Силовая электроника — это применение электроники для управления и преобразования электроэнергии .
Первые мощные электронные устройства были изготовлены с использованием ртутных дуговых вентилей . В современных системах преобразование выполняется с помощью полупроводниковых коммутационных устройств, таких как диоды , тиристоры и силовые транзисторы , такие как силовые МОП-транзисторы и БТИЗ . В отличие от электронных систем, связанных с передачей и обработкой сигналов и данных, в силовой электронике обрабатываются значительные объемы электроэнергии. Преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель ) является наиболее типичным устройством силовой электроники, встречающимся во многих бытовых электронных устройствах, например, 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 переменной скоростью (VSD), который используется для управления асинхронным двигателем . Диапазон мощности VSD начинается от нескольких сотен ватт и заканчивается десятками мегаватт .
Системы преобразования энергии можно классифицировать по типу входной и выходной мощности:
Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя. Изобретенный Питером Купером Хьюиттом в 1902 году, он использовался для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутных дуговых вентилей с сетевым управлением для передачи электроэнергии. Уно Ламм разработал ртутный вентиль с градуирующими электродами, что сделало их пригодными для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения . В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители. [1]
Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время было невозможно фактически построить работающее устройство. [2] В 1947 году Уолтер Х. Браттейн и Джон Бардин под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs изобрели биполярный точечный транзистор . В 1948 году изобретение Шокли биполярного транзистора (BJT) улучшило стабильность и производительность транзисторов , а также снизило затраты. К 1950-м годам стали доступны более мощные полупроводниковые диоды , которые начали заменять вакуумные трубки . В 1956 году General Electric представила кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) , значительно расширив диапазон применения силовой электроники. [3] К 1960-м годам улучшенная скорость переключения биполярных транзисторов позволила создать высокочастотные DC/DC-преобразователи.
RD Middlebrook внес важный вклад в силовую электронику. В 1970 году он основал Power Electronics Group в Caltech . [4] Он разработал метод усреднения в пространстве состояний для анализа и другие инструменты, имеющие решающее значение для проектирования современной силовой электроники. [5]
В 1957 году Фрош и Дерик смогли изготовить первые полевые транзисторы на основе диоксида кремния в Bell Labs, первые транзисторы, в которых сток и исток были смежными на поверхности. [6] Впоследствии, в 1960 году, Давон Канг возглавил доклад, демонстрирующий работающий МОП-транзистор с их командой Bell Labs. В их команду входили EE LaBate и EI Povilonis, которые изготовили устройство; MO Thurston, LA D'Asaro и JR Ligenza, которые разработали процессы диффузии, а также HK Gummel и R. Lindner, которые охарактеризовали устройство. [7] [8]
В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор, [9] который позже стал известен как VMOS (V-образный МОП-транзистор). [10] С 1974 года Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony и Toshiba начали производство аудиоусилителей с силовыми МОП-транзисторами. [11] В 1978 году компания International Rectifier представила силовой МОП-транзистор на 25 А и напряжением 400 В. [12] Это устройство позволяет работать на более высоких частотах, чем биполярный транзистор, но его применение ограничено низковольтными приложениями.
Мощный МОП-транзистор является наиболее распространенным силовым устройством в мире благодаря своей низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, [13] простой возможности параллельного соединения, [13] [14] широкой полосе пропускания , прочности, простоте управления, простоте смещения, простоте применения и простоте ремонта. [14] Он имеет широкий спектр применения в силовой электронике, такой как портативные информационные устройства , силовые интегральные схемы, сотовые телефоны , ноутбуки и коммуникационная инфраструктура , которая обеспечивает работу Интернета . [15]
В 1982 году был представлен биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). Он стал широко доступен в 1990-х годах. Этот компонент обладает мощностью биполярного транзистора и преимуществами изолированного управления затвором мощного MOSFET.
Возможности и экономичность систем силовой электроники определяются доступными активными устройствами. Их характеристики и ограничения являются ключевым элементом в проектировании систем силовой электроники. Раньше в силовой электронике широко использовались ртутный дуговой клапан , высоковакуумные и газонаполненные диодные термоионные выпрямители, а также триггерные устройства, такие как тиратрон и игнитрон . Поскольку номинальные 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. [16] Идеальный переключатель либо открыт, либо закрыт и, таким образом, не рассеивает мощность; он выдерживает приложенное напряжение и не пропускает ток или пропускает любое количество тока без падения напряжения. Полупроводниковые приборы, 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 в переключателе теряется очень мало энергии. Напротив, в случае усилителя ток через устройство непрерывно изменяется в соответствии с контролируемым входом. Напряжение и ток на клеммах устройства следуют за линией нагрузки , и рассеиваемая мощность внутри устройства велика по сравнению с мощностью, подаваемой на нагрузку.
Несколько атрибутов диктуют, как используются устройства. Такие устройства, как диоды, проводят ток при подаче прямого напряжения и не имеют внешнего управления началом проводимости. Силовые устройства, такие как кремниевые управляемые выпрямители и тиристоры (а также ртутный клапан и тиратрон ), позволяют управлять началом проводимости, но полагаются на периодическое изменение направления тока для их выключения. Такие устройства, как запираемые тиристоры, биполярные транзисторы и полевые МОП- транзисторы, 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 под очень высоким напряжением относительно земли и должен управляться изолированным источником.
Поскольку эффективность является важнейшим фактором в силовых электронных преобразователях, потери, создаваемые силовым электронным устройством, должны быть максимально низкими.
Устройства различаются по скорости переключения. Некоторые диоды и тиристоры подходят для относительно низкой скорости и полезны для переключения и управления частотой питания ; некоторые тиристоры полезны при нескольких килогерцах. Такие устройства, как МОП-транзисторы и биполярные плоскостные транзисторы, могут переключаться на частотах от десятков килогерц до нескольких мегагерц в приложениях питания, но с уменьшением уровней мощности. Устройства на электронных лампах доминируют в приложениях высокой мощности (сотни киловатт) на очень высокой частоте (сотни или тысячи мегагерц). Более быстрые устройства переключения минимизируют потери энергии при переходах из включенного в выключенное состояние и обратно, но могут создавать проблемы с излучаемыми электромагнитными помехами. Схемы управления затвором (или эквивалентные им) должны быть спроектированы для подачи достаточного тока управления для достижения полной скорости переключения, возможной для устройства. Устройство без достаточного управления для быстрого переключения может быть разрушено избыточным нагревом.
Практические устройства имеют ненулевое падение напряжения и рассеивают мощность во включенном состоянии, и им 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.
Управление мощностью и рассеивание устройств также являются критически важным фактором в конструкции. Силовые электронные устройства могут рассеивать десятки или сотни ватт отработанного тепла, даже переключаясь максимально эффективно между проводящим и непроводящим состояниями. В режиме переключения контролируемая мощность намного больше, чем мощность, рассеиваемая в переключателе. Прямое падение напряжения в проводящем состоянии преобразуется в тепло, которое необходимо рассеивать. Высокомощные полупроводники требуют специализированных радиаторов или активных систем охлаждения для управления температурой их перехода ; экзотические полупроводники, такие как карбид кремния, имеют преимущество перед обычным кремнием в этом отношении, а германий, когда-то являвшийся основой твердотельной электроники, теперь мало используется из-за его неблагоприятных высокотемпературных свойств.
Существуют полупроводниковые приборы с номиналами 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 самое медленное переключающее устройство должно будет выдерживать непропорционально большую долю общего напряжения. Ртутные клапаны когда-то были доступны с номиналами до 100 кВ в одном устройстве, что упрощало их применение в системах HVDC .
Номинальный ток полупроводникового прибора ограничен теплом, вырабатываемым внутри кристаллов, и теплом, выделяемым в сопротивлении соединительных проводов. Полупроводниковые приборы должны быть спроектированы таким образом, чтобы ток равномерно распределялся внутри прибора по его внутренним соединениям (или каналам); как только образуется «горячая точка», эффекты пробоя могут быстро разрушить прибор. Некоторые SCR доступны с номинальным током до 3000 ампер в одном блоке.
Преобразователи постоянного тока в переменный вырабатывают выходную волну переменного тока из источника постоянного тока. Приложения включают в себя регулируемые приводы скорости (ASD), источники бесперебойного питания (UPS), гибкие системы передачи переменного тока (FACTS), компенсаторы напряжения и фотоэлектрические инверторы . Топологии для 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 выход представляет собой форму волны напряжения. Аналогично, инверторы источника тока (CSI) отличаются тем, что управляемый выход переменного тока представляет собой форму волны тока.
Преобразование постоянного тока в переменный является результатом работы силовых коммутационных устройств, которые обычно представляют собой полностью управляемые полупроводниковые силовые переключатели. Выходные сигналы, таким образом, состоят из дискретных значений, что обеспечивает быстрые переходы, а не плавные. Для некоторых приложений достаточно даже грубого приближения синусоидальной формы волны переменного тока. Там, где требуется близкая к синусоидальной форма волны, коммутационные устройства работают намного быстрее, чем желаемая выходная частота, а время, которое они проводят в любом состоянии, контролируется, поэтому усредненный выходной сигнал почти синусоидальный. Распространенные методы модуляции включают в себя метод на основе несущей или широтно-импульсную модуляцию , пространственно-векторный метод и селективно-гармонический метод. [17]
Инверторы напряжения имеют практическое применение как в однофазных, так и в трехфазных приложениях. Однофазные VSI используют конфигурации полумоста и полного моста и широко используются для источников питания, однофазных ИБП и сложных топологий высокой мощности при использовании в многоэлементных конфигурациях. Трехфазные VSI используются в приложениях, требующих синусоидальных форм напряжения, таких как ASD, UPS и некоторые типы устройств FACTS, такие как STATCOM . Они также используются в приложениях, где требуются произвольные напряжения, как в случае активных фильтров мощности и компенсаторов напряжения. [17]
Инверторы тока используются для получения переменного выходного тока из источника постоянного тока. Этот тип инвертора практичен для трехфазных приложений, в которых требуются высококачественные формы напряжения.
Относительно новый класс инверторов, называемых многоуровневыми инверторами, приобрел широкий интерес. Нормальная работа CSI и VSI может быть классифицирована как двухуровневые инверторы, из-за того, 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, выход переменного тока мог бы лучше приближаться к синусоиде. Именно по этой причине многоуровневые инверторы, хотя и более сложные и дорогие, обеспечивают более высокую производительность. [18]
Каждый тип инвертора отличается используемыми звеньями постоянного тока и тем, требуются ли им обратные диоды . Любой из них может работать в режиме прямоугольной или широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в зависимости от предполагаемого использования. Режим прямоугольной волны обеспечивает простоту, в то время как ШИМ может быть реализован несколькими различными способами и обеспечивает более качественные формы сигнала. [17]
Инверторы напряжения (VSI) питают выходную секцию инвертора от источника приблизительно постоянного напряжения. [17]
Желаемое качество выходной формы сигнала тока определяет, какой метод модуляции необходимо выбрать для данного приложения. Выход 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 прерывистую форму сигнала тока с большими и частыми скачками тока. [17]
Существует три основных типа VSI:
Полумостовые инверторы с однофазным источником напряжения предназначены для приложений с более низким напряжением и обычно используются в источниках питания. [17] На рисунке 9 показана принципиальная схема этого инвертора.
Низкоуровневые гармоники тока возвращаются в напряжение источника при работе инвертора. Это означает, что в этой конструкции для фильтрации необходимы два больших конденсатора. [17] Как показано на рисунке 9, в каждой ветви инвертора одновременно может быть включен только один переключатель. Если бы оба переключателя в ветви были включены одновременно, источник постоянного тока был бы закорочен.
Инверторы могут использовать несколько методов модуляции для управления своими схемами переключения. Метод ШИМ на основе несущей сравнивает выходную форму волны переменного тока, v c , с сигналом несущего напряжения, v Δ . Когда v c больше v Δ , S+ включен, а когда v c меньше v Δ , S− включен. Когда выход переменного тока находится на частоте fc с амплитудой на v c , а треугольный несущий сигнал находится на частоте f Δ с амплитудой на v Δ , ШИМ становится особым синусоидальным случаем ШИМ на основе несущей. [17] Этот случай называется синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для этого индекс модуляции или отношение амплитуды к модуляции определяется как m a = v c /v ∆ .
Нормализованная несущая частота, или отношение частоты модуляции, рассчитывается с использованием уравнения m f = f ∆ /f c . [19]
Если область перемодуляции, ma, превышает единицу, будет наблюдаться более высокое основное выходное напряжение переменного тока, но за счет насыщения. Для SPWM гармоники выходной формы волны находятся на четко определенных частотах и амплитудах. Это упрощает конструкцию фильтрующих компонентов, необходимых для инжекции гармоники тока низкого порядка от работы инвертора. Максимальная выходная амплитуда в этом режиме работы составляет половину напряжения источника. Если максимальная выходная амплитуда, m a , превышает 3,24, выходная форма волны инвертора становится прямоугольной. [17]
Как и в случае широтно-импульсной модуляции (ШИМ), оба переключателя в ножке для квадратно-волновой модуляции не могут быть включены одновременно, поскольку это вызовет короткое замыкание в источнике напряжения. Схема переключения требует, чтобы и S+, и S− были включены в течение половины цикла выходного периода переменного тока. [17] Основная амплитуда выходного переменного тока равна v o1 = v aN = 2v i /π .
Его гармоники имеют амплитуду v oh = v o1 /h .
Таким образом, выходное напряжение переменного тока контролируется не инвертором, а величиной входного напряжения постоянного тока инвертора. [17]
Использование селективного устранения гармоник (SHE) в качестве метода модуляции позволяет переключать инвертор для выборочного устранения внутренних гармоник. Основной компонент выходного напряжения переменного тока также может быть отрегулирован в желаемом диапазоне. Поскольку выходное напряжение переменного тока, полученное с помощью этого метода модуляции, имеет нечетную полуволновую и нечетную четвертьволновую симметрию, четные гармоники не существуют. [17] Любые нежелательные нечетные (N-1) внутренние гармоники из выходной формы волны могут быть устранены.
Мостовой инвертор похож на полумостовой инвертор, но имеет дополнительную ножку для подключения нейтральной точки к нагрузке. [17] На рисунке 3 показана принципиальная схема мостового инвертора с однофазным источником напряжения.
Чтобы избежать замыкания источника напряжения, S1+ и S1− не могут быть включены одновременно, а S2+ и S2− также не могут быть включены одновременно. Любая техника модуляции, используемая для конфигурации полного моста, должна иметь либо верхний, либо нижний переключатель каждой ноги в любой момент времени. Из-за дополнительной ноги максимальная амплитуда выходной формы волны равна Vi и в два раза больше максимально достижимой выходной амплитуды для конфигурации полумоста. [17]
Состояния 1 и 2 из Таблицы 2 используются для генерации выходного напряжения переменного тока с помощью биполярной ШИМ. Выходное напряжение переменного тока может принимать только два значения: Vi или −Vi. Для генерации этих же состояний с использованием конфигурации полумоста можно использовать метод на основе несущей. Включение S+ для полумоста соответствует включению S1+ и S2− 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 фундаментальным компонентом, амплитуда которого в линейной области меньше или равна единице [17] v o1 =v ab1 = v i • m a .
В отличие от биполярной техники ШИМ, униполярный подход использует состояния 1, 2, 3 и 4 из Таблицы 2 для генерации своего выходного напряжения переменного тока. Таким образом, 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 униполярной несущей SPWM v o1 =2 • v aN1 = v i • m a .
Фазовые напряжения VaN и VbN идентичны, но сдвинуты по фазе на 180 градусов друг относительно друга. Выходное напряжение равно разнице двухфазных напряжений и не содержит четных гармоник. Поэтому, если взять mf, четные гармоники выходного напряжения переменного тока появятся на нормализованных нечетных частотах, fh. Эти частоты центрированы на удвоенном значении нормализованной несущей частоты. Эта особенность позволяет использовать меньшие компоненты фильтрации при попытке получить более качественную форму выходного сигнала. [17]
Как и в случае с полумостовым SHE, выходное напряжение переменного тока не содержит четных гармоник из-за его нечетной полуволновой и нечетной четвертьволновой симметрии. [17]
_Switch_State_S1_b)_Switch_State_S3_c)_S1_Output_d)_S3_Output.jpg/1280px-Three-Phase_Square-Wave_Operation_a)_Switch_State_S1_b)_Switch_State_S3_c)_S1_Output_d)_S3_Output.jpg)
Однофазные VSI используются в основном для приложений с низким диапазоном мощности, в то время как трехфазные VSI охватывают приложения как со средним, так и с высоким диапазоном мощности. [17] На рисунке 5 показана принципиальная схема трехфазного VSI.
Переключатели в любой из трех ветвей инвертора не могут быть выключены одновременно, поскольку это приводит к зависимости напряжений от полярности соответствующего линейного тока. Состояния 7 и 8 создают нулевые напряжения линии переменного тока, что приводит к свободному прохождению токов линии переменного тока либо через верхний, либо через нижний компонент. Однако линейные напряжения для состояний 1–6 создают напряжение линии переменного тока, состоящее из дискретных значений Vi, 0 или −Vi. [17]
Для трехфазной SPWM три модулирующих сигнала, которые сдвинуты по фазе на 120 градусов относительно друг друга, используются для создания несовпадающих по фазе напряжений нагрузки. Для сохранения характеристик PWM с одним несущим сигналом нормализованная несущая частота mf должна быть кратна трем. Это сохраняет величину фазных напряжений одинаковой, но несовпадающей по фазе друг с другом на 120 градусов. [17] Максимально достижимая амплитуда фазного напряжения в линейной области, ma меньше или равна единице, равна v phase = v i / 2 . Максимально достижимая амплитуда линейного напряжения равна V ab1 = v ab • √ 3 / 2
Единственный способ контролировать напряжение нагрузки — это изменять входное постоянное напряжение.
_Carrier_and_Modulating_Signals_b)_S1_State_c)_S3_State_d)_Output_Current.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Инверторы источника тока преобразуют постоянный ток в переменный ток. В приложениях, требующих синусоидальных сигналов переменного тока, необходимо контролировать величину, частоту и фазу. CSI имеют высокие изменения тока с течением времени, поэтому конденсаторы обычно используются на стороне переменного тока, в то время как индукторы обычно используются на стороне постоянного тока. [17] Из-за отсутствия диодов свободного хода силовая цепь уменьшается по размеру и весу и, как правило, более надежна, чем VSI. [18] 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. [18]
В результате линейные токи принимают дискретные значения –ii, 0 и ii. Состояния выбираются таким образом, чтобы на выходе получалась желаемая форма волны, и используются только допустимые состояния. Этот выбор основан на методах модуляции, которые включают в себя ШИМ на основе несущей, селективное устранение гармоник и методы пространственно-векторного преобразования. [17]
Методы на основе несущей, используемые для VSI, также могут быть реализованы для CSI, что приводит к токам линии CSI, которые ведут себя так же, как и напряжения линии VSI. Цифровая схема, используемая для модуляции сигналов, содержит генератор импульсов переключения, генератор импульсов закорачивания, распределитель импульсов закорачивания и комбинатор импульсов переключения и закорачивания. Стробирующий сигнал создается на основе тока несущей и трех модулирующих сигналов. [17]
Короткий импульс добавляется к этому сигналу, когда ни верхние, ни нижние переключатели не стробируются, в результате чего среднеквадратичные токи становятся равными во всех ветвях. Те же методы используются для каждой фазы, однако, переменные переключения смещены на 120 градусов по фазе относительно друг друга, а импульсы тока смещены на полцикла относительно выходных токов. Если треугольная несущая используется с синусоидальными модулирующими сигналами, говорят, что CSI использует синхронизированную широтно-импульсную модуляцию (SPWM). Если полная перемодуляция используется в сочетании с SPWM, говорят, что инвертор работает в режиме прямоугольной волны. [17]
Вторая категория модуляции CSI, SHE, также похожа на своего аналога VSI. Использование стробирующих сигналов, разработанных для VSI, и набора синхронизирующих синусоидальных токовых сигналов приводит к симметрично распределенным закорачивающим импульсам и, следовательно, симметричным шаблонам стробирования. Это позволяет устранить любое произвольное количество гармоник. [17] Это также позволяет контролировать основной линейный ток посредством правильного выбора первичных углов переключения. Оптимальные шаблоны переключения должны иметь четвертьволновую и полуволновую симметрию, а также симметрию около 30 градусов и 150 градусов. Шаблоны переключения никогда не допускаются между 60 градусами и 120 градусами. Пульсация тока может быть дополнительно уменьшена с использованием больших выходных конденсаторов или путем увеличения количества импульсов переключения. [18]
Третья категория, пространственно-векторная модуляция, генерирует токи линии нагрузки ШИМ, которые в среднем равны токам линии нагрузки. Допустимые состояния переключения и выбор времени производятся в цифровом виде на основе преобразования пространственного 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. [17] Следующие уравнения используются для обеспечения того, чтобы генерируемые токи и векторы тока были в среднем эквивалентны.
Относительно новый класс, называемый многоуровневыми инверторами, получил широкий интерес. Нормальная работа CSI и VSI может быть классифицирована как двухуровневые инверторы, поскольку силовые переключатели подключаются либо к положительной, либо к отрицательной шине постоянного тока. [18] Если бы на выходных клеммах инвертора было доступно более двух уровней напряжения, выход переменного тока мог бы лучше приближаться к синусоидальной волне. [17] По этой причине многоуровневые инверторы, хотя и более сложные и дорогие, обеспечивают более высокую производительность. [18] Трехуровневый инвертор с нейтралью показан на рисунке 10.
Методы управления для трехуровневого инвертора позволяют только двум переключателям из четырех переключателей в каждой ноге одновременно изменять состояния проводимости. Это обеспечивает плавную коммутацию и позволяет избежать проскока, выбирая только допустимые состояния. [18] Также можно отметить, что поскольку напряжение шины постоянного тока распределяется по крайней мере между двумя силовыми вентилями, их номинальные напряжения могут быть меньше, чем у двухуровневого аналога.
Методы модуляции на основе несущей и пространственно-векторной модуляции используются для многоуровневых топологий. Методы для этих методов следуют методам классических инверторов, но с дополнительной сложностью. Пространственно-векторная модуляция предлагает большее количество фиксированных векторов напряжения, которые могут использоваться для аппроксимации сигнала модуляции, и, следовательно, позволяет реализовать более эффективные стратегии пространственно-векторной ШИМ за счет более сложных алгоритмов. Из-за дополнительной сложности и количества полупроводниковых приборов многоуровневые инверторы в настоящее время больше подходят для высокомощных высоковольтных приложений. [18] Эта технология снижает гармоники, следовательно, повышает общую эффективность схемы.
Преобразование переменного тока в переменный позволяет контролировать напряжение, частоту и фазу формы волны, подаваемой на нагрузку от питаемой системы переменного тока. [20] Две основные категории, которые можно использовать для разделения типов преобразователей, — это то, изменяется ли частота формы волны. [21] Преобразователи переменного тока в переменный , которые не позволяют пользователю изменять частоты, известны как контроллеры напряжения переменного тока или регуляторы переменного тока. Преобразователи переменного тока , которые позволяют пользователю изменять частоту, просто называются преобразователями частоты для преобразования переменного тока в переменный. Среди преобразователей частоты обычно используются три различных типа преобразователей: циклоконвертер, матричный преобразователь, преобразователь постоянного тока (он же преобразователь переменного тока в постоянный ток).
Контроллер переменного напряжения: Целью контроллера переменного напряжения или регулятора переменного тока является изменение среднеквадратичного напряжения на нагрузке при постоянной частоте. [20] Три общепринятых метода управления: управление включением/выключением, управление фазовым углом и управление прерывателем переменного тока с широтно-импульсной модуляцией (управление прерывателем переменного тока с ШИМ). [22] Все три этих метода могут быть реализованы не только в однофазных цепях, но и в трехфазных цепях.
Матричные преобразователи и циклоконвертеры: Циклоконвертеры широко используются в промышленности для преобразования переменного тока в переменный, поскольку их можно использовать в мощных приложениях. Они представляют собой коммутируемые прямые преобразователи частоты, синхронизированные линией питания. Выходные формы напряжения циклоконвертеров имеют сложные гармоники, причем гармоники более высокого порядка фильтруются индуктивностью машины. В результате ток машины имеет меньше гармоник, в то время как оставшиеся гармоники вызывают потери и пульсации крутящего момента. Обратите внимание, что в циклоконвертере, в отличие от других преобразователей, нет индукторов или конденсаторов, т. е. нет накопителей. По этой причине мгновенная входная мощность и выходная мощность равны. [23]
С недавними достижениями в области устройств разрабатываются новые формы циклоконвертеров, такие как матричные преобразователи. Первое изменение, которое впервые замечается, заключается в том, что матричные преобразователи используют двунаправленные биполярные переключатели. Матричный преобразователь с одной фазы на одну фазу состоит из матрицы из 9 переключателей, соединяющих три входные фазы с тремя выходными фазами. Любая входная фаза и выходная фаза могут быть соединены вместе в любое время без одновременного подключения любых двух переключателей с одной и той же фазы; в противном случае это приведет к короткому замыканию входных фаз. Матричные преобразователи легче, компактнее и универсальнее других решений для преобразователей. В результате они способны достигать более высоких уровней интеграции, более высокой температурной работы, широкой выходной частоты и естественного двунаправленного потока мощности, подходящего для рекуперации энергии обратно в коммунальную 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 иметь возможность блокировать напряжения любой полярности и проводить ток в любом направлении. Такая стратегия переключения обеспечивает максимально возможное выходное напряжение и снижает реактивный ток со стороны линии. Поэтому поток мощности через преобразователь является обратимым. Из-за проблемы коммутации и сложного управления он не получил широкого распространения в промышленности.
В отличие от прямых матричных преобразователей, косвенные матричные преобразователи имеют ту же функциональность, но используют отдельные входные и выходные секции, которые соединены через звено постоянного тока без элементов хранения. Конструкция включает в себя четырехквадрантный выпрямитель источника тока и инвертор источника напряжения. Входная секция состоит из двунаправленных биполярных переключателей. Стратегия коммутации может быть применена путем изменения состояния переключения входной секции, пока выходная секция находится в режиме свободного хода. Этот алгоритм коммутации значительно менее сложен и имеет более высокую надежность по сравнению с обычным прямым матричным преобразователем. [24]
Преобразователи постоянного тока: преобразователи постоянного тока, также называемые преобразователями переменного тока/постоянного тока/переменного тока, преобразуют вход переменного тока в выход переменного тока с использованием звена постоянного тока в середине. Это означает, что мощность в преобразователе преобразуется в постоянный ток из переменного тока с использованием выпрямителя, а затем она преобразуется обратно в переменный ток из постоянного тока с использованием инвертора. Конечным результатом является выход с более низким напряжением и переменной (более высокой или более низкой) частотой. [22] Благодаря своей широкой области применения преобразователи переменного тока/постоянного тока/переменного тока являются наиболее распространенным современным решением. Другие преимущества преобразователей переменного тока/постоянного тока/переменного тока заключаются в том, что они стабильны в условиях перегрузки и холостого хода, а также их можно отключать от нагрузки без повреждения. [25]
Гибридный матричный преобразователь: Гибридные матричные преобразователи являются относительно новыми для преобразователей переменного тока в переменный ток. Эти преобразователи объединяют конструкцию переменного тока в постоянный ток и конструкцию матричного преобразователя. В этой новой категории было разработано несколько типов гибридных преобразователей, примером которых является преобразователь, использующий однонаправленные переключатели и два каскада преобразователя без звена постоянного тока; без конденсаторов или индукторов, необходимых для звена постоянного тока, вес и размер преобразователя уменьшаются. Существуют две подкатегории гибридных преобразователей, называемые гибридным прямым матричным преобразователем (HDMC) и гибридным косвенным матричным преобразователем (HIMC). HDMC преобразует напряжение и ток на одном этапе, в то время как HIMC использует отдельные этапы, как преобразователь переменного тока в постоянный ток и переменный ток, но без использования промежуточного элемента хранения. [26] [27]
Области применения: Ниже приведен список распространенных областей применения, в которых используется каждый преобразователь.
Силовые электронные схемы моделируются с использованием программ компьютерного моделирования, таких как SIMBA, PLECS , PSIM , SPICE , MATLAB /simulink и OpenModelica . Схемы моделируются до их производства, чтобы проверить, как схемы реагируют в определенных условиях. Кроме того, создание симуляции и дешевле, и быстрее, чем создание прототипа для использования в тестировании. [28]
Применение силовой электроники варьируется от импульсного источника питания в адаптере переменного тока , зарядных устройствах для аккумуляторов, аудиоусилителях, балластах люминесцентных ламп , частотно-регулируемых приводах и приводах постоянного тока, используемых для работы насосов, вентиляторов и производственных машин, до гигаваттных систем передачи постоянного тока высокого напряжения, используемых для соединения электрических сетей. [29] Силовые электронные системы встречаются практически в каждом электронном устройстве. Например:
Приводы двигателей используются в насосах, воздуходувках и приводах мельниц для текстильной, бумажной, цементной и других подобных предприятий. Приводы могут использоваться для преобразования энергии и управления движением. [30] Для двигателей переменного тока области применения включают частотно-регулируемые приводы , устройства плавного пуска двигателей и системы возбуждения. [31]
В гибридных электромобилях (HEV) силовая электроника используется в двух форматах: последовательный гибрид и параллельный гибрид. Разница между последовательным гибридом и параллельным гибридом заключается во взаимосвязи электродвигателя с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Устройства, используемые в электромобилях, в основном состоят из преобразователей постоянного тока для зарядки аккумулятора и преобразователей постоянного тока в переменный для питания тягового двигателя. Электропоезда используют силовые электронные устройства для получения энергии, а также для векторного управления с использованием выпрямителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поезда получают энергию от линий электропередач. Еще одно новое применение силовой электроники — в лифтовых системах. Эти системы могут использовать тиристоры , инверторы, двигатели с постоянными магнитами или различные гибридные системы, которые включают системы ШИМ и стандартные двигатели. [32]
В целом, 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 питания, гармоническую компенсацию, приводы двигателей, интеграцию сетей возобновляемой энергии и солнечные энергетические системы космических аппаратов.
В энергосистемах часто требуется устранить гармоническое содержимое, обнаруженное в линейных токах. VSI могут использоваться в качестве активных фильтров мощности для обеспечения этой компенсации. На основе измеренных линейных токов и напряжений система управления определяет опорные сигналы тока для каждой фазы. Это подается обратно через внешний контур и вычитается из фактических сигналов тока для создания сигналов тока для внутреннего контура инвертора. Затем эти сигналы заставляют инвертор генерировать выходные токи, которые компенсируют гармоническое содержимое. Эта конфигурация не требует реального потребления энергии, поскольку она полностью питается от линии; звено постоянного тока представляет собой просто конденсатор, который поддерживается при постоянном напряжении системой управления. [17] В этой конфигурации выходные токи находятся в фазе с линейными напряжениями для получения единичного коэффициента мощности. Наоборот, компенсация VAR возможна в аналогичной конфигурации, где выходные токи опережают линейные напряжения для улучшения общего коэффициента мощности. [18]
На объектах, которым постоянно требуется энергия, таких как больницы и аэропорты, используются системы ИБП. В резервной системе инвертор подключается к сети, когда обычно поставляющая электроэнергию сеть прерывается. Электроэнергия мгновенно берется из местных аккумуляторов и преобразуется в пригодное для использования переменное напряжение с помощью VSI, пока не восстановится питание сети или пока не будут подключены резервные генераторы. В онлайновой системе ИБП выпрямитель-звено постоянного тока-инвертор используется для защиты нагрузки от переходных процессов и гармонического содержания. Аккумуляторная батарея, параллельная звену постоянного тока, поддерживается полностью заряженной выходом в случае прерывания питания сети, в то время как выход инвертора подается через фильтр нижних частот на нагрузку. Достигается высокое качество электроэнергии и независимость от помех. [17]
Различные приводы переменного тока были разработаны для управления скоростью, крутящим моментом и положением двигателей переменного тока. Эти приводы можно классифицировать как низкопроизводительные или высокопроизводительные в зависимости от того, являются ли они скалярно-управляемыми или векторно-управляемыми соответственно. В приводах со скалярным управлением единственными управляемыми величинами являются основной ток статора или частота и амплитуда напряжения. Поэтому эти приводы используются в приложениях, где не требуется высококачественное управление, например, в вентиляторах и компрессорах. С другой стороны, приводы с векторным управлением позволяют непрерывно управлять мгновенными значениями тока и напряжения. Эта высокая производительность необходима для таких приложений, как лифты и электромобили. [17]
Инверторы также жизненно важны для многих приложений возобновляемой энергии. В фотоэлектрических целях инвертор, который обычно является ШИМ VSI, питается от постоянного тока на выходе фотоэлектрического модуля или массива. Затем инвертор преобразует его в переменное напряжение для сопряжения либо с нагрузкой, либо с коммунальной сетью. Инверторы также могут использоваться в других возобновляемых системах, таких как ветряные турбины. В этих приложениях скорость турбины обычно меняется, вызывая изменения частоты напряжения, а иногда и величины. В этом случае генерируемое напряжение можно выпрямить, а затем инвертировать для стабилизации частоты и величины. [17]
Интеллектуальная сеть — это модернизированная электрическая сеть , которая использует информационно-коммуникационные технологии для сбора и обработки информации, например, информации о поведении поставщиков и потребителей, в автоматизированном режиме для повышения эффективности, надежности, экономичности и устойчивости производства и распределения электроэнергии. [33] [34]
Электроэнергия, вырабатываемая ветряными турбинами и гидроэлектростанциями с использованием индукционных генераторов, может вызывать отклонения в частоте, на которой вырабатывается энергия. Силовые электронные устройства используются в этих системах для преобразования вырабатываемого переменного напряжения в постоянный ток высокого напряжения ( HVDC ). Силу HVDC можно легче преобразовать в трехфазную энергию, которая согласуется с энергией, связанной с существующей электросетью. Благодаря этим устройствам энергия, вырабатываемая этими системами, становится чище и имеет более высокий связанный коэффициент мощности. Оптимальный крутящий момент ветровых энергетических систем достигается либо с помощью редуктора, либо с помощью технологий прямого привода, которые могут уменьшить размер силового электронного устройства. [35]
Электроэнергия может вырабатываться посредством фотоэлектрических элементов с использованием силовых электронных устройств. Полученная энергия обычно затем преобразуется солнечными инверторами . Инверторы делятся на три различных типа: центральные, модульно-интегрированные и строчные. Центральные преобразователи могут быть подключены либо параллельно, либо последовательно на стороне постоянного тока системы. Для фотоэлектрических «ферм» используется один центральный преобразователь для всей системы. Модульно-интегрированные преобразователи подключаются последовательно либо на стороне постоянного тока, либо на стороне переменного тока. Обычно в фотоэлектрической системе используется несколько модулей, поскольку система требует эти преобразователи как на клеммах постоянного тока, так и на клеммах переменного тока. Струнный преобразователь используется в системе, которая использует фотоэлектрические элементы, обращенные в разные стороны. Он используется для преобразования вырабатываемой мощности в каждую цепочку или линию, в которой взаимодействуют фотоэлектрические элементы. [35]
Силовая электроника может использоваться для помощи коммунальным службам в адаптации к быстрому росту распределенной бытовой/коммерческой солнечной генерации. Германия и некоторые части Гавайев, Калифорнии и Нью-Джерси требуют проведения дорогостоящих исследований перед одобрением новых солнечных установок. Относительно небольшие наземные или столбовые устройства создают потенциал для распределенной инфраструктуры управления для мониторинга и управления потоком энергии. Традиционные электромеханические системы, такие как конденсаторные батареи или регуляторы напряжения на подстанциях , могут занимать минуты для регулировки напряжения и могут находиться далеко от солнечных установок, где возникают проблемы. Если напряжение в соседней цепи становится слишком высоким, это может подвергнуть опасности бригады коммунальных служб и привести к повреждению как коммунального, так и клиентского оборудования. Кроме того, сбой в сети приводит к немедленному отключению фотоэлектрических генераторов, что резко увеличивает спрос на электроэнергию в сети. Интеллектуальные сетевые регуляторы более управляемы, чем гораздо более многочисленные потребительские устройства. [36]
В другом подходе группа из 16 западных коммунальных предприятий, называемых Western Electric Industry Leaders, призвала к обязательному использованию «умных инверторов». Эти устройства преобразуют постоянный ток в бытовой переменный ток и также могут помочь с качеством электроэнергии. Такие устройства могли бы устранить необходимость в дорогостоящей модернизации коммунального оборудования при гораздо меньших общих затратах. [36]
Эти активные электронные компоненты, или силовые полупроводниковые продукты, от Siliconix используются для переключения и преобразования мощности в широком спектре систем, от портативных информационных устройств до коммуникационной инфраструктуры, которая обеспечивает работу Интернета. Силовые МОП-транзисторы компании — крошечные твердотельные переключатели или полевые транзисторы на основе металл-оксид-полупроводника — и силовые интегральные схемы широко используются в сотовых телефонах и ноутбуках для эффективного управления питанием от батареи.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
