Силовые электронные устройства

Биполярные транзисторы с изолированным  затвором IGBT отличают от тиристоров полная управляемость,простая неэнергоемкая  система управления, самая высокая рабочая частота. 

Вследствие этого преобразователи частоты на IGBT позволяют расширить диапазон управления скорости вращения двигателя, повысить быстродействие привода в целом.  

Дляасинхронного электропривода с  векторным управлением преобразователи на IGBT позволяют работать на низких скоростях без датчика обратной связи. 

Применение IGBT с более высокой  частотой переключения в совокупности с микропроцессорнойсистемой управления в преобразователях частоты снижает  уровень высших гармоник, характерных для тиристорных преобразователей. Как следствие меньшие добавочные потери в обмотках и магнитопроводе электродвигателя,уменьшение нагрева электрической машины, снижение пульсаций момента и исключение так называемого «шагания» ротора в области малых частот. Снижаются потери в трансформаторах, конденсаторных батареях, увеличивается их срок службы и изоляции проводов, уменьшаются количество ложных срабатываний устройств защиты и погрешности индукционных измерительных приборов.  

Преобразователи на транзисторах IGBT по сравнению с тиристорными преобразователями при одинаковой выходной мощности отличаются меньшими габаритами, массой, повышенной надежностью в силу модульного исполнения электронных ключей, лучшего теплоотвода с поверхности модуля и меньшего количества конструктивных элементов.  

Они позволяют реализовать более  полную защиту от бросков тока и  от перенапряжения, что существенно  снижает вероятность отказов  и повреждений электропривода. 

На настоящий момент низковольтные  преобразователи на IGBT имеют болеевысокую цену на единицу выходной мощности, вследствие относительной сложности производстватранзисторных модулей. Однако по соотношению цена/качество, исходя из перечисленных достоинств, они явно выигрывают у тиристорных преобразователей, кроме того, на протяжении последних лет наблюдается неуклонное снижение цен на IGBT модули.  

Главным препятствием на пути их использования  в высоковольтном приводе с прямым преобразованием частоты и при  мощностях выше 1 – 2 МВт на настоящий  момент являются технологические ограничения. Увеличение коммутируемого напряжения и рабочего тока приводит к увеличению размеров транзисторного модуля, а такжетребует более эффективного отвода тепла от кремниевого кристалла. 

Новые технологии производства биполярных транзисторов направлены на преодоление этих ограничений, и перспективность примененияIGBT очень высока также и в высоковольтном приводе. В настоящее время IGBT транзисторы применяются в высоковольтных преобразователях в виде последовательно соединенных нескольких единичных модулей.

Структура и принцип работы низковольтного преобразователя частоты на IGBT транзисторах

Типовая схема низковольтного преобразователя  частотыпредставлена на рис. 7. В  нижней части рисунка изображены графики напряжений и токов  на выходе каждого элемента преобразователя.  

Переменное напряжение питающей сети (uвх.)с постоянной амплитудой и частотой (U вх = const, f вх = const) поступает на управляемый или неуправляемый выпрямитель (1).  

Для сглаживания пульсаций выпрямленного  напряжения (uвыпр.) используется фильтр (2). Выпрямитель и емкостный фильтр (2) образуют звено постоянного тока.  

С выхода фильтра постоянное напряжение u d поступает на вход автономного импульсного инвертора (3).  

Автономный инвертор современных низковольтных преобразователей, как было отмечено, выполняется на основе силовых биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. Нарассматриваемом рисунке изображена схема преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как получившая наибольшее распространение.  

В инверторе осуществляется преобразование постоянного напряжения ud в трехфазное (или однофазное) импульсное напряжение u и изменяемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через соответствующие силовые транзисторы инвертора к положительному и отрицательному полюсам звена постоянного тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах периода следования импульсов модулируется по синусоидальному закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечиваетсяв середине полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя.Амплитуда и частота напряженияопределяются параметрами модулирующей синусоидальной функции.

При высокой несущей частоте  ШИМ (2 … 15 кГц) обмотки двигателя  вследствие их высокой индуктивности  работают как фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные токи.

В схемах преобразователей с управляемым  выпрямителем (1) изменение амплитуды  напряжения u_и может достигаться регулированием величины постоянного напряжения u_d, а изменение частоты – режимом работы инвертора.  

При необходимости на выходе автономного  инвертора устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций  тока. (В схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших гармоник в выходном напряжении потребность  в фильтре практически отсутствует.)  

Таким образом, на выходе преобразователя  частоты формируется трехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды (вых = var, f вых = var).