Обозначения
реклама
3 ВВЕДЕНИЕ. Силовая электроника (роweг еlесtronics) занимается преобразованием и управлением параметров электрической энергии электронными способами. Используются специальные преобразователи, которые рассчитаны работать с максимальным коэффициентом полезного действия, с наименьшим весом и размерами. Современная силовая электроника охватывает преобразование, включение, управление и регулирование электрической энергии при помощи преобразователей, построенных с использованием силовых полупроводников. Силовые преобразователи обычно мощные, мощность их достигает до нескольких мегаватт. Они могут быть и малой мощностью, например, мощность преобразователей постоянного тока, только несколько mW. Определяющим является не только передаваемая мощность, но и преобразование параметров электрической энергии – напряжение, ток, частота, коэффициент мощности и т.д. – происходит с высоким КПД. Для получения высоких КПД силовые полупроводники в преобразователях работают в ключевом режиме, не в области линейного усиления, как к примеру в усилителях. Силовая электроника распространена в нашей ежедневной жизни больше, чем мы думаем. Сталкиваемся с силовой электроникой когда используем компьютер, говорим по телефону, едем на машине, сверлим аккумуляторной дрелью, готовим в микроволновой печи, стираем белье в стиральной машине... Силовую электронику применяют еще в блоках питания, сварочных устройствах, зарядных устройствах аккумуляторов, телекоммуникации, электротранспорте, электроприводах, устройствах индукционного нагрева и закалки, ультразвуковых устройствах, регуляторах напряжения, стабилизаторах напряжения, устройствах гальваники и электролиза, передаче высоковольтного постоянного напряжения, альтернативной энергетике, спутниках и т.д. История силовой техники. Днем рождения силовой электроники, как направления науки можно считать 1 июня 1921 года, когда немецкий электротехник F.W. Meyer на 27 конгрессе VDE сформулировал содержание и направления развития силовой электроники. Силовая электроника – молодая область науки, однако развитие ее началось значительно раньше. Потребность выпрямления и инвертирования тока появилась, когда в конце 19 века начали применять электрические машины постоянного и переменного тока. Коллектор машины постоянного тока по существу механический вращающий выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный. Первоначально использовали для выпрямления и инвертирования вращающие машинные преобразователи. История статических преобразователей и их элементов начинается тоже в 19 веке, в 1882 году, когда французский физик, академик J.Jasmin (1818-1886) обнаружил свойства ртутной электродуги проводить ток только в одном направлении и предложил это свойство использовать для выпрямления переменного тока взамен механического коммутатора (31). В 1892 году немецкий физик L.Arons (1860-1919) изобрел ртутновакуумный вентиль. Первый ртутный вентиль, способный работать, изготовил только в 1901 году американский электротехник Р.Соорег Hewitt (1861-1921). В 1902 году он запатентовал ртутный выпрямитель. В 1896 году немецкий электротехник и промышленник CH.Pollak (1859- ..) взял патент на однофазный мостовой выпрямитель с электролитическими вентилями и использовал его в зарядном устройстве аккумуляторов. Потом он изобрел и электролитический преобразователь со средним выводом, который при помощи механической системы управления можкно было использовать, как выпрямитель или инвертор (т.е. первый управляемый преобразователь). В 1903 году немецкий физик Р.Н.Тhomas описал многофазные управляемые ртутные выпрямители, которые были предназначены для сети. Обозначения С D L R T w A AB B конденсатор диод, тиристор индуктивность, катушка резистор транзистор число витков amplification, differential voltage gain loop gain feedback fraction C cos f G I K L LR ёмкость коэффициент мощности частота проводимость ток коэффициент напряжения индуктивность load regulation p P q Q r R S t T V оператор Лапласа активная мощность duty cycle magnification factor ripple factor сопротивление кажущаяся мощность время период, цикл напряжение 4 W X Z энергия реактивное сопротивление импеданс dc alpha, control angle current gain, angle of advance commutation angle error, loss к.п.д угол сдвига фаз температура угловая скорость Abbreviations Ампер переменный ток амплитудная модуляция однофазный мостовой выпрямитель трёхфазный мостовой выпрямитель общая база общий коллектор общий эмиттер биполярный транзистор постоянный ток Фарад полевой транзистор частотная модуляция Гига = 109 (приставка) gate turn-off thyristor Генри Герц интегральная схема биполярный транзистор с изолированным затвором JFET полевой транзистор с управляемым p-n переходом k кило = 103 (приставка ) LDR фоторезистор LED светодиод LSI large-scale integration circuit M мега= 106 (приставка ) m милли = 10-3 (приставка) M1 однофазный однополупериодный выпрямитель M2 однофазный выпрямитель со средней точкой M3 трёхфазный выпрямитель со средней точкой MOSFET metal-oxide semiconductor FET MCT MOS-controlled thyristor MPP maximum peak-to-peak MSI medium-scale integration circuit n нано = 10-9 (приставка) n отрицательный p пико = 10-12 (приставка) p положительный PWM широтно-импульсная модуляция (ШИМ) rms root mean square S Сименс s секунда SCR silicon-controlled rectifier SSI small-scale integration circuit V Вольт VCO voltage-controlled oscillator W Ватт VA ВольтАмпер A ac AM B2 B6 CB CC CE BJT dc F FET FM G GTO H Hz IC IGBT микро = 10-6 (приставка) Ом 4 Теоретические Основные принципы. Преобразователи (Converters - Конвертеры) используются в отраслях промышленности, так же как во внутреннем оборудовании. Блоки питания, электрические нагреватели, осветительные системы, предприятия по выработке энергии, и т.д. всё типично для их широкого использования. В зависимости от величины напряжения и мощности, используются однофазные или трехфазные преобразователи. Общий основной фактор - то, что форма электрической энергии преобразуется и корректируется. При этом, важно, что в зависимости от требования, энергия передаётся от сети питания через преобразователь, или что энергия может быть подана назад в основную сеть. Следующие формы преобразования сигнала возможны (Фиг. 1): Выпрямитель АС Конвертер переменного тока DC АС AC Направление потока Направление потока Инвертер Конвертер постоянного тока AC DC Направление потока DC DC Направление потока Рис. 1 Основные типы конвертирования Повторяющиеся сигналы. Период (period) T. Частота (frequency) f = 1 / T. Европейские кoмпании снабжают синусоидальное напряжение с частотой f = 50Hz и с T = 20ms. Угловая частота = 2f. Индуктивное сопротивление (reluctance) и емкостное сопротивление синусоидального напряжения: XL = L = 2fL XC = 1 / (C) = 1 / (2fC). Формы несинусоидального напряжения: Рис. I.3. (capacitive reactance) 5 Рис. I.3 a – meander, b – rectangular, c – triangle, d – sawtooth voltage, e – pulsating signal, f – arbitrary signal. RMS и средние величины. peak-to-peak rms average of T/2 t T amplitude Рис. I.4 peak-to-peak = 2 амплитудные величины. Величина ac, равная dc величине с той же самой мощностью, называется root mean square value, rms или эффективной величиной: Vrms = (1 / (2)(V2 t)) = Vmax / 2 = 0,707Vmax где V – мгновенная величина, Vmax амплитудная величина синусоидальной волны. Европейские кoмпании - Vrms = 220V. Средняя величина (average value) определяется величиной ac сигнала в течение его положительного полупериода и считывается вольтметром как: Vd = 1 / (2)(V t) = Vmax / = 0,318Vmax. «Frequency response» и «step response». Рис.I.5 показывает частотную характеристику электронной системы (frequency response). Это график зависисмости коэфициента усиления или выходного напряжения от частоты иснуосидального сигнала. При низкой и высокой частотах коэфициент усиления или выходное напряжение уменьшаются, в середине диапазона частоты – максимальный выходной сигнал. Диапазон аудиосигналов от 16 Hz до 20 kHz. Если частоты больше, чем 10 kHz, говорят о радиочастотах (radio frequencies): 10 - 100 kHz – очень низкие радиочастоты - very low radio frequencies (VLF), 100 kHz - 2 MHz – длинные (LF) и средние (AM-radio, MF) радиочастоты (broadcast band), 2 - 30 MHz – короткие радиоволны высокой частоты (radio waves of high frequency) (HF) и видеочастоты, 30 - 300 MHz – метровый теледиапазон (FM-radio, VHF), 300 MHz - 2 GHz – дециметровый (decimeter television and cell phones band), Больше чем 2 GHz – ультравысокие частоты - ultra-high frequencies (UHF). 6 A Amax 0,7Amax half-power points midband f low cutoff frequency high cutoff frequency overshoot time settling t Рис. I.5
