Силовая электроника — Введение

Силовая электроника относится к процессу управления потоком тока и напряжения и преобразования его в форму, подходящую для пользовательских нагрузок. Наиболее желательная силовая электронная система — это система, эффективность и надежность которой составляет 100%.

Посмотрите на следующую блок-схему. Он показывает компоненты силовой электронной системы и их взаимосвязь.

Силовая электронная система преобразует электрическую энергию из одной формы в другую и обеспечивает следующее:

• Максимальная эффективность
• Максимальная надежность
• Максимальная доступность
• Минимальная стоимость
• Наименьший вес
• Маленький размер

Приложения силовой электроники подразделяются на два типа — статические и приводные.

Статические Приложения

При этом используются движущиеся и / или вращающиеся механические детали, такие как сварка, нагрев, охлаждение и гальванизация, а также питание от источника постоянного тока.

Источник постоянного тока

Приложения для дисков

Приводные приложения имеют вращающиеся детали, такие как двигатели. Примеры включают компрессоры, насосы, конвейерные ленты и системы кондиционирования воздуха.

Система кондиционирования воздуха

Силовая электроника широко используется в кондиционерах для управления такими элементами, как компрессоры. Схематическая диаграмма, показывающая, как силовая электроника используется в кондиционерах, показана ниже.

Силовая электроника — коммутационные устройства

Силовое электронное коммутационное устройство представляет собой комбинацию активных переключаемых силовых полупроводниковых драйверов, которые были интегрированы в один. Основные характеристики коммутатора определяются внутренней корреляцией функций и взаимодействий его интегрированной системы. На приведенном ниже рисунке показано, как работает силовая электронная система переключения.

Внешняя цепь вышеприведенной схемы обычно удерживается под высоким потенциалом относительно блока управления. Индуктивные передатчики используются для поддержки требуемой разности потенциалов между двумя интерфейсами.

Устройства переключения мощности обычно выбираются на основе номинальной мощности, с которой они управляют мощностью, то есть произведением их номинального тока и напряжения вместо скорости рассеивания мощности. Следовательно, главной привлекательной особенностью силового электронного переключателя является его способность рассеивать малую мощность или почти ее не использовать. В результате электронный переключатель способен достигать низкого и постоянного скачка мощности.

Силовая электроника — элементы линейных цепей

Элементы линейной цепи относятся к компонентам электрической цепи, которые демонстрируют линейную зависимость между входным током и выходным напряжением. Примеры элементов с линейными цепями включают в себя —

• Резисторы
• Конденсаторы
• Индукторы
• трансформеры

Чтобы лучше понять элементы линейных цепей, необходим анализ резисторных элементов.

Резисторы

Резистор — это устройство, в котором протекание электрического тока ограничено, что приводит к преобразованию энергии. Например, когда электричество течет через лампочку, электричество преобразуется в другую форму энергии, такую ​​как тепло и / или свет. Сопротивление элемента измеряется в омах (Ом).

Мера сопротивления в данной цепи определяется как —

$$R = \ rho \ frac {L} {A}$$

Где р — сопротивление; ρ — удельное сопротивление; L — длина провода; а А — площадь поперечного сечения провода

Символ различных резисторов

резистор
Переменный резистор
Потенциометр

Конденсаторы

Конденсатор относится к электрическому устройству, которое имеет два проводящих материала (также известные как пластины), разделенных изолятором, известным как диэлектрик. Он использует электрическое поле для хранения электрической энергии. Электрическое поле возникает, когда конденсатор подключен к батарее, в результате чего положительные электрические заряды накапливаются на одной пластине, а отрицательные электрические заряды — на другой.

Когда энергия накапливается в электрическом поле конденсатора, процесс называется зарядкой, а когда энергия удаляется, процесс называется разрядкой. Уровень электрической энергии, хранящейся в конденсаторе, называется емкостью и измеряется в Фарадах (F). Один фарад — это то же самое, что один кулон на единицу вольта, определенный 1 C / V.

Разница между конденсатором и батареей заключается в том, что конденсатор накапливает электрическую энергию, в то время как батарея накапливает химическую энергию и выделяет энергию с низкой скоростью.

Символ различных конденсаторов

Различные символы конденсатора приведены в таблице ниже.

Фиксированный конденсатор
Переменный конденсатор
Поляризованный конденсатор

Индукторы

Индукторы — это электронные устройства, которые используют магнитное поле для накопления электрической энергии. Самая простая форма индуктора — катушка или провод в форме петли, где индуктивность прямо пропорциональна количеству петель в проводе. Кроме того, индуктивность зависит от типа материала в проволоке и радиуса петли.

При определенном числе витков и размере радиуса только воздушный сердечник может привести к наименьшей индуктивности. Диэлектрические материалы, служащие для тех же целей, что и воздух, включают дерево, стекло и пластик. Эти материалы помогают в процессе намотки индуктора. Форма обмоток (пончик), а также ферромагнитных веществ, например железа, увеличивают общую индуктивность.

Количество энергии, которое может хранить индуктор, известно как индуктивность. Измеряется в Генри (H).

Символ различных индукторов

Фиксированный индуктор
Переменный индуктор

трансформеры

Это относится к устройству, которое изменяет энергию с одного уровня на другой посредством процесса, известного как электромагнитная индукция. Обычно он используется для повышения или понижения напряжения переменного тока в приложениях, использующих электроэнергию.

Когда ток на первичной стороне трансформатора изменяется, на его сердечнике создается переменный магнитный поток, который распространяется на вторичные обмотки трансформатора в виде магнитных полей.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. Закон гласит, что скорость изменения связи потока во времени напрямую связана с ЭДС, индуцированной в проводнике.

Трансформатор состоит из трех основных частей —

• Первичная обмотка
• Магнитный сердечник
• Вторичная обмотка

Символ Трансформера

Дополнительные устройства

Электромагнитные приборы

Понятие электромагнетизма широко используется в технике и применяется в двигателях, генераторах и электрических звонках. Например, в дверном звонке электромагнитный компонент притягивает колокольчик, который ударяется в звонок и заставляет его звонить.

Контроллеры

Контроллеры — это устройства, которые принимают электронные сигналы, передаваемые от измеряемой переменной в процессе, и сравнивают полученное значение с контрольной точкой. Он использует цифровые алгоритмы для сопоставления и сравнения функций.

датчиков

Датчики используются для определения тока, который постоянно изменяется для обеспечения обратной связи в целях контроля. Чувствительный ток позволяет добиться плавной и точной функции преобразователя. Датчики тока имеют решающее значение в преобразователях, так что информация в параллельных или многофазных преобразователях легко передается.

фильтры

Электронные фильтры также используются для обработки сигналов с целью удаления нежелательных частот. Они являются аналоговыми цепями и существуют в активном или пассивном состоянии.

Кремниевый выпрямитель

Кремниевый выпрямитель или полупроводниковый выпрямитель — это четырехслойное твердотельное устройство управления током. Название «кремниевый управляемый выпрямитель» является торговым наименованием General Electric для типа тиристора.

SCR в основном используются в электронных устройствах, которые требуют контроля высокого напряжения и мощности. Это делает их применимыми при работе на средних и высоких мощностях переменного тока, таких как функция управления двигателем.

SCR проводит, когда к нему прикладывается импульс затвора, как диод. Он имеет четыре слоя полупроводников, которые образуют две структуры, а именно; NPNP или PNPN. Кроме того, он имеет три соединения, обозначенные как J1, J2 и J3, и три клеммы (анод, катод и затвор). SCR схематически представлен, как показано ниже.

Анод соединяется с P-типом, катод с N-типом и затвор с P-типом, как показано ниже.

В SCR собственный полупроводник представляет собой кремний, в который вводятся необходимые легирующие примеси. Однако легирование соединения PNPN зависит от применения SCR.

Режимы работы в SCR

• Состояние ВЫКЛ (режим прямой блокировки) — здесь аноду назначено положительное напряжение, затвору назначено нулевое напряжение (отключено), а катоду назначено отрицательное напряжение. В результате соединения J1 и J3 находятся в прямом смещении, а J2 в обратном смещении. J2 достигает значения лавинного пробоя и начинает проводить. Ниже этого значения сопротивление J1 значительно выше, и поэтому говорят, что оно находится в выключенном состоянии.

• Включенное состояние (режим проводимости) — SCR переводится в это состояние либо путем увеличения разности потенциалов между анодом и катодом выше лавинного напряжения, либо путем подачи положительного сигнала на затвор. Немедленно SCR начинает проводить, напряжение затвора больше не требуется для поддержания состояния ВКЛ и поэтому отключается с помощью —

• Уменьшение тока через него до минимального значения, называемого удерживающим током

• Использование транзистора, размещенного на стыке.

• Обратная блокировка — это компенсирует падение прямого напряжения. Это связано с тем, что необходима область с низким содержанием легирующего вещества в P1. Важно отметить, что номинальные напряжения прямой и обратной блокировки одинаковы.

Состояние ВЫКЛ (режим прямой блокировки) — здесь аноду назначено положительное напряжение, затвору назначено нулевое напряжение (отключено), а катоду назначено отрицательное напряжение. В результате соединения J1 и J3 находятся в прямом смещении, а J2 в обратном смещении. J2 достигает значения лавинного пробоя и начинает проводить. Ниже этого значения сопротивление J1 значительно выше, и поэтому говорят, что оно находится в выключенном состоянии.

Включенное состояние (режим проводимости) — SCR переводится в это состояние либо путем увеличения разности потенциалов между анодом и катодом выше лавинного напряжения, либо путем подачи положительного сигнала на затвор. Немедленно SCR начинает проводить, напряжение затвора больше не требуется для поддержания состояния ВКЛ и поэтому отключается с помощью —

Уменьшение тока через него до минимального значения, называемого удерживающим током

Использование транзистора, размещенного на стыке.

Обратная блокировка — это компенсирует падение прямого напряжения. Это связано с тем, что необходима область с низким содержанием легирующего вещества в P1. Важно отметить, что номинальные напряжения прямой и обратной блокировки одинаковы.

Силовая электроника — ТРИАК

TRIAC акроним расшифровывается как Triode для переменного тока. TRIAC — это полупроводниковое устройство с тремя клеммами, которые контролируют поток тока, таким образом, название Triac. В отличие от SCR, TRIAC является двунаправленным, а SCR — двунаправленным. Он идеально подходит для работы с использованием переменного тока для коммутации, так как он может управлять током для обеих половин в цикле переменного тока. Это ясно объяснено на диаграмме ниже.

Триак Символ

Принципиальная схема TRIAC показана ниже. Он напоминает два тиристора, расположенных вплотную.

Структура ТРИАК

Структура TRIAC рассматривается как DIAC с дополнительным входным контактом, встроенным для обеспечения управления устройством. Как и другие силовые устройства, TRIAC изготовлен из кремния. Следовательно, процесс изготовления кремния приводит к производству более дешевых устройств. Как указано ниже, TRIAC имеет шесть областей, а именно; четыре области N-типа и две области P-типа.

Триак Операция

Работа TRIAC основана на тиристоре. Это облегчает функцию переключения в электрических компонентах и ​​системах переменного тока. Они широко используются в диммерах, потому что они позволяют использовать обе половины цикла переменного тока. В результате это делает их более эффективными в использовании энергии. Столько, сколько возможно использовать тиристоры для работы в качестве TRIAC, это не экономически выгодно для операций, которые требуют низкой мощности. Можно рассмотреть триак с точки зрения двух тиристоров.

TRIAC обычно используются в приложениях, которые не требуют очень высокой мощности, потому что они демонстрируют несимметричное переключение в своей работе. Это невыгодно для приложений, использующих высокую мощность, так как это вызывает электромагнитные помехи. В результате, TRIAC используются для управления двигателем, диммерами для освещения дома и маленькими электрическими вентиляторами для контроля скорости.

Силовая электроника — BJT

Биполярный переходный транзистор (BJT) — это транзистор, работа которого зависит от контакта двух полупроводников. Он может действовать как переключатель, усилитель или генератор. Он известен как биполярный транзистор, поскольку для его работы требуются два типа носителей заряда (дырки и электроны). Отверстия являются доминирующими носителями заряда в полупроводниках P-типа, тогда как электроны являются основными носителями заряда в полупроводниках N-типа.

Символы БЖТ

Структура БЮТ

BJT имеет два PN соединения, соединенных друг с другом и разделяющих общую область B (основание). Это гарантирует, что контакты сделаны во всех регионах, которые являются базой, коллектором и эмиттером. Структура биполярного транзистора PNP показана ниже.

BJT, показанный выше, состоит из двух диодов, соединенных вплотную, что приводит к истощению областей, называемых квазинейтральными. Ширина квазинейтрального излучателя, основания и коллектора указана выше как W _E ‘, W _B ‘ и W _C ‘. Они получены следующим образом —

W′E=WE−Xn,BE $$W_ {E} ^ {'} = W_ {E} -X_ {n, BE}$$ W′B=WB−Xp,BE−Xp,BC $$W_ {B} ^ {'} = W_ {B} -X_ {p, BE} -X_ {p , BC}$$ W′C=WC−Xn,BC $$W_ {C} ^ {'} = W_ {C} -X_ {n, BC}$$

Условные знаки токов для эмиттера, основания и коллектора обозначены I _E , I _B и I _C соответственно. Следовательно, ток коллектора и базы положительный, когда положительный ток встречается с контактом коллектора или базы. Кроме того, ток эмиттера положительный, когда ток покидает контакт эмиттера. Таким образом,

$$I_ {Е} = I_ {B} + I_ {C},$$

Когда к контакту базы прикладывается положительное напряжение относительно коллектора и эмиттера, напряжение базы-коллектора, а также напряжение базы-эмиттера становится положительным.

Для простоты V _CE предполагается равным нулю.

Диффузия электронов происходит от эмиттера к основанию, а диффузия дырок — от основания к эмиттеру. Как только электроны достигают обедненной области базового коллектора, они проходят через эту область электрическим полем. Эти электроны образуют ток коллектора.

Когда BJT смещен в прямом активном режиме, полный ток эмиттера получается путем сложения тока диффузии электронов ( I _{E, n} ), тока диффузии дырок ( I _{E, p} ) и тока базового эмиттера.

$$I_ {Е} = I_ {Е, п} + I_ {Е, р} + I_ {R, D}$$

Общий ток коллектора определяется током диффузии электронов ( I _{E, n} ), меньшим базовым током рекомбинации ( I _{r, B} ).

$$I_ {C} = {I_ Е, п} -I_ {R, B}$$

Сумма базового тока I _B получается путем сложения диффузионного тока дырок ( I _{E, p} ), тока базовой рекомбинации ( I _{r, B} ) и тока рекомбинации базы-эмиттера слоя обеднения ( I _{r, d} ).

$$I_ {B} = {I_ Е, р} + I_ {R, B} + I_ {г, д}$$

Транспортный фактор

Это определяется соотношением тока коллектора и тока эмиттера.

$$\ alpha = \ frac {I_ {C}} {I_ {E}}$$

Применяя текущий закон Кирхгофа, обнаруживается, что базовый ток определяется разностью между током эмиттера и током коллектора.

Текущая прибыль

Это определяется отношением тока коллектора к базовому току.

$$\ beta = \ frac {I_ {C}} {I_ {B}} = \ frac {\ alpha} {1- \ alpha}$$

Выше объясняется, как BJT может производить усиление тока. Коэффициент переноса (α) приближается к единице, если ток коллектора практически эквивалентен току эмиттера. Таким образом, коэффициент усиления по току (β) становится больше единицы.

Для дальнейшего анализа коэффициент переноса (α) переписывается как произведение эффективности эмиттера (γ _E ) на базовый коэффициент переноса (α _T ) и коэффициент рекомбинации слоя истощения (δ _r ). Это переписано следующим образом —

$$\ alpha = \ gamma _ {E} \ times \ alpha _ {T} \ times \ delta _ {r}$$

Ниже приводится краткое изложение обсуждаемой эффективности излучателя, базового коэффициента переноса и коэффициента рекомбинации на уровне обеднения.

Эффективность излучателя

$$\ gamma _ {E} = \ frac {I_ {E, n}} {I_ {E, p} + I_ {E, P}}$$

Базовый Транспортный Фактор

$$\ alpha _ {T} = \ frac {I_ {E, n} -I_ {r, b}} {I_ {E, n}}$$

Коэффициент рекомбинации слоя истощения

$$\ delta _ {r} = \ frac {I_ {E} -I_ {r, d}} {I_ {E, n}}$$

Силовая электроника — IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами и используется в основном в качестве электронного переключателя. Он характеризуется быстрым переключением и высокой эффективностью, что делает его необходимым компонентом в современных приборах, таких как ламповые балласты, электромобили и частотно-регулируемые приводы (ЧРП).

Его способность быстро включаться и выключаться делает его применимым в усилителях для обработки сложных волновых паттернов с широтно-импульсной модуляцией. IGBT объединяет характеристики полевых МОП-транзисторов и BJT для достижения высокого тока и емкости с низким напряжением насыщения соответственно. Он объединяет изолированный затвор с использованием полевого транзистора (FET) для получения управляющего входа.

Символ IGBT

Усиление IGBT вычисляется по отношению его выходного сигнала к его входному сигналу. В обычных BJT степень усиления (β) равна отношению его выходного тока к входному току.

IGBT имеет очень низкое значение сопротивления включенного состояния (RON), чем MOSFET. Это означает, что падение напряжения (I ² R) на биполярном для конкретной операции переключения очень низкое. Действие прямого блокирования IGBT аналогично действию MOSFET.

Когда IGBT используется в качестве управляемого переключателя в статическом состоянии, его номинальные значения тока и напряжения равны значениям BJT. Напротив, изолированный затвор в IGBT упрощает управление зарядом BJT и, следовательно, требует меньше энергии.

IGBT включается или выключается в зависимости от того, была ли активирована или деактивирована его управляющая клемма. Постоянная положительная разность потенциалов между затвором и эмиттером поддерживает IGBT во включенном состоянии. Когда входной сигнал удаляется, IGBT выключается.

Принцип работы IGBT

IGBT требует только небольшое напряжение для поддержания проводимости в устройстве, в отличие от BJT. IGBT является однонаправленным устройством, то есть он может включаться только в прямом направлении. Это означает, что ток течет от коллектора к эмиттеру в отличие от полевых МОП-транзисторов, которые являются двунаправленными.

Приложения IGBT

IGBT используется в средне- и сверхвысокой мощности, например, в тяговом двигателе. В больших IGBT возможно работать с высоким током в диапазоне сотен ампер и напряжением блокировки до 6 кВ.

IGBT также используются в силовых электронных устройствах, таких как преобразователи, инверторы и другие приборы, где необходима твердотельная коммутация. Биполяры доступны с высоким током и напряжением. Однако скорость их переключения низкая. Напротив, МОП-транзисторы имеют высокие скорости переключения, хотя они и дороги.

Силовая электроника — MOSFET

Полевой транзистор на основе оксидов металлов и полупроводников (MOSFET) — это тип транзисторов, используемых для переключения электронных сигналов. Он имеет четыре терминала, а именно; источник (S), сток (D), затвор (G) и корпус (B). Корпус MOSFET обычно подключается к клемме источника (S), в результате чего устройство с тремя выводами аналогично другим полевым транзисторам ( FET). Поскольку эти две главные клеммы обычно соединены коротким замыканием, на электрических схемах видны только три клеммы.

Это наиболее распространенное устройство в цепях, как цифровых, так и аналоговых. По сравнению с обычным транзистором для включения полевого МОП-транзистора требуется низкий ток (менее одного миллиампера). В то же время он обеспечивает высокую токовую нагрузку более 50 ампер.

Работа полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор имеет тонкий слой диоксида кремния, который действует как пластина конденсатора. Изоляция управляющего затвора повышает сопротивление полевого МОП-транзистора до чрезвычайно высокого уровня (почти бесконечного).

Терминал затвора заблокирован от первичного токового пути; Таким образом, ток не просачивается в ворота.

МОП-транзисторы существуют в двух основных формах —

• Состояние истощения — для выключения компонента требуется напряжение затвор-источник (V _ГБ ). Когда затвор равен нулю (V _GB ), устройство обычно включено, поэтому оно функционирует как нагрузочный резистор для заданных логических схем. Для нагрузочных устройств с истощением N-типа 3 В — это пороговое напряжение, при котором устройство выключается путем переключения затвора на отрицательное значение 3 В.

• Состояние улучшения — в этом состоянии напряжение затвор-источник (V _GB ) требуется для включения компонента. Когда затвор равен нулю (V _GB ), устройство обычно выключено и может быть включено, если напряжение на затворе выше, чем напряжение источника.

Состояние истощения — для выключения компонента требуется напряжение затвор-источник (V _ГБ ). Когда затвор равен нулю (V _GB ), устройство обычно включено, поэтому оно функционирует как нагрузочный резистор для заданных логических схем. Для нагрузочных устройств с истощением N-типа 3 В — это пороговое напряжение, при котором устройство выключается путем переключения затвора на отрицательное значение 3 В.

Состояние улучшения — в этом состоянии напряжение затвор-источник (V _GB ) требуется для включения компонента. Когда затвор равен нулю (V _GB ), устройство обычно выключено и может быть включено, если напряжение на затворе выше, чем напряжение источника.

Символ и базовая конструкция

Где, D — Слив; G — ворота; S — Источник; и субстрат

Силовые полупроводниковые приборы Solved Ex

A (BJT) излучает ток 1 мА и имеет КПД излучателя 0,99. Базовый коэффициент переноса равен 0,994, а коэффициент рекомбинации на уровне обеднения равен 0,997. Для BJT рассчитайте следующее —

Транспортный фактор

Переписанный транспортный фактор определяется как:

$$\ alpha = \ gamma _ {E} \ times \ alpha _ {T} \ times \ delta _ {r}$$

Подставляя значения, получаем

$$\ alpha = 0,99 \ 0,94 \ 0,97 = 0,981$$

Текущий прирост

Текущее усиление определяется как —

$$\ beta = \ frac {I_ {C}} {I_ {B}} = \ frac {\ alpha} {1- \ alpha}$$

Подставляя значения, получаем

$$\ beta = \ frac {0.981} {1-0.981} = 51.6$$

Коллектор тока

$$I_ {C} = \ alpha \ times I_ {E} = 0,981 \ times 1 = 0,981mA$$

Базовый ток

$$I_ {B} = I_ {E} -I_ {C} = 1-0,981 = 19 \ mu A$$

Силовая электроника — Импульсные преобразователи

Фазоуправляемый преобразователь

Фазоуправляемый преобразователь преобразует энергию переменного тока в постоянный (коммутируемая линия). Другими словами, он используется при преобразовании переменного тока с фиксированной частотой и постоянного напряжения в выходное переменное напряжение постоянного тока. Выражается как

• Фиксированный вход — напряжение, частота и мощность переменного тока

• Переменный выход — выход постоянного напряжения

Фиксированный вход — напряжение, частота и мощность переменного тока

Переменный выход — выход постоянного напряжения

Входное напряжение переменного тока, которое поступает в преобразователь, обычно имеет фиксированное среднеквадратическое значение (среднеквадратичное значение) и фиксированную частоту. Включение тиристоров с фазовым управлением в преобразователь обеспечивает получение переменного выходного напряжения постоянного тока. Это стало возможным благодаря изменению фазового угла, при котором запускаются тиристоры. В результате получается пульсирующий сигнал тока нагрузки.

Во время полупериода входного питания тиристор находится в прямом смещении и включается посредством применения достаточного импульса затвора (триггер). Ток начинает течь после включения тиристора, то есть в точке ωt = α до точки ωt = β. В тот момент, когда ток нагрузки падает до нуля, тиристор отключается в результате коммутации линии (естественной).

Есть много силовых преобразователей, которые используют естественную коммутацию. К ним относятся —

• Преобразователи переменного тока в постоянный
• Преобразователи переменного тока в переменный
• Регуляторы переменного напряжения
• Cycloconverters

Вышеупомянутые преобразователи энергии будут объяснены в следующих главах этого руководства.

2- Импульсный преобразователь

Двухфазный импульсный преобразователь, также известный как генератор модуляции ширины импульса уровня 2 (PWM), используется для генерации импульсов для преобразователей с широтно-импульсной модуляцией, которые основаны на несущей. Это достигается с помощью топологии второго уровня. Этот блок управляет переключающими устройствами для целей управления, такими как IGBT и FET, которые существуют в трех типах преобразователей, а именно:

• 1 рука (однофазный полумост)
• 2 руки (однофазный полный мост)
• 3 руки (трехфазный мост)

Опорный входной сигнал в 2-импульсном преобразователе сравнивается с несущей. Если опорный входной сигнал больше несущей, импульс равен 1 для верхнего устройства и 0 для нижнего устройства.

Для управления устройством с однофазным полным мостом (2 плеча) необходимо применять униполярную или биполярную широтно-импульсную модуляцию. В униполярной модуляции каждое из двух плеч контролируется независимо. Второй опорный входной сигнал генерируется внутри за счет перехода в начальной точки отсчета на 180 °

Когда применяется биполярный ШИМ, состояние нижнего переключающего устройства во втором однофазном полномостовом мосту аналогично верхнему переключателю в первом однофазном полномостовом устройстве. Использование униполярной модуляции приводит к плавным колебаниям переменного тока, в то время как биполярная модуляция приводит к меньшему изменению напряжения.

3-импульсный преобразователь

Рассмотрим трехфазный 3-импульсный преобразователь, в котором каждый из тиристоров находится в режиме проводимости в течение третьего цикла питания. Самое раннее время, когда тиристор запускается в проводимость, составляет 30 ° относительно фазового напряжения.

Его работа объясняется использованием трех тиристоров и трех диодов. Когда тиристоры T1, T2 и T3 заменены диодами D1, D2 и D3, проводимость начнется под углом 30 ° относительно фазовых напряжений u _an , u _bn и u _cn соответственно. Следовательно, угол срабатывания α первоначально измеряется при 30 ° по отношению к соответствующему ему фазному напряжению.

Ток может течь только в одном направлении через тиристор, что аналогично режиму работы инвертора, когда мощность течет со стороны постоянного тока на сторону переменного тока. Кроме того, напряжение в тиристорах контролируется путем управления углом зажигания. Это достигается при α = 0 (возможно в выпрямителе). Таким образом, 3-импульсный преобразователь действует как инвертор и выпрямитель.

6-импульсный преобразователь

На рисунке ниже показан шестиимпульсный мостовой управляемый преобразователь, подключенный к трехфазному источнику. В этом преобразователе число импульсов вдвое больше, чем фаз, то есть р = 2 м . Используя одну и ту же конфигурацию преобразователя, можно объединить два моста из шести импульсов, чтобы получить преобразователь из двенадцати или более импульсов.

Когда коммутация недоступна, два диода будут работать в любое конкретное время. Кроме того, чтобы получить падение напряжения на нагрузке, два диода должны быть расположены на противоположных опорах моста. Например, диоды 3 и 6 не могут быть включены одновременно. Следовательно, падение напряжения на нагрузке постоянного тока представляет собой комбинацию линейного напряжения VL от трехфазного источника.

Важно отметить, что чем больше количество импульсов, тем больше коэффициент использования преобразователя. Кроме того, чем меньше количество импульсов, тем меньше использование преобразователя.

Влияние источника индуктивности

Анализ большинства преобразователей обычно упрощается при идеальных условиях (полное сопротивление источника отсутствует). Однако это предположение не оправдано, поскольку полное сопротивление источника обычно индуктивное с незначительным резистивным элементом.

Индуктивность источника оказывает существенное влияние на производительность преобразователя, поскольку его наличие изменяет выходное напряжение преобразователя. В результате выходное напряжение уменьшается с уменьшением тока нагрузки. Кроме того, формы входного тока и выходного напряжения значительно меняются.

Влияние индуктивности источника на преобразователь анализируется следующими двумя способами.

Влияние на одну фазу

Предполагая, что преобразователь работает в режиме проводимости и пульсации от тока нагрузки незначительны, напряжение разомкнутой цепи становится равным среднему выходу постоянного тока при угле включения α. На приведенной ниже схеме показан полностью управляемый преобразователь с источником в однофазном режиме. Предполагается, что тиристоры T ₃ и T ₄ находятся в режиме проводимости при t = 0. С другой стороны, T ₁ и T ₂ срабатывают при ωt = α

Где —

• V _i = входное напряжение
• I _i = входной ток
• V _o = выходное напряжение
• I _o = выходное напряжение

Когда индуктивность источника отсутствует, коммутация будет происходить при T ₃ и T ₄ . Сразу же включаются тиристоры T ₁ и T ₂ . Это приведет к мгновенному изменению входной полярности. При наличии индуктивности источника, изменение полярности и коммутация не происходит мгновенно. Таким образом, T ₃ и T ₄ не переключаются, как только T ₁ и T ₂ включаются.

В некотором интервале все четыре тиристора будут проводить. Этот проводящий интервал называется интервалом перекрытия (μ).

Перекрытие во время коммутации уменьшает выходное напряжение постоянного тока и угол угасания γ, что приводит к неудачной коммутации, когда α близко к 180 °. Это показано формой волны ниже.

Влияние на три фазы

Как и однофазный преобразователь, мгновенные коммутации отсутствуют из-за наличия индуктивностей источника. Принимая во внимание индуктивность источника, влияние (качественное) на характеристики преобразователя такое же, как в однофазном преобразователе. Это показано на диаграмме ниже.

Силовая электроника — параметры производительности

Важно определить параметры производительности для разных преобразователей, топология которых может быть однофазной или многофазной.

Предположения

• Используемые устройства идеальны, то есть не имеют потерь
• Устройства имеют резистивные нагрузки

Напряжение постоянного тока на нагрузке

$$V_ {DC} = \ frac {1} {T} \ int_ {0} ^ {T} V_ {L} \ left (t \ right) dt$$

Среднеквадратичное напряжение на нагрузке

$$V_ {L} = \ sqrt {\ frac {1} {T}} \ int_ {0} ^ {T} V_ {L} ^ {2} \ left (t \ right) dt$$

Фактор формы

$$FF = \ гидроразрыва {V_ {L}} {V_ {DC}}$$

Пульсационный фактор

$$RF = \ гидроразрыва {\ SQRT {V_ {L} ^ {2} -V_ {DC} ^ {2}}} {V_ {DC}} = \ SQRT {FF ^ {2} -1}$$

Эффективность (фактор выпрямления)

$$\ eta = \ frac {P_ {DC}} {P_ {L} + P_ {D}}$$

Где вышесказанное определяется как —

$P_ {DC} = V_ {DC} \ times I_ {DC}$

$P_ {L} = V_ {L} \ times I_ {L}$

$P_ {D} = R_ {D} \ times I_ {L} ^ {2}$ ($P_ {D}$ — потери выпрямителя, а $R_ {D}$ — сопротивление)

$$\ eta = \ frac {V_ {DC} I_ {DC}} {\ left (V_ {L} I_ {L} \ right) + \ left (R_ {D} I_ {L} ^ {2} \ right )} = \ frac {V_ {DC} ^ {2}} {V_ {L} ^ {2}} \ times \ frac {1} {1+ \ frac {R_ {D}} {R_ {L}}}$$

Но $R_ {D} = 0$

Следовательно,

$$\ eta = \ left (\ frac {V_ {DC}} {V_ {L}} \ right) ^ {2} = \ left (\ frac {1} {FF} \ right) ^ {2}$$

Коэффициент использования трансформатора

TUF= fracPDCVARatingofTransformer= fracPDC fracVAp+VAs2 $$TUF = \ frac {P_ {DC}} {VA \: Rating \: of \: \: Transformer} = \ frac {P_ {DC}} {\ frac {VA_ {p} + VA_ {s}} {2}}$$

VA _p и VA _s — это номинальные значения первичной и вторичной мощности трансформатора.

Управление реактивной мощностью преобразователей

В преобразователях высокого напряжения постоянного тока (HVDC) станции коммутируются по линии. Это означает, что начальный ток клапана может быть задержан только относительно нулевого значения напряжения шины преобразователя в форме переменного тока. Следовательно, для лучшего контроля напряжения шина преобразователя подключена к источнику реактивной мощности.

Реактивные источники энергии используются для изменения конденсаторов в статических системах. Реакция системы реактивной мощности определяется регулированием напряжения в динамических условиях.

При работе с нестабильными системами переменного тока могут возникать проблемы из-за нестабильных скачков напряжения и перенапряжения. Лучшая координация реактивных источников энергии требуется для упрощения контроля углов зажигания. В результате, эта особенность преобразователя реактивной мощности все чаще применяется в современных преобразователях, использующих HVDC.

Управление реактивной мощностью в устойчивом состоянии

Уравнения, выражающие реактивную мощность как функцию активной мощности, приведены в единицах измерения.

Напряжение базового преобразователя определяется как —

$$V_ {db} = 3 \ sqrt {\ frac {2} {\ pi}} \ times V_ {L}$$

Где V _L = напряжение между линиями (со стороны обмотки)

Базовый постоянный ток (I _дБ ) = номинальный постоянный ток (I _дБ )

Базовая мощность _{постоянного тока} (P _dc ) = n _b × V _db × I _db , где n _b = количество мостов в серии

Напряжение переменного тока BaseBase (V _b ) = (V _a )

Базовая мощность переменного тока = базовая мощность постоянного тока

$$\ sqrt {\ frac {18} {\ pi}} \ times V_ {a} \ times I_ {db} \ times n_ {b}$$

Силовая электроника — Двойные преобразователи

Двойные преобразователи в основном используются в приводах с переменной скоростью (VFD). В двойном преобразователе два преобразователя связаны друг с другом. Работа сдвоенного преобразователя поясняется с помощью приведенной ниже схемы. Предполагается, что —

• Двойной преобразователь является идеальным (дает чистый выход постоянного тока) на своих клеммах.

• Каждый двухквадрантный преобразователь представляет собой управляемый источник постоянного тока последовательно с диодом.

• Диоды D1 и D2 показывают однонаправленный поток тока.

Двойной преобразователь является идеальным (дает чистый выход постоянного тока) на своих клеммах.

Каждый двухквадрантный преобразователь представляет собой управляемый источник постоянного тока последовательно с диодом.

Диоды D1 и D2 показывают однонаправленный поток тока.

С учетом двойного преобразователя, работающего без циркулирующего тока, переменный ток не может протекать под воздействием контролируемых импульсов зажигания. Это гарантирует, что преобразователь, несущий ток нагрузки, проводит, пока другой преобразователь заблокирован. Это означает, что реактор между конвертерами не нужен.

Зарядное устройство

Зарядное устройство, также известное как зарядное устройство, использует электрический ток для накопления энергии во вторичном элементе. Процесс зарядки определяется типом и размером батареи. Различные типы батарей имеют разные уровни допуска к перезарядке. Процесс перезарядки может быть достигнут путем подключения его к источнику постоянного напряжения или постоянного тока.

Скорость зарядки (C)

Скорость зарядки определяется как скорость зарядки или разрядки батареи и равна емкости батареи за один час.

Зарядное устройство для батареи определяется с точки зрения скорости зарядки C. Например, зарядное устройство для батареи с рейтингом C / 10 даст зарядную емкость за 10 часов, в то время как один номинальный аккумулятор 3C зарядит батарею за 20 минут.

Типы зарядных устройств

Есть много типов зарядных устройств. В этом уроке мы рассмотрим пять основных типов.

• Простые зарядные устройства — работают от постоянного источника питания в заряжаемой батарее.

• Быстрые зарядные устройства — использует схему управления для быстрой зарядки аккумулятора и в процессе предотвращения повреждения элементов аккумулятора.

• Индуктивные зарядные устройства — для зарядки аккумулятора используется электромагнитная индукция.

• Интеллектуальные зарядные устройства — используются для зарядки аккумулятора, содержащего микросхему, которая взаимодействует с интеллектуальным зарядным устройством.

• Motion powered charger — использует человеческое движение для зарядки аккумулятора. Магнит, помещенный между двумя пружинами, перемещается вверх и вниз движением человека, таким образом заряжая аккумулятор.

Простые зарядные устройства — работают от постоянного источника питания в заряжаемой батарее.

Быстрые зарядные устройства — использует схему управления для быстрой зарядки аккумулятора и в процессе предотвращения повреждения элементов аккумулятора.

Индуктивные зарядные устройства — для зарядки аккумулятора используется электромагнитная индукция.

Интеллектуальные зарядные устройства — используются для зарядки аккумулятора, содержащего микросхему, которая взаимодействует с интеллектуальным зарядным устройством.

Motion powered charger — использует человеческое движение для зарядки аккумулятора. Магнит, помещенный между двумя пружинами, перемещается вверх и вниз движением человека, таким образом заряжая аккумулятор.

Пример фазоуправляемых преобразователей

Двигатель постоянного тока с отдельным возбуждением имеет следующие параметры: 220 В, 100 А и 1450 об / мин. Его якорь имеет сопротивление 0,1 Ом. Кроме того, он питается от 3-фазного полностью контролируемого преобразователя, подключенного к 3-фазному источнику переменного тока с частотой 50 Гц и индуктивным сопротивлением 0,5 Ом и 50 Гц. При α = 0 двигатель работает с номинальным крутящим моментом и скоростью. Предположим, что двигатель тормозит регенеративно, используя обратное направление на его номинальной скорости. Рассчитайте максимальный ток, при котором коммутация не будет затронута.

Решение —

Мы знаем это,

$$ V_ {db} = 3 \ sqrt {\ frac {2} {\ pi}} \ times V_ {L} — \ frac {3} {\ pi} \ times R_ {b} \ times I_ {db} $ $

Подставляя значения, получаем,

$220 = 3 \ sqrt {\ frac {2} {\ pi}} \ times V_ {L} - \ frac {3} {\ pi} \ times 0,5 \ times 100$

Следовательно,

$V_ {L} =$ 198 В

Напряжение при номинальной скорости = 220 $ влево (100 раз в 0,1 раза вправо) = 210 В

При номинальной скорости рекуперативное торможение в обратном направлении,

$= 3 \ sqrt {\ frac {2} {\ pi}} \ times 198 \ cos \ alpha - \ left (\ frac {3} {\ pi} \ times 0,5 + 0,1 \ right) \ times I_ {дБ} = -210V$

Но $\ cos \ alpha - \ cos \ left (\ mu + \ alpha \ right) = \ frac {\ sqrt {2}} {198} \ times 0.5I_ {db}$

Чтобы коммутация не сработала, должно быть выполнено следующее ограничивающее условие.

$\ mu + \ alpha \ ок. 180 ^ {\ circ}$

Следовательно, $\ quad \ cos \ alpha = \ frac {I_ {db}} {198 \ sqrt {2}} - 1$

Также,

$\ frac {3} {\ pi} I_ {db} - \ frac {3 \ sqrt {2}} {\ pi} \ times 198- \ left (\ frac {3} {\ pi} \ times 0,5 + 0,1 \ right) I_ {db} = - 210$

Это дает $\ quad 0.3771I_ {db} = 57.4$

Следовательно, $\ quad I_ {db} = 152.2A$

Силовая электроника — чопперы

Измельчитель использует высокую скорость для подключения и отключения от источника нагрузки. Постоянное постоянное напряжение прикладывается периодически к нагрузке источника путем постоянного включения / выключения выключателя питания. Период времени, в течение которого выключатель питания остается включенным или выключенным, называется временем включения и выключения прерывателя, соответственно.

Чопперы в основном применяются в электромобилях, для преобразования энергии ветра и солнца, а также в регуляторах двигателей постоянного тока.

Символ чоппера

Классификация вертолетов

В зависимости от выходного напряжения, прерыватели классифицируются как —

• Step Up чоппер (повышающий преобразователь)
• Step Down Chopper (Buck конвертер)
• Step Up / Down Chopper (Buck-Boost Converter)

Step Up Chopper

Среднее выходное напряжение (V _o ) в повышающем прерывателе больше, чем входное напряжение (V _s ). На рисунке ниже показана конфигурация повышающего измельчителя.

Формы тока и напряжения

V ₀ (среднее выходное напряжение) является положительным, когда прерыватель включен, и отрицательным, когда прерыватель выключен, как показано на форме волны ниже.

куда

T _ON — интервал времени, когда прерыватель включен

T _OFF — интервал времени, когда прерыватель выключен

V _L — Напряжение нагрузки

V _s — источник напряжения

T — Период прерывания = T _ON + T _OFF

V _o определяется как —

$$V_ {0} = \ гидроразрыва {1} {T} \ int_ {0} ^ {Т_ {О}} V_ {S} дт$$

Когда прерыватель (CH) включен, нагрузка короткозамкнута и, следовательно, выходное напряжение в течение периода T _ON равно нулю. Кроме того, индуктор заряжается в течение этого времени. Это дает V _S = V _L

$L \ frac {di} {dt} = V_ {S},$ $\ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = \ frac {V_ {S}} {L}$

Следовательно, $\ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON}$

Δi = — ток катушки индуктивности. Когда прерыватель (CH) выключен, разряд происходит через индуктор L. Следовательно, сумма V и V _L определяется следующим образом:

$V_ {0} = V_ {S} + V_ {L}, \ quad V_ {L} = V_ {0} -V_ {S}$

Но $L \ frac {di} {dt} = V_ {0} -V_ {S}$

Таким образом, $L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} -V_ {S}$

Это дает $\ Delta i = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF}$

Приравнивание Δi из состояния ВКЛ к Δi из состояния ВЫКЛ дает

$\ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF}$, $V_ {S} \ left (T_ {ON } + T_ {OFF} \ right) = V_ {0} T_ {OFF}$

$V_ {0} = \ frac {TV_ {S}} {T_ {OFF}} = \ frac {V_ {S}} {\ frac {\ left (T + T_ {ON} \ right)} {T}}$

Это дает среднее выходное напряжение как,

$$V_ {0} = \ гидроразрыва {V_ {S}} {1-D}$$

Вышеприведенное уравнение показывает, что V _o может изменяться от V _S до бесконечности. Это доказывает, что выходное напряжение всегда будет больше, чем входное напряжение, и, следовательно, оно увеличивает или увеличивает уровень напряжения.

Step Down Chopper

Это также известно как конвертер доллара. В этом прерывателе среднее выходное напряжение V _O меньше входного напряжения V _S. Когда прерыватель включен, V _O = V _S, а когда выключатель выключен, V _O = 0

Когда измельчитель включен —

$V_ {S} = \ left (V_ {L} + V_ {0} \ right), \ quad V_ {L} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {di} {dt} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = V_ {s} + V_ {0}$

Таким образом, пиковая текущая нагрузка определяется как

$\ Delta i = \ frac {V_ {s} -V_ {0}} {L} T_ {ON}$

Принципиальная электрическая схема

Где FD это диод свободного хода.

Когда прерыватель выключен, на индукторе происходит изменение полярности и разрядка. Ток проходит через диод свободного хода и индуктор к нагрузке. Это дает,

$$L \ гидроразрыва {ди} {дт} = V_ {0} .................................. ...... \ налево (я \ направо)$$

Переписано как — $\ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0}$

$$\ Delta i = V_ {0} \ frac {T_ {OFF}} {L} ............................. ...... \ влево (ii \ вправо)$$

Уравнение уравнений (i) и (ii) дает;

$\ Гидроразрыва {V_ {S} -V_ {0}} {L} T_ {ON} = \ гидроразрыва {V_ {0}} {L} T_ {OFF}$

$\ Гидроразрыва {V_ {S} -V_ {0}} {V_ {0}} = \ гидроразрыва {T_ {OFF}} {T_ {ON}}$

$\ Гидроразрыва {V_ {S}} {V_ {0}} = \ гидроразрыва {T_ {ON} -T_ {OFF}} {T_ {ON}}$

Приведенное выше уравнение дает;

$$V_ {0} = \ гидроразрыва {Т_ {О}} {T} V_ {S} = DV_ {S}$$

Уравнение (i) дает —

$\ Delta i = \ frac {V_ {S} -DV_ {S}} {L} DT$, из $D = \ frac {T_ {ON}} {T}$

$= \ frac {V_ {S} - \ left (1-D \ right) D} {Lf}$

$f = \ frac {1} {T} =$ частота прерывания

Формы тока и напряжения

Форма тока и напряжение приведены ниже —

Для понижающего прерывателя выходное напряжение всегда меньше, чем входное напряжение. Это показано формой волны ниже.

Step Up / Step Down Chopper

Это также известно как преобразователь Buck-Boost. Это позволяет увеличить или уменьшить уровень входного напряжения. На приведенной ниже схеме показан прерыватель повышенной мощности.

Когда прерыватель включен, катушка индуктивности L заряжается напряжением источника V _s . Следовательно, V _s = V _L.

$$L \ frac {di} {dt} = V_ {S}$$ $$\ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {S}} {L } Т \ гидроразрыва {Т_ {О}} {T} = \ {гидроразрыва DV_ {S}} {Lf}$$

Потому что —

$D = \ frac {T_ {ON}} {T}$ и $f = \ frac {1} {T} ....................... ....................... \ слева (iii \ справа)$

Когда прерыватель выключен, полярность индуктора меняется, и это вызывает разрядку через диод и нагрузку.

Следовательно,

$$V_ {0} = - V_ {L}$$ $$L \ frac {di} {dt} = - V_ {0}$$

$L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = - V_ {0}$, таким образом, $\ Delta i = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} ..... ........................... \ слева (iv \ right)$

Оценка уравнения (iii) и (iv) дает —

$\ frac {DV_ {S}} {Lf} = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF}$, $DV_ {S} = - DV_ {S} = - V_ {0} T_ { OFF} е$

$DV_ {S} = - V_ {0} \ frac {T-T_ {ON}} {T} = - V_ {0} \ left (1- \ frac {T_ {ON}} {T} \ right)$ , $V_ {0} = - \ frac {DV_ {S}} {1-D}$

Потому что $D = \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {T-T_ {OFF}} {1-D}$

Это дает,

$V_ {0} = \ {гидроразрыва DV_ {S}} {1-D}$

D можно варьировать от 0 до 1. Когда D = 0; V _O = 0

Когда D = 0,5, V _O = V _S

Когда D = 1, V _O = ∞.

Следовательно, в интервале 0 ≤ D ≤ 0,5 выходное напряжение изменяется в диапазоне 0 ≤ V _O <V _S, и мы получаем понижение или операцию Бака. Принимая во внимание, что в интервале 0,5 ≤ D ≤ 1 выходное напряжение изменяется в диапазоне V _S ≤ V _O ≤ ∞, и мы получаем шаг или операцию усиления.

Силовая электроника — методы контроля

В преобразователе есть два основных метода управления, используемых для изменения выходного напряжения. Это —

• Контроль соотношения времени
• Текущий предел контроля

Контроль соотношения времени

В управлении соотношением времени постоянная k, заданная $\ frac {T_ {ON}} {T}$, варьируется. Константа k называется коэффициентом заполнения. Контроль соотношения времени может быть достигнут двумя способами:

Постоянная частота

В этом методе управления частота (f = 1 / T _0N ) поддерживается постоянной, в то время как время включения T изменяется. Это называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Переменная частота

В методе с переменной частотой частота (f = 1 / T) изменяется, в то время как время включения T поддерживается постоянным. Это называется управлением частотной модуляцией.

Текущий контроль

В преобразователе постоянного тока значение тока изменяется как от максимального, так и от минимального уровня для постоянного напряжения. В этом методе прерыватель (переключатель в преобразователе постоянного тока в постоянный) включается, а затем выключается, чтобы обеспечить постоянство тока между верхним и нижним пределами. Когда ток выходит за пределы максимальной точки, прерыватель отключается.

Когда переключатель находится в выключенном состоянии, ток через диод падает на обороты и экспоненциально падает. Измельчитель включается, когда ток достигает минимального уровня. Этот метод может использоваться либо когда время включения Т является постоянным, либо когда частота (f = 1 / T).

Силовая электроника — Резонансное переключение

Резонансные переключающие преобразователи относятся к преобразователям, которые имеют сети индуктивности и конденсатора (LC) и чьи формы тока и напряжения меняются синусоидальным образом в течение каждого периода переключения. Существуют различные резонансные переключатели-преобразователи —

• Резонансные преобразователи постоянного тока в постоянный
• Преобразователи постоянного тока в переменный
• Резонансные преобразователи переменного тока в преобразователи постоянного тока

В этом уроке мы сосредоточимся на Резонансных преобразователях постоянного тока в постоянный

Резонансные преобразователи постоянного тока в постоянный

Концепция импульсного источника питания (SMPS) поясняется ниже с использованием преобразователя постоянного тока в постоянный. Нагрузка получает постоянное напряжение питания (V _OUT ), которое получается от первичного источника напряжения питания V _IN . Значение V _OUT регулируется последовательно меняющимся резистором (R _S ) или источником тока, подключенным к шунту ( I _S ). Управляя V _OUT посредством изменения I _S и обеспечивая постоянное значение R _S , значительное количество энергии теряется в преобразователе.

Импульсный источник питания (SMPS)

SMPS (импульсный источник питания) относится к электронному устройству, которое использует импульсный регулятор для эффективного преобразования электроэнергии. SMPS получает питание от главных линий электропередачи и передает его нагрузке. Например, компьютер при обеспечении напряжения и тока преобразованы.

Разница между SMPS и линейным источником питания заключается в том, что первый продолжает включаться и выключаться при низком рассеянии и использует меньше времени в областях с высоким рассеянием. Это гарантирует, что меньше энергии тратится впустую. На самом деле, SMPS не рассеивает никакой мощности.

Размер SMPS меньше и очень легкий по сравнению с обычным линейным источником питания такого же размера и формы.

На рисунке ниже показана принципиальная схема для SMPS. Когда частота переключения изменяется, запасенная энергия может изменяться для каждого цикла, и, следовательно, выходное напряжение изменяется.

Формы сигнала ниже для полумостового преобразователя, также известного как двухтактный. Он используется в приложениях, использующих высокую мощность. Входное напряжение уменьшается вдвое, как указано на осциллограмме.

Пример преобразователей постоянного тока в постоянный

Повышающий прерыватель имеет входное напряжение 150 В. Требуемое выходное напряжение составляет 450 В. Учитывая, что тиристор имеет время проведения 150 мкс. Рассчитайте частоту измельчения.

Решение —

Частота измельчения (ф)

$F = \ гидроразрыва {1} {T}$

Где T — период прерывания = $T_ {ON} + T_ {OFF}$

Дано — $V_ {S} = 150 В$ $V_ {0} = 450 В$ $T_ {ON} = 150 мксек$

$V_ {0} = V_ {S \ left (\ frac {T} {T-T_ {ON}} \ right)}$

$450 = 150 \ frac {T} {T-150 ^ {- 6}}$ $T = 225 \ mu sec$

Поэтому $f = \ frac {1} {225 \ ast 10 ^ {- 6}} = 4,44 кГц$

Новое выходное напряжение при условии, что работа происходит на постоянной частоте после сокращения длительности импульса вдвое.

В два раза ширина импульса дает —

$$T_ {ON} = \ frac {150 \ times 10 ^ {- 6}} {2} = 75 \ mu sec$$

Частота постоянна, таким образом,

$$f = 4.44 кГц$$ $$T = \ frac {1} {f} = 150 \ mu sec$$

Выходное напряжение определяется как —

$$V_ {0} = V_ {S} \ left (\ frac {T} {T-T_ {ON}} \ right) = 150 \ раз \ left (\ frac {150 \ times 10 ^ {- 6}} {\ left (150-75 \ right) \ times 10 ^ {- 6}} \ right) = 300 Вольт$$

Силовая электроника — типы инверторов

Инвертор относится к силовому электронному устройству, которое преобразует мощность в форме постоянного тока в форму переменного тока с требуемой частотой и выходным напряжением.

Инверторы делятся на две основные категории —

• Инвертор источника напряжения (VSI) — Инвертор источника напряжения имеет жесткое напряжение источника постоянного тока, то есть напряжение постоянного тока имеет ограниченный или нулевой импеданс на входных клеммах инвертора.

• Инвертор источника тока (CSI) — Инвертор источника тока питается переменным током от источника постоянного тока с высоким сопротивлением. Результирующие волны тока не подвержены влиянию нагрузки.

Инвертор источника напряжения (VSI) — Инвертор источника напряжения имеет жесткое напряжение источника постоянного тока, то есть напряжение постоянного тока имеет ограниченный или нулевой импеданс на входных клеммах инвертора.

Инвертор источника тока (CSI) — Инвертор источника тока питается переменным током от источника постоянного тока с высоким сопротивлением. Результирующие волны тока не подвержены влиянию нагрузки.

Однофазный инвертор

Существует два типа однофазных инверторов — инвертор с полным мостом и инвертор с полным мостом.

Полумостовой инвертор

Этот тип инвертора является основным строительным блоком полного мостового инвертора. Он содержит два переключателя, и каждый из его конденсаторов имеет выходное напряжение, равное $\ frac {V_ {dc}} {2}$. Кроме того, переключатели дополняют друг друга, то есть, если один включен, другой выключается.

Полный мостовой инвертор

Эта инверторная схема преобразует постоянный ток в переменный. Это достигается путем замыкания и размыкания переключателей в правильной последовательности. Он имеет четыре различных рабочих состояния, в зависимости от которых замкнуты переключатели.

Трехфазный инвертор

Трехфазный инвертор преобразует вход постоянного тока в выход трехфазного переменного тока. Его три плеча обычно задерживаются на угол 120 °, чтобы создать трехфазный источник переменного тока. Каждое из переключателей инвертора имеет коэффициент 50%, и переключение происходит после каждого T / 6 времени T (угловой интервал 60 °). Переключатели S1 и S4, переключатели S2 и S5 и переключатели S3 и S6 дополняют друг друга.

На рисунке ниже показана схема трехфазного инвертора. Это всего лишь три однофазных инвертора, подключенных к одному источнику постоянного тока. Напряжения полюсов в трехфазном инверторе равны напряжениям полюса в однофазном полумостовом инверторе.

Два приведенных выше типа инверторов имеют два режима проводимости — режим проводимости 180 ° и режим проводимости 120 ° .

Режим проводимости 180 °

В этом режиме проводимости каждое устройство находится в состоянии проводимости в течение 180 °, где оно включается с интервалами 60 °. Клеммы A, B и C являются выходными клеммами моста, которые подключены к трехфазному соединению треугольником или звездой нагрузки.

Работа сбалансированной подключенной звезды нагрузки описана на диаграмме ниже. Для периода 0 ° — 60 ° точки S1, S5 и S6 находятся в режиме проводимости. Клеммы A и C нагрузки подключены к источнику в его положительной точке. Терминал B подключен к источнику в его отрицательной точке. Кроме того, сопротивление R / 2 находится между нейтральным и положительным концом, тогда как сопротивление R находится между нейтральным и отрицательным полюсом.

Напряжения нагрузки даны следующим образом; V AN = V / 3, V BN = -2 В / 3, V CN = V / 3

Напряжения в сети даны следующим образом; V AB = V AN — V BN = V, V BC = V BN — V CN = -V, V CA = V CN — V AN = 0

Напряжения нагрузки даны следующим образом;

V _AN = V / 3,

V _BN = -2 В / 3,

V _CN = V / 3

Напряжения в сети даны следующим образом;

V _AB = V _AN — V _BN = V,

V _BC = V _BN — V _CN = -V,

V _CA = V _CN — V _AN = 0

Форма волны для режима проводимости 180 °

Режим проводимости 120 °

В этом режиме проводимости каждое электронное устройство находится в состоянии проводимости в течение 120 °. Он наиболее подходит для дельта-соединения в нагрузке, потому что он дает форму сигнала с шестью шагами по любой из его фаз. Следовательно, в любой момент времени только два устройства проводят, потому что каждое устройство проводит только при 120 °.

Клемма A на нагрузке подключена к положительному концу, а клемма B — к отрицательному концу источника. Терминал C на нагрузке находится в состоянии, называемом плавающим состоянием. Кроме того, фазные напряжения равны напряжениям нагрузки, как показано ниже.

Фазные напряжения = линейные напряжения

V _AB = V

V _BC = -V / 2

V _CA = -V / 2

Форма волны для режима проводимости 120 °

Силовая электроника — широтно-импульсная модуляция

ШИМ — это метод, который используется для уменьшения общего гармонического искажения (THD) в токе нагрузки. Он использует пульсовую волну в прямоугольной / квадратной форме, которая приводит к переменному среднему значению формы волны f (t) после того, как его ширина импульса была модулирована. Период времени для модуляции задается как T. Следовательно, среднее значение сигнала определяется как

$$\ bar {y} = \ frac {1} {T} \ int_ {0} ^ {T} f \ left (t \ right) dt$$

Синусоидальная широтно-импульсная модуляция

В простом инверторе напряжения источника переключатели могут включаться и выключаться по мере необходимости. В течение каждого цикла переключатель включается или выключается один раз. Это приводит к квадратной форме волны. Однако, если переключатель включен несколько раз, получается гармонический профиль с улучшенной формой волны.

Синусоидальный сигнал ШИМ получается путем сравнения желаемого модулированного сигнала с треугольным сигналом высокой частоты. Независимо от того, является ли напряжение сигнала меньшим или большим, чем напряжение сигнала несущей, результирующее выходное напряжение шины постоянного тока является либо отрицательным, либо положительным.

Синусоидальная амплитуда задается как A _m, а амплитуда треугольника-носителя — как A _c . Для синусоидального ШИМ модулирующий индекс m задается как A _m / A _c .

Модифицированная синусоидальная форма волны ШИМ

Модифицированный синусоидальный сигнал ШИМ используется для управления мощностью и оптимизации коэффициента мощности. Основная идея состоит в том, чтобы сдвинуть ток, задержанный в сети, в сеть напряжения путем модификации ШИМ-преобразователя. Следовательно, происходит повышение эффективности мощности, а также оптимизация коэффициента мощности.

Несколько ШИМ

Множественный ШИМ имеет множество выходов, которые имеют разное значение, но период времени, в течение которого они создаются, является постоянным для всех выходов. Инверторы с ШИМ способны работать при высоком напряжении на выходе.

Форма волны ниже представляет собой синусоидальную волну, генерируемую множественным ШИМ

Напряжение и гармонический контроль

Периодическая форма волны, имеющая частоту, которая является кратным интегралом основной мощности с частотой 60 Гц, называется гармоникой. Общее гармоническое искажение (THD), с другой стороны, относится к суммарному вкладу всех частот гармонического тока.

Гармоники характеризуются импульсом, который представляет количество выпрямителей, используемых в данной цепи. Он рассчитывается следующим образом —

$$h = \ left (n \ times P \ right) +1 \ quad или \ quad -1$$

Где n — целое число 1, 2, 3, 4… .n

P — количество выпрямителей

Это обобщено в таблице ниже —

гармоника	частота
первый	60 Гц
2- й	120 Гц
3- й	180Hz
4- й	240Hz
пятые , , сорок девятая	300Hz , , 2940Hz

гармоника

частота

пятые

,

,

сорок девятая

300Hz

,

,

2940Hz

Гармоники оказывают влияние на выходное напряжение и ток и могут быть уменьшены с помощью изолирующих трансформаторов, линейных реакторов, модернизации энергосистем и фильтров гармоник.

Серийный Резонансный Инвертор

Резонансный инвертор — это электрический инвертор, работа которого основана на колебании резонансного тока. Здесь переключающее устройство и резонирующий компонент соединены последовательно друг с другом. В результате естественных особенностей схемы ток, проходящий через переключающее устройство, падает до нуля.

Этот тип инвертора выдает синусоидальную форму волны на очень высоких частотах в диапазоне от 20 кГц до 100 кГц. Поэтому он наиболее подходит для приложений, требующих фиксированной мощности, таких как индукционный нагрев и флуоресцентное освещение. Обычно он небольшой по размеру, потому что его частота переключения высокая.

Резонансный инвертор имеет множество конфигураций, и поэтому он подразделяется на две группы —

• Те, с однонаправленными переключателями
• Те, с двунаправленными переключателями

Силовая электроника — пример с инверторами

Однофазный полумостовой инвертор имеет сопротивление 2,5 Ом и входное напряжение постоянного тока 50 В. Рассчитайте следующее —

Решение —

. Среднеквадратичное напряжение, возникающее на основной частоте

$E_ {1RMS} = 0,9 \ умножить на 50 В = 45 В$

б. Выходная мощность

Среднеквадратичное выходное напряжение $E_ {ORMS} = E = 50 В$

Выходная мощность $= E ^ {2} / R = \ left (50 \ right) ^ {2} /2.5=1000W$

с. Пиковый ток и средний ток

Пиковый ток $I_ {p} = E_ {0} /R=50/2.5=20A$

Средний ток $= I_ {p} / 2 = 20/2 = 10A$

д. Гармоническое среднеквадратичное напряжение

$E_ {n} = \ left \ {\ left (E_ {ORMS} \ right) ^ {2} - \ left (E_ {1RMS} \ right) ^ {2} \ right \} ^ {0.5} = \ left [50 ^ {2} -45 ^ {2} \ right] ^ {0.5} = 21,8 В$

е. Общее гармоническое искажение

$E_ {n} / E_ {1RMS} = 21,8 / 45 = 0,48 \ раз 100 \% = 48 \%$

Однофазные контроллеры напряжения переменного тока

Однофазный контроллер переменного тока (регулятор напряжения) используется для изменения значения переменного напряжения после его подачи в цепь нагрузки. Тиристор также расположен между нагрузкой и постоянным источником переменного напряжения.

Среднеквадратичное переменное напряжение регулируется изменением угла срабатывания тиристора. В случае управления фазой тиристоры используются в качестве переключателей для установления соединения от источника переменного тока к цепи нагрузки во время каждого цикла ввода. Для каждого положительного входного напряжения происходит прерывание и напряжение уменьшается.

Принципиальная схема с резистивной нагрузкой

В течение половины цикла включается тиристорный переключатель, чтобы вход напряжения появлялся на нагрузке. За этим следует состояние ВЫКЛ во время последнего полупериода, чтобы отключить нагрузку от напряжения источника.

Когда угол запуска α регулируется, среднеквадратичное значение напряжения на нагрузке также контролируется. Следовательно, угол срабатывания α определяется как значение ωt, при котором тиристор включается.

Многоступенчатый контроль последовательности преобразователя переменного тока

Когда два или более каскадов управления последовательностью соединены, возможно улучшение коэффициента мощности и дальнейшее снижение THD (общее гармоническое искажение). Преобразователь управления n-ступенчатой ​​последовательностью имеет n обмоток во вторичной части трансформатора с каждым номинальным значением e _s / n (напряжение источника).

Когда два преобразователя переменного тока размещены параллельно друг другу, создается путь с нулевой последовательностью. Небольшая разница между двумя преобразователями приводит к большой нулевой последовательности в циркулирующем токе. На приведенной ниже схеме показана параллельная система преобразователя. Направление тока против часовой стрелки относительно направления напряжения системы.

Силовая электроника — Циклопреобразователи

Циклонвертер относится к преобразователю частоты, который может изменять мощность переменного тока с одной частоты на мощность переменного тока на другой частоте. Этот процесс известен как преобразование AC-AC. Это главным образом используется в электрической тяге, двигателях переменного тока, имеющих переменную скорость и индукционный нагрев.

Циклоконвертер может выполнять преобразование частоты за одну стадию и обеспечивает контроль напряжения и частоты. Кроме того, нет необходимости использовать коммутационные схемы, поскольку он использует естественную коммутацию. Передача мощности в циклопреобразователе происходит в двух направлениях (двунаправленная).

Основная проблема циклопреобразователей заключается в том, что при работе на малых токах возникают неэффективности, связанные с задержкой срабатывания. Кроме того, операции являются плавными только на частотах, которые не равны половинным частотным входным значениям. Это верно, потому что циклопреобразователь является преобразователем переменного тока в переменный, который контролируется фазой. Поэтому, чтобы дать требуемое выходное напряжение переменного тока, он должен сделать выбор входных сегментов напряжения путем применения линейной (естественной) коммутации. Это объясняет, почему выходная частота ниже входной частоты.

Гармоники в циклопреобразователе в основном зависят от методов управления, эффекта перекрытия, количества импульсов в данном цикле, режима работы и режима проводимости.

Есть два типа циклоконвертеров:

• Step Up cycloconverter — эти типы используют естественную коммутацию и дают выход на более высокой частоте, чем на входе.

• Циклический преобразователь с понижением частоты — этот тип использует принудительную коммутацию и приводит к выходу с частотой ниже, чем у входа.

Step Up cycloconverter — эти типы используют естественную коммутацию и дают выход на более высокой частоте, чем на входе.

Циклический преобразователь с понижением частоты — этот тип использует принудительную коммутацию и приводит к выходу с частотой ниже, чем у входа.

Циклопреобразователи делятся на три категории:

• Однофазный в однофазный. Этот тип циклоконвертера имеет два двухполупериодных преобразователя, подключенных друг к другу. Если работает один преобразователь, другой отключен, ток не проходит через него.

• От трехфазного до однофазного — этот циклоконвертер работает в четырех квадрантах, то есть (+ V, + I) и (-V, -I) являются режимами выпрямления, а (+ V, -I) и (-V, + I) ) являясь режимами инверсии.

• Трехфазный к трехфазному. Этот тип циклопреобразователя в основном используется в системах переменного тока, работающих на трехфазных индукционных и синхронных машинах.

Однофазный в однофазный. Этот тип циклоконвертера имеет два двухполупериодных преобразователя, подключенных друг к другу. Если работает один преобразователь, другой отключен, ток не проходит через него.

От трехфазного до однофазного — этот циклоконвертер работает в четырех квадрантах, то есть (+ V, + I) и (-V, -I) являются режимами выпрямления, а (+ V, -I) и (-V, + I) ) являясь режимами инверсии.

Трехфазный к трехфазному. Этот тип циклопреобразователя в основном используется в системах переменного тока, работающих на трехфазных индукционных и синхронных машинах.

Силовая электроника — Интегральное управление циклом

Интегральные контроллеры цикла — это преобразователи с возможностью прямого переключения без потерь. Процесс напрямую преобразует переменный ток в переменный без необходимости выполнять промежуточные процессы переменного тока в постоянный ток, а затем постоянного тока в переменный.

Основной интегральный цикл управления имеет синусоидальный характер. Он работает путем объединения и устранения высокочастотных полупериодов от входа переменного тока. Контроллеры обычно включаются и выключаются во время полупериодов, когда входное напряжение равно нулю, поскольку используются только полные или полупериодные циклы. Следовательно, интегральные циклические схемы обеспечивают переключение при нулевом напряжении без необходимости использования резонансного контура.

На приведенной ниже схеме показан простой интегральный контроллер цикла. Он содержит нагрузку и выключатель питания, который выполняет прямое преобразование. На этой диаграмме показано преобразование частоты источника с коэффициента три к одному.

Управление коэффициентом мощности

Управление коэффициентом мощности, также известное как коррекция коэффициента мощности, представляет собой процесс уменьшения количества реактивной мощности. Силовое электронное устройство, используемое в этом случае, называется контроллером коэффициента мощности (PFC). От силового треугольника (который включает в себя реактивную, истинную и кажущуюся мощность) реактивная мощность находится под прямым углом (90 °) к истинной мощности и используется для возбуждения магнитного поля. Хотя реактивная мощность не имеет реальной стоимости в электронном оборудовании, счет за электроэнергию включает реальные и реактивные затраты. Это делает необходимым наличие контроллеров коэффициента мощности в электронных устройствах.

Коэффициент мощности (k) определяется как отношение реальной мощности (в кВт) к реактивной мощности (в кВАр). Его значение колеблется от 0 до 1. Если устройство имеет коэффициент мощности 0,8 и выше, говорят, что оно эффективно использует энергию. Включение PFC обеспечивает коэффициент мощности в диапазоне от 0,95 до 0,99. Контроллеры коэффициента мощности в основном используются в промышленном оборудовании для минимизации реактивной мощности, генерируемой флуоресцентным освещением и электродвигателями.

Чтобы гарантировать, что коэффициент мощности улучшается, не вызывая гармонических искажений, не следует использовать обычные конденсаторы. Вместо этого используются фильтры (комбинация конденсаторов и реакторов) для подавления гармоник. На рисунке ниже показан фильтр гармоник.

Вышеупомянутый тип фильтра гармоник упоминается как одиночный настроенный фильтр. Коэффициент качества Q этого фильтра определяется как коэффициент качества его реактивного сопротивления (X _L ) при Q (частоте настройки), где Q определяется как (nX _L / R).

Силовая электроника — матричные преобразователи

Матричный преобразователь определяется как преобразователь с одной ступенью преобразования. Он использует двунаправленный управляемый переключатель для автоматического преобразования мощности переменного тока в переменный. Он обеспечивает альтернативу ШИМ-выпрямителю напряжения (двухстороннему).

Матричные преобразователи характеризуются синусоидальными сигналами, которые показывают частоты переключения входа и выхода. Двунаправленные переключатели позволяют иметь управляемый входной коэффициент мощности. Кроме того, отсутствие звеньев постоянного тока обеспечивает компактную конструкцию. Недостатком матричных преобразователей является то, что в них отсутствуют двусторонние переключатели, которые полностью контролируются и могут работать на высоких частотах. Его отношение напряжения к выходному напряжению ограничено.

Существует три метода управления матричным преобразователем:

• Пространственно-векторная модуляция
• Широтно-импульсная модуляция
• Вентури — анализ передачи функции

Схема матричного преобразователя

На приведенной ниже схеме показан однофазный матричный преобразователь.

Он содержит четыре двунаправленных переключателя, каждый из которых способен проводить как прямую блокировку, так и обратное напряжение.

Пространственно-векторная модуляция (SVM)

SVM относится к методу алгоритма, который используется для управления ШИМ. Он создает сигналы переменного тока, которые приводят в движение двигатели переменного тока с различной скоростью. В случае трехфазного инвертора, имеющего источник питания постоянного тока, его три главные ветви на выходе соединены с трехфазным двигателем.

Переключатели находятся под контролем, чтобы гарантировать, что никакие два переключателя на одной ветви не включены одновременно. Одновременное включение может привести к короткому замыканию источника постоянного тока. Это приводит к восьми векторам переключения, где два — ноль, а шесть — активные векторы для переключения.

Преобразователи переменного тока в постоянный

Однофазный преобразователь переменного напряжения имеет следующие детали:

Время включения = 6 минут, время отключения = 4 минуты, частота = 50 Гц и

Источник напряжения V _o = 110 В

Рассчитайте следующее.

Угол срабатывания α

Решение —

$T = 2 \ times \ left (T_ {ON} + T_ {OFF} \ right)$, но $f = 50 Гц,$ $T = 2 \ times \ left (6 + 4 \ right) = 20 минут$

$360 ^ {\ circ} = 20 минут,$ $1мин = 18 ^ {\ circ}$

Следовательно, $T_ {OFF} = 4мин.$

Затем,

$$\ alpha = \ frac {4} {0.1} \ times 1.8 = 72 ^ {\ circ}$$

Выходное напряжение

Решение —