Изучать конкретные устройства силовой электроники проще, если знать общие подходы к их созданию. Естественно, эти знания будут также способствовать разработке новых схем и конструкций.
Общие подходы являются воплощением результатов теоретических исследований и опыта многих квалифицированных специалистов и достойны внимательного рассмотрения. Одной из важнейших задан при разработке силовых устройств является повышение коэффициента полезного действия. Такие устройства потребляют значительную мощность. Поэтому даже небольшое увеличение этого коэффициента дает большую экономию электроэнергии. Устройства с меньшим коэффициентом очень часто неконкурентоспособны .
В устройствах достаточно большой мощности должен использоваться только ключевой режим работы силовых приборов. Иначе потери энергии в этих приборах будут чрезмерными. Ключевой режим описан выше. Его преимущества должны быть осознаны.
В силовых цепях, как правило, не должны использоваться резисторы, рассеивающие существенную мощность, так как это снижает коэффициент полезного действия. Кроме силовых электронных приборов, источника питания и нагрузки в них могут использоваться катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы, которые в идеальном случае не рассеивают мощность. Разработчик устройства должен так распорядиться этим не отличающимся большим разнообразием набором элементов, чтобы на нагрузке формировался требуемый электрический сигнал.
В простой ситуации это не требует значительной интеллектуальной работы. Но может оказаться, что типовые схемы не обеспечивают выполнение заданных требований. Тогда придется начинать поиск новых схемотехнических решений. В этом отношении силовая электроника является благодатным полем для изобретательства.
Одним из наиболее эффективных и часто используемых способов улучшения технико-экономических показателей устройств является повышение частоты переключения силовых приборов.
Конечно, существуют и широко используются устройства, в которых силовые приборы или вообще не переключаются в течение значительных отрезков времени (т. е. длительное время находятся или во включенном, или в выключенном состоянии), или переключаются с фиксированной частотой, определяемой, к примеру, частотой питающего переменного напряжения.
Но во многих устройствах очень важными являются процессы обмена энергией между реактивными элементами, в частности, между магнитосвязанными катушками индуктивности, являющимися обмотками трансформатоpa. Чем выше частота коммутаций в целях с такими элементами, тем меньше размеры реактивных элементов итрансформаторов.
Отсюда следует, что при заданных значениях Um и Im увеличение частоты позволяет уменьшить индуктивность, а это обеспечивает уменьшение геометрических размеров катушки. Обратимся к трансформатору с ферромагнитным сердечником (рис. 4.1, б), который работает на холостом ходе (т. е. вторичная обмотка не подключена к нагрузке).
В соответствии с законом электромагнитной индукции:
Пусть используется прямоугольное напряжение (рис. 4.3). Тогда импульсы магнитной индукции будут треугольными. Полезно отметить, что изза нелинейной зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля для сердечника форма тока il первичной обмотки может сильно отличаться от треугольной (как это показано на рис. 4.3).
Отсюда следует, что при заданном значении Ulm и выбранным значением Вт (в соответствии с магнитными свойствами сердечника и с учетом потерь энергии на его перемагничивание) увеличение частоты позволяет уменьшить число витков первичной обмотки или площадь сечения сердечника, что обеспечивает уменьшение геометрических размеров и массы трансформатора. Естественно, этот вывод остается справедливым и в случае работы трансформатора на нагрузку. Обратимся к линейному конденсатору (рис. 4.1, в). Напряжение u определяется выражением:
Пусть через конденсатор протекает прямоугольный ток (рис. 4.4) с периодом Ти частотой f = 1/T причем U0= 0.
Однако повышение частоты переключения силовых приборов, как указывалось выше, увеличивает мощность, идущую на их нагрев.
Кроме того, при увеличении частоты импульсов все сильнее проявляется поверхностный эффект в проводниках (и сечения проводников, в том числе обмоток, используются все хуже), увеличивается влияние паразитных индуктивностей и емкостей, растут потери энергии на перемагничивание сердечников катушек индуктивности и трансформаторов, повышаются потери энергии в конденсаторах, увеличивается уровень электромагнитных наводок в конструктивных элементах, а также помех в цепях управления и в окружающем пространстве.
Поэтому выбор частоты переключения силовых приборов должен выполняться на основе всестороннего анализа. И вместе с тем повышение частоты — это магистральный путь совершенствования силовых устройств многих типов.
Как правило, должна быть предусмотрена гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей. Она используется для предотвращения поражения электрическим током обслуживающего персонала и защиты цепей управления. Гальваническая развязка может защитить цепи управления не только от высоковольтных сигналов, способных вывести их из строя, но и от электромагнитных помех, создаваемых силовыми цепями. В редких случаях гальваническая развязка отсутствует, но при эксплуатации таких устройств должны приниматься особые меры предосторожности.
Обычно для гальванической развязки используют рассмотренные выше оптроны или трансформаторы.
Гальваническая развязка питающей электрической сети и нагрузки обеспечивается трансформаторами. Разработчик обязан иметь глубокие знания по силовым приборам. Выше отмечалось, что они работают в тяжелых режимах. Их выбор с многократным запасом, к примеру, по току или по напряжению, не практикуется. Поэтому принятие непродуманных решений может сильно сказаться на работоспособности устройства.
При разработке систем управления необходимо ориентироваться на формирование как можно более качественных управляющих сигналов. Параметры этих сигналов обычно существенно влияют на сильноточные процессы . в приборах. К примеру, увеличение крутизны переднегофронта импульса управления тиристора снижает потери энергии при его включении и способствует увеличению срока службы.
Одной из важнейших задач является обеспечение теплового режима силовых приборов. Мощность тепловыделения в одном полупроводниковом приборе может превышать один киловатт. Широко используется естественное воздушное, принудительное воздушное, водяное охлаждение и охлаждение с помощью тепловых труб.
При проектировании необходим детальный анализ электромагнитных процессов в устройстве (возможно, дополненный подробным анализом тепловых процессов).
Часто устройство силовой электроники представляет собой систему со сложным взаимодействием ее элементов. Фактически после каждого очередного переключения силового прибора в устройстве начинается новый переходной процесс.
Практически безальтернативным способом анализа является математическое моделирование, которое может дать полную информацию о процессах, происходящих вустройстве. При анализе следует учитывать паразитные индуктивности, емкости, сопротивления проводников. Эти параметры сильно зависят от особенностей конструкции силового устройства. Разработчик должен оптимально расположить в пространстве и соединить элементы устройства при учете особенностей питающей электрической сети и нагрузки.
Для некоторых силовых электронных устройств особые проблемы возникают при пуске. Может даже оказаться, что без принятия специальных мер пуск вообще невозможен. К примеру, это имеет место в изучаемом ниже параллельном инверторе тока на тиристорах, нагруженном на высокодобротный колебательный контур. В таких ситуациях в устройства приходится вводить специальные схемы для пуска. При проектировании устройств большой мощности может потребоваться расчет механических сил, действующих на проводники с током.
Мощные импульсы тока, особенно при малой длительности передних фронтов и срезов, могут создавать значительные сигналы помех в цепях управления и радиопомехи. При разработке силовых устройств должны быть предусмотрены меры борьбы с этими помехами.
Эффективным способом снижения сигналов помех в цепях управления является скрутка соединительных проводов (использование витых пар), а также экранирование соединительных проводов.
Пусть в области некоторого участка витой пары (рис. 4.5) существует изменяющееся магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно к плоскости рисунка.
Тогда в соседних контурах наводятся взаимно компенсирующие (изза скрутки проводов) электродвижущие силы е. При полной компенсации сигнал помехи в линии связи отсутствует.
Устройства силовой электроники потребляют от питающей сети значительный ток, который может существенно отличаться от синусоидального, вследствие чего будет искажаться напряжение сети. В последние годы во многих странах, к которым относится и Россия, ужесточаются требования к потребителям электроэнергии. Это заставляет разработчиков силовых устройств уделять особое внимание борьбе с указанными искажениями. Используются два основных подхода к решению рассматриваемой проблемы: совершенствование входных цепей устройств различного назначения и использование специализированных силовых электронных устройств, предназначенных для борьбы с искажениями, — компенсаторов (корректоров).
На характер процессов в устройстве силовой электроники существенное влияние может оказывать нагрузка. Поэтому при их анализе часто предварительно уточняют вид нагрузки. Типичными являются следующие нагрузки: активная (рис. 4.6, о), активно-индуктивная (рис. 4.6, б), активно-емкостная (рис. 4.6, в), активная со встречной электродвижущей силой (с противоэ.д.с.) (рис. 4.6, г), индуктивная со встречной электродвижущей силой (рис. 4.6, д).
Только всесторонний учет особенностей процессов в устройстве может обеспечить правильный выбор силовых приборов, конденсаторов, катушек индуктивности, трансформаторов, проводников и других элементов.
К примеру, при выборе конденсатора необходимо учитывать не только значение максимального напряжения на нем, но также как величину, так и форму протекающего через него тока. Известно, что игнорирование этого требования может привести не только к перегреву, но и к взрыву конденсатора.
Форма импульсов тока силового прибора существенно влияет на тепловые потери и надежность.
К примеру, при почти прямоугольных импульсах тока тиристора тепловые потери в процессе его включения могут быть существенно больше, чем в случае импульсов тока в форме полусинусоид при равном среднем значении тока. Объясняется это тем, что после подачи импульса управления силовой ток начинает протекать только в тех областях кристалла кремния, которые расположены вблизи управляющего электрода, а позже (обычно по истечении нескольких микросекунд) распространяется на весь кристалл. В этот промежуток времени падение напряжения на тиристоре и, соответственно, мощность тепловых потерь повышены. Если же скорость нарастания тока превышает так называемую критическую (составляющую обычно десяткисотни ампер в микросекунду), то возможны шнурование тока (рассмотрено выше при изучении силовых биполярных транзисторов) и выход тиристора из строя.
Существенную роль играет и форма импульсов напряжения на силовых приборах.
К примеру, если на выключенном тиристоре скорость нарастания прямого напряжения превышает критическую (составляющую обычно десяткисотни вольт в микросекунду), то тиристор может самопроизвольно (без подачи импульса управления) включиться. Форма импульсов тока существенно влияет на требуемое сечение соединительных проводов и обмоток катушек индуктивности и трансформаторов (и, следовательно, на массу и геометрические размеры катушек и трансформаторов).
Нагрев проводов и обмоток определяется действующим значением тока. В то же время при расчете устройств силовой электроники часто используется среднее значение тока. В таблице (рис. 4.7) указаны среднее /СР и действующее значения тока при заданном амплитудном значении тока для характерных временных диаграмм (две верхние временные диаграммы построены на основе синусоиды).
Анализируя таблицу, можно заметить, что чем меньше среднее значение /СР тока при заданном амплитудном значении /т, тем значительней действующее значениепревышает среднее (и нагрев проводов и обмоток фиксированного сечения при заданном среднем значении тока все больше).
При разработке устройства силовой электроники должны быть приняты меры по его защите в случае аварии. Выход из строя элементов силовой части, а также сбои в работе системы управления могут вызвать развитие сильноточных неконтролируемых процессов, опасных и для оборудования, и для обслуживающего персонала. Для остановки этих процессов необходимо предусматривать устройства защиты.
Наибольшим быстродействием обладают электронные устройства защиты, построенные на основе силовых приборов. Широко используются также предохранители и автоматические выключатели. Изложенное показывает, что разработка устройств силовой электроники имеет явно выраженную специфику, а также требует наличия соответствующей теоретической подготовки и опыта проектирования.
