем состоянии, создается ток в короткозамкнутом контуре, который образован открытыми тиристорами и обмотками. Напряжение на интервале коммутации равно нулю:

Как видно из временной диаграммы (рисунок 2.7), напряжение уменьшится на некоторую величину .

где – обусловлен затемненной площадью.

В мостовой схеме однофазного выпрямителя при коммутации ток через индуктивность меняет направление. Ток изменяется от до :

Рассмотрим подробнее временную диаграмму при угле управления больше нуля () (рисунок 2.8). Угол проводимости тиристоров увеличивается на величину , из положительной полуволны высекается затемненная площадь, что приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения:

Это выражение описывает внешнюю характеристику однофазного мостового выпрямителя.

Рисунок 2.8 – Временная диаграмма работы выпрямителя с учетом угла коммутации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Силовая электроника – область техники, связанная с управлением потоками электроэнергии посредством мощных электронных приборов, которые, 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. Это интенсивно развивающаяся область науки и техники, охватывающая все сферы деятельности человека, – промышленность, добывающие отрасли, транспорт, связь.

Основными элементами силовой электроники служат полупроводниковые приборы, обладающие характеристикой ключевого элемента, которые коммутируют (включают и отключают) участки электрической цепи, а также выпрямители.

В настоящее время функции ключевых элементов выполняют полупроводниковые приборы различных типов. Рассмотренные в первой части данной работы диодные симисторы «диаки» в настоящее время все так же актуальны, несмотря на наибольшее распространение полевых транзисторов с изолированным затвором, имеющих наилучшие характеристики. Сегодня эти устройства используются и в промышленном оборудовании, и во многих бытовых приборах.

Изученная во второй части работы несимметричная мостовая схема выпрямления также широко распространена в промышленности. Она имеет ряд достоинств: простоту управления, широкий диапазон регулирования выходного напряжения, высокий уровень выходного напряжения; высокую надежность и малые габариты.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Латышев, Л.Н. Силовая электроника: учебник / Л.Н. Латышев; УГНТУ, каф. АПП. – Уфа: Реактив, 2017. – 119 с.

2 Розанов, Ю.К. Основы силовой электроники: учебник – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.

3 Розанов, Ю.К. Справочник по силовой электронике: учебник / Ю.К. Розанов, П.А Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин. – М.: Издательский дом МЭИ, 2014. – 472 с.