Лекция №6 Файл

Лекция №6
Пассивные компоненты и
охладители силовых электронных
приборов
Пассивными компонентами в электротехнических цепях
является трансформаторы ,реакторы, конденсаторы,
резисторы, варисторы и другие элементы,
функционирование которых не связано с
использованием дополнительных источников питания.
Трансформаторы согласовывают уровни напряжения и
обеспечивают гальваническую развязку цепей.
Реакторы являются основными элементами фильтров,
коммутирующих контуров и промежуточных
накопителей электроэнергии.
Конденсаторы используются в фильтрах переменного и
постоянного , а также в качестве промежуточных
накопителей электрической энергии.
Электромагнитные компоненты
Ферромагнитные материалы характеризуются
зависимостями магнитной индукции В от
напряженности магнитного поля Н. Среди таких
зависимостей различают: основную кривую
намагничивания (КН),предельную статическую
петлю гистерезиса (СПГ), динамическую петлю
гистерезиса (ДПГ) и динамическая кривая
размагничивания (ДКР).
Кривая намагничивания магнитомягких материалов,
применяющихся в трансформаторах и реакторах,
практически совпадает с начальной кривой
намагничивания, которую получают при первом
намагничивании полностью размагниченного
материала. На рис. 6.1. приведены КН ферромагнетиков,
описываемые зависимостью
B=𝜇𝑎 H или
B=𝜇𝑜 (H+М), где
𝜇𝑎 - абсолютная магнитная проницаемость;
Н – напряженность магнитного поля;
М – намагниченность материала
Рис.6.1.Кривые намагничивания различных
ферромагнитных материалов:
1 - 79НМ; 2 – Э45; 4 – 65НП; 5 – 50НП; 6 – Э380
Абсолютная магнитная проницаемость:
𝜇𝑎 =𝜇𝑜 𝜇𝑟, где
𝜇𝑜 - магнитная постоянная (проницаемость вакуума);
𝜇𝑟 - относительная магнитная проницаемость,
характеризующая увеличение индукции в
ферромагнетике за счет его намагниченности.
При увеличении напряженности Н кривая
намагничивания имеет пологий участок,
соответствующий режиму насыщения ферромагнетика.
Такой режим наступает при достижении
намагниченности насыщения 𝜇𝑠 и индукции 𝐵𝑠 (рис.6.2.).
В зависимости от условий определения магнитной
проницаемости в стационарном или переменном
магнитном поле её называют статической или
динамической магнитной проницаемостью.
Рис.6.2.Обобщенный вид кривой
намагничивания
Рис.6.3.Кривые магнитной проницаемости
Зависимость В от Н в точке b КН, используется понятие
«дифференциальная магнитная проницаемость» 𝜇𝑑𝑏
𝑑𝐵
𝜇𝑑𝑏 =( )𝐻𝑏𝐵 ,где
𝑑𝐻
𝑏
𝐻𝑏 и 𝐵𝑏 - координаты точки b, в
которой определяется значение магнитной
проницаемости
Типичные зависимости 𝜇𝑎 и 𝜇𝑑𝑏 от Н представлены на
рис.6.3.
Наиболее полно характеризуют свойства
ферромагнетика петли гистерезиса. Предельная СПГ
определяет В и Н на участках полного цикла
намагничивания и размагничивания при медленном
изменении напряженности внешнего поля.
СПГ характеризуется:
максимальными значениями 𝐵𝑚 и 𝐻𝑚 , которые
превышают значения, соответствующие индукции 𝐵𝑆 ;
остаточной индукцией 𝐵𝑟 ;
коэрцитивной силой с напряженностью 𝐻𝑐 .
Участки петли гистерезиса (рис.6.4.).
Участки петли гистерезиса (рис.6.4. и рис.6.5. ) от 𝐵𝑟 до
-𝐻𝑐 и от - 𝐵𝑟 до 𝐻𝑐 соответствуют процессам
размагничивания, а участки -𝐻𝑐 до - 𝐵𝑟 и 𝐻𝑐 до 𝐵𝑟 процессам намагничивания. При снижении значений
напряженности в ферромагнитном материале до нуля
имеет место остаточная индукция 𝐵𝑟 или - 𝐵𝑟 в
зависимости от полярности начальных значений 𝐵𝑚 .
Для приближенной оценки прямоугольности СПГ
𝐵𝑟
используется коэффициент прямоугольности КПР = 𝐵𝑚
Электромагнитные компоненты устройств силовой
электроники обычно работают в условиях воздействия
переменных напряжений и токов повышенной частоты,
поэтому для оценки применяются ДПГ и с ростом
частоты перемагничивания увеличивается площадь
петли ДПГ (рис.6.6.) и крутые участки становятся более
пологими.
Рис.6.4.Общий вид
петли гистерезиса
Рис.6.5.Идеальная
петля гистерезиса
Рис.6.6. Петли гистерезиса, снятые при питании
от источника синусоидального напряжения
При невысоких частотах (50Гц – 5кГц) применяют
различные металлические магнитомягкие материалы
(электротехнические стали с добавками кремния с
низкой коэрцитивной силой - 𝐻𝑐 <4 А/м или сплавы
железа с никелем –пермаллои) – потери при
перемагничивании малы.
При частотах более 5 кГц используют
полупроводниковые ферриты или
магнитодиэлектрические материалы.
В реакторах требуется обеспечить небольшое значение
индуктивности при больших значениях тока. Эта задача
решалась изготовлением магнитопровода с одним или
несколькими воздушными зазорами. В настоящее время
разрабатываются магнитодиэлектрики с низкой
магнитной проницаемостью (альсифер – сплав
алюминия, кремния и железа).
Потери в магнитопроводе обусловлены различными
физическими процессами и могут быть определены как
сумма потерь на гистерезис, от вихревых токов,
магнитной вязкости и дополнительных потерь.
Если воздействующее на трансформатор напряжение
содержит постоянную составляющую, происходит
процесс его подмагничивания и смещения рабочих
индукций в магнитопроводе (импульсный
трансформатор при намагничивании однополярным
напряжением (рис. 3.7.). При размыкании ключа S,
вызывающем отключение источника напряжения Е от
трансформатора, начинается размагничивание
магнитопровода (рис.6.7. и рис.6.8).
𝛽
𝛼
𝑓 𝐵 ,где
𝑃уд =𝐴𝑜
𝐴𝑜, 𝛼, 𝛽-экспериментальные
коэффициенты; f –рабочая частота; В – максимальная
индукция
Рис.6.7. Импульсный трансформатор
а – принципиальная схема; б –диаграмма напряжения
на первичной обмотке
Рис.6.8.Процессы намагничивания в
импульсном трансформаторе:
а – схема замещения; б – диаграммы напряжения и
индукции
Потери в обмотках. Напряжения и токи повышенной
частоты вызывают дополнительные потери энергии не
только в магнитопроводах , но и в обмотках
трансформаторов и реакторов. Эти потери обусловлены
поверхностным эффектом вытеснения тока в
проводниках под воздействием электромагнитных
полей. Активное сопротивление проводника при
переменном токе становится больше сопротивления
постоянному току. Увеличение сопротивления
переменному току в этих случаях является следствием
уменьшения эффективного сечения проводника. Токи
перераспределяются по сечениям проводников в
направлениях, зависящих от конструкции обмоток и их
расположения на магнитопроводе.
Кдоб =
𝑅~
𝑅𝑜 , где 𝑅~ - сопротивление переменному току;
𝑅𝑜 - сопротивление постоянному току.
При повышении рабочей частоты для увеличения
номинального тока обмотки необходимы специальные
меры, позволяющие ограничить поверхностный эффект.
Для этого используют многожильные провода –
«литцендрат».
Для снижения поверхностного эффекта в сильноточных
проводах является использование тонкой медной ленты
с изолированной поверхностью.
При увеличении МДС возрастают напряженность
магнитного поля и в квадратичной зависимости
дополнительные в слоях обмотки, достигая
наибольшего значения в крайнем слое, где
напряженность магнитного поля имеет максимально.
Рис.6.9.Распределение МДС по слоям обмоток
трансформаторов
а – трансформатор без разделения обмоток на секции;
б –трансформатор с двухсекционной вторичной
обмоткой и трехсекционной первичной обмоткой
Повышение рабочих частот осложняет
электромагнитную совместимость трансформаторов и
реакторов с другими элементами электронных
устройств.
В силовых электронных устройствах реакторы
выполняют функции фильтрации, накопления энергии,
формирования тока коммутации для выключения
тиристоров, компенсации реактивной мощности и
др.(небольшие значения индуктивности –
магнитопроводы изготавливают с воздушным зазором –
возрастают потоки рассеяния – нарушение
функционирования элементов схемы).
Электромагнитное поле трансформатора при
повышенной частоте может вызывать не только сбои в
работе элементов схемы, но и превышение допустимой
температуры элементов металлической конструкции.
Для исключения этих явлений следует уменьшать
напряженность электромагнитного поля вне устройства,
сохраняя индуктивность реактора постоянной.
В настоящее время для улучшения техникоэкономических показателей трансформаторов и
реакторов, работающих на повышенных частотах,
используются низкопрофильные (плоские) обмотки,
впечатанные в магнитопровод. Планарная технология
имеет много преимуществ перед традиционной,
позволяя легко реализовать секционирование обмоток
и уменьшить «паразитные» емкости. Хорошо
согласуется с гибридной и модульной технологиями
изготовления электронных устройств.
Конденсаторы
Конденсатор – устройство, способное накапливать
электрические заряды. Электротехнический
конденсатор выполняется из токопроводящих
элементов, например металлических пластин,
разделенных диэлектриком. При воздействии
электрического поля на диэлектрик в нем происходит
смещение связанных электрических зарядов в
соответствии с направлением потока вектора
напряженности электрического поля ( рис. 6.10.).
Основными параметрами электрических конденсаторов
являются емкость, тангенс угла потерь, ток утечки,
сопротивление изоляции.
Рис.6.10.Упрощенная структура распределения
зарядов в плоском конденсаторе
В зависимости от типа конденсатора указывают
допустимые значения напряжения в разных режимах,
реактивную мощность, допустимый уровень
накапливаемой энергии.
Тангенс угла потерь
1
tg𝛿=𝜔𝐶э 𝑅э =
𝜔𝐶э 𝑅э
в схем замещения
Рис.6.11.Упрощенные схемы замещения
конденсаторов:
а – последовательная; б -параллельная
При выборе типа конденсатора необходимо учитывать
режим работы, форму и частоту тока и напряжения,
конструктивное расположение, условия охлаждения,
общий ресурс работы, надежность и другие факторы.
По условиям работы конденсаторы подразделяются на
неполярные конденсаторы переменного тока
(конденсаторы не имеют разнополярных выводов) и
фильтровые конденсаторы для цепей постоянного тока с
низким уровнем пульсаций (униполярные конденсаторы
и подача переменного напряжения на обкладки
недопустима).
Конденсаторы переменного тока выполняют следующие
основные функции в силовых электронных аппаратах:
компенсируют реактивную мощность на частоте
основной гармоники переменного напряжения;
формируют траектории переключения электронных
ключей в ЦФТП;
фильтруют высшие гармоники тока и напряжения в
силовых цепях переменного тока.
В компенсаторах и регуляторах реактивной мощности
конденсаторы работают при синусоидальных
напряжениях промышленной частоты.
Коммутирующие конденсаторы работают в режимах
быстрых перезарядов из одной полярности в другую в
процессе коммутации тиристоров
Такие режимы работы приводят к воздействию на
конденсатор импульсных токов с достаточно крутыми
фронтами импульсов, форма импульсов приближается к
трапецеидальной (рис. 6.12).
Оценку и сопоставление их удельных показателей при
повышенных частотах следует производить по
1
эффективному значению емкости Сэф =
2𝜋𝑓𝑍𝑐
Рис.6.12.Диаграммы тока и напряжения при
коммутации конденсатора
Теплоотвод в силовых электронных
приборах
При работе в ключевых режимах силовых
полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов,
тиристоров в их внутренних структурах происходит
выделение активной мощности.
Общие потери в ключевом элементе при работе в
периодическом импульсном режиме разделяются на
статические и динамические. Эти потери вызывают
нагрев полупроводниковой структуры приборы.
Надежная работа прибора определяется не только
электрическими параметрами, но и температурой
внутренней структуры (рис.6.13).
Рис.6.13.Схема замещения теплопроводящей
системы полупроводниковый кристалл-корпус
прибора - охладитель
Рис.6.14. Диаграммы импульсов мощности и
изменения температуры
На рис.6.14. представлены диаграммы импульсов
потерь мощности прямоугольной формы и изменения
температуры в кристалле прибора.
Зависимость изменения температуры в приборе
Тк (t)=𝑇𝑗𝑛 +𝑃𝑛1 (𝑍1 -𝑍2 )+𝑃𝑛3 (𝑍3 -𝑍4 )+…+𝑃𝑛𝑛 (𝑍𝑛 -𝑍𝑛+1 )
Наиболее распространенным способом охлаждения
является естественное воздушное охлаждение –
конвекция – с поверхности охладителя тепло передается
в окружающую среду воздушным потоком, который
возникает под воздействием разности плотностей
холодного (у поверхности охладителя)воздуха.
Для повышения теплоотдачи осуществляют
принудительное воздушное охлаждение. Для
увеличения общей площади теплоотдачи используют
охладители специальных конструкций (рис.6.15.)
Наиболее эффективным охлаждением является
использование теплоты испарения жидкости.
Испарительное охлаждение протекает при небольшой
разнице температур между частями А и С. Тепловая
трубка передает примерно в 103 раз больше теплоты,
чем твердый проводник того же сечения.
Рис.6.15. Конструкция тепловой испарительной
трубки
1 –внешняя жесткая оболочка; 2 –пористое покрытие
Рис.6.15.Ребристая конструкция охладителя
l – общая длина; h – толщина; 𝒉𝒔 - толщина основания