Формування і регулювання вихідної напруги трифазного мостового інвертора за умови багаторазового перемикання силових тиристорів за період



   Цей принцип базується на тому, що крива міжфазної напруги формується не з одного імпульса тривалістю 2p/3 (рис. 7а) за умови y =180°, а з декількох (наприклад, двох) тривалістю a, яка регулюється від 0 до p / 3, з паузою між ними b=p/3 - a. Паузу створюють шляхом здійснення в інверторі додаткових перемикань таким чином, щоби на проміжку b були відкритими три тиристори однієї (катодної чи анодної) групи. Відкриті ( ті, які в стані високої провідності) тиристори і шунтуючі їх діоди на проміжках b створюютькоротке замикання всіх трьох фаз навантаження за допомогою шини «+» або «-» джерела живлення , що забезпечує рівність нулю напруги на навантаженні. Струми фаз активно індуктивного навантаження на проміжках b протікають між фазами по створеному короткозамкненому колу. Послідовність перемикань тиристорів 123, 135, 234, 246, 345, 135, 456, 246 і т.д. в інверторі з ШІР формує, наприклад, криву "б " рис. 5а.

 

 

Рис. 8. Часові діаграми відкритого стану силових тиристорів та фазних і міжфазних напруг трифазного мостового інвертора напруги з ШІР для Кмн=4 (а), Кмн=8 (б) та Кмн=12 (в)

 

    Розглянемо принцип формування і регулювання напруги, який забезпечується алгоритмом перемикання тиристорами (рис. 8а). За період кожен тиристор перебуває у відкритому стані на трьох проміжках часу тривалістю 60°+a, 60° і b. Відкритому стану тиристора однієї фази (наприклад, тиристора VS1) відповідає закритий стан другого тиристора тієї ж фази (в даному випадку тиристора VS4). Додаткові перемикання в порівнянні з режимом рис. 7а, як зазначалось вище, необхідні для здійснення одночасної провідності трьох тиристорів, що належать до однієї групи, тобто для створення в кривій вихідної напруги проміжків паузи тривалістю b. Зокрема, на проміжку 1 від 60°-b до 60° відкриті тиристори VS1, VS3, VS5, на проміжку 2 від 120°-b до 120°– тиристори VS2,VS4,VS6, на проміжку 3 від 180°-b до 180° – тиристори VS1, VS3, VS5, і т.д. На проміжках a формування кривих фазної та міжфазної напруг відбувається згідно утворених подільників напруги відкритими на цьому проміжку часу тиристорами. Наприклад, на проміжку від 0 до 30° рис. 8а утворюється подільник напруги, що відповідає рис. 6в. Відповідно напруга фази «в» рівна +2Е/3, а напруги фаз «а» і «с» від’ємні та рівні між собою і становлять – Е/3. На проміжках b напруги інвертора рівні нулю. В результаті крива міжфазної напруги за період містить у своєму складі чотири імпульса з амплітудою Е (Кмн=4), а крива фазної напруги – два імпульсів зі значеннями  2Е/3 та чотири  Е/3 (Кфн=6).

   У трифазних автономних інверторах напруги можна здійснити широтно імпульсне регулювання з більшим числом імпульсів у кривих міжфазних та фазних напруг. Оскільки крива фазної напруги на проміжку в 60° в загальному випадку може мати ціле число імпульсів Кфн 60°=1, 2, 3, 4, …, то кількість імпульсів в цій же криві за період

Кфн=6, 12, 18, 24, …,

і відповідно число імпульсів у кривій міжфазної напруги за період

Кмн=2/3 Кфн=4,8,12,16, … .

   Алгоритми перемикань тиристорами з Кмн >2 в загальному випадку виконують індентично з наведеним режимом перемикань (рис. 8 а). На      рис. 8 б та рис. 8в наведені алгоритми перемикань тиристорами відповідно з  

 Кмн=8 і Кмн=12. Необхідність збільшення числа імпульсів у кривій вихідної напруги інвертора обумовлено потребою покращити її гармонійний склад під час регулювання.

 

 

Додаток

Силові біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT)

Будова і особливості роботи

     Біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBTInsulated Gate Bipolar Transistor) – повністю керований напівпровідниковий прилад, основу якого складає тришарова структура. Для його увімкнення слід подати позитивну напругу між затвором і витоком, а для вимкнення – зняти її.

 

                  а                                                          б                             

 

Рис.1. Умовне позначення IGBT (а) та схема з’єднань транзисторів (біполярного та польового) в єдиній структурі IGBT (б)

       

 

IGBTє продуктом розвитку технології силових транзисторів зі структурою метал – оксид – напівпровідник, що керується електричним полем (MOSFETMetal – Oxid – Semiconductor – Field – Effect – Transistor) і поєднує в собі два транзистора в єдиній напівпровідниковій структурі: біполярний (утворює силовий канал) і польовий (формує канал керування). Еквівалентна схема увімкнення двох транзисторів наведена на рис. 1б. Прилад уведений у силове коло виводами біполярного транзистора Е(еміттер) і С (колектор), а у коло керування – виводом G (затвор). Таким чином, IGBTмає три зовнішних виводи: еміттер, колектор, затвор. З’єднання еміттера і стока (D), бази і витоку (S) є внутрішними. Поєднання двох приладів в одній структурі дозволили об’єднати переваги польових і біполярних транзисторів: великий вхідний опір з високим струмовим навантаженням і малим опором в увікненому стані. Схематичний переріз структури IGBTнаведений на рис. 2 а. Біполярний транзистор утворений шарами р(еміттер), n (база) р+ (колектор); польовий – шарами n (витік), n+ (сток) і металевою пластинкою (затвор). Шари р+ і  р мають зовнішні виводи, які вмикають у силове коло. Затвор має вивід, що вмикається у коло керування. На рис. 2б зображена структура IGBT IV покоління (напруга перемикань до 4500 В, струми до 1800 А), яка виконана за технологією «потопленого» каналу (trench – gate technology), яка дозволяє усунути опір між р – базами і зменшити розміри приладу у декілька разів.

 

 

 

Рис. 2. Схематичний переріз структури IGBT:а - звичайного (планарного);

 б – виконаного за технологією trench – gate technology

     Процес увімкнення можна розділити на два етапи: після подачі позитивної напруги між затвором і витоком відбувається відкриття польового транзистора (формується n-канал між витоком і стоком). Рух носіїв зарядів із шару n в шар р призводить до відкриття біполярного транзистора і виникненню струму від еміттера до колектора. Отже, польовий транзистор керує роботою біполярного.

 

Тиристори GTO

Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, що використовуються для комутації як для високовольтних, так і сильнострумових кіл. Однак, вони мають істотний недолік – неповну керованість, яка проявляється в тому , що для їх вимкнення необхідно створювати умови зниження прямого струму до нуля. Це , у багатьох випадках, обмежує і ускладнює використання тиристорів. Для усунення цього недоліку виготовлені тиристори, які закриваються (переходять в стан низької провідності) сигналом кола керуючого електрода G. Тиристори, які вмикаються і вимикаються за допомогою кола керуючого електрода, називаються GTO – тиристорами (Gate turn-off thyristor) або двоопераційними.

Будова

Двоопераційний тиристор - повністю керований напівпровідниковий прилад, в основі якого класична чотиришарова структура. Його вмикають і вимикають подачею відповідно додатнього і від’ємного імпульсів струму на електрод керування. На рис. 2 наведені умовне позначення (а) і структурна схема (б) двоопераційного (GTO) тиристора. Подібно до звичайного тиристора він має катод К, анод А, керуючий електрод G. Відмінності в структурах приладів полягають в інакшому розміщенні горизонтальних і вертикальних шарів з n- і p- провідностями.

Рис. 2. Умовне позначення (а) та структурна схема (б) GTO тиристора

Найбільше видозміненим є катодний шар n. Він розбитий на декілька сотень елементарних комірок, що рівномірно розподілені по площі напівпровідникової структури і з’єднані паралельно. Таке виконання викликане необхідністю забезпечити рівномірне зниження струму по всій площі напівпровідникової структури під час вимкнення приладу. Базовий шар p, незважаючи на те, що виконаний як єдине ціле, має велике число контактів з керуючим електродом ( приблизно рівне кількості комірок катодного шару), що також рівномірно розподілені по площі і з’єднані паралельно. Базовий шар n виконаний так само як і в звичайних тиристорах. Анодний шар р має шунти (зони n), які з’єднують n- базу з анодним контактом через невеликий розподілений опір. Анодні шунти використовуються для зменшення часу вимкнення приладу за рахунок покращення умов вилучення зарядів із базового шару n. Основне виконання тиристорів GTO у вигляді таблетки з чотиришаровою кремнієвою пластиною, що затиснена через термокомпенсуючі молібденові диски між двома мідними основами з підвищеною тепло- і електропровідністю. З керамічною пластиною контактує керуючий електрод, що має вивід в керамічному корпусі. Прилад затискається контактними поверхнями між двома половинами охолоджувача (радіатора), які ізолоьовані одна від одної.

Принцип дії

В циклі роботи тиристора GTO розрізняють чотири фази: увімкнення, провідний стан (стан високої провідності), вимкнення і стан блокування.

На схематичному розрізі тиристорної структури (рис. 2, б) верхній вивід структури катодний. Катод контактує з шаром n. Далі згори вниз йдуть: базовий шар p, що має вивід керуючого електрода, шар n, шар р, який безпосередньо контактує з анодним виводом. Чотири шари утворюють три p-n переходи: П1 між шарами p і n; П2 між шарами n і p; П3 між шарами p і n.

Фаза 1 - увімкнення. Перехід тиристорної структури з стану низької провідності  в стан високої  провідності можливий тільки за умови дії прямої напруги між анодом і катодом. Переходи П1 і П3 зміщуються у прямому напрямку і не перешкоджають проходженню носіїв зарядів. Вся напруга прикладається до середнього переходу П2, який зміщується у зворотному напрямку. Щоб увімкнути тиристор GTO, до керуючого електроду та катоду по колу керування прикладається напруга позитивної полярності ("+" до шару p). У результаті по колу G-K протікає струм керування (рис. 2, б). Через перехід П3, крім струму витоку, починає протікати струм керування. Електрони, що створюють цей струм, будуть пересуватися з шару n в шар p. Далі частина з них буде перекидатися електричним полем базового переходу П2 в шар n. Одночасно збільшиться зустрічна інжекція дірок із шару p в шар n і далі в шар p, тобто відбудеться збільшення струму, створеного неосновними носіями зарядів. Cуммарний струм, що проходить через базовий перехід П2, перевищує струм увімкнення, відбувається відкриття тиристора, після чого носії зарядів будуть вільно переходити через усі  чотири шари напівпровідникової структури.

Фаза 2 - провідний стан. У режимі протікання прямого струму немає необхідності в струмі керування, якщо струм в колі анода перевищує значення струму утримання. Однак на практиці для того, щоб всі структури  тиристора постійно перебували в стані високої провідності, все ж таки необхідно підтримання струму керування, передбаченого для даного температурного режиму. Таким чином, весь час увімкнення і стану високої провідності тиристора  система керування формує імпульс струму позитивної полярності. Отже в стані високої провідності всі шари напівпровідникової структури забезпечують рівномірний рух носіїв зарядів (електронів від катода до анода, дірок - у зворотному напрямку). Через переходи П1, П2 протікає анодний струм, через перехід П3 - сумарний струм анода і керуючого електрода.

Фаза 3 - вимкнення. Щоб вимкнути тиристор GTO за незмінної полярності напруги приладу до керуючого електроду та катоду по колу керування прикладається напруга від’ємної полярності. Вона викликає струм вимикання, протікання якого веде до розсмоктування основних носіїв заряду (дірок) у базовому шарі p. Іншими словами, відбувається рекомбінація дірок, що надійшли в шар p з базового шару n, і електронів, що надійшли в цей же шар по колу керуючого електрода. В міру звільнення від них базового переходу П2 тиристор починає закриватися. Цей процес характеризується різким зменшенням прямого струму  тиристора за короткий проміжок часу до невеликого значення . Відразу після закриття базового переходу П2 починає закриватися перехід П3, однак за рахунок енергії, що накопичена  в індуктивності кола керування, він ще деякий час знаходиться в відкритому стані. Після того, як вся енергія, що накопичена в індуктивності кола керування, буде витрачена, перехід П3 з боку катода повністю закривається. З цього моменту струм через тиристор дорівнює струму витоку, який протікає від анода до катода через коло керуючого електрода.

Фаза 4 - блокуючий стан. В режимі блокуючого стану до керуючого електрода та катода залишається прикладеною напруга негативної полярності. По колу керування  протікає сумарний струм, що складається з струму витоку тиристора і зворотного струму керування, що проходить через перехід П3. Перехід П3 зміщується у зворотному напрямку. Весь час вимкнення і блокуючого стану система керування формує і підтримує напругу керування негативної полярності.

 

 

Список літератури

1. Славик И. "Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей". - Москва, "Энергоатомиздат", 1989 г.

 

2. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. "Преобразовательная техника". - Киев, "Вища школа", 1979 г.

 

3. Стариков Б.Я., Азарх В.Л., Рабинович З.М. "Асинхронный электропривод очисных комбайнов". - Москва, "Недра", 1981 г.

 

4. Розанов Ю.К. "Основы силовой электроники". - Москва, "Энергоатомиздат", 1992 г.

 

5. Мовсесова Н.С., Храмушина А.М. "Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами". - Москва, "Энергоатомиздат", 1982 г.

 

6. Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др.; Под ред. Ковалева Ф.И. и Мостковой Г.П. "Полупроводниковые выпрямители". - 2-е изд., переработ. Москва, "Энергия", 1978 г.

  7. Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 400 с.

 8. Непосредственные преобразователи частоты для электропривода / Чехет Э.М., Мордач В.В., Соболев В.Н. – К.: Наукова думка, 1988. – 222 с.       

 

 

Навчальне видання

 

Перетворювачі частоти. Конспект лекції до самостійного вивчення теми з дисципліни ”Промисова електроніка та перетворювальна техніка” для студентів всіх форм навчання базового напряму 6.050701 “Електротехніка та електротехнології”/ Укл. А.А. Маліновський, В.Г. Федишин. – Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка»,

 2010 - 22 с.

 

 

Маліновський А.А., докт. техн. наук, професор

Федишин В.Г., канд. техн. наук, доц.

 

 

Редактор

Комп’ютерне складання


 

 


Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 255; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!