Розанов Ю.К. Основы силовой электроники (1992)

ББК 31264.5 Р64 УДК 621.382.001.5 ПРЕДИСЛОВИЕ Автор 220Ю70500-190 00-91 Ы1(01)-92 ББК 31.204.9 © Автор, 1992 1ЯПч1 5-283-00681-6 Рецензент доктор техн. наук Ф. И. Ковалев Резанов Ю. К. Р64 Основы силовой электроники.— Мл Энергоатомиздат, 1992; — 296 с'.: ил. 1ЬВ1ч 5-283-00681-6 Излагагоэся принципы преобразования электрической энергии: выпрямленна, инвертирования, преобразования частоты и др. Описаны основные схемы преобразовательных устройсгв, способы управления ими и регулирования основных параметрон, показаны области рационального использования различных типов преобразователей.

Рассмотрены особенности конструирования и эксплуатации. Для инженеров и техников по разработке и эксплуатации электрических систем, содержащих преобразовательные устройства, а также занятых испытанием и обслуживанием преобразовательной техники. Книга издана нри содействии Консорциума «Электромеханика и силоваэ электроника» нри Московском энергегничсском икститутс Силовая электроника является постоянно развивающейся и перспективной областью электротехники.

Достижения современной силовой электроники оказывают большое влияние на темпы технического прогресса во всех развитых индустриальных обществах. В этой связи возникает необходимость для широкого круга научно-технических работников в более ясном понимании основ современной силовой электроники. Силоваи электроника имеет в настоящее время достаточно глубоко разработанные теоретические основы, однако автор не ставил перед собой задачи даже частичного нх изложения, поскольку этим вопросам посвящены многочисленные монографии и учебники. Содержание настоящей книги и методика его изложения рассчитаны в первую очередь на инженернотехнических работников, не являющихся специалистами в области силовой электроники, но связанных с применением и эксплуатацией электронных устройств и аппаратов н желающих поэ1учить представление об основных принципах работы электронных устройств, их схемотехнике и общих положениях по разработке н эксплуатации.

Кроме того, большинство разделов книги может быть также использовано учащимися различных технических учебных заведений при изучении дисциплины, в программу которых входят вопросы силовой электроники. Автор благодарен всем товарищам, оказавшим помощь при подготовке рукописи к печати, а также лектору техн. наук Ф. И, Ковалеву за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи.

Автор с благодарностью примет все замечания, которые просит направлять по адресу: 113114, Москва, М-1!4, Шлюзовая наб., 1О, Энергоатомиздат. ВВЕДЕНИЕ В электронной технике выделяют силовую и информационную электронику. Силовая электроника первоначально возникла как облазь техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значительно расширить функциональные возможности, силовых электронных устройств и соответственно области их применения.

Устройства современной силовой электроники, позволяют управлять потоками электроэнергии не только в целях ее преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности и др. Эти функции, тесно связанные с традиционными задачами электроэнергетики, определили и другое название силовой электроники — энергетическая электроника. Информационная электроника преимущественно используется для управления информационны(ии процессами.

В частности, устройства информационной электроники являются основой систем управления и регулирования различными объектами, в том числе и аппаратами силовой электроники. Однако несмотря на интенсивное расширение функций аппаратов силовой электроники и областей их применения основные научно-технические проблемы и задачи, решаемые в области силовой электроники, связаны с, преобразованием электрической энергии. Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц*, в виде постоянного тока (свыше 20'.4 всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основном е За исключением США и некоторых других стран, где за осиовную нринкта частота 60 Гц.

4 обусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии. Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются: 1) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный); 2) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный); 3) преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты), Существует - также ряд других, менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаях используется комбинация нескольких видов преобразования.

Кроме того, электроэнергия может преобразовываться с целью улучшения качества ее параметров, например для стабилизации напряжения или частоты переменного тока. Преобразование электроэнергии может производиться различными способами. В частности, традиционным для электротехники является преобразование посредством электромашинных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей,- инерционность и др.

Поэтому параллельно с развитием электромашинного преобразования в электротехнике большое внимание уделялось разработке способов статического преобразованиаа электроэнергии, Большинств~) таких разработок основывалось на использовании нелинейных элементов электронной техники. Основными ' элементами силовой электроншси, ставшими базой для создания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы. Проводимость большинства по- .

лупроводниковых приборов в существенной мере зависит от направления электрического тока: в прямом направлении их проводимость велика, -в' обратном — мала (т. е. полупроводниковый прибор имеет два явно выраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемыми и управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокой проводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности. Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их использованию для преобразования электроэнергии были работы академиков В.

Ф. Миткевича, Н. Д. Папелекси и др. 5 В 30-х годах в СССР и за рубежом были распространены газоразрядные приборы (ртутные вентили, тиратроиы, газотроиы и др.). .). Одновременно с освоением газоразрядиых приборов . Были зразв ивалась теория преобразования электроэнергии. раработаны основные типы схем и проведены обширные исс едл ования электромагнитных процессов, протекающих при выпрямлении и инвертировании переменного тока.

В это же время появились первые работы по анализу схем автономных инверторов. В развитии теории ионных преобразователей большую М. А. Чернышева, Д. А. Завалишина, а также и зарубежных: К. Мюллер-Любека, М. Демонтвинье, В. Шилинга и др. Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, когда появились мощные полупроводниковые приборы — диоды и тиристоры. Эти приборы, разработанные на ' б основе кремния, по своим техническим характеристикам намного превосходят газоразрядные при оры.

ни значение КПД, обладают быстродействием и повышенной надежностью при работе в широком температурном диапазоне. Использование силовых полупроводниковых приборов сум образом повлияло на развитие силовой электроники. Они стали основой для разработки высокоэфф преобразовательных устройств всех типов. В этих разработках были приняты многие принципиально новые схемотехнические и конструктивные решения. Освоение промышленностью силовых полупроводниковых устройств электроэнергии интенсифицировало проведение в этой области научно-исследовательских работ и создание технологий.

С учетом специфики силовых полупроводниковых приборов были уточнены старые р р и аз аботаны новые методы анализа схем. Значительно расширились классы х м автономных инверторов, преобразователей частоты, ресхем а гуляторов постоянного тока и многие дру появились новые виды устройств силовой электроники — статические контакторы с естественной и искусст венной комта ней, тиристорные компенсаторы реактивной мощности, му ц быстродействующие аппараты защиты с ограни ~ ничителями напряжения и др.