Силовая электроника

Эта статья посвящена технологии силовой электроники. Музыкальный жанр см. в разделе Силовая электроника (музыка).

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

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

Системы преобразования мощности могут быть классифицированы в зависимости от типа входной и выходной мощности:

Преобразование переменного тока в постоянный (выпрямитель)

Преобразование постоянного тока в переменный (инвертор)
Преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-to-DC converter)
Преобразователь переменного тока в переменный (AC-to-AC converter)

История[править]

Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя. Изобретенный Питером Купером Хьюиттом в 1902 году, он использовался для преобразования переменного тока в постоянный. Начиная с 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутно-дуговых вентилей с сетевым управлением для передачи электроэнергии. Уно Ламм разработал ртутный клапан с сортирующими электродами, что делает их пригодными для передачи энергии постоянным током высокого напряжения. В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители.

Джулиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время не было возможности реально сконструировать работающее устройство.В 1947 году биполярный транзистор с точечным контактом был изобретен Уолтером Х. Браттейном и Джоном Бардином под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs. В 1948 году изобретенный Шокли транзистор с биполярным переходом (BJT) улучшил стабильность и производительность транзисторов и снизил затраты. К 1950-м годам стали доступны полупроводниковые диоды большей мощности, которые начали заменять вакуумные трубки. В 1956 году General Electric представила кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), что значительно расширило спектр применения силовой электроники. К 1960-м годам улучшенная скорость переключения транзисторов с биполярным переходом позволила использовать высокочастотные преобразователи постоянного тока.

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

Силовой МОП-транзистор[править]

Основная статья: Силовой МОП-транзистор

Смотрите также: МОП-транзистор, VMOS, LDMOS, и Биполярный транзистор с изолированным затвором

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET (полевой транзистор металл–оксид–полупроводник) Мохамедом Аталлой и Давоном Каном в Bell Labs в 1959 году. Поколения транзисторов MOSFET позволили разработчикам систем питания достичь уровней производительности и плотности, невозможных при использовании биполярных транзисторов. Благодаря усовершенствованию технологии MOSFET (первоначально использовавшейся для производства интегральных схем), в 1970-х годах стали доступны силовые MOSFET.

В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор[7], который позже станет известен как VMOS (V-groove MOSFET). С 1974 года Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с силовыми МОП-транзисторами. В 1978 году International Rectifier представила МОП-транзистор с питанием 25 А и 400 В. Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но ограничено приложениями с низким напряжением.

Силовой МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым устройством в мире из-за низкой мощности привода затвора, высокой скорости переключения, простой расширенной возможности распараллеливания, широкой полосы пропускания, прочности, простоты привода, простого смещения, простоты применения и простоты ремонта. Она имеет широкий спектр применений в силовой электронике, таких как портативные информационные устройства, силовые интегральные схемы, сотовые телефоны, ноутбуки и инфраструктура связи, которая обеспечивает доступ к Интернету.

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

Устройства[править]

Возможности и экономичность системы силовой электроники определяются имеющимися активными устройствами. Их характеристики и ограничения являются ключевым элементом при проектировании систем силовой электроники. Ранее в силовой электронике широко использовались ртутный дуговой вентиль, высоковакуумные и газонаполненные диодные термоэлектронные выпрямители и устройства с триггером, такие как тиратрон и игнитрон. Поскольку характеристики твердотельных устройств улучшились как по напряжению, так и по току, вакуумные устройства были почти полностью заменены твердотельными устройствами.

Силовые электронные устройства могут использоваться как переключатели или как усилители. Идеальный выключатель либо разомкнут, либо замкнут и поэтому не рассеивает мощность; он выдерживает приложенное напряжение и не пропускает ток или пропускает ток любой величины без падения напряжения. Полупроводниковые устройства, используемые в качестве переключателей, могут приближаться к этому идеальному свойству, и поэтому большинство приложений силовой электроники полагаются на включение и выключение устройств, что делает системы очень эффективными, поскольку коммутатор расходует очень мало энергии. Напротив, в случае усилителя ток через устройство непрерывно изменяется в соответствии с управляемым входом. Напряжение и ток на клеммах устройства соответствуют линии нагрузки, и рассеиваемая мощность внутри устройства велика по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.

Несколько характеристик определяют, как используются устройства. Такие устройства, как диоды, проводят ток при подаче прямого напряжения и не имеют внешнего контроля начала проводимости. Силовые устройства, такие как управляемые кремнием выпрямители и тиристоры (а также ртутный клапан и тиратрон), позволяют контролировать начало электропроводности, но полагаются на периодическое изменение направления тока для их отключения. Такие устройства, как тиристоры с отключением затвора, транзисторы BJT и MOSFET обеспечивают полное управление переключением и могут включаться или выключаться независимо от протекающего через них тока. Транзисторные устройства также допускают пропорциональное усиление, но это редко используется для систем мощностью более нескольких сотен Ватт. Характеристики управляющего входа устройства также существенно влияют на конструкцию; иногда управляющий вход находится на очень высоком напряжении относительно земли и должен питаться от изолированного источника.

Поскольку в силовом электронном преобразователе очень важна эффективность, потери, создаваемые силовым электронным устройством, должны быть как можно ниже.

Устройства различаются по скорости переключения. Некоторые диоды и тиристоры рассчитаны на относительно низкую скорость и полезны для переключения и управления частотой питания; некоторые тиристоры полезны при частоте в несколько килогерц. Такие устройства, как MOSFET и BJT, могут переключаться с частотой от десятков килогерц до нескольких мегагерц в приложениях питания, но с уменьшением уровней мощности. Вакуумные ламповые устройства используют большую мощность (сотни киловатт) при очень высоких частотах (сотни или тысячи мегагерц). Устройства с более быстрым переключением сводят к минимуму потери энергии при переключениях с включения на выключение и обратно, но могут создавать проблемы из-за излучаемых электромагнитных помех. Схемы привода затвора (или эквивалентные) должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать достаточный ток привода для достижения максимально возможной скорости переключения устройства. Устройство, не имеющее достаточного привода для быстрого переключения, может выйти из строя из-за чрезмерного нагрева.

Практические устройства имеют ненулевое падение напряжения и рассеивают мощность при включении, и требуется некоторое время, чтобы пройти через активную область, пока они не достигнут состояния "включено" или "выключено". Эти потери составляют значительную часть общей потерянной мощности в преобразователе.

Регулирование мощности и рассеивание устройств также является критическим фактором при проектировании. Силовым электронным устройствам, возможно, придется рассеивать десятки или сотни ватт отходящего тепла, даже при максимально эффективном переключении между проводящим и непроводящим состояниями. В режиме переключения управляемая мощность намного больше мощности, рассеиваемой в переключателе. Прямое падение напряжения в проводящем состоянии приводит к выделению тепла, которое необходимо отводить. Полупроводники высокой мощности требуют специализированных радиаторов или активных систем охлаждения для регулирования температуры их соединения; экзотические полупроводники, такие как карбид кремния, имеют преимущество в этом отношении перед обычным кремнием, а германий, который когда-то был основой твердотельной электроники, в настоящее время мало используется из-за его неблагоприятных высокотемпературных свойств.

Существуют полупроводниковые устройства мощностью до нескольких киловольт в одном устройстве. Там, где необходимо контролировать очень высокое напряжение, необходимо использовать несколько устройств последовательно, с сетями для выравнивания напряжения на всех устройствах. Опять же, скорость переключения является критическим фактором, поскольку устройство с самым медленным переключением должно выдерживать непропорционально большую долю общего напряжения. Когда-то выпускались ртутные клапаны мощностью до 100 кВ в одном блоке, что упрощало их применение в системах HVDC.

Номинальный ток полупроводникового устройства ограничен теплом, выделяемым внутри матриц, и теплом, возникающим при сопротивлении соединительных выводов. Полупроводниковые устройства должны быть сконструированы таким образом, чтобы ток равномерно распределялся внутри устройства по его внутренним соединениям (или каналам); как только образуется "горячая точка", последствия пробоя могут быстро вывести устройство из строя. Некоторые SCR доступны с номинальным током до 3000 ампер в одном блоке.

Преобразователи постоянного/переменного тока (инверторы)[править]

Основная статья: Силовой инвертор

Преобразователи постоянного тока в переменный генерируют переменный выходной сигнал от источника постоянного тока. Области применения включают в себя приводы с регулируемой частотой вращения (ASD), источники бесперебойного питания (ИБП), гибкие системы передачи переменного тока (ФАКТЫ), компенсаторы напряжения и фотоэлектрические инверторы. Топологии этих преобразователей можно разделить на две отдельные категории: инверторы источника напряжения и инверторы источника тока. Инверторы источника напряжения (VSI) названы так потому, что независимо управляемый выходной сигнал представляет собой форму сигнала напряжения. Аналогично, инверторы источника тока (CSIS) отличаются тем, что управляемый выходной сигнал переменного тока представляет собой форму сигнала тока.

Преобразование постоянного тока в переменный является результатом работы устройств переключения мощности, которые обычно представляют собой полностью управляемые полупроводниковые силовые переключатели. Поэтому выходные сигналы состоят из дискретных значений, что приводит к быстрым переходам, а не плавным. Для некоторых приложений достаточно даже грубого приближения синусоидальной формы сигнала переменного тока. Там, где требуется сигнал, близкий к синусоидальной форме, переключающие устройства работают намного быстрее, чем требуемая выходная частота, и время, которое они проводят в любом состоянии, регулируется таким образом, чтобы усредненный выходной сигнал был почти синусоидальным. Распространенные методы модуляции включают метод на основе несущей, или широтно-импульсную модуляцию, пространственно-векторную технику и метод селективных гармоник.

Инверторы источника напряжения находят практическое применение как в однофазных, так и в трехфазных системах. Однофазные VSI используют полумостовые и полномостовые конфигурации и широко используются для источников питания, однофазных ИБП и сложных топологий высокой мощности при использовании в многоячеечных конфигурациях. Трехфазные VSI используются в приложениях, требующих синусоидальной формы сигналов напряжения, таких как ASD, ИБП и некоторые типы устройств FACTS, таких как STATCOM. Они также используются в приложениях, где требуются произвольные напряжения, как в случае активных фильтров питания и компенсаторов напряжения.

Инверторы источника тока используются для получения переменного выходного тока от источника постоянного тока. Этот тип инвертора удобен для трехфазных применений, в которых требуются высококачественные сигналы напряжения.

Относительно новый класс инверторов, называемых многоуровневыми инверторами, приобрел широкий интерес. Нормальная работа CSIs и VSIs может быть классифицирована как двухуровневые инверторы, из-за того факта, что силовые переключатели подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. Если бы на выходных клеммах инвертора было доступно более двух уровней напряжения, выходной сигнал переменного тока мог бы лучше соответствовать синусоидальной волне. Именно по этой причине многоуровневые инверторы, хотя и являются более сложными и дорогостоящими, обеспечивают более высокую производительность.

Каждый тип инвертора отличается используемыми каналами постоянного тока и тем, требуются ли для них диоды свободного хода. Любой из них может работать в режиме прямоугольной или широтно-импульсной модуляции (ШИМ), в зависимости от его предполагаемого использования. Прямоугольный режим обеспечивает простоту, в то время как ШИМ может быть реализован несколькими различными способами и выдает сигналы более высокого качества.[15]

Инверторы источника напряжения (VSI) питают секцию выходного инвертора от источника приблизительно постоянного напряжения.

Желаемое качество текущей формы выходного сигнала определяет, какой метод модуляции необходимо выбрать для данного приложения. Выходной сигнал VSI состоит из дискретных значений. Для получения плавной формы сигнала тока нагрузки должны быть индуктивными на выбранных гармонических частотах. Без какой-либо индуктивной фильтрации между источником и нагрузкой емкостная нагрузка приведет к тому, что нагрузка будет получать изменчивую форму сигнала тока с большими и частыми скачками тока.

Существует три основных типа VSI:

Однофазный полумостовой инвертор
Однофазный полномостовой инвертор
Трехфазный инвертор источника напряжения

Однофазный полумостовой инвертор[править]

Полумостовые инверторы с однофазным источником напряжения предназначены для применения при низком напряжении и обычно используются в источниках питания.[15] На рисунке 9 показана принципиальная схема этого инвертора.

Гармоники тока низкого порядка вводятся обратно в напряжение источника при работе инвертора. Это означает, что в данной конструкции для фильтрации необходимы два больших конденсатора. Как показано на рисунке 9, одновременно в каждой ветви инвертора может быть включен только один переключатель. Если бы оба переключателя в ножке были включены одновременно, источник постоянного тока был бы закорочен.

Инверторы могут использовать несколько методов модуляции для управления своими схемами переключения. Технология ШИМ на основе несущей сравнивает форму выходного сигнала переменного тока, vc, с сигналом напряжения несущей, vΔ. Когда vc больше vΔ, включается S +, а когда vc меньше vΔ, включается S-. Когда выходной сигнал переменного тока имеет частоту fc с амплитудой при vc, а сигнал треугольной несущей имеет частоту fΔ с амплитудой при vΔ, ШИМ становится особым синусоидальным вариантом ШИМ на основе несущей. Этот случай получил название синусоидальной широтно-импульсной модуляции (SPWM).Для этого индекс модуляции, или отношение амплитудной модуляции, определяется как ma = vc/v∆ .

Нормализованная несущая частота, или коэффициент частотной модуляции, вычисляется с использованием уравнения mf = f∆/fc .

Если область избыточной модуляции, мА, превышает единицу, будет наблюдаться более высокое основное выходное напряжение переменного тока, но за счет насыщения. Для SPWM гармоники выходного сигнала находятся на четко определенных частотах и амплитудах. Это упрощает конструкцию фильтрующих компонентов, необходимых для подачи гармоник тока низкого порядка в результате работы инвертора. Максимальная амплитуда выходного сигнала в этом режиме работы составляет половину напряжения источника. Если максимальная выходная амплитуда, ма, превышает 3,24, форма выходного сигнала инвертора становится прямоугольной.

Как и в случае широтно-импульсной модуляции (PWM), оба переключателя в сегменте для прямоугольной модуляции не могут быть включены одновременно, поскольку это вызвало бы короткое замыкание на источнике напряжения. Схема переключения требует, чтобы S + и S- были включены в течение половины цикла выходного периода переменного тока. Основная амплитуда выходного сигнала переменного тока равна vo1 = vaN = 2vi/π .

Его гармоники имеют амплитуду voh = vo1/h.

Следовательно, выходное напряжение переменного тока регулируется не инвертором, а величиной входного напряжения постоянного тока инвертора.[15]

Использование селективного устранения гармоник (SHE) в качестве метода модуляции позволяет переключать инвертор для селективного устранения внутренних гармоник. Основную составляющую выходного напряжения переменного тока также можно регулировать в желаемом диапазоне. Поскольку выходное напряжение переменного тока, полученное с помощью этого метода модуляции, имеет симметрию нечетной половины и нечетной четверти волны, четных гармоник не существует.[15] Любые нежелательные нечетные (N-1) собственные гармоники в форме выходного сигнала могут быть устранены.

Однофазный полномостовой инвертор[править]

Полномостовой инвертор похож на полумостовой инвертор, но у него есть дополнительная ветвь для подключения нейтральной точки к нагрузке.[15] На рисунке 3 показана принципиальная схема полномостового инвертора с однофазным источником напряжения.

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

Состояния 1 и 2 из таблицы 2 используются для генерации выходного напряжения переменного тока с помощью биполярного SPWM. Выходное напряжение переменного тока может принимать только два значения, либо Vi, либо –Vi. Для генерации этих же состояний с использованием конфигурации полумоста можно использовать технологию, основанную на несущей. Значение S + включено для полумоста, что соответствует значению S1 + и S2 - включено для полного моста. Аналогично, включение S- для полумоста соответствует включению S1- и S2 + для полного моста. Выходное напряжение для этого метода модуляции более или менее синусоидальное, с фундаментальной составляющей, амплитуда которой в линейной области меньше или равна единице[15] vo1 =vab1= vi • ma.

В отличие от биполярного метода ШИМ, униполярный подход использует состояния 1, 2, 3 и 4 из таблицы 2 для генерации выходного напряжения переменного тока. Следовательно, выходное напряжение переменного тока может принимать значения Vi, 0 или –V [1]i. Для генерации этих состояний необходимы два синусоидальных модулирующих сигнала, Vc и –Vc, как показано на рисунке 4.

Vc используется для генерации VaN, в то время как –Vc используется для генерации VbN. Следующее соотношение называется однополярным SPWM на основе несущей vo1 =2 • vaN1= vi • ma.

Фазные напряжения VaN и VbN идентичны, но отклонены по фазе друг от друга на 180 градусов. Выходное напряжение равно разности двухфазных напряжений и не содержит четных гармоник. Следовательно, если взять mf, четные гармоники выходного напряжения переменного тока будут отображаться на нормализованных нечетных частотах, fh. Эти частоты сосредоточены на двойном значении нормализованной несущей частоты. Эта особенность позволяет использовать меньшие по размеру фильтрующие компоненты при попытке получить более качественную форму выходного сигнала.

Как и в случае с полумостом SHE, выходное напряжение переменного тока не содержит четных гармоник из-за симметрии его нечетной половины и нечетной четверти волны.

Трехфазный инвертор источника напряжения[править]

Однофазные VSI используются в основном для приложений с низким энергопотреблением, в то время как трехфазные VSI охватывают приложения как со средним, так и с высоким энергопотреблением. На рисунке 5 показана принципиальная схема трехфазного VSI.

Переключатели на любом из трех разъемов инвертора не могут быть отключены одновременно из-за того, что это приводит к зависимости напряжений от полярности соответствующего линейного тока. Состояния 7 и 8 создают нулевые напряжения в сети переменного тока, что приводит к свободному протеканию токов в сети переменного тока либо через верхние, либо через нижние компоненты. Однако линейные напряжения для состояний с 1 по 6 создают линейное напряжение переменного тока, состоящее из дискретных значений Vi, 0 или –Vi.

Для трехфазного SPWM используются три модулирующих сигнала, которые расходятся по фазе друг с другом на 120 градусов, чтобы генерировать напряжения нагрузки, не соответствующие фазе. Чтобы сохранить функции ШИМ с помощью сигнала с одной несущей, нормализованная несущая частота, mf, должна быть кратна трем. Это позволяет сохранить значения фазных напряжений одинаковыми, но не совпадающими по фазе друг с другом на 120 градусов. Максимально достижимая амплитуда фазного напряжения в линейной области, ма меньшая или равная единице, равна vфазы = vi / 2. Максимально достижимая амплитуда линейного напряжения равна Vab1 = vab • √3 / 2

Единственный способ контролировать напряжение нагрузки - это изменять входное напряжение постоянного тока.

Инверторы источника тока[править]

Преобразователи источника тока преобразуют постоянный ток в форму сигнала переменного тока. В приложениях, требующих синусоидальной формы сигнала переменного тока, следует контролировать величину, частоту и фазу. У CSIS ток сильно меняется со временем, поэтому конденсаторы обычно используются на стороне переменного тока, в то время как катушки индуктивности обычно используются на стороне постоянного тока. Из-за отсутствия диодов свободного хода силовая схема уменьшена в размерах и весе и, как правило, более надежна, чем VSI. Хотя возможны однофазные топологии, трехфазные CSI более практичны.

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

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

Методы на основе несущей, используемые для VSI, также могут быть реализованы для CSIS, в результате чего линейные токи CSI ведут себя так же, как линейные напряжения VSI. Цифровая схема, используемая для модуляции сигналов, содержит генератор импульсов переключения, генератор импульсов короткого замыкания, распределитель импульсов короткого замыкания и объединитель импульсов переключения и короткого замыкания. Стробирующий сигнал генерируется на основе тока несущей и трех модулирующих сигналов.

К этому сигналу добавляется импульс короткого замыкания, когда ни верхние, ни нижние переключатели не включены, в результате чего среднеквадратичные токи равны во всех ветвях. Для каждой фазы используются одни и те же методы, однако переменные переключения отклоняются по фазе друг от друга на 120 градусов, а импульсы тока смещены на половину цикла относительно выходных токов. Если треугольная несущая используется с синусоидальными модулирующими сигналами, говорят, что CSI использует синхронизированную широтно-импульсную модуляцию (SPWM). Если в сочетании с SPWM используется полная сверхмодуляция, считается, что инвертор работает в режиме прямоугольной волны.

Вторая категория модуляции CSI, она также похожа на свой аналог VSI. Использование стробирующих сигналов, разработанных для VSI, и набора синхронизирующих синусоидальных сигналов тока приводит к симметрично распределенным импульсам короткого замыкания и, следовательно, к симметричным схемам стробирования. Это позволяет устранить любое произвольное количество гармоник. Это также позволяет контролировать основной ток в сети посредством правильного выбора углов первичного переключения. Оптимальные схемы переключения должны иметь четвертьволновую и полуволновую симметрию, а также симметрию около 30 градусов и 150 градусов. Схемы переключения никогда не допускаются между 60 и 120 градусами. Пульсации тока можно дополнительно уменьшить с помощью выходных конденсаторов большего размера или путем увеличения числа импульсов переключения.

Третья категория, пространственно-векторная модуляция, генерирует ШИМ-токи в линии нагрузки, которые в среднем равны токам в линии нагрузки. Допустимые состояния переключения и выбор времени выполняются в цифровом виде на основе преобразования пространственно-вектора. Модулирующие сигналы представляются в виде комплексного вектора с использованием уравнения преобразования. Для сбалансированных трехфазных синусоидальных сигналов этот вектор становится фиксированным модулем, который вращается с частотой ω. Затем эти пространственные векторы используются для аппроксимации модулирующего сигнала. Если сигнал находится между произвольными векторами, векторы объединяются с нулевыми векторами I7, I8 или I9. Следующие уравнения используются для обеспечения того, чтобы генерируемые токи и векторы тока были в среднем эквивалентны.

Многоуровневые инверторы[править]

Относительно новый класс, называемый многоуровневыми инверторами, приобрел широкий интерес. Нормальную работу CSIs и VSIs можно классифицировать как двухуровневые инверторы, поскольку переключатели питания подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. Если бы на выходных клеммах инвертора было доступно более двух уровней напряжения, выходной сигнал переменного тока мог бы лучше приближаться к синусоидальной волне. По этой причине многоуровневые инверторы, хотя и являются более сложными и дорогостоящими, обеспечивают более высокую производительность. Трехуровневый инвертор с нейтральным зажимом показан на рисунке 10.

Методы управления трехуровневым инвертором позволяют только двум переключателям из четырех в каждой ветви одновременно изменять состояния проводимости. Это обеспечивает плавную коммутацию и позволяет избежать сбоев, выбирая только допустимые состояния. Можно также отметить, что, поскольку напряжение на шине постоянного тока распределяется по меньшей мере на два силовых клапана, их номинальное напряжение может быть меньше двухуровневого аналога.

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

Преобразователи переменного тока[править]

Основная статья: Преобразователь переменного тока

Преобразование переменного тока в мощность переменного тока позволяет управлять напряжением, частотой и фазой сигнала, подаваемого на нагрузку от поставляемой системы переменного тока . Две основные категории, которые можно использовать для разделения типов преобразователей, - это изменение частоты сигнала.[19] : Преобразователи переменного тока, которые не позволяют пользователю изменять частоты, известны как контроллеры напряжения переменного тока, или регуляторы переменного тока. Преобразователи переменного тока, которые позволяют пользователю изменять частоту, называются преобразователями частоты для преобразования переменного тока в переменный. Под преобразователями частоты обычно используются преобразователи трех различных типов: циклоконвертер, матричный преобразователь, преобразователь постоянного тока (он же преобразователь переменного тока в постоянный).

Регулятор напряжения переменного тока: Назначение контроллера напряжения переменного тока, или регулятора переменного тока, заключается в изменении среднеквадратичного напряжения на нагрузке с постоянной частотой.[18] Тремя общепринятыми методами управления являются управление включением / выключением, управление фазовым углом и управление прерывателем переменного тока с широтно-импульсной модуляцией (PWM AC Chopper Control). Все три этих метода могут быть реализованы не только в однофазных, но и в трехфазных цепях.

Управление включением / выключением: Обычно используется для нагрева нагрузки или регулирования скорости двигателей, этот метод управления включает включение переключателя на n интегральных циклов и выключение переключателя на m интегральных циклов. Поскольку включение и выключение переключателей приводит к возникновению нежелательных гармоник, переключатели включаются и выключаются в условиях нулевого напряжения и нулевого тока (пересечения нуля), эффективно уменьшая искажения.

Управление фазовым углом: существуют различные схемы для реализации управления фазовым углом на различных формах сигнала, таких как управление полуволновым или полноволновым напряжением. Обычно используются силовые электронные компоненты - диоды, SCR и симисторы. С использованием этих компонентов пользователь может задерживать угол срабатывания в волне, что приведет к тому, что на выходе будет только часть волны.

ШИМ-управление прерывателем переменного тока: два других метода управления часто имеют плохие гармоники, качество выходного тока и коэффициент входной мощности. : Для улучшения этих значений вместо других методов можно использовать ШИМ. Что делает ШИМ-прерыватель переменного тока, так это имеет переключатели, которые включаются и выключаются несколько раз в течение чередующихся полупериодов входного напряжения.

Циклоконвертеры Матричные преобразователи и циклоконвертеры: широко используются в промышленности для преобразования переменного тока в переменный, поскольку их можно использовать в приложениях с высокой мощностью. Они представляют собой преобразователи частоты с прямой коммутацией, которые синхронизируются с линией питания. Сигналы выходного напряжения циклоконвертеров имеют сложные гармоники, причем гармоники высшего порядка фильтруются индуктивностью машины. Уменьшение гармоник в токе машины, в то время как оставшиеся гармоники вызывают потери и пульсации крутящего момента. Обратите внимание, что в циклоконвертере, в отличие от других преобразователей, нет катушек индуктивности или конденсаторов, то есть никаких запоминающих устройств. По этой причине мгновенная входная мощность и выходная мощность равны.

Однофазные циклоп-преобразователи в однофазные: В последнее время все больший интерес стали вызывать однофазные циклоп-преобразователи[когда?] из-за уменьшения размеров и цены переключателей силовой электроники. Однофазное высокочастотное переменное напряжение может быть как синусоидальным, так и трапециевидным. Это могут быть интервалы нулевого напряжения для целей управления или коммутации нулевого напряжения.

Трехфазные циклопреобразователи в однофазные: Существует два типа трехфазных циклопреобразователей в однофазные: циклопреобразователи с полуволновым преобразованием 3φ в 1φ и циклопреобразователи с мостовым преобразованием 3φ в 1φ. Как положительные, так и отрицательные преобразователи могут генерировать напряжение любой полярности, в результате чего положительный преобразователь подает только положительный ток, а отрицательный - только отрицательный.

С развитием последних устройств разрабатываются более новые формы циклопреобразователей, такие как матричные преобразователи. Первое изменение, которое бросается в глаза, заключается в том, что матричные преобразователи используют двунаправленные биполярные переключатели. Преобразователь однофазной матрицы в однофазную состоит из матрицы из 9 переключателей, соединяющих три входные фазы с выходной фазой дерева. Любая входная фаза и выходная фаза могут быть соединены вместе в любое время, не подключая одновременно никаких двух переключателей от одной и той же фазы; в противном случае это вызовет короткое замыкание входных фаз. :Матричные преобразователи легче, компактнее и универсальнее других преобразовательных решений. В результате они способны достигать более высоких уровней интеграции, работы при более высоких температурах, широкой выходной частоты и естественного двунаправленного потока мощности, подходящего для рекуперации энергии обратно в сеть.

Матричные преобразователи подразделяются на два типа: прямые и косвенные преобразователи. Прямой матричный преобразователь с трехфазным входом и трехфазным выходом переключатели в матричном преобразователе должны быть двунаправленными, то есть они должны быть способны блокировать напряжения любой полярности и пропускать ток в любом направлении. Такая стратегия переключения обеспечивает максимально возможное выходное напряжение и уменьшает реактивный ток на стороне линии. Следовательно, поток мощности через преобразователь является обратимым. Из-за проблем с коммутацией и сложного управления она не находит широкого применения в промышленности.

В отличие от прямых матричных преобразователей, непрямые матричные преобразователи обладают той же функциональностью, но используют отдельные секции ввода и вывода, которые подключены через канал постоянного тока без элементов памяти. Конструкция включает в себя четырехквадрантный выпрямитель источника тока и инвертор источника напряжения. Секция ввода состоит из двунаправленных биполярных переключателей. Стратегия коммутации может быть применена путем изменения состояния переключения секции ввода, в то время как секция вывода находится в режиме свободного хода. Этот алгоритм коммутации значительно менее сложен и обладает более высокой надежностью по сравнению с обычным прямым матричным преобразователем.

Преобразователи постоянного тока: преобразователи постоянного тока, также называемые преобразователями переменного тока, преобразуют вход переменного тока в выход переменного тока с использованием канала постоянного тока посередине. Это означает, что мощность в преобразователе преобразуется в постоянный ток из переменного с использованием выпрямителя, а затем она преобразуется обратно в переменный ток из постоянного с использованием инвертора. Конечным результатом является выход с более низким напряжением и переменной (более высокой или более низкой) частотой.[20] Благодаря широкой области применения преобразователи переменного/постоянного тока являются наиболее распространенным современным решением. Другими преимуществами преобразователей переменного /постоянного тока является то, что они стабильны в условиях перегрузки и холостого хода, а также их можно отключать от нагрузки без повреждений.

Гибридно-матричный преобразователь: Гибридно-матричные преобразователи являются относительно новым видом преобразователей переменного тока. Эти преобразователи сочетают конструкцию AC / DC / AC с конструкцией матричного преобразователя. В этой новой категории было разработано несколько типов гибридных преобразователей, примером которых является преобразователь, использующий однонаправленные переключатели и два каскада преобразователя без линии постоянного тока; без конденсаторов или катушек индуктивности, необходимых для линии постоянного тока, вес и размеры преобразователя уменьшаются. Существуют две подкатегории гибридных преобразователей, называемые hybrid direct matrix converter (HDMC) и hybrid indirect matrix converter (HIMC). HDMC преобразует напряжение и ток за один каскад, в то время как HIMC использует отдельные каскады, подобно преобразователю AC /DC /AC, но без использования промежуточного запоминающего элемента.

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

Регулятор напряжения переменного тока: управление освещением; бытовым и промышленным отоплением; регулирование скорости вращения вентиляторов, насосов или подъемных механизмов, плавный запуск асинхронных двигателей, статические выключатели переменного тока[18] (контроль температуры, замена отвода трансформатора и т.д.)

Циклоконвертер: мощные низкооборотные реверсивные электродвигатели переменного тока; источник питания постоянной частоты с переменной частотой входного сигнала; управляемые генераторы VAR для коррекции коэффициента мощности; системы переменного тока, соединяющие две независимые системы питания.
Матричный преобразователь: В настоящее время применение матричных преобразователей ограничено из-за отсутствия двусторонних монолитных переключателей, способных работать на высокой частоте, сложной реализации закона управления, коммутации и других причин. Благодаря этим разработкам матричные преобразователи могут заменить циклоконвертеры во многих областях.
Ссылка на постоянный ток: Может использоваться для индивидуальных или многократных нагрузок в машиностроении и конструкции.

Моделирование силовых электронных систем[править]

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

Области применения[править]

Области применения силовой электроники варьируются от источника питания с переключаемым режимом в адаптере переменного тока, зарядных устройствах для аккумуляторов, аудиоусилителях, балластах для люминесцентных ламп до частотно-регулируемых приводов и электродвигателей постоянного тока, используемых для управления насосами, вентиляторами и производственным оборудованием, до гигаваттных систем передачи энергии высокого напряжения постоянного тока, используемых для соединения электрических сетей. Силовые электронные системы присутствуют практически в каждом электронном устройстве. Например:

Преобразователи постоянного тока используются в большинстве мобильных устройств (мобильные телефоны, КПК и т.д.) Для поддержания напряжения на фиксированном уровне, независимо от уровня напряжения аккумулятора. Эти преобразователи также используются для электронной изоляции и коррекции коэффициента мощности. :Оптимизатор мощности - это тип преобразователя постоянного тока, разработанный для максимального извлечения энергии из систем солнечной фотоэлектрической или ветряной турбиныПреобразователи переменного / постоянного тока (выпрямители) используются каждый раз, когда электронное устройство подключается к сети (компьютер, телевизор и т.д.). Они могут просто менять переменный ток на постоянный или также могут изменять уровень напряжения в процессе своей работы.

Преобразователи переменного тока используются для изменения уровня напряжения или частоты (международные адаптеры питания, диммеры освещения). В сетях распределения электроэнергии преобразователи переменного тока могут использоваться для обмена энергией между электрическими сетями с общей частотой 50 Гц и 60 Гц.

Преобразователи постоянного/переменного тока (инверторы) используются в основном в ИБП, системах возобновляемой энергетики или системах аварийного освещения. :Питание от сети заряжает батарею постоянного тока. При выходе из строя сети инвертор вырабатывает переменное электричество при сетевом напряжении от батареи постоянного тока. Солнечный инвертор, как меньшие струнные, так и большие центральные инверторы, а также солнечный микроинвертор используются в фотовольтаике в качестве компонента фотоэлектрической системы.

Электроприводы встречаются в насосах, воздуходувках и приводах мельниц для текстильного, бумажного, цементного и других подобных производств. Приводы могут использоваться для преобразования энергии и для управления движением. Для двигателей переменного тока применяются частотно-регулируемые приводы, системы плавного пуска двигателей и системы возбуждения.

В гибридных электромобилях (HEV) силовая электроника используется в двух форматах: последовательный гибрид и параллельный гибрид. Разница между последовательным гибридом и параллельным гибридом заключается в соотношении электродвигателя с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Устройства, используемые в электромобилях, состоят в основном из преобразователей постоянного тока для зарядки аккумулятора и преобразователей постоянного тока в переменный для питания силового двигателя. :В электропоездах используются силовые электронные устройства для получения мощности, а также для векторного управления с использованием выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией (PWM). Поезда получают энергию от линий электропередач. Еще одно новое применение силовой электроники - в системах лифтов. В этих системах могут использоваться тиристоры, инверторы, двигатели с постоянными магнитами или различные гибридные системы, которые включают системы ШИМ и стандартные двигатели.

Инверторы[править]

Как правило, инверторы используются в приложениях, требующих прямого преобразования электрической энергии из постоянного тока в переменный или косвенного преобразования из переменного тока в переменный. Преобразование постоянного тока в переменный полезно во многих областях, включая кондиционирование электроэнергии, компенсацию гармоник, электроприводы, интеграцию в сеть возобновляемых источников энергии и системы солнечной энергии космических аппаратов.

В системах электроснабжения часто желательно исключить содержание гармоник в токах линии. VSI могут использоваться в качестве активных фильтров питания для обеспечения такой компенсации. На основе измеренных линейных токов и напряжений система управления определяет опорные сигналы тока для каждой фазы. Они подаются обратно через внешний контур и вычитаются из фактических сигналов тока для создания сигналов тока для внутреннего контура инвертора. Затем эти сигналы заставляют инвертор генерировать выходные токи, которые компенсируют содержание гармоник. Эта конфигурация не требует реального энергопотребления, поскольку она полностью питается от сети; линия постоянного тока - это просто конденсатор, который поддерживается системой управления при постоянном напряжении. В этой конфигурации выходные токи совпадают по фазе с линейными напряжениями для получения единичного коэффициента мощности. И наоборот, компенсация VAR возможна в аналогичной конфигурации, где выходные токи опережают линейные напряжения для улучшения общего коэффициента мощности.

На объектах, которым постоянно требуется энергия, таких как больницы и аэропорты, используются системы ИБП. В резервной системе инвертор включается в работу, когда обычно питающая сеть прерывается. Питание мгновенно извлекается из установленных на месте батарей и преобразуется VSI в полезное переменное напряжение до тех пор, пока не будет восстановлено электроснабжение сети или пока не будут подключены резервные генераторы. В сетевой системе ИБП для защиты нагрузки от переходных процессов и наличия гармоник используется выпрямитель-DC-link-inverter. Аккумулятор, подключенный параллельно к DC-link, поддерживается полностью заряженным на выходе в случае прерывания электросети, в то время как выходной сигнал инвертора подается через фильтр нижних частот на нагрузку. Достигается высокое качество электроэнергии и независимость от помех.

Для регулирования скорости, крутящего момента и положения двигателей переменного тока были разработаны различные электроприводы переменного тока. Эти приводы могут быть классифицированы как низкоэффективные или как высокопроизводительные, в зависимости от того, являются ли они скалярно-управляемыми или векторно-управляемыми соответственно. В приводах со скалярным управлением единственными контролируемыми величинами являются основной ток статора или частота и амплитуда напряжения. Поэтому эти приводы используются в приложениях, где не требуется контроль высокого качества, таких как вентиляторы и компрессоры. С другой стороны, приводы с векторным управлением позволяют непрерывно регулировать мгновенные значения тока и напряжения. Такая высокая производительность необходима для таких применений, как лифты и электромобили.

Инверторы также жизненно важны для многих применений возобновляемых источников энергии. В фотоэлектрических целях инвертор, который обычно представляет собой PWM VSI, получает питание от электрической энергии постоянного тока, вырабатываемой фотоэлектрическим модулем или матрицей. Затем инвертор преобразует это напряжение в переменное для подключения либо к нагрузке, либо к электросети. Инверторы также могут использоваться в других системах с возобновляемыми источниками энергии, таких как ветряные турбины. В этих приложениях частота вращения турбины обычно меняется, вызывая изменения частоты напряжения, а иногда и его величины. В этом случае генерируемое напряжение может быть выпрямлено, а затем инвертировано для стабилизации частоты и величины.

Интеллектуальная электросеть[править]

Интеллектуальная сеть - это модернизированная электрическая сеть, которая использует информационные и коммуникационные технологии для сбора информации и обработки ее, например, информации о поведении поставщиков и потребителей, автоматизированным способом с целью повышения эффективности, надежности, экономичности и устойчивости производства и распределения электроэнергии.

Электроэнергия, вырабатываемая ветряными турбинами и гидроэлектрическими турбинами с использованием индукционных генераторов, может вызывать отклонения в частоте, с которой вырабатывается электроэнергия. Силовые электронные устройства используются в этих системах для преобразования генерируемого переменного напряжения в постоянный ток высокого напряжения (HVDC). Мощность постоянного тока может быть более легко преобразована в трехфазную мощность, согласованную с мощностью, подключенной к существующей электросети. Благодаря этим устройствам мощность, подаваемая этими системами, является более чистой и имеет более высокий коэффициент мощности. Ветроэнергетические системы оптимальный крутящий момент достигается либо с помощью редуктора, либо с помощью технологий прямого привода, которые могут уменьшить размер устройства силовой электроники.

Электроэнергия может вырабатываться с помощью фотоэлектрических элементов с помощью силовых электронных устройств. Вырабатываемая мощность обычно затем преобразуется с помощью солнечных инверторов. Инверторы делятся на три различных типа: центральные, модульно-интегрированные и струнные. Центральные преобразователи могут быть подключены либо параллельно, либо последовательно на стороне системы постоянного тока. Для фотоэлектрических "ферм" используется единый центральный преобразователь для всей системы. Преобразователи, интегрированные в модуль, подключаются последовательно со стороны постоянного или переменного тока. :Обычно в фотоэлектрической системе используется несколько модулей, поскольку система требует наличия этих преобразователей как на клеммах постоянного, так и переменного тока. Струнный преобразователь используется в системе, в которой используются фотоэлектрические элементы, обращенные в разные стороны. Используется для преобразования энергии, вырабатываемой каждой нитью, в которой взаимодействуют фотоэлектрические элементы.

Силовая электроника может использоваться, чтобы помочь коммунальным предприятиям адаптироваться к быстрому росту распределенной выработки солнечной энергии в жилых и коммерческих помещениях. Германия и некоторые районы Гавайев, Калифорнии и Нью-Джерси требуют проведения дорогостоящих исследований перед утверждением новых солнечных установок. Относительно небольшие наземные устройства или устройства, устанавливаемые на столбах, создают потенциал для инфраструктуры распределенного управления для мониторинга потоков электроэнергии и управления ими. Традиционным электромеханическим системам, таким как конденсаторные батареи или регуляторы напряжения на подстанциях, для регулировки напряжения могут потребоваться минуты, и они могут находиться вдали от солнечных установок, где возникают проблемы. Если напряжение в локальной сети становится слишком высоким, это может поставить под угрозу работу коммунальных служб и привести к повреждению как коммунального, так и потребительского оборудования. Кроме того, сбой в сети приводит к немедленному отключению фотоэлектрических генераторов, что повышает спрос на сетевую электроэнергию. Интеллектуальные сетевые регуляторы более управляемы, чем гораздо более многочисленные потребительские устройства.

В рамках другого подхода группа из 16 западных коммунальных предприятий, называемых лидерами западной электроэнергетики, призвала к обязательному использованию "умных инверторов". Эти устройства преобразуют постоянный ток в бытовой переменный, а также могут улучшить качество электроэнергии. Такие устройства могли бы устранить необходимость в дорогостоящей модернизации коммунального оборудования при гораздо более низких общих затратах.

Смотрите также[править]

Многопортовый электронный интерфейс питания

Пруф[править]