Энергетическая электроника – это силовая электроника больших мощностей от 10кВт до 10МВт

Лекция №1

4.09.2004г

Предмет и задачи курса.

 

Энергетическая электроника – это силовая электроника больших мощностей от 10кВт до 10МВт.

Предметом курса являются системы и устройства силовой электроники.

Задачи курса:

1. современные силовые полупроводниковые приборы;

2. защитные устройства силовых полупроводниковых приборов (снаберы);

3. современные схемы энергетической электроники;

4. современные принципы построения систем управления (драйверы, выходные каскады, контроллеры);

5. системы энергетической электроники;

6. современные алгоритмы управления схемами и системами силовой электроники.

 

Силовая электроника, как основа ресурсо- и энергосберегающих технологий.

Ограниченные ресурсы увеличения производства электроэнергии в XXI веке, а также проблемы экологического порядка не дадут возможности для обеспечения высоких (или даже средних) жизненных стандартов населения. Последние десятилетия человечество пришло к осознанию, что единственным решением этой проблемы является внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Силовая электроника является одной из основ создания современной техники и технологии, обеспечивая многократное увеличение производительности и качества труда при минимальном расходовании различных ресурсов. Современная силовая электроника делает машины и оборудование высоконадёжными, многофункциональными и эргономичными. Широкомасштабное использование систем силовой электроники в различных сферах человеческой деятельности, в частности, позволяет экономить значительную часть энергетических ресурсов.

По мнению зарубежных и отечественных ведущих экспертов в области прогнозирования мировых тенденций развития техники очередной виток научно-технической революции будет обусловлен успехами в интеллектуальной силовой электронике. Так можно привести высказывания известного американского специалиста в области силовой электроники профессора J. Bose "Двумя самыми важными технологиями сверхавтоматизированного 21-го века будут: компьютерная – "разум" и силовая электроника – "мускулы".

Последние десятилетия человечество пришло к осознанию необходимости скорейшего решения проблемы энерго- и ресурсосбережения. В основе многих энерго- и ресурсосберегающих технологий лежат достижения интеллектуальной силовой электроники. В подтверждение этого тезиса приведем некоторые факты.

1. Объем годового потребления энергии в мире по оценкам "Международного энергетического агентства" составляет кВт/часов, при этом электроэнергии потребляется кВт/часов. Ежегодные затраты на производство электроэнергии составляют (400¸500) млрд. $, причем из них (72¸78) млрд. $ приходятся на прямые потери генерирующих, передающих и потребляющих объектов.

2. Основными потребителями электроэнергии в настоящее время являются:

–электропривода различного назначения - 51%;

– освещение - 19%;

– нагрев/охлаждение - 16%;

– телекоммуникации - 14%.

3. В настоящее время в мире менее 25% энергии используется оптимально для совершения требуемой работы в смысле с минимизации потерь, путем применением высокоэффективных методов управляемого преобразования электроэнергии сети в энергию управления объектом.

4. Ресурсы увеличения производства электроэнергии в XXI веке, а также проблемы экологического порядка не дадут возможности для обеспечения высоких (или даже средних) жизненных стандартов населения.

5. Очевидным решением этой проблемы является внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий. В основе большинства подобного рода технологий лежит использование высокоэффективных преобразователей электрической энергии (устройств силовой электроники), построенных на базе мощных полупроводниковых приборов.

6. Настоящая стратегия технического развития позволяет получить значительный экономический эффект.

Управляемый с помощью полупроводникового преобразователя электрической энергии промышленный электропривод экономит до 40% генерируемой электроэнергии. Доля регулируемых электроприводов в мировых технологиях в настоящее время не превышает 40%. Использование управляемого электропривода в тех областях где это возможно приведет к ежегодной экономии 72 млрд. $.

Ежегодно для целей освещения продается около 10 млрд. ламп накаливания и 500 млн. люминесцентных ламп. Люминесцентная лампа с электронным балластом в 5 раз эффективнее лампы накаливания, служит в 10 раз дольше, экономит до $30 за время службы. Потенциал экономии 119 млрд. $. Натриевая лампа высокого давления (НЛВД) с электронной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) эффективнее ртутно-дроссельных ламп, применяемых в уличном освещении в 2,5 раза, что позволяет увеличить потенциал экономии до 200 млрд. $.

Повышение эффективности источников вторичного электропитания, за счет использования импульсных способов преобразования электрической энергии имеет потенциал экономии 2,5 млрд. $.

Использование устройств силовой электроники в автомобилестроении в таких направлениях как системы управления двигателем, электрический усилитель руля, системы стартер-генератор, АБС, системы электрического торможения и т.д. уже при 10% экономии топлива может сэкономить 29 млрд. $ на парке 500 млн. автомобилей.

Применение полупроводниковых преобразователей электрической энергии для регулирования производительности технологических цепей ТЭС уменьшает на 30¸40% энергопотребление на собственные нужды, что приводит к снижению себестоимости 1кВтч на 7¸10%.

Повышение эффективности использование электроэнергии влечет за собой уменьшение затрат на создание и эксплуатацию инфраструктуры (электростанции, ЛЭП и т.д.), оценка данного экономического эффекта в настоящее время затруднена.

Массовым потребителем устройств силовой электроники является бытовая техника. Большой объем выпуска бытовой техники определяет большой резерв энергосбережения, несмотря на небольшой уровень потребления мощности отдельным прибором.

Наиболее энергоемкими потребителями в быту являются – кондиционеры, индукционные плиты, стиральные машины, холодильники, светильники.

Использование регулируемого электропривода компрессора холодильника приводит в среднем к 40% экономии электроэнергии, а также к снижению общей цены холодильника и экономия 70 $/год для 200 литровых холодильников. К 2003г ежегодная экономия может составить 1млрд. $, при переводе 10% холодильников на регулируемый компрессор.

Стиральная машина с интеллектуальным силовым регулятором режимов работы экономит 60% воды.

Индукционная плита имеют кпд выше 90%, вместо 50% у электроплит.

Светильник в бытовом освещении с 20Вт люминесцентной лампой заменяет 100Вт лампу накаливания.

 

Устройства силовой электроники обеспечивают изменение параметров электрической энергии таким образом, чтобы минимизировать ресурсные и энергетические затраты.

Потребителями генерируемой электрической энергией в мировом масштабе являются:

· 51% – электропривод (устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую);

· 19% – освещение (преобразуется электрическая энергия в световую) (уличное, комнатное производственное);

· 16% – нагрев, охлаждение;

· 14% – телекоммуникации (телевидение, радиовещание и т.д.).

В настоящее время примерно 25% электрической энергии используется разумно, т.е. с применением преобразователей электрической энергии.

75% – надо облагородить преобразователями.

Рассмотрим некоторые примеры применения систем силовой электроники в выше указанных областях.

 

Устройства генерирования электрической энергии.

 

Любая электростанция на собственные нужды тратит 15% электрической энергии.

Установленные мощности станций России составляют 200 ГВт.

На рис.1.1 представлен принцип генерирования и передачи электрической энергии сегодня.

Г – генератор;

Пов. Тр – повышающий трансформатор;

Пон. Тр – понижающий трансформатор;

ЛЭП – линии электропередачи;

Н – нагрузка;

P – активная мощность;

Q – реактивная мощность;

n – обороты.

 

Через ЛЭП активная и реактивная мощности идут туда и обратно. ЛЭП должны быть рассчитаны на полную мощность, которая определяется следующим соотношением:

 

.

В будущем возможно, что передача электрической энергии будет происходить на постоянном токе:

 

УВ – управляемый выпрямитель;

И – инвертор;

, т.к. реактивной мощности нет, есть только пульсации.

Переход на такой способ генерирования и передачи энергии может снизить в 2 раза стоимость энергии.

Кроме этого, необходимо минимизировать потери энергии за счет применения регулируемого электропривода, новых систем освещения и обогрева.

 

Электропривод.

Осуществляется преобразование электрической энергии в механическую энергию.

 

КА – коммутационная аппаратура, осуществляющая включение и выключение;

ЭД – электродвигатель.

Проблемы:

· практически все механизмы требуют регулирование скорости вращение, в таком приводе это не возможно;

· электродвигатель рассчитывается на максимальное напряжение сети, ресурсосбережения никакого нет;

· пусковые токи двигателей от 5÷11 раз больше номинальных, пусковые токи создают огромные динамические нагрузки, начинает быстро разрушаться двигатель.

С учетом устройств силовой электроники электропривод будет выглядеть следующим образом:

 

Достоинства:

· можем регулировать скорость;

· можем отслеживать напряжение;

· 100¸150 тыс. часов нормальной работы;

· ПЧ обязательным образом осуществляет плавный запуск электропривода, исчезают динамические удары;

· напряжение на зажимах электродвигателя не бывает больше номинального;

Все это приводит к минимизированию ресурсов.

· за счет регулирования частоты и напряжения минимизируется уровень потребления электрической энергии из сети;

Система управления реализует следующую функцию:

· реактивная мощность сети стремится к минимуму или нулю

 

;

· разница между активными мощностями сети и нагрузки стремится к минимуму или нулю

При наличии корректора коэффициента мощности преобразователя частоты удается достигнуть входного коэффициента мощности χ ≈ 0,99.

 

Если все привода переведем в такой электродвигатель, то годовой экономический эффект будет составлять 70 млрд$. Окупаемость 2 года.

 

Освещение.

 

Однофазная сеть с нулевым проводом.

 

ЛН – лампы накаливания;

ДРЛ – дроссельно-ртутная лампа;

ПРА – пускорегулирующая аппаратура;

ЭБ – электронный балласт;

КЛЛ – компактная люминесцентная лампа;

НЛВД – натриевая лампа высокого давления.

 

Освещение делается следующим образом:

 

Если перевести все освещение, то экономический эффект (прибыль) будет составлять 100 млрд$ в год.

 

Срок эксплуатации (КЛЛ, НЛВД) составляет 10 тыс. часов, это в 10 раз больше, чем ЛН и ДРЛ.

 

Функции ЭБ:

· ЭБ осуществляет поджиг лампы (формирует короткий высоковольтный импульс);

· На выходе ЭБ формируется частота выше, чем 50 Гц.

 

 

Охлаждение, нагрев.

 

РТ – регулятор температуры, устройство силовой электроники, выполненное на тиристорах или транзисторах.

 

Проблемы:

· пока тен холодный, сопротивление мало. Пусковые токи больше, разрушается механика и тен выходит из строя.

 

Тогда поступают следующим образом:

 

Функции РТ:

· плавный запуск;

· регулирование величины, подводимой электрической энергии к исполнительному механизму.

Если перевести 10% холодильников на такую систему, то экономический эффект будет составлять до 1,5÷2 млрд$ в год.

 

Телекоммуникации.

Главным образом эффект возникает при построении ИВЭП (источников вторичного электропитания).   Традиционная система вторичного электропитания строится по следующему принципу:

MOSFET

Встроен обратный диод.

· U_вкл = U_зи = 15÷18В;

· t_вкл, t_выкл = 1÷10нс;

· f_{коммутации} = 100÷1000кГц;

· малые остаточные напряжения и обратные токи;

· допускает параллельное включение приборов.

 

Недостаток: низкие напряжения и низкие токи.

 

Область применения:

1. автомобильная электроника;

2. системы вторичного электропитания;

3. бытовая электроника (ключи различного рода).

 

Биполярный транзистор.

 

Практически в силовой электронике не применяются.

β малы при больших напряжения и токах.

 

 

IGBT

 

Биполярный транзистор с изолированным затвором.

Обратный диод не всегда встроен.

Существуют так называемые чопперные транзисторы:

 

Схема для IGBT транзистора, соответствующая рис. 2.8:

 

Транзистор VT3 работает в режиме стабилизатора тока базы.

Транзистор VT2 ограничивает напряжение на U_бэ.

 

· Очень хорошее и :

; .

 

А у тиристоров:

 

; .

 

 

· Применяются в снаберах. Снабер – защита от сверх больших и .

 

 

· t_вкл, t_выкл = 10÷100нс.

· частота коммутации – . В последнее время приборы работают на частоте .

Недостаток: относительно высокое U_ост = 1,7÷3В

 

Область применения: самый распространенный прибор в силовой электронике.

1. преобразователи частоты и напряжения для регулируемого электропривода;

2. тяговые электропривода (электрический транспорт).

 

 

SCR

SCR – полууправляемый тиристор.

 

УЭ – управляющий электрод

 

Главный достоинство:

· позволяет коммутировать самые высокие мощности;

· малое остаточное напряжение U_ост = 1÷2В.

 

Недостатки:

· нельзя выключать по цепи управления, только за счет принудительной коммутации;

· t_вкл, t_выкл = 1÷100мкс – относительно большие времена;

· предназначен для f = 50÷400Гц;

· низкое значение и :

; .

 

Область применения:

· на выпрямительных подстанциях ж/д транспорта (на постоянном токе);

· в электрохимии (электролиз);

· в электроэнергетике, в системах возбуждения мощных генераторов.

 

 

GTO

 

Первый полностью управляемый прибор.

 

Включается коротким импульсом по УЭ и выключается коротким импульсом противоположной полярности по УЭ.

 

Недостатки:

· ток выключения в УЭ должен практически равняться току анода, но длительность протекания этого тока очень мала (1÷2мкс);

· низкое значение и 300 , .

 

 

Область применения:

· мощные электропривода переменного тока.

 

 

Достоинства прибора:

1. высокие значения тока и напряжения коммутируемые;

2. его можно выключить по управляющему электроду. Малые падения напряжения в открытом состоянии (1,2÷3)В.

 

Недостатки прибора:

1. низкое значение и 200÷300 , ;

2. высокая величина тока выключения по управляющему электроду.

 

 

IGCT-тиристор

Это развитие GTO-тиристоров. Является прибором выключаемым или прибором двухоперационным (можно включать и выключать по УЭ).

Интеллектуальные силовые модули (IPM).

Силовая схема, драйвер, контроллер или микропроцессорная система управления.   2 типа технологий:

Снаберы.

 

 

Различают снаберы тока и снаберы напряжения.

Снаберы тока предназначены для ограничения скорости нарастания тока.

Снаберы напряжения предназначены для ограничения скорости нарастания напряжения .

 

 

Снаберы тока.

СТ – снабер тока. Временные диаграммы:

Снабер напряжения.

Данное устройство ограничивает скорость нарастания напряжения . Нас будет интересовать момент выключения.

Драйверы.

  Драйвер – этоустройство, которое стоит между микропроцессором или контроллером…  

Драйверы полууправляемых тиристоров (SCR).

 

 

Существует два типа импульсов управления для тиристоров: узкий и широкий. В связи с этим существует два типа драйверов, которые формируют узкий и широкий импульсы управления.

 

Минимальная длительность импульса управления (τ_{иу min}) определяется исходя из времени нарастания анодного тока до тока удержания.

 

 

Драйвер для управления узкими импульсами.

Назначение элементов:  

Драйвер с оптоэлектронной развязкой.

  ОП – оптопара, состоящая из светодиода и фототранзистора.  

Драйвер с датчиком состояния вентилей.

  Импульс формируется коротким при условии совпадения положительного напряжения…

Драйвер для полностью управляемого тиристора (GTO).

  Микроконтроллер должен формировать 2 импульса Uвкл и Uвыкл.  

Драйверы для управления MOSFET и IGBT транзисторами.

  Особенности процесса включения и выключения IGBT и MOSFET транзисторов.

Драйвер с бустрепной емкостью.

“Boostrap” – предварительная загрузка или накачка.  

Драйверы для IGBT транзисторов.

Особенности драйверов для IGBT: 1. драйверы должны формировать достаточно большие токи управления, т.к.… 2. IGBT транзисторы стоят достаточно дорого и драйверы должны быть как правило интеллектуальными и иметь устройство…

Интеллектуальный драйвер IGBT.

ДТ – датчик температуры  

Выпрямитель.

Особенности построения выпрямителей с установкой на большие мощности. Требования: 1. выходное напряжение выпрямителя должно быть достаточно сглажено, применение различных фильтров должно быть…

Высоковольтные двенадцатипульсные схемы.

Такие схемы строятся на базе трехфазных мостовых схем. Форма первичного тока такая же, как и во всех ранее рассмотренных схемах.

Восемнадцатипульсные схемы выпрямления.

Для построения восемнадцатипульсной эквивалентной схемы необходимо иметь три системы трехфазных напряжений, сдвинутых друг относительно друга на 40… Такие системы напряжения получаются с помощью соединения обмоток…  

Преобразователи частоты.

Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией.   “НПЧ с ЕК”. Называют циклоконверторы. Это самые первые исторически появившиеся преобразователи частоты.

Классификация НПЧ.

 

Принцип действия НПЧ с ЕК.

  Рассмотрим преобразователь трехфазной системы напряжений в однофазную.

Полоса пропускания циклоконвертора.

Выходная частота в циклоконвертере ограничена дискретными свойствами преобразователя: 1. выходное напряжение должно набираться из частей входного напряжения; 2. коммутация в тиристорах является естественной.

Анализ электромагнитных процессов в НПЧ.

  Электромагнитные процессы в НПЧ анализируются с помощью метода переключающих… Рассмотрим в качестве примера трехфазно-трехфазный НПЧ собранный на базе нулевой схемы выпрямителя.

Коэффициент усиления НПЧ.

  Различают два типа коэффициента усиления: статический и динамический .  

Токи тиристоров.

  Основная гармоника тока на выходе преобразователя:

КПД НПЧ.

  ,  

Первичный ток НПЧ.

Входной коэффициент мощности.

  Трехфазная нулевая схема с однофазным выходом.

Полная активная мощность, отбираемая от сети.

– полная мощность, отбираемая от сети.   При номинальном режиме (М=1) cosφ2 в нагрузке составляет примерно 0,85÷0,8.

Способ.

Используется трехфазный НПЧ.  

Алгоритмы управления НПЧ.

  Достоинство: высокий КПД. Недостаток: низкий входной коэффициент мощности.

Управление циклоконвертором как источником напряжения.

  Мы желаем, чтобы сигнал задания формировал основную гармонику выходного…  

Управление циклоконвертором как источником тока.

  Мы хотим, чтобы выходной ток был пропорционален сигналу задания  

Инверторы напряжения.

 

Результирующий (изображающий) вектор.

Любая система трехфазных напряжений может быть представлена в виде суммы симметричной и нулевой последовательности. При этом нулевая последовательность определяется:  

Инверторы напряжения с широтно-импульсной модуляцией.

Классификация ШИМ.

 

 

1. По фазности различают:

· Однофазную ШИМ. Фазовый сдвиг равен , где m – фазность схемы. Используется в бесперебойных источниках питания.

· Многофазную ШИМ.

 

 

2. По полярности различают:

· Однополярную ШИМ. Импульсы ШИМ представляют собой импульсы одной полярности. Используется в регулируемых и стабилизированных источниках постоянного напряжения.

· Двуполярную ШИМ. Импульсы ШИМ представляют собой импульсы обоих полярностей. Используется в электроприводах и системах переменного электроснабжения.

 

3. По симметрии различают:

· Одностороннюю ШИМ.

– модулирующий сигнал

– опорный сигнал

· Симметричную ШИМ.

4. По способу выработки импульсов управления силовыми ключами (для многофазной) различают:

· Скалярную ШИМ (классическую). Используется три модулирующих сигнала, т.е. проекция обобщенного вектора на трехфазную систему координат.

· Векторную ШИМ. Используется понятие обобщенного вектора и сигналы управления вырабатываются с использованием ортогональной системы координат αβ, либо вращающейся dq.

 

Рассмотрим симметричную ШИМ.

Нагрузка – RL.

 

– частота квантования.

– частота среза.

– период квантования.

 

Договоримся, что ключ включается, если

Модулирующий сигнал пропорционален среднему значению напряжения на такте.

Работаем на , где нагрузка представляет собой практически индуктивность. Ток будет иметь линейный характер.

 

– величина пульсаций тока будет определяться постоянной времени цепи нагрузки.

Перенесем начало координат:

 

Если , то

 

Измерить надо на отрицательном перегибе .

 

 

Полоса пропускания ШИМ.

 

Полоса пропускания ШИМ мы определим в информационном смысле, согласно теореме Шенона-Котельникова.

  Мы хотим восстановить 4 параметра: , , и .

Скалярная трехфазная ШИМ.

Пусть трехфазный инвертор напряжения управляется тремя модулирующими сигналами.  

Векторная ШИМ.

Под векторной ШИМ понимаем такую ШИМ, когда длительность импульсов управления определяется с помощью результирующего (обобщенного) вектора.   Обозначим:

Метод DPWM – DPWM-3.

В первом секторе задают . Во втором – . И т.д. Т.е. меняют вид прерывистой ШИМ.

 

Метод DPWM – DPWM-4.

Аналогично DPWM-3, только осуществляется сдвиг на .

DPWM используется тогда, когда прибор работает на предельных возможностях, когда надо экономить каждый вольт, ампер, градусы и т.д.

 

Выбор параметров транзисторов в инверторе с ШИМ.

  ШИМ регулирует амплитуду выходного напряжения. В основе анализа процессов в инверторе лежит метод переключающих функций.

Выбор транзисторных модулей.

  Транзистор выбирается по следующим параметрам: ток, напряжение, потери…  

Активный способ устранения синфазного напряжения.

 

Схема обладает высоким КПД, и получила наибольшее распространение.

 

Другой способ (синим цветом, нет трансформатора и ключей).

В этом способе вводится 4-я стойка.

Ключи работают в импульсном режиме и воспроизводят синфазное напряжение с обратным знаком.

Достоинство: КПД=98,99%

 

Акустические шумы. Стохастическая ШИМ.

 

Всплески перенапряжения в выходной цепи инвертора напряжения с ШИМ.

Высокие скорости изменения выходного напряжения являются причиной возникновения перенапряжений. Линия связи представляет собой длинную линию (между инвертором и нагрузкой). …  

Высоковольтные (многоуровневые) инверторы напряжения.

  Существуют три технологии построения многоуровневых инверторов напряжения. При линейном напряжении на нагрузке , должно быть допустимое напряжение на транзисторе 1200 В.

Технология H-мостов;

Путем последовательного соединения H-мостов набирается высокое выходное… При этом входной выпрямитель В у каждого из мостов запитан от своей обмотки трансформатора.

Технология CPN.

  Трех уровневый инвертор:

Способ.

Опорные напряжения по частоте ШИМ сдвинуты на 180 эл.град.

Здесь формируются трехуровневые напряжения, где уровни заполняются одновременно.

Недостаток: увеличенное число коммутаций силовых ключей.

Применяется, если высокочастотные ключи или низкая частота ШИМ.

Быстродействие на такте в этой схеме больше, чем где либо.

 

Способ.

Достоинств много. Недостаток: диоды VD1 и VD2 должны быть быстрыми, т.к. работают с частотой…  

Технология FCT.

  С – “плавающий” конденсатор.

Активный выпрямитель.

Активный выпрямитель – это инвертор напряжения, работающий в обращенном режиме.   В режиме активного выпрямителя может работать инвертор тока с ШИМ.

Трехфазный активный выпрямитель.

Активный выпрямитель может быть построен на базе любой схемы инвертора напряжения.