Силовая электроника

Эта статья о технологии силовой электроники. Чтобы узнать о музыкальном жанре, см. Силовая электроника (музыка) .

Башня клапана HVDC тиристорного высотой 16,8 м в зале компании Baltic Cable AB в Швеции.

Зарядное устройство для аккумулятора является примером силовой электроники.

Блок питания ПК является примером силовой электроники, находящейся внутри или снаружи шкафа.

Силовая электроника — это применение электроники для управления и преобразования электроэнергии .

Первые мощные электронные устройства были изготовлены с использованием ртутно-дуговых ламп . В современных системах преобразование выполняется с помощью полупроводниковых переключающих устройств, таких как диоды , тиристоры и силовые транзисторы , такие как силовые MOSFET и IGBT . В отличие от электронных систем, связанных с передачей и обработкой сигналов и данных, в силовой электронике обрабатываются значительные объемы электрической энергии. Преобразователь переменного/постоянного тока ( выпрямитель ) является наиболее типичным устройством силовой электроники, которое можно найти во многих бытовых электронных устройствах, например телевизорах , персональных компьютерах , зарядных устройствах и т. д. Диапазон мощности обычно составляет от десятков до нескольких сотен ватт. В промышленности обычным применением является привод с регулируемой скоростью (VSD) , который используется для управления асинхронным двигателем . Диапазон мощностей ЧРП начинается от нескольких сотен ватт и заканчивается десятками мегаватт .

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

• Переменный ток в постоянный ( выпрямитель )
• Постоянный ток в переменный ( инвертор )
• DC в DC ( преобразователь постоянного тока в постоянный )
• AC в AC ( преобразователь переменного тока в переменный )

История

Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя. Изобретенный Питером Купером Хьюиттом в 1902 году, он использовался для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутных дуговых клапанов с сеточным управлением для передачи энергии. Уно Ламм разработал ртутный клапан с выравнивающими электродами, что делает его пригодным для постоянного тока высокого напряжения передачи энергии . В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители.

Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но реально сконструировать работающее устройство в то время не удалось. биполярный транзистор с точечным контактом изобрели В 1947 году Уолтер Х. Браттейн и Джон Бардин под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs . В 1948 году изобретение Шокли биполярного транзистора (BJT) улучшило стабильность и производительность транзисторов , а также снизило затраты. К 1950-м годам стали доступны полупроводниковые диоды большей мощности , которые начали заменять электронные лампы . В 1956 году кремниевый управляемый выпрямитель представила компания General Electric (SCR) , что значительно расширило диапазон применения силовой электроники. К 1960-м годам улучшенная скорость переключения биполярных транзисторов позволила создать высокочастотные преобразователи постоянного тока.

Р. Д. Миддлбрук внес важный вклад в силовую электронику. В 1970 году он основал группу Power Electronics Group в Калифорнийском технологическом институте . Он разработал метод анализа усреднения в пространстве состояний и другие инструменты, имеющие решающее значение для проектирования современной силовой электроники.

Силовой МОП-транзистор

Основная статья: Силовой МОП-транзистор

См. также: MOSFET , VMOS , LDMOS и биполярный транзистор с изолированным затвором.

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET ( полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) Мохамедом Аталлой и Давоном Кангом из Bell Labs в 1959 году. Поколения MOSFET-транзисторов позволили разработчикам источников питания достичь недостижимого уровня производительности и плотности. с биполярными транзисторами. Благодаря усовершенствованиям в технологии МОП-транзисторов (первоначально использовавшихся для производства интегральных схем ), силовые МОП-транзисторы стали доступны в 1970-х годах.

В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор. который позже будет известен как VMOS (MOSFET с V-образной канавкой). С 1974 года Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с мощными МОП-транзисторами. Компания International Rectifier представила мощный МОП-транзистор на 25 А, 400 В в 1978 году. Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но ограничено приложениями с низким напряжением.

Силовой МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым устройством в мире из-за его низкой мощности управления затвором, быстрой скорости переключения, простая расширенная возможность параллельного распараллеливания, широкая полоса пропускания , надежность, простота привода, простое смещение, простота применения и простота ремонта. Он имеет широкий спектр применений силовой электроники, таких как портативные информационные устройства , силовые интегральные схемы, сотовые телефоны , ноутбуки и коммуникационная инфраструктура , обеспечивающая доступ в Интернет .

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

Устройства

См. Также: Силовые полупроводниковые устройства.

Возможности и экономичность системы силовой электроники определяются доступными активными устройствами. Их характеристики и ограничения являются ключевым элементом проектирования систем силовой электроники. Раньше ртутный дуговой вентиль , высоковакуумные и газонаполненные диодные термоэлектронные выпрямители, триггерные устройства типа тиратрона и игнитрона в силовой электронике широко применялись . По мере того, как характеристики твердотельных устройств улучшались как по напряжению, так и по токовой способности, вакуумные устройства были почти полностью заменены твердотельными устройствами.

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

Несколько атрибутов определяют, как используются устройства. Такие устройства, как диоды, проводят ток при подаче прямого напряжения и не имеют внешнего контроля начала проводимости. Силовые устройства, такие как кремниевые выпрямители и тиристоры (а также ртутный клапан и тиратрон ), позволяют контролировать начало проводимости, но для их выключения полагаются на периодическое изменение направления тока. Такие устройства, как тиристоры с затвором, биполярные транзисторы и полевые МОП- транзисторы, обеспечивают полный контроль переключения и могут включаться и выключаться независимо от тока, протекающего через них. Транзисторные устройства также допускают пропорциональное усиление, но оно редко используется для систем мощностью более нескольких сотен ватт. Характеристики управляющего входа устройства также существенно влияют на конструкцию; иногда управляющий вход находится под очень высоким напряжением относительно земли и должен питаться от изолированного источника.

Поскольку эффективность силового электронного преобразователя имеет первостепенное значение, потери, создаваемые силовым электронным устройством, должны быть как можно меньшими.

Устройства различаются по скорости переключения. Некоторые диоды и тиристоры подходят для относительно медленной скорости и полезны для промышленной частотой переключения и управления ; некоторые тиристоры полезны при частоте в несколько килогерц. Такие устройства, как МОП-транзисторы и биполярные транзисторы, могут переключаться на частоте от десятков килогерц до нескольких мегагерц в силовых приложениях, но с уменьшением уровня мощности. Устройства на электронных лампах доминируют в приложениях высокой мощности (сотни киловатт) и очень высоких частотах (сотни или тысячи мегагерц). Устройства с более быстрым переключением минимизируют потери энергии при переходах от включения к выключению и обратно, но могут создавать проблемы с излучаемыми электромагнитными помехами. Схемы управления затвором (или эквивалентные) должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить достаточный ток управления для достижения полной скорости переключения, возможной для устройства. Устройство без достаточного привода для быстрого переключения может выйти из строя из-за чрезмерного нагрева.

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

Мощность и рассеивание устройств также являются критическими факторами при проектировании. Силовым электронным устройствам, возможно, придется рассеивать десятки или сотни ватт отходящего тепла, даже максимально эффективно переключаясь между проводящим и непроводящим состояниями. В режиме переключения контролируемая мощность намного превышает мощность, рассеиваемую в переключателе. Прямое падение напряжения в проводящем состоянии приводит к выделению тепла, которое необходимо рассеять. Полупроводники высокой мощности требуют специальных радиаторов или систем активного охлаждения для управления температурой их перехода ; экзотические полупроводники, такие как карбид кремния, имеют в этом отношении преимущество перед простым кремнием и германием, который когда-то был основой твердотельной электроники, сейчас мало используется из-за его неблагоприятных высокотемпературных свойств.

Полупроводниковые устройства существуют с номиналами до нескольких киловольт в одном устройстве. Там, где необходимо контролировать очень высокое напряжение, необходимо использовать несколько устройств последовательно с сетями для выравнивания напряжения на всех устройствах. Опять же, скорость переключения является критическим фактором, поскольку самому медленно переключающемуся устройству придется выдерживать непропорциональную долю общего напряжения. Когда-то клапаны Mercury были доступны с номиналами до 100 кВ в одном блоке, что упрощало их применение в системах высокого напряжения постоянного тока .

Номинальный ток полупроводникового устройства ограничен теплом, выделяемым внутри кристаллов, и теплом, выделяемым при сопротивлении соединительных проводов. Полупроводниковые приборы должны быть спроектированы так, чтобы ток равномерно распределялся внутри устройства по его внутренним переходам (или каналам); как только образуется «горячая точка», последствия поломки могут быстро разрушить устройство. Некоторые SCR доступны с номинальным током до 3000 ампер в одном устройстве.

Преобразователи постоянного/переменного тока (инверторы)

Основная статья: инвертор мощности

Преобразователи постоянного тока в переменный создают выходной сигнал переменного тока из источника постоянного тока. Приложения включают приводы с регулируемой скоростью (ASD), источники бесперебойного питания (ИБП), гибкие системы передачи переменного тока (FACTS), компенсаторы напряжения и фотоэлектрические инверторы . Топологии 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 сигнал напряжения. Аналогичным образом, инверторы источника тока (CSI) отличаются тем, что управляемый выход переменного тока представляет собой сигнал тока.

Преобразование постоянного тока в переменный ток осуществляется с помощью устройств переключения мощности, которые обычно представляют собой полностью управляемые полупроводниковые силовые переключатели. Таким образом, выходные сигналы состоят из дискретных значений, что обеспечивает быстрые переходы, а не плавные. Для некоторых приложений достаточно даже грубого приближения синусоидальной формы сигнала переменного тока. Там, где требуется форма сигнала, близкая к синусоидальной, переключающие устройства работают намного быстрее, чем желаемая выходная частота, а время, которое они проводят в любом состоянии, контролируется, поэтому усредненный выходной сигнал становится почти синусоидальным. Общие методы модуляции включают метод на основе несущей или широтно-импульсную модуляцию , метод пространственного вектора и метод выборочных гармоник.

Инверторы источника напряжения находят практическое применение как в однофазных, так и в трехфазных системах. В однофазных VSI используются полумостовые и полномостовые конфигурации, и они широко используются в источниках питания, однофазных ИБП, а также в сложных топологиях высокой мощности при использовании в многосотовых конфигурациях. Трехфазные преобразователи напряжения используются в приложениях, требующих синусоидальной формы напряжения, таких как преобразователи частоты, ИБП и некоторые типы устройств FACTS, например STATCOM . Они также используются в приложениях, где требуются произвольные напряжения, например, в фильтрах активной мощности и компенсаторах напряжения.

Инверторы источника тока используются для получения выходного переменного тока из источника постоянного тока. Этот тип инвертора удобен для трехфазных приложений, в которых требуются сигналы высокого качества.

Широкий интерес получил относительно новый класс инверторов, названный многоуровневыми инверторами. Нормальную работу CSI и VSI можно классифицировать как двухуровневые инверторы, поскольку силовые ключи подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. Если бы на выходных клеммах инвертора было доступно более двух уровней напряжения, выход переменного тока мог бы лучше приближаться к синусоидальной волне. Именно по этой причине многоуровневые инверторы хоть и более сложны и дороги, но обеспечивают более высокую производительность.

Каждый тип инвертора отличается используемыми звеньями постоянного тока и тем, требуются ли для них безынерционные диоды . Любой из них может работать в режиме прямоугольной или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в зависимости от предполагаемого использования. Режим прямоугольных импульсов обеспечивает простоту, а ШИМ можно реализовать несколькими различными способами и обеспечивает получение сигналов более высокого качества.

Инверторы источника напряжения (VSI) питают выходную секцию инвертора от источника примерно постоянного напряжения.

Желаемое качество выходного сигнала тока определяет, какой метод модуляции необходимо выбрать для данного приложения. Выходные данные VSI состоят из дискретных значений. Чтобы получить плавную форму тока, нагрузки должны быть индуктивными на выбранных частотах гармоник. Без какой-либо индуктивной фильтрации между источником и нагрузкой емкостная нагрузка приведет к тому, что нагрузка будет получать прерывистую форму тока с большими и частыми скачками тока.

Существует три основных типа VSI:

1. Однофазный полумостовой инвертор
2. Однофазный мостовой инвертор
3. Инвертор трехфазного напряжения

Однофазный полумостовой инвертор

Рисунок 8. Вход переменного тока для преобразователя частоты.

РИСУНОК 9: Однофазный полумостовой инвертор напряжения

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

Гармоники тока низкого порядка инжектируются обратно в напряжение источника в результате работы инвертора. Это означает, что в этой конструкции для целей фильтрации необходимы два больших конденсатора. Как показано на рис. 9, в каждой ветви инвертора может быть включен только один переключатель. Если бы оба переключателя в ветви были включены одновременно, источник постоянного тока был бы закорочен.

Инверторы могут использовать несколько методов модуляции для управления 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 , включается S+, а когда v _c меньше v _Δ , включается S−. Когда выход переменного тока имеет частоту fc с амплитудой v _c , а треугольный сигнал несущей 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 индекс модуляции или коэффициент амплитудной модуляции определяется как m _a = v _c /v _∆ .

Нормализованная несущая частота или коэффициент частотной модуляции рассчитывается с использованием уравнения m _f = f _∆ /f _c .

Если область перемодуляции ma превышает единицу, будет наблюдаться более высокое основное выходное напряжение переменного тока, но за счет насыщения. Для SPWM гармоники выходного сигнала имеют четко определенные частоты и амплитуды. Это упрощает конструкцию фильтрующих компонентов, необходимых для подавления гармоник тока низкого порядка при работе 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 (ШИМ), оба переключателя в ветви прямоугольной модуляции не могут быть включены одновременно, так как это может вызвать короткое замыкание в источнике напряжения. Схема переключения требует, чтобы S+ и S- были включены в течение полупериода периода выходного переменного тока. Основная выходная амплитуда переменного тока равна v _o1 = v _aN = 2v _i /π .

Его гармоники имеют амплитуду v _oh = v _o1 /h .

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

Использование селективного подавления гармоник (SHE) в качестве метода модуляции позволяет при переключении инвертора избирательно устранять внутренние гармоники. Основную составляющую выходного напряжения переменного тока также можно регулировать в желаемом диапазоне. Поскольку выходное переменное напряжение, полученное с помощью этого метода модуляции, имеет нечетную полуволновую и нечетную четвертьволновую симметрию, четных гармоник не существует. Любые нежелательные нечетные (N-1) внутренние гармоники выходного сигнала могут быть устранены.

Однофазный мостовой инвертор

РИСУНОК 3: Полномостовой инвертор с однофазным источником напряжения

РИСУНОК 4: Несущая и модулирующие сигналы для метода биполярной широтно-импульсной модуляции.

Полномостовой инвертор аналогичен полумостовому инвертору, но имеет дополнительную ногу для подключения нейтральной точки к нагрузке. На рисунке 3 показана принципиальная схема мостового инвертора с однофазным источником напряжения.

Чтобы избежать короткого замыкания источника напряжения, S1+ и S1- не могут быть включены одновременно, а S2+ и S2- также не могут быть включены одновременно. Любой метод модуляции, используемый для конфигурации с полным мостом, должен включать либо верхний, либо нижний переключатель каждой ветви в любой момент времени. Благодаря дополнительному плечу максимальная амплитуда выходного сигнала равна Vi и в два раза превышает максимально достижимую выходную амплитуду для полумостовой конфигурации.

Состояния 1 и 2 из таблицы 2 используются для формирования выходного напряжения переменного тока с помощью биполярной ШИМ. Выходное напряжение переменного тока может принимать только два значения: Vi или −Vi. Для генерации этих же состояний с использованием полумостовой конфигурации можно использовать метод на основе несущей. Включение S+ для полумоста соответствует включению S1+ и S2- для полного моста. Аналогично, включение S- для полумоста соответствует включению S1- и S2+ для полного моста. Выходное напряжение для этого метода модуляции более или менее синусоидальное, с основной составляющей, амплитуда которой в линейной области меньше или равна единице. v _o1 =v _ab1 знак равно v _я • м _а .

В отличие от метода биполярной ШИМ, униполярный подход использует состояния 1, 2, 3 и 4 из таблицы 2 для генерации выходного переменного напряжения. Поэтому 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 униполярной SPWM на основе несущей v _o1 =2 • v _aN1 = vi _• m _a .

Фазные напряжения VaN и VbN идентичны, но сдвинуты по фазе друг с другом на 180 градусов. Выходное напряжение равно разности двухфазных напряжений и не содержит четных гармоник. Следовательно, если взять mf, даже гармоники выходного переменного напряжения появятся на нормализованных нечетных частотах fh. Эти частоты сосредоточены на двойном значении нормализованной несущей частоты. Эта особенность позволяет использовать меньшие компоненты фильтрации при попытке получить выходной сигнал более высокого качества.

Как и в случае с полумостовым SHE, выходное напряжение переменного тока не содержит четных гармоник из-за его нечетной полу- и нечетной четвертьволновой симметрии.

Инвертор трехфазного напряжения

РИСУНОК 5. Схема инвертора источника трехфазного напряжения.

РИСУНОК 6: Трехфазный прямоугольный сигнал a) Состояние переключения S1 b) Состояние переключения S3 c) Выход S1 d) Выход S3

Однофазные VSI используются в основном для приложений с низким диапазоном мощности, тогда как трехфазные VSI охватывают приложения как средней, так и высокой мощности. На рисунке 5 показана принципиальная схема трехфазного преобразователя частоты VSI.

Переключатели в любой из трех ветвей инвертора не могут быть выключены одновременно, поскольку это приводит к тому, что напряжения зависят от полярности соответствующего линейного тока. Состояния 7 и 8 создают нулевое напряжение в сети переменного тока, что приводит к тому, что линейные токи переменного тока свободно протекают через верхний или нижний компоненты. Однако сетевые напряжения для состояний с 1 по 6 создают сетевое напряжение переменного тока, состоящее из дискретных значений Vi, 0 или −Vi.

Для трехфазной ШИМ используются три модулирующих сигнала, которые сдвинуты по фазе на 120 градусов друг с другом для создания сдвинутых по фазе напряжений нагрузки. Чтобы сохранить характеристики ШИМ при использовании сигнала с одной несущей, нормализованная несущая частота mf должна быть кратна трем. Это сохраняет величину фазных напряжений одинаковой, но сдвинутой по фазе друг с другом на 120 градусов. Максимально достижимая амплитуда фазного напряжения в линейной области, ma меньше или равная единице, равна = _vphase vi _/ 2 . Максимально достижимая амплитуда сетевого напряжения составляет V _ab1 = v _ab • √ 3 / 2.

Единственный способ контролировать напряжение нагрузки — изменять входное напряжение постоянного тока.

Инверторы тока

РИСУНОК 7: Инвертор источника трехфазного тока

Рисунок 8: Синхронизированные сигналы широтно-импульсной модуляции для инвертора трехфазного тока a) Несущие и модулирующие сигналы Ss b) Состояние S1 c) Состояние S3 d) Выходной ток

Рисунок 9: Представление пространственного вектора в инверторах источника тока

Инверторы источника тока преобразуют постоянный ток в сигнал переменного тока. В приложениях, требующих синусоидальных сигналов переменного тока, необходимо контролировать величину, частоту и фазу. CSI имеют большие изменения тока с течением времени, поэтому конденсаторы обычно используются на стороне переменного тока, а катушки индуктивности обычно используются на стороне постоянного тока. Из-за отсутствия обратных диодов силовая цепь уменьшается в размерах и весе и, как правило, более надежна, чем VSI. Хотя однофазные топологии возможны, трехфазные CSI более практичны.

В наиболее обобщенной форме трехфазный CSI использует ту же последовательность проводимости, что и шестиимпульсный выпрямитель. В любой момент времени включен только один ключ с общим катодом и один ключ с общим анодом.

В результате линейные токи принимают дискретные значения –ii, 0 и ii. Состояния выбираются таким образом, чтобы на выходе выдавалась желаемая форма сигнала и использовались только допустимые состояния. Этот выбор основан на методах модуляции, которые включают ШИМ на основе несущей, избирательное устранение гармоник и методы пространственного вектора.

Методы на основе несущей, используемые для VSI, также могут быть реализованы для CSI, в результате чего линейные токи CSI ведут себя так же, как линейные напряжения VSI. Цифровая схема, используемая для модуляции сигналов, содержит генератор переключающих импульсов, генератор замыкающих импульсов, распределитель замыкающих импульсов и сумматор переключающих и замыкающих импульсов. Стробирующий сигнал создается на основе несущего тока и трех модулирующих сигналов.

К этому сигналу добавляется закорачивающий импульс, когда ни верхние переключатели, ни нижние переключатели не заперты, в результате чего среднеквадратичные токи становятся одинаковыми во всех ветвях. Для каждой фазы используются одни и те же методы, однако переменные переключения сдвинуты по фазе на 120 градусов относительно друг друга, а импульсы тока сдвинуты на полупериод относительно выходных токов. Если треугольная несущая используется с синусоидальными модулирующими сигналами, говорят, что CSI использует синхронизированную широтно-импульсную модуляцию (SPWM). Если в сочетании с SPWM используется полная перемодуляция, говорят, что инвертор работает в режиме прямоугольной формы.

Вторая категория модуляции CSI, SHE, также аналогична своему аналогу VSI. Использование стробирующих сигналов, разработанных для VSI, и набора синхронизирующих сигналов синусоидального тока приводит к симметрично распределенным замыкающим импульсам и, следовательно, к симметричным схемам стробирования. Это позволяет исключить любое произвольное количество гармоник. Это также позволяет контролировать основной ток линии посредством правильного выбора первичных углов переключения. Оптимальные схемы переключения должны иметь четвертьволновую и полуволновую симметрию, а также симметрию около 30 градусов и 150 градусов. Режим переключения никогда не допускается между 60 и 120 градусами. Пульсации тока можно дополнительно уменьшить за счет использования выходных конденсаторов большей емкости или увеличения количества переключающих импульсов.

Третья категория, модуляция на основе пространственного вектора, генерирует токи в линии нагрузки ШИМ, которые в среднем равны токам в линии нагрузки. Действительные состояния переключения и выбор времени выполняются в цифровом виде на основе преобразования пространственного вектора. Модулирующие сигналы представляются как комплексный вектор с использованием уравнения преобразования. Для сбалансированных трехфазных синусоидальных сигналов этот вектор становится фиксированным модулем, который вращается с частотой ω. Эти пространственные векторы затем используются для аппроксимации модулирующего сигнала. Если сигнал находится между произвольными векторами, векторы 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 фиксированием нейтрали

Относительно новый класс, называемый многоуровневыми инверторами, получил широкий интерес. Нормальную работу CSI и VSI можно классифицировать как двухуровневые инверторы, поскольку силовые выключатели подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. Если бы на выходных клеммах инвертора было доступно более двух уровней напряжения, выход переменного тока мог бы лучше приближаться к синусоидальной волне. По этой причине многоуровневые инверторы, хотя и более сложны и дороги, обладают более высокой производительностью. Трехуровневый инвертор с нейтральным ограничением показан на рисунке 10.

Методы управления трехуровневым инвертором позволяют только двум переключателям из четырех переключателей в каждой ноге одновременно изменять состояния проводимости. Это обеспечивает плавную коммутацию и позволяет избежать прострелов за счет выбора только допустимых состояний. Также можно отметить, что, поскольку напряжение шины постоянного тока распределяется как минимум на два силовых клапана, их номинальные напряжения могут быть меньше, чем у двухуровневого аналога.

Методы модуляции на основе несущей и пространственно-векторной модуляции используются для многоуровневых топологий. Методы этих методов аналогичны методам классических инверторов, но с дополнительной сложностью. Пространственно-векторная модуляция предлагает большее количество фиксированных векторов напряжения, которые можно использовать при аппроксимации сигнала модуляции, и, следовательно, позволяет реализовать более эффективные стратегии пространственно-векторной ШИМ за счет более сложных алгоритмов. Из-за дополнительной сложности и количества полупроводниковых устройств многоуровневые инверторы в настоящее время больше подходят для мощных высоковольтных приложений. Эта технология уменьшает гармоники, следовательно, повышает общую эффективность схемы.

Преобразователи переменного/переменного тока

Основная статья: преобразователь переменного/переменного тока

Преобразование мощности переменного тока в мощность переменного тока позволяет контролировать напряжение, частоту и фазу сигнала, подаваемого на нагрузку из питаемой системы переменного тока. Две основные категории, которые можно использовать для разделения типов преобразователей, заключаются в том, изменяется ли частота сигнала. Преобразователи переменного/переменного тока , которые не позволяют пользователю изменять частоты, известны как контроллеры напряжения переменного тока или регуляторы переменного тока. Преобразователи переменного тока , которые позволяют пользователю изменять частоту, называются просто преобразователями частоты для преобразования переменного тока в переменный. В преобразователях частоты обычно используются три различных типа преобразователей: циклоконвертер, матричный преобразователь, преобразователь звена постоянного тока (также известный как преобразователь переменного/постоянного/переменного тока).

Контроллер напряжения переменного тока. Целью контроллера напряжения переменного тока или регулятора переменного тока является изменение среднеквадратичного напряжения на нагрузке при постоянной частоте. Три общепринятых метода управления: управление ВКЛ/ВЫКЛ, управление фазовым углом и управление прерывателем переменного тока с широтно-импульсной модуляцией (управление прерывателем переменного тока с ШИМ). Все три метода могут быть реализованы не только в однофазных, но и в трехфазных цепях.

• Управление ВКЛ/ВЫКЛ: обычно используется для нагрева нагрузки или управления скоростью двигателей. Этот метод управления включает в себя включение переключателя на n интегральных циклов и выключение переключателя на m интегральных циклов. Поскольку включение и выключение переключателей приводит к созданию нежелательных гармоник, переключатели включаются и выключаются в условиях нулевого напряжения и нулевого тока (переход через ноль), что эффективно снижает искажения.
• Управление фазовым углом: существуют различные схемы для реализации управления фазовым углом на различных формах сигналов, например, управление полуволновым или полноволновым напряжением. Обычно используемые силовые электронные компоненты — это диоды, тиристоры и симисторы. Используя эти компоненты, пользователь может задержать угол открытия волны, в результате чего на выходе будет только часть волны.
• Управление прерывателем переменного тока с ШИМ. Два других метода управления часто имеют плохие гармоники, качество выходного тока и входной коэффициент мощности. Чтобы улучшить эти значения, вместо других методов можно использовать ШИМ. 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 преобразования переменного тока в переменный, поскольку их можно использовать в приложениях большой мощности. Это коммутируемые преобразователи частоты прямого действия, синхронизируемые по линии питания. Формы выходного напряжения циклоконвертеров имеют сложные гармоники, причем гармоники более высокого порядка фильтруются индуктивностью машины. В результате тока машины становится меньше гармоник, а оставшиеся гармоники вызывают потери и пульсации крутящего момента. Обратите внимание, что в циклоконверторе, 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.

• из однофазного в однофазное Циклоконвертеры : Циклоконвертеры из однофазного в однофазное в последнее время начали вызывать все больший интерес. из-за уменьшения размеров и цены 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.
• из трехфазного в однофазный Циклоконвертеры : существует два типа циклоконвертеров из трехфазного в однофазный: полуволновые циклоконвертеры с 3φ в 1φ и мостовые циклоконвертеры с 3φ в 1φ. Как положительные, так и отрицательные преобразователи могут генерировать напряжение любой полярности, в результате чего положительный преобразователь подает только положительный ток, а отрицательный преобразователь - только отрицательный ток.

Благодаря недавним достижениям в устройствах разрабатываются новые формы циклоконвертеров, такие как матричные преобразователи. Первое изменение, которое бросается в глаза, заключается в том, что в матричных преобразователях используются двунаправленные биполярные переключатели. Однофазный матричный преобразователь в однофазный состоит из матрицы из 9 переключателей, соединяющих три входные фазы с трехфазной выходной фазой. Любую входную и выходную фазу можно соединить вместе в любое время без одновременного подключения двух переключателей одной фазы; в противном случае это приведет к короткому замыканию входных фаз. Матричные преобразователи легче, компактнее и универсальнее других преобразователей. В результате они могут достичь более высокого уровня интеграции, работы при более высоких температурах, широкой выходной частоты и естественного двунаправленного потока энергии, подходящего для регенерации энергии обратно в сеть.

Матричные преобразователи подразделяются на два типа: преобразователи прямого и косвенного действия. Прямой матричный преобразователь 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. Такая 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 сложного управления он не может широко использоваться в промышленности.

В отличие от прямых матричных преобразователей, косвенные матричные преобразователи имеют те же функциональные возможности, но используют отдельные входные и выходные секции, подключаемые через цепь постоянного тока без элементов хранения. Конструкция включает в себя четырехквадрантный выпрямитель источника тока и инвертор источника напряжения. Входная секция состоит из двунаправленных биполярных переключателей. Стратегия коммутации может быть применена путем изменения состояния переключения входной секции, когда выходная секция находится в режиме свободного хода. Этот алгоритм коммутации значительно менее сложен и имеет более высокую надежность по сравнению с традиционным прямым матричным преобразователем.

Преобразователи звена постоянного тока. Преобразователи звена постоянного тока, также называемые преобразователями переменного/постоянного/переменного тока, преобразуют входной переменный ток в выходной переменный ток с использованием звена постоянного тока посередине. Это означает, что мощность в преобразователе преобразуется в постоянный ток из переменного тока с помощью выпрямителя, а затем преобразуется обратно в переменный ток из постоянного тока с помощью инвертора. Конечным результатом является выход с более низким напряжением и переменной (более высокой или низкой) частотой. Благодаря широкой области применения преобразователи переменного/постоянного/переменного тока являются наиболее распространенным современным решением. Другими преимуществами преобразователей переменного/постоянного/переменного тока является то, что они стабильны в условиях перегрузки и холостого хода, а также их можно отключить от нагрузки без повреждений.

Гибридный матричный преобразователь. Гибридные матричные преобразователи являются относительно новым явлением среди преобразователей переменного/переменного тока. Эти преобразователи сочетают в себе конструкцию AC/DC/AC и конструкцию 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 цепи 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 за один этап, тогда как HIMC использует отдельные этапы, как преобразователь переменного/постоянного/переменного тока, но без использования промежуточного запоминающего элемента.

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

• Регулятор переменного напряжения: Управление освещением; бытовое и промышленное отопление; регулирование скорости приводов вентиляторов, насосов или подъемников, плавный пуск асинхронных двигателей, статические переключатели переменного тока (контроль температуры, переключение ответвлений трансформатора и т. д.)
• Циклоконвертер: Мощные тихоходные реверсивные электроприводы переменного тока; источник питания постоянной частоты с переменной входной частотой; управляемые генераторы реактивной мощности для коррекции коэффициента мощности; Системы переменного тока соединяют две независимые энергосистемы.
• 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 других причин. Благодаря этим разработкам матричные преобразователи могут заменить циклоконвертеры во многих областях.
• Звено постоянного тока: может использоваться для индивидуальной или многократной нагрузки в машиностроении и строительстве.

Моделирование силовой электронной системы

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

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

Приложения

Область применения силовой электроники варьируется от импульсного источника питания в адаптере переменного тока , зарядных устройствах аккумуляторов, аудиоусилителях, балластах люминесцентных ламп до преобразователей частоты и приводов двигателей постоянного тока, используемых для управления насосами, вентиляторами и производственным оборудованием, мощностью до гигаватт. крупномасштабные системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения, используемые для соединения электрических сетей. Силовые электронные системы присутствуют практически в каждом электронном устройстве. Например:

• Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в большинстве мобильных устройств (мобильных телефонах, КПК и т. д.) для поддержания напряжения на фиксированном значении независимо от уровня напряжения аккумулятора. Эти преобразователи также используются для электронной изоляции и коэффициента мощности коррекции . Оптимизатор мощности — это тип преобразователя постоянного тока, разработанный для максимизации сбора энергии от солнечных фотоэлектрических или ветряных систем.
• Преобразователи переменного/постоянного тока ( выпрямители ) используются каждый раз, когда электронное устройство подключается к сети (компьютер, телевизор и т. д.). Они могут просто менять переменный ток на постоянный или также изменять уровень напряжения в рамках своей работы.
• Преобразователи переменного/переменного тока используются для изменения уровня напряжения или частоты (международные адаптеры питания, диммеры). В сетях распределения электроэнергии преобразователи переменного/переменного тока могут использоваться для обмена мощностью между электрическими сетями с частотой 50 Гц и 60 Гц.
• Преобразователи постоянного/переменного тока ( инверторы ) используются в основном в системах бесперебойного питания , системах возобновляемой энергии или системах аварийного освещения . Питание от сети заряжает батарею постоянного тока. В случае сбоя в сети инвертор производит электричество переменного тока при сетевом напряжении от батареи постоянного тока. Солнечный инвертор , как меньшие струнные, так и более крупные центральные инверторы, а также солнечный микроинвертор используются в фотоэлектрической энергетике в качестве компонента фотоэлектрической системы.

Моторные приводы используются в насосах, воздуходувках и приводах мельниц на текстильной, бумажной, цементной и других подобных предприятиях. Приводы могут использоваться для преобразования энергии и управления движением. Двигатели переменного тока применяются в преобразователях частоты , устройствах плавного пуска двигателей и системах возбуждения.

В гибридных электромобилях (HEV) силовая электроника используется в двух форматах: последовательный гибрид и параллельный гибрид. Разница между последовательным гибридом и параллельным гибридом заключается в соотношении электродвигателя и двигателя 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 маршевого двигателя. В электропоездах для получения мощности, а также для векторного управления используются силовые электронные устройства с использованием выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поезда получают электроэнергию 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, включающие системы ШИМ и стандартные двигатели.

Инверторы

Как правило, инверторы используются в приложениях, требующих прямого преобразования электрической энергии из постоянного тока в переменный или косвенного преобразования из переменного тока в переменный. Преобразование постоянного тока в переменный полезно во многих областях, включая регулирование электропитания, компенсацию гармоник, приводы двигателей, интеграцию в сети возобновляемых источников энергии и солнечные энергетические системы космических кораблей.

В энергосистемах часто желательно устранить содержание гармоник, присутствующих в линейных токах. Для обеспечения этой компенсации VSI можно использовать в качестве фильтров активной мощности. На основании измеренных линейных токов и напряжений система управления определяет опорные сигналы тока для каждой фазы. Он передается обратно через внешний контур и вычитается из фактических сигналов тока, чтобы создать сигналы тока для внутреннего контура инвертора. Эти сигналы затем заставляют инвертор генерировать выходные токи, которые компенсируют содержание гармоник. Эта конфигурация не требует реального энергопотребления, поскольку она полностью питается от линии; Звено постоянного тока представляет собой просто конденсатор, постоянное напряжение которого поддерживается системой управления. В этой конфигурации выходные токи совпадают по фазе с сетевыми напряжениями, что обеспечивает коэффициент мощности, равный единице. И наоборот, компенсация реактивной мощности возможна в аналогичной конфигурации, где выходные токи опережают линейное напряжение, чтобы улучшить общий коэффициент мощности.

На объектах, которым постоянно требуется электроэнергия, например, в больницах и аэропортах, используются системы ИБП. В резервной системе инвертор включается в работу, когда нормально питающая сеть прерывается. Электроэнергия мгновенно берется из аккумуляторов на объекте и преобразуется в полезное переменное напряжение с помощью VSI до тех пор, пока не будет восстановлено электропитание сети или пока не будут подключены резервные генераторы. В онлайн-системе ИБП для защиты нагрузки от переходных процессов и гармоник используется выпрямитель-инвертор цепи постоянного тока. Аккумулятор, включенный параллельно со звеном постоянного тока, остается полностью заряженным на выходе в случае прерывания электропитания сети, 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 приводы можно разделить на низкопроизводительные и высокопроизводительные в зависимости от того, имеют ли они скалярное или векторное управление соответственно. В приводах со скалярным управлением единственными контролируемыми величинами являются основной ток статора или частота и амплитуда напряжения. Поэтому эти приводы используются в устройствах, 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. Такая высокая производительность необходима для таких применений, как лифты и электромобили.

Инверторы также жизненно важны для многих приложений возобновляемой энергетики. В фотоэлектрических целях инвертор, который обычно представляет собой PWM VSI, получает питание от выходной электрической энергии постоянного тока фотоэлектрического модуля или массива. Затем инвертор преобразует его в напряжение переменного тока, которое подается либо на нагрузку, либо на электросеть. Инверторы также могут использоваться в других возобновляемых системах, таких как ветряные турбины. В этих приложениях скорость турбины обычно меняется, вызывая изменения частоты, а иногда и величины напряжения. В этом случае генерируемое напряжение можно выпрямить, а затем инвертировать для стабилизации частоты и величины.

Умная сеть

— Интеллектуальная сеть это модернизированная электрическая сеть , которая использует информационные и коммуникационные технологии для сбора и обработки информации, например информации о поведении поставщиков и потребителей, в автоматизированном режиме для повышения эффективности, надежности, экономики и устойчивости производства. и распределение электроэнергии.

Электроэнергия, вырабатываемая ветряными и гидроэлектрическими турбинами с использованием асинхронных генераторов, может вызывать изменения в частоте генерации электроэнергии. В этих системах используются силовые электронные устройства для преобразования генерируемого переменного напряжения в постоянный ток высокого напряжения ( HVDC ). Мощность HVDC можно легче преобразовать в трехфазную мощность, которая соответствует мощности существующей электросети. Благодаря этим устройствам мощность, подаваемая этими системами, становится более чистой и имеет более высокий коэффициент мощности. Оптимальный крутящий момент ветроэнергетических систем достигается либо с помощью коробки передач, либо с помощью технологий прямого привода, которые могут уменьшить размер устройства силовой электроники.

Электроэнергию можно генерировать с помощью фотоэлектрических элементов с использованием силовых электронных устройств. Произведенная энергия обычно затем преобразуется солнечными инверторами . Инверторы делятся на три типа: центральные, модульно-интегрированные и струнные. Центральные преобразователи могут быть подключены параллельно или последовательно на стороне постоянного тока системы. В фотоэлектрических «фермах» для всей системы используется один центральный преобразователь. Преобразователи, встроенные в модуль, подключаются последовательно либо на стороне постоянного, либо на стороне переменного тока. Обычно в фотоэлектрической системе используются несколько модулей, поскольку системе требуются эти преобразователи как на клеммах постоянного, так и на переменном токе. Струнный преобразователь используется в системе, в которой используются фотоэлектрические элементы, обращенные 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 предприятиям адаптироваться к быстрому увеличению распределенной выработки солнечной энергии в жилых и коммерческих целях . Германия и некоторые районы Гавайев, Калифорнии и Нью-Джерси требуют проведения дорогостоящих исследований, прежде чем одобрить новые солнечные установки. Относительно небольшие устройства, монтируемые на земле или столбе, создают потенциал для распределенной инфраструктуры управления для мониторинга и управления потоком энергии. Традиционные электромеханические системы, такие как батареи конденсаторов или регуляторы напряжения на подстанциях , могут требовать нескольких минут для регулировки напряжения и могут быть удалены от солнечных установок, где возникают проблемы. Если напряжение в соседней сети становится слишком высоким, это может подвергнуть опасности обслуживающий персонал и привести к повреждению как коммунального, так и клиентского оборудования. Кроме того, сбой в сети приводит к немедленному отключению фотоэлектрических генераторов, что приводит к резкому увеличению спроса на электроэнергию из сети. Интеллектуальные сетевые регуляторы более управляемы, чем гораздо более многочисленные потребительские устройства.

В другом подходе группа из 16 западных компаний под названием «Лидеры западной электроэнергетической промышленности» призвала к обязательному использованию «умных инверторов». Эти устройства преобразуют постоянный ток в бытовой переменный ток, а также помогают улучшить качество электроэнергии. Такие устройства могут устранить необходимость дорогостоящей модернизации коммунального оборудования при гораздо меньших общих затратах.

См. также

• Многопортовый силовой электронный интерфейс
• полевой усилитель
• Интегральная схема управления питанием
• ВЧ усилитель мощности

Ссылки

• Исса Батарсе , «Силовые электронные схемы» Джона Уайли, 2003 г.
• С. К. Мазумдер, «Высокочастотные инверторы: от фотоэлектрических, ветровых и топливных элементов на основе возобновляемых и альтернативных источников энергии DER/DG систем до приложений для хранения энергии на основе батарей», глава книги в справочнике по силовой электронике, редактор М. Х. Рашид, академик Пресс, Берлингтон, Массачусетс, 2010 г.
• В. Гурейх «Электронные устройства на дискретных компонентах для промышленности и энергетики», CRC Press, Нью-Йорк, 2008, 418 с.
• Редактор: Семикрон, Авторы: Доктор. Ульрих Николаи, доктор. Тобиас Рейманн, профессор Юрген Петцольдт, Йозеф Лутц: Руководство по применению силовых модулей IGBT и MOSFET , 1-е издание, ISLE Verlag, 1998, ISBN   3-932633-24-5 онлайн-версия
• Р. В. Эриксон, Д. Максимович, Основы силовой электроники, 2-е изд. , Спрингер, 2001 г., ISBN   0-7923-7270-0 [1]
• Арендт Винтрих; Ульрих Николай; Вернер Турский; Тобиас Рейманн (2010 г.), Руководство по применению 2010 г. (версия PDF) (на немецком языке) (2-е изд.), ISLE Verlag, ISBN  978-3-938843-56-7
• Арендт Винтрих; Ульрих Николай; Вернер Турский; Тобиас Рейманн (2011 г.), Руководство по применению 2011 г. (PDF) (на немецком языке) (2-е изд.), ISLE Verlag, ISBN  978-3-938843-66-6 , заархивировано из оригинала (PDF-версия) 3 сентября 2013 г.