Силовая электроника

редактировать
Башня с тиристорным клапаном HVDC высотой 16,8 м в холле Baltic Cable AB в Швеции A зарядное устройство представляет собой пример элемента силовой электроники Блок питания ПК представляет собой пример элемента силовой электроники, находящейся внутри или снаружи шкафа

Силовая электроника - это применение твердотельной электроники для управления и преобразования электроэнергии.

Первыми электронными устройствами большой мощности были ртутно-дуговые клапаны. В современных системах преобразование выполняется с помощью полупроводниковых переключающих устройств, таких как диоды, тиристоры и силовые транзисторы, такие как силовой полевой МОП-транзистор и IGBT. В отличие от электронных систем, связанных с передачей и обработкой сигналов и данных, в силовой электронике обрабатываются значительные объемы электроэнергии. Преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель ) является наиболее типичным устройством силовой электроники, используемым во многих бытовых электронных устройствах, например телевизоры, персональные компьютеры, зарядные устройства и т.д. Диапазон мощности обычно составляет от десятков ватт до нескольких сотен ватт. В промышленности обычным применением является частотно-регулируемый привод (VSD), который используется для управления асинхронным двигателем. Диапазон мощности преобразователей частоты начинается от нескольких сотен ватт и заканчивается десятками мегаватт.

. Системы преобразования энергии можно классифицировать по типу входной и выходной мощности

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Силовой полевой МОП-транзистор
  • 2 Устройства
  • 3 Преобразователи постоянного / переменного тока (инверторы)
    • 3.1 Однофазный полумостовой инвертор
    • 3.2 Однофазный полумостовой инвертор
    • 3.3 Инвертор с трехфазным источником напряжения
    • 3.4 Инверторы с источником тока
    • 3.5 Многоуровневые инверторы
  • 4 преобразователя переменного тока в переменный
  • 5 Моделирование силовых электронных систем
  • 6 Приложения
    • 6.1 Инверторы
    • 6.2 Интеллектуальная электросеть
  • 7 См. Также
  • 8 Примечания
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

История

Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя. 89>Питер Купер Хьюитт в 1902 году он использовался для преобразования переменного тока в на постоянный ток (DC). С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутных дуговых вентилей с сетевым управлением для передачи электроэнергии. Уно Ламм разработал ртутный клапан с калибровочными электродами, сделав их пригодными для передачи постоянного тока высокого напряжения. В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители.

Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время не было возможности создать работающее устройство. В 1947 году биполярный точечный транзистор был изобретен Уолтером Х. Браттейном и Джоном Бардином под руководством Уильяма Шокли в Лаборатория Белла. В 1948 году Шокли изобретение транзистора с биполярным переходом (BJT) улучшило стабильность и производительность транзисторов и снизило стоимость. К 1950-м годам стали доступны более мощные полупроводниковые диоды, которые начали заменять электронные лампы. В 1956 году кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) был представлен компанией General Electric, что значительно расширило диапазон приложений силовой электроники. К 1960-м годам улучшенная скорость переключения транзисторов с биполярным переходом позволила создать высокочастотные преобразователи постоянного тока в постоянный.

Р. Д. Миддлбрук внес важный вклад в силовую электронику. В 1970 году он основал группу Power Electronics Group в Caltech. Он разработал метод анализа с усреднением в пространстве состояний и другие инструменты, важные для проектирования современной силовой электроники.

Power MOSFET

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) от Мохамеда Аталлы и Давона Канга в Bell Labs в 1959 году. Поколения MOSFET-транзисторов позволили разработчикам энергии достичь уровня производительности и плотности, невозможного с биполярными транзисторами. Благодаря усовершенствованиям в технологии полевых МОП-транзисторов (первоначально использовавшихся для производства интегральных схем ), в 1970-х годах стали доступны силовые полевые МОП-транзисторы .

В 1969 году Hitachi представила первый полевой МОП-транзистор с вертикальной мощностью, который позже будет известен как VMOS (МОП-транзистор с V-образной канавкой). С 1974 года Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba начали производство усилителей звука. с силовыми полевыми МОП-транзисторами. International Rectifier представила полевой МОП-транзистор мощностью 25 А, 400 В в 1978 году. Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но ограничивается низковольтными приложениями.

Силовой полевой МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым устройством в мире из-за его низкой мощности привода затвора, высокой скорости переключения, простой расширенной возможности параллельного подключения, широкой полосы пропускания, надежность, легкий привод, простое смещение, простота применения и простота ремонта. Он имеет широкий спектр силовых электронных приложений, таких как портативные информационные устройства, силовые интегральные схемы, сотовые телефоны, портативные компьютеры и средства связи. инфраструктура, обеспечивающая Интернет.

В 1982 году был представлен биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Он стал широко доступен в 1990-х годах. Этот компонент обладает возможностями управления мощностью биполярного транзистора и преимуществами изолированного управления затвором силового полевого МОП-транзистора.

Устройства

Возможности и экономичность системы силовой электроники определяются доступными активными устройствами. Их характеристики и ограничения являются ключевым элементом при проектировании систем силовой электроники. Раньше ртутный дуговой клапан, высоковакуумные и газовые диодные термоэлектронные выпрямители, а также триггерные устройства, такие как тиратрон и игнитрон, широко использовались в силовая электроника. По мере того, как рейтинги твердотельных устройств улучшились как по напряжению, так и по току, вакуумные устройства были почти полностью заменены твердотельными устройствами.

Силовые электронные устройства могут использоваться как переключатели или как усилители. Идеальный переключатель либо разомкнут, либо замкнут, поэтому не рассеивает мощность; он выдерживает приложенное напряжение и не пропускает ток, либо пропускает ток любой величины без падения напряжения. Полупроводниковые устройства, используемые в качестве переключателей, могут приблизиться к этому идеальному свойству, поэтому большинство приложений силовой электроники полагаются на включение и выключение устройств, что делает системы очень эффективными, поскольку в переключателе расходуется очень мало энергии. Напротив, в случае усилителя ток через устройство непрерывно изменяется в зависимости от контролируемого входа. Напряжение и ток на клеммах устройства следуют по линии нагрузки, и рассеиваемая мощность внутри устройства велика по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

Несколько атрибутов определяют способ использования устройств. Такие устройства, как диоды, проводят при приложении прямого напряжения и не имеют внешнего контроля начала проводимости. Силовые устройства, такие как кремниевые выпрямители и тиристоры (а также ртутный клапан и тиратрон ), позволяют управлять началом проводимости, но полагаются на периодическое изменение направления тока, чтобы выключить их. Такие устройства, как тиристоры отключения затвора, транзисторы BJT и MOSFET, обеспечивают полное управление переключением и могут быть включены или выключены независимо от протекающего через них тока. Транзисторные устройства также позволяют пропорциональное усиление, но это редко используется для систем мощностью более нескольких сотен ватт. Характеристики управляющего входа устройства также сильно влияют на дизайн; иногда управляющий вход находится под очень высоким напряжением относительно земли и должен управляться изолированным источником.

Поскольку КПД силового электронного преобразователя является наивысшим, потери, которые генерирует силовое электронное устройство, должны быть как можно меньше.

Устройства различаются по скорости переключения. Некоторые диоды и тиристоры подходят для относительно низкой скорости и используются для переключения и управления промышленной частотой ; некоторые тиристоры полезны на несколько килогерц. Такие устройства, как полевые МОП-транзисторы и биполярные транзисторы, могут переключаться на частотах от десятков килогерц до нескольких мегагерц в силовых приложениях, но со снижением уровней мощности. В устройствах с вакуумными лампами преобладают приложения большой мощности (сотни киловатт) на очень высоких частотах (сотни или тысячи мегагерц). Устройства с более быстрым переключением сводят к минимуму потери энергии при переходах от включения к выключению и обратно, но могут создавать проблемы с излучаемыми электромагнитными помехами. Цепи привода затвора (или эквивалентные) должны быть спроектированы для подачи достаточного тока возбуждения для достижения полной скорости переключения, возможной с устройством. Устройство без достаточного привода для быстрого переключения может выйти из строя из-за чрезмерного нагрева.

Практические устройства имеют ненулевое падение напряжения и рассеивают мощность при включении, и им требуется некоторое время, чтобы пройти через активную область, пока они не достигнут состояния «включено» или «выключено». Эти потери составляют значительную часть общей потерянной мощности преобразователя.

Управляемая мощность и рассеиваемая мощность устройств также являются критическим фактором при проектировании. Силовые электронные устройства должны рассеивать десятки или сотни ватт отработанного тепла, даже переключаясь с максимальной эффективностью между проводящим и непроводящим состояниями. В режиме переключения регулируемая мощность намного больше, чем мощность, рассеиваемая в переключателе. Прямое падение напряжения в проводящем состоянии превращается в тепло, которое необходимо рассеять. Полупроводники большой мощности требуют специализированных радиаторов или активных систем охлаждения для управления их переходом Температура ; экзотические полупроводники, такие как карбид кремния, имеют преимущество перед прямым кремнием в этом отношении, а германий, который раньше был основным элементом твердотельной электроники, теперь мало используется из-за его неблагоприятных высокотемпературных свойств.

Существуют полупроводниковые устройства с номиналами до нескольких киловольт в одном устройстве. Там, где необходимо контролировать очень высокое напряжение, несколько устройств должны использоваться последовательно, с сетями для выравнивания напряжения на всех устройствах. Опять же, скорость переключения является критическим фактором, поскольку устройство с самым медленным переключением должно выдерживать непропорционально большую долю общего напряжения. Когда-то были доступны ртутные клапаны с номиналами до 100 кВ в одном блоке, что упрощало их применение в системах HVDC.

Номинальный ток полупроводникового устройства ограничен теплотой, выделяемой внутри матрицы, и теплом, выделяемым в сопротивлении соединительных проводов. Полупроводниковые устройства должны быть спроектированы так, чтобы ток равномерно распределялся внутри устройства по его внутренним переходам (или каналам); при возникновении «горячей точки» последствия поломки могут быстро разрушить устройство. Некоторые тиристоры доступны с номинальным током до 3000 ампер в одном устройстве.

Преобразователи постоянного тока в переменный (инверторы)

Преобразователи постоянного тока в переменный создают форму выходного сигнала переменного тока от источника постоянного тока. Применения включают преобразователи частоты (ASD), источники бесперебойного питания (UPS), гибкие системы передачи переменного тока (FACTS), компенсаторы напряжения и фотоэлектрические инверторы. Топологии для этих преобразователей можно разделить на две отдельные категории: инверторы источника напряжения и инверторы источника тока. Инверторы источника напряжения (VSI) названы так, потому что независимо управляемый выход представляет собой форму волны напряжения. Точно так же инверторы источника тока (CSI) отличаются тем, что управляемый выход переменного тока представляет собой форму волны тока.

Преобразование мощности постоянного тока в переменное является результатом устройств переключения мощности, которые обычно являются полностью управляемыми полупроводниковыми переключателями мощности. Таким образом, выходные сигналы состоят из дискретных значений, обеспечивающих быстрые переходы, а не плавные. Для некоторых приложений достаточно даже грубого приближения синусоидальной формы волны переменного тока. Когда требуется форма волны, близкая к синусоидальной, переключающие устройства работают намного быстрее, чем желаемая выходная частота, и время, которое они проводят в любом состоянии, контролируется, поэтому усредненный выходной сигнал является почти синусоидальным. Общие методы модуляции включают метод на основе несущей или широтно-импульсную модуляцию, метод пространственно-вектора и метод селективной гармоники.

Инверторы источника напряжения имеют Практическое использование как в однофазных, так и в трехфазных приложениях. Однофазные VSI используют полумостовые и полные мостовые конфигурации и широко используются для источников питания, однофазных ИБП и сложных топологий высокой мощности при использовании в многоячеечных конфигурациях. Трехфазные VSI используются в приложениях, требующих синусоидальной формы волны напряжения, например, в ASD, UPS и некоторых типах устройств FACTS, таких как STATCOM. Они также используются в приложениях, где требуются произвольные напряжения, например, в случае фильтров активной мощности и компенсаторов напряжения.

Инверторы источников тока используются для выработки выходного переменного тока из источника постоянного тока. Этот тип инвертора практичен для трехфазных приложений, в которых требуются высококачественные формы волны напряжения.

Относительно новый класс инверторов, называемый многоуровневыми инверторами, вызвал широкий интерес. Нормальную работу CSI и VSI можно отнести к двухуровневым инверторам из-за того, что переключатели питания подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. Если бы на выходных клеммах инвертора было более двух уровней напряжения, выход переменного тока мог бы лучше аппроксимировать синусоидальную волну. По этой причине многоуровневые инверторы, хотя и являются более сложными и дорогостоящими, обладают более высокими характеристиками.

Каждый тип инвертора отличается используемыми звеньями постоянного тока и тем, требуют ли они обратных диодов. Любой из них может работать в режиме прямоугольной волны или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в зависимости от предполагаемого использования. Прямоугольный режим обеспечивает простоту, в то время как ШИМ может быть реализован несколькими различными способами и дает более качественные формы сигналов.

Инверторы источника напряжения (VSI) питают выходной блок инвертора от источника примерно постоянного напряжения.

Желаемое качество формы текущего выходного сигнала определяет, какой метод модуляции необходимо выбрать для данного приложения. Выходные данные VSI состоят из дискретных значений. Чтобы получить плавную форму кривой тока, нагрузки должны быть индуктивными на выбранных частотах гармоник. Без какой-либо индуктивной фильтрации между источником и нагрузкой емкостная нагрузка заставит нагрузку принимать прерывистую форму волны тока с большими и частыми всплесками тока.

Существует три основных типа VSI:

  1. Однофазный полумостовой инвертор
  2. Однофазный полумостовой инвертор
  3. Трехфазный инвертор источника напряжения

Однофазный полумостовой инвертор

Рис. 8: Вход переменного тока для ASD. РИСУНОК 9: Однофазный полумостовой инвертор с источником напряжения

Однофазные полумостовые инверторы с источником напряжения предназначены для приложений с более низким напряжением и обычно используются в источниках питания. На рисунке 9 показана принципиальная электрическая схема этого инвертора.

Гармоники тока низкого порядка возвращаются к источнику напряжения при работе инвертора. Это означает, что в этой конструкции для фильтрации требуются два больших конденсатора. Как показано на Рисунке 9, только один переключатель может быть включен в каждый момент времени на каждой ветви инвертора. Если оба переключателя в ноге были включены одновременно, источник постоянного тока будет закорочен.

Инверторы могут использовать несколько методов модуляции для управления своими схемами переключения. Метод ШИМ на основе несущей сравнивает форму выходного сигнала переменного тока, v c, с сигналом напряжения несущей, v Δ. Когда v c больше, чем v Δ, S + включен, а когда v c меньше v Δ, S- на. Когда выходной сигнал переменного тока имеет частоту fc с амплитудой v c, а треугольный несущий сигнал имеет частоту f Δ с амплитудой v Δ, ШИМ становится особым синусоидальным случаем ШИМ на основе несущей. Этот случай называется синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (SPWM). Для этого рассчитывается индекс модуляции, или отношение амплитудной модуляции, как ma= v c/v∆.

Нормализованная несущая частота или коэффициент частотной модуляции. с использованием уравнения mf= f ∆/fc.

Если область перемодуляции ma превышает единицу, будет наблюдаться более высокое выходное напряжение переменного тока основной гармоники, но за счет насыщения. Для SPWM гармоники выходного сигнала имеют четко определенные частоты и амплитуды. Это упрощает конструкцию фильтрующих компонентов, необходимых для инжекции гармоник тока низкого порядка в процессе работы инвертора. Максимальная выходная амплитуда в этом режиме работы составляет половину напряжения источника. Если максимальная выходная амплитуда m a превышает 3,24, выходной сигнал инвертора становится прямоугольным.

Как и в случае с широтно-импульсной модуляцией (PWM), оба переключателя в ножку для модуляции меандра нельзя включить одновременно, так как это вызовет короткое замыкание на источнике напряжения. Схема переключения требует, чтобы и S +, и S- были включены в течение полупериода периода выходапеременного тока. Основная амплитуда переменного тока на выходе получается vo1= v aN = 2v i / π .

Его гармоники имеют амплитуду voh= v o1/h.

Следовательно, выходное напряжение переменного тока регулируется не инвертором, а скорее величиной входного постоянного напряжения инвертора.

Использование селективного подавления гармоник (SHE) в методе модуляции позволяет переключать инвертор на выборочное устранение собственных гармоники. Основная составляющая выходного напряжения переменного тока также может регулироваться в желаемом диапазоне. Выходное напряжение переменного тока, полученное с помощью этого метода модуляции, имеет симметрию нечетной половины и нечетной четверти волны, четные гармоники не существуют. Любые нежелательные нечетные (N-1) собственные гармоники из выходного сигнала могут быть устранены.

Однофазный полномостовой инвертор

РИСУНОК 3: Полномостовой однофазный инвертор с напряжением РИСУНОК 4: Несущая и модулирующие сигналы для метода биполярной широтно-импульсной модуляции

Полномостовой инвертор похож на полумостовой инвертор, но у него есть дополнительная ветвь для нейтральной точки к нагрузке. На рисунке 3 принципиальная схема мостового инвертора с однофазным устройством напряжения.

Во избежание короткого замыкания источника напряжения S1 + и S1- не могут быть включены одновременно, а S2 + и S2- также не могут быть включены одновременно. Любая техника модуляции, используемая для конфигурации с полным мостом, входящий или нижний переключатель каждой ветви в любой момент времени. Из-за сигнала максимальной амплитуда выходного сигнала Vi и вдвое больше максимально достижимой выходной амплитуды для полумостовой конфигурации.

Состояния 1 и 2 из таблицы 2 используются для генерировать выходное напряжение тока с помощью биполярного SPWM. Выходное напряжение переменного тока может принимать только два значения: Vi или –Vi. Чтобы сгенерировать эти же состояния с использованием конфигурации полумоста, можно использовать метод на основе несущей. Если S + включен для полумоста, то S1 + и S2- включены для полного моста. Точно так же включение S- для полумоста соответствует включению S1- и S2 + для полного моста. Выходное напряжение для метода модуляции представляет собой более или менее синусоидальный, составляющий основную, амплитуда в линейной области меньше или равна единице vo1=vab1 = v i • m a.

В отличие от метода биполярной ШИМ, униполярный подход использует состояния 1, 2, 3 и 4 из таблицы 2 для генерации выходного переменного напряжения. Следовательно, выходное напряжение переменного тока может принимать значения Vi, 0 или –V [1] i. Для генерации этих состояний необходимы два синусоидальных модулирующих сигнала, Vc и –Vc, как показано на рисунке 4.

Vc используется для генерации VaN, а –Vc используется для генерации VbN. Следующее соотношение называется однополярным SPWM на основе несущей vo1= 2 • v aN1 = v i • m a.

Фазные напряжения VaN и VbN идентичны, но составляют 180 градусов. не совпадают по фазе друг с другом. Выходное напряжение равно разности двух фазных напряжений и не содержит четных гармоник. Следовательно, если взять mf, четные гармоники выходного переменного напряжения будут появляться на нормированных нечетных частотах, fh. Эти частоты сосредоточены на удвоенном значении нормализованной несущей частоты. Эта особенность позволяет использовать компоненты меньшего размера при попытке получить более качественную форму выходного сигнала.

Как и в случае с полумостом SHE, выходное напряжение переменного тока не содержит четных гармоник из-за его нечетной половины и нечетного четвертьволновая симметрия.

Инвертор с трехфазным устройством напряжения

РИСУНОК 5: Схема цепи инвертора с трехфазным устройством напряжения РИСУНОК 6: Работа в трехфазном прямоугольном режиме a) Состояние переключения S1 б) Состояние переключения S3 c) Выход S1 d) Выход S3

Однофазные VSI используются в основном для приложений с низким энергопотреблением, тогда как трехфазные VSI охватывают приложения как среднего, так и высокого диапазона мощности. На рисунке 5 первая принципиальная электрическая схема трехфазного VSI.

Переключатели на любом из трех ветвей инвертора могут быть выключены одновременно, так как это приводит к напряжению, относящемуся к полярности соответствующего линейного тока. Состояния 7 и 8 нулевое линейное напряжение переменного тока, что приводит к беспрепятственному протеканию линейных токов переменного тока через верхние или нижние компоненты. Однако линейные напряжения для состояний с 1 по 6 сетевое напряжение переменного тока, состоящее из дискретных значений Vi, 0 или –Vi.

Для трехфазного SPWM три модулирующих сигнала, сдвинутых по фазе на 120 градусов. друг с другом используются для создания противофазных напряжений нагрузки. Чтобы сохранить функции ШИМ с одним несущим сигналом, нормализованная несущая частота mf должна быть кратной трем. Это позволяет поддерживать одинаковую фазе напряжений, но сдвигать их по фазе друг с другом на 120 градусов. Максимально допустимая амплитуда фазного напряжения в линейной области, которая меньше или равна единице, составляет v фаза = v i / 2 . Максимально достижимая амплитуда линейного напряжения составляет V ab1 = v ab • √3 / 2

Единственный способ контроля напряжения нагрузки - это усиливающее входное напряжение постоянного тока..

Инверторы тока

РИСУНОК 7: Инвертор источника трехфазного тока Рисунок 8: Формы сигналов с синхронизированной широтно-импульсной модуляцией для инвертора с трехфазным источником тока a) Несущие и модулирующие сигналы b) Состояние S1 c) Состояние S3 d) Выходной ток Рисунок 9: Пространственно-электрическое представление в инверторах источника тока

Инверторы источника тока преобразуют постоянный ток в форму волны переменного тока. В приложениях, требующихся синусоидальных сигналов переменного тока, следует применять частоту и фазу. CSI большие изменения во времени, поэтому конденсаторы обычно используются на переменном токе, а катушки индуктивности обычно используются на стороне постоянного тока. Из-за отсутствия свободно вращающихся диодов силовая цепь уменьшается в размерах и весе, как правило, более надежна, чем VSI. Хотя однофазные топологии возможны, трехфазные CSI более практичны.

В наиболее обобщенном виде трехфазный CSI использует ту же последовательность проводимости, что и шестипульсный выпрямитель. В любое время включено только один переключатель с общим анодом.

В результате линейные токи дискретные значения –ii, 0 и ii. Состояния выбираются таким образом, что выводится желаемая форма сигнала и используются только действительные состояния. Этот выбор на основе методов модуляции, включая ШИМ на основе несущей, селективное подавление гармоник и методы пространственно-помещения.

Методы на основе несущей, используемые для VSI, также могут быть реализованы для CSI, которые приводят к линейным токам CSI, которые ведут себя так же, как линейные напряжения VSI. Цифровая схема, используемая для модуляции сигналов, содержит генератор переключающих импульсов, генератор закорачивающих импульсов, распределитель закорачивающих импульсов и сумматор переключающих и закорачивающих импульсов. Стробирующий сигнал создается на основе несущего тока и трех модулирующих сигналов.

Закорачивающий импульс добавляется к этому сигналу, когда один из верхних переключателей не закрывается, в результате чего среднеквадратичные токи равны на всех ветвях. Для каждой фазы используются одни и те же методы, однако переменные переключения сдвинуты по фазе на 120 градусов друг относительно друга, а импульсы тока сдвигаются на полупериод относительно выходных токов. Если треугольная несущая используется с синусоидальными модулирующими сигналами, то CSI использует синхронизированную широтно-импульсную модуляцию (SPWM). Если полная избыточная модуляция используется в сочетании с SPWM, инвертор, как говорят, работает в режиме прямоугольной волны.

Вторая категория модуляции CSI, SHE также аналогична своему аналогу VSI. Использование стробирующих сигналов, разработанных для VSI и набора синхронизирующих синусоидальных токовых сигналов приводит к симметрично распределенным закорачивающим импульсам и, следовательно, к симметричным схемам стробирования. Это позволяет исключить любое произвольное количество гармоник. Он также позволяет управлять током основной цепи за счет правильного выбора углов переключения первичной обмотки. Оптимальные схемы переключения должны иметь четвертьволновую и полуволновую симметрию, а также симметрию около 30 градусов и 150 градусов. Шаблоны переключения между 60 и 120 градусами не допускаются. Пульсации тока можно увеличить, используя выходные конденсаторы большей емкости или увеличивая количество переключающих импульсов.

Третья категория, пространственно-настройку модуля, генерирует токи линии нагрузки ШИМ, равные линии нагрузки. токи, в среднем. Допустимые состояния переключения и выбор времени производятся в цифровом виде на основе пространственного изображения. Модулирующие использование сигналов в виде комплексного вектора с уравнениями преобразования. Для сбалансированных трехфазных синусоидальных сигналов этот вектор становится фиксированным модулем, который вращается с изменением ω. Эти пространственные изображения используются для аппроксимации модулирующего сигнала. Если сигнал находится между произвольными векторами, объединяются с нулевыми векторами I7, I8 или I9. Следующие уравнения используются для обеспечения эквивалентности генерируемых токов и векторов тока.

Многоуровневые инверторы

РИСУНОК 10 : Трехуровневый инвертор с фиксацией нейтрали

Относительно новый класс, называемый многоуровневыми инверторами, широкий получил интерес. Нормальную работу CSI и VSI можно классифицировать как двухуровневые инверторы, потому что переключатели питания подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. Если бы на выходных клеммах инвертора было более двух уровней напряжения, выходного тока мог бы лучше соответствовать синусоиде. По причине многоуровневые инверторы, хотя и являются более сложными и дорогостоящими, наиболее высокой производительностью. Трехуровневый инвертор с фиксацией нейтрали показан на рисунке 10.

Методы управления трехуровневым инвертором позволяют только двум переключателям из четырех переключателей в каждой ветви одновременного состояния проводимости. Это обеспечивает плавную коммутацию и позволяет избежать проступков, выбирая только допустимые состояния. Также можно отметить, что, поскольку напряжение шины постоянного тока распределяется по крайней мере двумя силовыми клапанами, их номинальное напряжение может быть меньше, чем у двухуровневого аналога.

Для многоуровневых топологий используются методы модуляции на основе несущей и пространственно-векторной модуляции. Методы для этих методов повторяют методы классических инверторов, но с дополнительной сложностью. Пространственно-усилительная модуляция предлагает большее количество фиксированных векторов, которые могут быть установлены для аппроксимации сигнала модуляции, и, следовательно, позволяет реализовать более эффективные стратегии пространственно-сложной ШИМ за счет более сложных векторных алгоритмов. Из-за дополнительной сложности и количества полупроводниковых устройств многоуровневые инверторы в настоящее время больше подходят для мощных высоковольтных приложений. Эта технология уменьшает гармоники, как следствие, повышает общую эффективность схемы.

Преобразователи переменного тока в переменный

Преобразование мощности переменного тока в мощность переменного тока позволяет управлять напряжением, изменением и фазой сигнала, подаваемого на нагрузку от питаемой системы переменного тока. Две основные категории, которые можно использовать для разделения типов преобразователей, - это то, изменяется ли частота формы сигнала. Преобразователь переменного тока в переменный, который не позволяет пользователю значения частоты, известно как напряжение переменного тока. Контроллеры или регуляторы переменного тока. Преобразователи переменного тока, которые позволяют пользователю частоту, называются просто преобразователями частоты для переменного тока в переменный. Под преобразователями частоты обычно используются три различных преобразователя: циклоконвертер, матричный преобразователь, преобразователь постоянного тока (также известный как преобразователь переменного / постоянного / переменного тока).

Контроллер напряжения переменного тока: Назначение контроллера напряжения переменного тока или регулятора переменного тока в изменении среднеквадратичного напряжения на нагрузке при постоянной частоте. Общепринятыми способами управления: управление включением / выключением, управление фазовым углом и управление прерывателем переменного тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-управление прерывателем переменного тока). Все три метода могут быть реализованы не только в однофазных цепях, но и в трехфазных цепях.

  • Управление ВКЛ / ВЫКЛ: обычно используется для нагревательных нагрузок или управления скоростью двигателей, этот метод управления включает включение переключателя на интегральных циклов и выключение на интегральных циклов. Включаются нежелательные гармоник, переключатели включаются в условиях нулевого напряжения и нулевого тока.
  • Фазовый угол Управление: Существуют различные схемы реализации управления фазовым углом для сигналов различной формы, например, полуволнового или двухполупериодного управления напряжением. Обычно в качестве силовых электронных компонентов используются диоды, тиристоры и симисторы. С помощью этих компонентов пользователь может задерживать угол зажигания в районе, что приведет к выходу только части волны.
  • Управление прерывателем переменного тока с ШИМ: два других метода управления часто имеют плохие гармоники, качество выходного тока и коэффициент входной мощности. Чтобы улучшить эти значения, можно использовать ШИМ вместо других методов. ШИМ-прерыватель переменного тока имеет переключатели, которые включаются и выключаются несколько раз в течение чередующихся полупериодов входного напряжения.

Матричные преобразователи и циклоконвертеры: Циклоконвертеры широко используются в промышленности для преобразование переменного тока, потому что они могут использоваться в приложениях большой мощности. Они представляют собой коммутируемые преобразователи частоты прямого действия, синхронизируемые линией питания. Формы выходного напряжения циклоконвертера содержат сложные гармоники, причем гармоники более высокого порядка фильтруются индуктивностью машины. Вызывает меньшее количество гармоник в токе машины, в то время как оставшиеся гармоники вызывают потери и пульсации крутящего момента. Обратите внимание, что в циклоконвертере, в отличие от других преобразователей, нет катушек индуктивности или конденсаторов, т.е. нет запоминающих устройств. По этой причине мгновенная входная мощность и выходная мощность равны.

  • Однофазные в однофазные Циклоконвертеры : Однофазные циклоконверторы в однофазные стали привлекать больше интереса в последнее время из-за снижения как по размеру, так и по цене переключателей силовой электроники. Однофазное высокочастотное переменное напряжение может быть синусоидальным или трапециевидным. Это могут быть интервалы нулевого напряжения для целей управления или коммутации нулевого напряжения.
  • Трехфазные в однофазные Циклоконвертеры : Существуют два типа циклоконвертеров трехфазного в однофазный: 3φ на полуволновые циклоконвертеры 1φ и мостовые циклоконверторы 3φ на 1φ. И положительный, и отрицательный преобразователи могут генерировать напряжение любой полярности, в результате чего положительный преобразователь подает только положительный ток, а отрицательный преобразователь - только отрицательный ток.

С недавним развитием устройств разрабатываются новые формы циклоконвертеров, такие как матричные конвертеры. Первое изменение, которое впервые замечается, заключается в том, что в матричных преобразователях используются двунаправленные биполярные переключатели. Однофазный преобразователь матрицы в однофазный состоит из матрицы из 9 переключателей, соединяющих три входные фазы с выходной фазой дерева. Любую входную фазу и выходную фазу можно соединить вместе в любое время без одновременного подключения двух переключателей одной и той же фазы; в противном случае это вызовет короткое замыкание входных фаз. Матричные преобразователи легче, компактнее и универсальны, чем другие преобразователи. В результате они могут достигать более высоких уровней интеграции, работы при более высоких температурах, широкой выходной частоты и естественного двунаправленного потока мощности, подходящего для регенерации энергии обратно в сеть.

Матричные преобразователи подразделяются на два типа: прямые и косвенные преобразователи. В прямом матричном преобразователе с трехфазным входом и трехфазным выходом переключатели в матричном преобразователе должны быть двунаправленными, то есть они должны быть способны блокировать напряжения любой полярности и проводить ток в любом направлении. Эта стратегия переключения обеспечивает максимально возможное выходное напряжение и снижает реактивный ток на стороне сети. Следовательно, поток мощности через преобразователь обратим. Из-за проблем с коммутацией и сложным управлением он не может широко использоваться в промышленности.

В отличие от прямых матричных преобразователей, косвенные матричные преобразователи имеют ту же функциональность, но используют отдельные секции ввода и вывода, которые подключаются через канал постоянного тока без элементов хранения. Конструкция включает четырехквадрантный источник тока, выпрямитель и инвертор источника напряжения. Входная секция состоит из двунаправленных биполярных переключателей. Стратегию коммутации можно применить, изменив состояние переключения входной секции, пока выходная секция находится в режиме свободного хода. Этот алгоритм коммутации значительно менее сложен и более надежен по сравнению с обычным прямым матричным преобразователем.

Преобразователи звена постоянного тока: Преобразователи звена постоянного тока, также называемые преобразователями переменного / постоянного / переменного тока, преобразуют входной переменный ток в Выход переменного тока с использованием промежуточного звена постоянного тока посередине. Meaning that the power in the converter is converted to DC from AC with the use of a rectifier, and then it is converted back to AC from DC with the use of an inverter. The end result is an output with a lower напряжение и переменная (большая или низкая) частота. Из-за своей широкой области применения преобразователи AC / DC / AC являются наиболее распространенным современным решением. Другими преимуществами преобразователей переменного / постоянного / переменного тока являются то, что они стабильны в условиях перегрузки и холостого хода, а также могут быть отключены от нагрузки без повреждений.

Гибридный матричный преобразователь: Гибридные матричные преобразователи относительно новинка для преобразователей AC / AC. Эти преобразователи сочетают конструкцию AC / DC / AC с конструкцией матричного преобразователя. В этой новой категории было разработано несколько типов гибридных преобразователей, примером которых является преобразователь, в котором используются однонаправленные переключатели, и два каскада преобразователя без звена постоянного тока; без конденсаторов или катушек индуктивности, необходимых для звена постоянного тока, вес и размер преобразователя уменьшаются. Существуют две подкатегории гибридных преобразователей: гибридный прямой матричный преобразователь (HDMC) и гибридный косвенный матричный преобразователь (HIMC). HDMC преобразует напряжение и ток в одну ступень, в то время как HIMC использует отдельные ступени, такие как преобразователь переменного / постоянного / переменного тока, но без использования промежуточного накопительного элемента.

Приложения: Ниже приведен список распространенных приложения, в которых используется каждый преобразователь.

  • Контроллер переменного напряжения: управление освещением; Бытовое и промышленное отопление; Управление скоростью вращения вентиляторов, насосов или лебедок, плавный пуск асинхронных двигателей, статические переключатели переменного тока (контроль температуры, переключение ступеней трансформатора и т. Д.)
  • Циклоконвертер: низкоскоростные реверсивные низкоскоростные приводы электродвигателей переменного тока высокой мощности; Источник питания постоянной частоты с переменной входной частотой; Управляемые генераторы VAR для коррекции коэффициента мощности; Связи системы переменного тока, связывающие две независимые системы питания.
  • Матричный преобразователь: в настоящее время применение матричных преобразователей ограничено из-за отсутствия двусторонних монолитных переключателей, способных работать на высокой частоте, сложной реализации закона управления, коммутации и т. Д. причины. Благодаря этим разработкам матричные преобразователи могут заменить циклоконвертеры во многих областях.
  • Линия постоянного тока: может использоваться для приложений с индивидуальной или множественной нагрузкой в ​​машиностроении и строительстве.

Моделирование силовых электронных систем

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

Силовые электронные схемы моделируются с использованием программ компьютерного моделирования, таких как PLECS, PSIM и MATLAB / simulink. Цепи моделируются перед их производством, чтобы проверить реакцию цепей в определенных условиях. Кроме того, создание моделирования дешевле и быстрее, чем создание прототипа для тестирования.

Приложения

Размеры приложений силовой электроники варьируются от импульсных источников питания в адаптере переменного тока, зарядных устройствах, усилителях звука, люминесцентных лампах балластах, через частотно-регулируемые приводы и приводы двигателей постоянного тока, используемые для работы насосов, вентиляторов и производственное оборудование, вплоть до гигаваттных высоковольтных систем постоянного тока, используемых для объединения электрических сетей. Силовые электронные системы можно найти практически в каждом электронном устройстве. Например:

  • DC / DC преобразователи используются в большинстве мобильных устройств (мобильные телефоны, КПК и т. Д.) Для поддержания напряжения на фиксированном значении независимо от уровня напряжения батареи. Эти преобразователи также используются для электронной развязки и коррекции коэффициента мощности. оптимизатор мощности - это тип преобразователя постоянного тока в постоянный, разработанный для максимизации сбора энергии от солнечных фотоэлектрических или ветряных систем.
  • переменного тока. / Преобразователи постоянного тока (выпрямители ) используются каждый раз, когда электронное устройство подключается к сети (компьютер, телевизор и т. Д.). Они могут просто изменить переменный ток на постоянный или также могут изменить уровень напряжения в рамках своей работы.
  • Преобразователи переменного / переменного тока используются для изменения уровня напряжения или частоты (международные адаптеры питания, диммеры). В энергораспределительных сетях преобразователи переменного тока в переменный могут использоваться для обмена мощностью между электросетями с частотой 50 Гц и 60 Гц.
  • Преобразователи постоянного / переменного тока (инверторы ) используются в основном в ИБП или системах возобновляемой энергии или системах аварийного освещения. Электропитание заряжает аккумулятор постоянного тока. В случае отказа сети инвертор вырабатывает электричество переменного тока при сетевом напряжении от батареи постоянного тока. Солнечный инвертор, как меньшая струна, так и более крупные центральные инверторы, а также солнечный микроинвертор используются в фотогальванике как компонент фотоэлектрической системы.

Моторные приводы используются в насосах, воздуходувках и приводах мельниц для текстильных, бумажных, цементных и других подобных производств. Приводы могут использоваться для преобразования энергии и управления движением. Для двигателей переменного тока приложения включают частотно-регулируемые приводы, устройства плавного пуска двигателя и системы возбуждения.

В гибридных электромобилях (HEV), силовая электроника используется в двух форматах: последовательном гибридном и параллельном гибридном. Разница между последовательным гибридом и параллельным гибридом заключается в отношении электродвигателя к двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Устройства, используемые в электромобилях, состоят в основном из преобразователей постоянного / постоянного тока для зарядки аккумуляторов и преобразователей постоянного / переменного тока для питания силового двигателя. Электропоезда используют силовые электронные устройства для получения энергии, а также для векторного управления с помощью выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поезда получают питание от линий электропередачи. Еще одно новое применение силовой электроники - в лифтовых системах. В этих системах могут использоваться тиристоры, инверторы, двигатели с постоянными магнитами или различные гибридные системы, которые включают системы ШИМ и стандартные двигатели.

Инверторы

В Как правило, инверторы используются в приложениях, требующих прямого преобразования электрической энергии из постоянного в переменный или косвенного преобразования из переменного тока в переменный. Преобразование постоянного тока в переменное полезно для многих областей, включая регулирование мощности, компенсацию гармоник, моторные приводы и интеграцию в сеть возобновляемых источников энергии.

В энергосистемах часто требуется устранить гармонические составляющие, обнаруживаемые в линейных токах. VSI могут использоваться в качестве фильтров активной мощности для обеспечения этой компенсации. На основании измеренных токов и напряжений линии, система управления определяет текущие сигналы опорных для каждой фазы. Он возвращается через внешний контур и вычитается из фактических сигналов тока для создания сигналов тока для внутреннего контура инвертора. Эти сигналы затем заставляют инвертор генерировать выходные токи, которые компенсируют содержание гармоник. Эта конфигурация не требует реального потребления энергии, так как она полностью питается от линии; звено постоянного тока - это просто конденсатор, постоянное напряжение которого поддерживается системой управления. В этой конфигурации выходные токи синфазны с линейными напряжениями, чтобы обеспечить единичный коэффициент мощности. Напротив, компенсация VAR возможна в аналогичной конфигурации, в которой выходные токи опережают линейные напряжения для улучшения общего коэффициента мощности.

В объектах, которые постоянно требуют энергии, таких как больницы и аэропорты, используются системы ИБП. В резервной системе инвертор переводится в оперативный режим, когда обычная энергосеть прерывается. Электроэнергия мгновенно потребляется от местных аккумуляторов и преобразуется VSI в пригодное для использования напряжение переменного тока, пока не будет восстановлено электроснабжение сети или пока резервные генераторы не будут включены в работу. В онлайн-системе ИБП выпрямитель-звено постоянного тока-инвертор используется для защиты нагрузки от переходных процессов и гармоник. Аккумулятор, подключенный параллельно звену постоянного тока, остается полностью заряженным на выходе в случае прерывания подачи электроэнергии в сеть, в то время как выходной сигнал инвертора подается через фильтр нижних частот на нагрузку. Достигается высокое качество электроэнергии и независимость от помех.

Для управления скоростью, крутящим моментом и положением двигателей переменного тока были разработаны различные приводы двигателей переменного тока. Эти диски можно отнести к категории низкопроизводительных или высокопроизводительных в зависимости от того, скалярно ли они управляются или управляются вектором соответственно. В приводах с скалярным управлением, основной ток статора или частота и амплитуда напряжения являются единственными регулируемыми величинами. Поэтому эти приводы используются там, где не требуется высокий контроль качества, например, в вентиляторах и компрессорах. С другой стороны, приводы с векторным управлением позволяют непрерывно контролировать мгновенные значения тока и напряжения. Эта высокая производительность необходима для таких приложений, как лифты и электромобили.

Инверторы также жизненно важны для многих приложений возобновляемой энергии. В фотоэлектрических целях инвертор, который обычно представляет собой VSI с ШИМ, получает питание от выхода электрической энергии постоянного тока фотоэлектрического модуля или массива. Затем инвертор преобразует это в напряжение переменного тока, которое будет подключено либо к нагрузке, либо к электросети. Инверторы также могут использоваться в других возобновляемых системах, таких как ветряные турбины. В этих приложениях частота вращения турбины обычно изменяется, вызывая изменения частоты напряжения, а иногда и величины. В этом случае генерируемое напряжение можно выпрямить, а затем инвертировать для стабилизации частоты и величины.

Интеллектуальная сеть

A интеллектуальная сеть - это модернизированная электрическая сеть, в которой используется информационные и коммуникационные технологии для сбора и обработки информации, такой как информация о поведении поставщиков и потребителей, в автоматическом режиме с целью повышения эффективности, надежности, экономики и устойчивости производства и распределения электроэнергии.

Электроэнергия, вырабатываемая ветровыми турбинами и гидроэлектрическими турбинами с использованием индукционных генераторов, может вызывать отклонения в частоте, с которой вырабатывается энергия. В этих системах используются силовые электронные устройства для преобразования генерируемого переменного напряжения в высоковольтный постоянный ток (HVDC ). Мощность HVDC может быть более легко преобразована в трехфазную мощность, которая согласована с мощностью, связанной с существующей энергосистемой. Благодаря этим устройствам мощность, передаваемая этими системами, становится чище и имеет более высокий коэффициент мощности. Оптимальный крутящий момент для ветроэнергетических систем достигается с помощью редуктора или технологий прямого привода, которые могут уменьшить размер устройства силовой электроники.

Электроэнергия может вырабатываться с помощью фотоэлектрических элементов с использованием силовой электроники устройств. Произведенная энергия обычно затем преобразуется солнечными инверторами. Инверторы делятся на три типа: центральные, модульные и струнные. Центральные преобразователи могут быть подключены параллельно или последовательно на стороне постоянного тока системы. Для фотоэлектрических "ферм" используется один центральный преобразователь для всей системы. Интегрированные в модули преобразователи подключаются последовательно либо со стороны постоянного, либо переменного тока. Обычно в фотоэлектрической системе используется несколько модулей, поскольку для системы требуются эти преобразователи как на клеммах постоянного, так и переменного тока. Струнный преобразователь используется в системе, в которой используются фотоэлектрические элементы, направленные в разные стороны. Он используется для преобразования энергии, генерируемой в каждую цепочку или линию, в которой взаимодействуют фотоэлектрические элементы.

Силовая электроника может использоваться, чтобы помочь коммунальным службам адаптироваться к быстрому росту распределенных жилых / коммерческих зданий солнечная энергия генерация. Германия и некоторые районы Гавайев, Калифорнии и Нью-Джерси требуют проведения дорогостоящих исследований перед утверждением новых солнечных установок. Относительно небольшие по размеру устройства, устанавливаемые на земле или на опоре, создают потенциал для распределенной инфраструктуры управления для мониторинга и управления потоком энергии. Традиционные электромеханические системы, такие как конденсаторные батареи или регуляторы напряжения на подстанциях, могут потребовать минуты для регулировки напряжения и могут быть удалены от солнечных установок, где возникают проблемы.. Если напряжение в соседней цепи становится слишком высоким, это может поставить под угрозу коммунальные службы и вызвать повреждение как коммунального, так и клиентского оборудования. Кроме того, отказ сети вызывает немедленное отключение фотоэлектрических генераторов, что приводит к резкому увеличению спроса на электроэнергию. Регуляторы на основе интеллектуальных сетей более управляемы, чем гораздо более многочисленные потребительские устройства.

В другом подходе группа из 16 западных коммунальных предприятий, названная Western Electric Industry Leaders, призвала к обязательному использованию «интеллектуальных инверторов». Эти устройства преобразуют постоянный ток в бытовой переменный ток, а также могут помочь с качеством электроэнергии. Такие устройства могут устранить необходимость в дорогостоящей модернизации коммунального оборудования при гораздо меньшей общей стоимости.

См. Также

Примечания

Ссылки

  • Исса Батарсе, «Силовые электронные схемы» Джона Вили, 2003 г.
  • СК Мазумдер, «Высокочастотные инверторы: от фотоэлектрических, ветряных и топливных элементов, основанных на возобновляемых источниках энергии и системах DER / DG до аккумуляторных систем хранения энергии», глава книги в справочнике по силовой электронике, редактор M.H. Рашид, Academic Press, Берлингтон, Массачусетс, 2010.
  • В. Гурейх "Электронные устройства на дискретных компонентах для промышленности и энергетики", CRC Press, Нью-Йорк, 2008, 418 стр.
  • Редактор: Semikron, Авторы: д-р Ульрих Николай, д-р Тобиас Рейманн, проф. Юрген Петцольдт, Йозеф Лутц: Руководство по применению силовых модулей IGBT и MOSFET, 1. издание, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5 онлайн-версия
  • Р. В. Эриксон, Д. Максимович, Основы силовой электроники, 2-е изд., Springer, 2001 г., ISBN 0-7923-7270-0 [1]
  • Арендт Винтрих; Ульрих Николай; Вернер Турский; Тобиас Рейманн (2010), Applikationshandbuch 2010 (PDF-версия) (на немецком языке) (2-е изд.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-56 -7
  • Арендт Винтрих; Ульрих Николай; Вернер Турский; Тобиас Рейманн (2011), Руководство по применению 2011 (PDF) (на немецком языке) (2-е изд.), ISLE Verlag, ISBN 978-3-938843-66- 6, заархивировано из оригинала (PDF-версия) 03.09.2013

Внешние ссылки

  • значок Портал электроники
  • Технологический портал
На Викискладе есть материалы, связанные с Силовая электроника.
Последняя правка сделана 2021-06-02 13:10:20
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте