Преобразователи мостового типа в силовой электронике

August 4, 2013 by admin Комментировать »

Комбинация из четырех IGBT-транзистпоров образует базовую мостовую схему, широко используемую для управления электродвигателями и рядадругих применений (Рис. i3.7).

Рис. 13.7. Преобразовательмостового типа

Необходимо отметить, что параллельно каждому ЮВТ-транзистору подсоединены инверсно включенные диоды, обеспечивающие защиту ключей от бросков напряжения при коммутации индуктивной нагрузки. При включенных ключах 1 и 2 ток через нагрузку течет в условно-прямом направлении, а при включенных ключах 3 и 4 — в условно-обратном. Ток в обоих направлениях может быть модулирован широтно-импульсным способом, что позволяет создавать синусоидальное напряжение на нагрузке (Рис. 13.8). Конечно, на практике выходное синусоидальное напряжение будет более искаженным, чем показано на Рис. 13.8. Для его сглаживания необходимо использовать относительно более высокую частоту коммутации ключей, чем показано на Рис. 13.8, а также фильтр в выходной цепи.

Рис. 13.8. Формирование синусоидального напряжения с помощыо широтно-импульсной

модуляции (ШИМ)

При управлении ключами в мостовой схеме очень важно исключить случаи, когда одновременно оказываются включены все ключи и цепь питания оказывается замкнутой накоротко. Это может происходить, например, при включении ключей 1 и 2, когда ключи 3 и 4 еще не успели выключиться. Для исключения этих ситуаций используются специальные схемы задержки включения одной пары ключей на время, необходимое для завершения процесса выключения другой пары.

Если в схему, приведенную на Рис. 13.7, добавить еще одну секцию из двух транзисторов, то получится схема управления трехфазным электродвигателем (Рис. 13.9).

Рис. 13.9. Типовая мостовая схема управления трехфазньш электродвигателем

Существует большое многообразие трехфазных схем, разработанных для обеспечения различных специальных требований (малых гармонических искажений выходного напряжения, высоких уровней рабочих напряжений и т. д.). Одни из них работают с полным диапазоном выходного напряжения — от максимального положительного до максимального отрицательного, а другие, напротив, обеспечивают маленькие шаги изменения выходного напряжения для того, чтобы уменьшить влияние на двигатель резких бросков напряжения. Среди последних можно упомянуть, например, преобразователь с нулевым напряжением переключения (neutralpoint-clamped inverter), устройство которого обеспечивает пять уровней выходного напряжения против двух в обычном преобразователе. Кроме величины шага изменения выходного напряжения, на скорость его изменения влияет и частота коммутации. При увеличении частоты коммутации скорость изменения напряжения растет, так как высокочастотные полупроводниковые приборы и переключаются быстрее. Обмотки электродвигателя, как и обмотки трансформатора, подвержены воздействию высокой скорости изменения входного напряжения (jront.-of-wave effect) (см. гл. 7), и использование твердотельных электроприводов с моторами старых

конструкций может привести к проблемам, связанным с пробоями изоляции обмоток. Применительно к современным электродвигателям их изготовители добились совместимости с твердотельными схемами управления.

Для работы непосредственно от сети переменного тока и питания высокочастотных трансформаторов, используемых в качестве нагрузки в мостовых схемах, могут быть использованы транзисторы различных типов. Применение малогабаритных и легких высокочастотных трансформаторов и фильтров совершило революцию в области источников питания для разнообразного оборудования, работающего от сети 120 В переменного тока.

Системы с импульсным преобразованием напряжения проникли и в область усилителей звуковой частоты. В традиционных усилителях звуковой частоты электровакуумные лампы или транзисторы работают в линейном режиме, так что их КПД (отношение выходной мощности к потребляемой) находится в пределах 25…60%, в зависимости от того, какой используется режим по смещению выходного каскада. Разность между выходной и потребляемой мощностью рассеивается в элементах конструкции усилителя. В усилителях, работающих в ключевом режиме (их еще называют «усилители класса D»), выходные транзисторы находятся либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, что способствует кардинальному снижению потерь. Обычно усилители звуковой частоты должны обеспечивать частотный диапазон 20 Гц…20 кГц, так что используемые транзисторы должны иметь малые потери на частотах переключения 40 кГц и выше. Автор оставляет другим судить о влиянии этих «гремящих ящиков» (boom Ьох’ов) на общество.

Работа на высоких частотах

В любых полупроводниковых приборах потери переключения пропорциональны частоте и значению коммутируемого тока. Если стоит задача генерировать заданную частоту или управлять ею, то единственным способом снижения потерь переключения остается включение и выключение ключей при возможно меньших их токах. А это в свою очередь предполагает использование переключающих элементов с возможностью управления током. Один из вариантов схемы, реализующей этот подход, показан на Рис. 13.10. В ней низкочастотный понижающий преобразователь используется в качестве источника тока для высокочастотной мостовой схемы на IGBT-транзисторах, работающей на частоте 30 кГц. Управление затворами IGBT-транзисторов синхронизовано с током в нагрузке так, что и включение, и выключение ключей осуществляется при значении тока транзисторов, близком к нулю. В этом режиме рассеиваемая на транзисторах мощность снижается настолько сильно, что обеспечивается возможность их применения для управления мощностью в нагрузке до 50 кВт.

Рис. 13.10. Мостовой преобразователь напряжения с питанием от понижающего преобразователя напряжения

Введение гармоник

Максимальное амплитудное значение синусоидального напряжения, которое можно получить на выходе инвертора, равно напряжению его питания за вычетом падения напряжения на IGBT-транзисторах (Рис. 13.11, слева). Справа на том же рисунке представлена комплексная полуволна, полученная добавлением к основной синусоиде ее третьей гармоники с амплитудой 15% от основной.

Рис. 13.11. Введение гармоник для увеличения амплитуды выходного напряжения инвертора

Введение этой гармоники уменьшает амплитудное значение комплексного сигнала по сравнению с амплитудным значением его первой гармоники, и если теперь амплитудное значение комплексного сигнала будет ограничено уровнем напряжения питания инвертора, то амплитуда его первой гармоники возрастет на 15%. VTOT представляет собой амплитуду комплексного сигнала, V3 — амплитуду введенной гармоники, aVl — амплитуду первой гармоники, получаемой при том же напряжении питания. Эта схема используется для улучшения характеристик мощных приводов электродвигателей при формировании с помощью последовательно включенных инверторов напряжений фаза-нейтраль. А вот в напряжениях фаза-фаза третья гармоника исчезает.

Последовательные мосты

Некоторые изготовители для управления электродвигателями при среднем уровне напряжения соединяют трехфазные мосты последовательно для получения напряжений фаза-нейтраль. Каждый мост при этом питается от отдельной вторичной обмотки фазосдвигающего трансформатора, что обеспечивает уменьшение уровня гармоник в потребляемом от сети токе.

На Рис. 13.12 показана базовая схема для 2400-вольтового привода электродвигателя. В ней два набора вторичных обмоток сдвинуты по фазе на +20° и -20° относительно третьего набора, так что получается 18-импульсная входная цепь. Три инвертора (A1, A2 и АЗ), на 460 В каждый, соединены последовательно и формируют одно из напряжений фаза-нейтраль для питания двигателя. Два других набора инверторов используются для формирования других фазных напряжений. Несмотря на кажущуюся сложность этой схемы, подобные изделия вполне конкурентоспособны и применяются до напряжений 7200 В при расчетной мощности до 20000 л. с. На рынке схем управления электродвигателями со средним напряжением питания эти схемы в настоящее время являются основными «игроками».

Рис. 13.12. Последовательное соединение мостовых инверторов

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты