Большие возможности, открывающиеся в самых различных областях науки и техники, в медицине, в быту при использовании полупроводниковых преобразователей электроэнергии, определяют все возрастающий интерес к таким устройствам со стороны самого широкого круга специалистов. Такие большие возможности объясняются не только тем, что эти устройства позволяют преобразовывать электроэнергию без движущихся деталей и с весьма малыми потерями и получать ее в виде постоянного тока, переменного тока «нестандартной» частоты, начиная от долей герца и кончая десятками килогерц, импульсов тока и т. д., но и тем, что одновременно с преобразованием, может осуществляться плавное регулирование передаваемой мощности с весьма высоким быстродействием.
Практика показывает, что разработка новых типов преобразовательных устройств должна вестись специалистами, обладающими глубокими знаниями в области теории преобразовательных схем, физики полупроводниковых приборов, методов построения систем управления преобразователями, где в последнее время все шире используются цифровые схемы на основе последних достижений микроэлектроники. В то же время имеется большое число инженеров-электриков, а иногда даже и неэлектриков, которые, не являясь специалистами в области преобразовательной техники, должны по роду своей работы иметь с ней дело, например эксплуатировать готовые преобразовательные устройства или разрабатывать новые системы или какие-либо объекты, в которые преобразователи входят как составные части. Естественно, что специалисты такого рода должны понимать принцип работы преобразователей, иметь представление об их возможностях и основных особенностях, в частности о преимуществах и недостатках перед другими типами преобразователей (например, перед вращающимися преобразователямл, выполненными на базе тех или иных электрических машин); в некоторых случаях таким специалистам приходится рассчитывать и собирать простейшие схемы преобразователей.
Именно на таких специалистов-«непреобразователыци-ков» и рассчитано справочное пособие по энергетической электронике, перевод которого предлагается вниманию советского читателя. Подобная направленность пособия определяет весьма широкий круг его потенциальных читателей. Освещение самых различных вопросов, связанных с применением преобразователей, простота изложения, а также наличие во многих разделах числовых примеров делают настоящее справочное пособие полезным для преподавателей вузов (например, при выборе задач для учебных расчетов или тем, для курсового проектирования) и для студентов специальности «Промышленная электроника» и ряда смежных специальностей, в учебном плане которых предусмотрено изучение преобразовательной техники. В то же время книга, по-видимому, будет небесполезна и для ряда специалистов по преобразовательной технике, которые найдут здесь некоторые новые или малоизвестные в СССР схемы, соображения по расчету преобразователей и другую информацию.
Справочное пособие состоит из двух частей. В первой части даются краткие сведения об основных типах силовых полупроводниковых приборов, описываются важнейшие схемы выпрямителей и на базе основных расчетных соотношений даются рекомендации по выбору этих схем, кратко рассматриваются способы защиты преобразователей от различного рода аварийных воздействий и способы уменьшения вредного влияния преобразователей на питающую сеть, описываются различные типы инверторов, составных преобразователей и регуляторов переменного и постоянного напряжения, кратко излагаются принципы построения систем управления преобразователями (в том числе с использованием интегральных микросхем).
Вторая часть посвящена описанию многочисленных схем, иллюстрирующих применение преобразователей в качестве источников питания для самых различных объектов, в качестве силовых исполнительных элементов в системах регулирования, в частности в регулируемом электроприводе, на электрифицированном транспорте, в электротехнологии и, наконец, в бытовой технике.
В написании Справочного пособия участвовала большая группа ведущих специалистов ГДР, работающих в исследовательских и проектных институтах и в высших технических учебных заведениях. Составителем и основным редактором является известный специалист в области энергетической (силовой) электроники профессор Рудольф Лаппе, который
до выхода на пенсию долгое врем,я заведовал соответствующей кафедрой в Дрезденском техническом университете.
Чрезвычайно широкий круг рассмотренных или только затронутых в книге вопросов и большое число авторов неизбежно привели к тому, что разделы по степени полноты или по характеру изложения сильно отличаются друг от друга.
При подготовке русского издания объем книги был несколько сокращен за счет редакционной обработки.
Следует отметить, что среди многочисленных применений силовых полупроводниковых приборов есть такие, которые непосредственно не связаны с преобразованием электрической энергии, т. е. с собственно полупроводниковыми преобразователями. Сюда можно отнести бесконтактную коммутационную аппаратуру (тиристорные, транзисторные и «гибридные» контакторы постоянного или переменного тока), статические регулируемые устройства для компенсации реактивной мощности или (и) искажений напряжения в сети и некоторые другие устройства. По этой причине термин Leistungseiektronik, использованный в названии книги, был переведен как «Энергетическая электроника», а не как широко распространенный в отечественной литературе термин «преобразовательная техника».
Перевод книги выполнен канд. техн. наук, доц. Н. Н. Богдановым.
Доктор техн. наук. В. А. Лабущов
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редактора к русскому переводу..... 3
Предисловие к первому изданию........ 6
Предисловие к третьему изданию........ 7
ЧАСТЬ I
ОСНОВЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Глава первая. Введение......... 8
1.1. Народнохозяйственное значение энергетической электроники ............. 8
1.2. Принципы построения преобразователей .... 14
1.3. Силовая электроника и микроэлектроника .... 18 Глава вторая. Полупроводниковые вентили .... 23
2.1. Типы вентилей ........... 23
2.2. Физические основы и конструкция диодов, тиристоров, симисторов ........... 25
2.3. Электрические свойства диодов, тиристоров и симисторов ............ 32
2.3.1. Запертое обратное и блокирующее прямое состояния ........... 32
2.3.2. Проводящее состояние ....... 34
2.3.3. Включение по цепи управления..... 37
2.3.4. Процессы при переключениях...... 38
2.4. Силовые транзисторы ......... 41
2.4.1. Биполярные силовые транзисторы..... 41
2.4.2. Полевые транзисторы........ 45
2.5. Тепловые характеристики полупроводниковых вентилей ............. 48
2.5.1. Температура ........ 48 t
2.5.2. Установившееся тепловое сопротивление ... 48
2.5.3. Тепловые сопротивления для нестационарных режимов ........... 50
2.6. Последовательное и параллельное включение вентилей . 53
2.7. Контроль качества и надежность...... 55
Глава третья. Схемы преобразователей...... 55
3.1. Выпрямители ........... 56
3.1.1. Однофазные однополупериодные схемы выпрямления ........ .... 57
3.1.2. Двухполупериодные выпрямители .... 64
3.1.3. Трехфазная нулевая схема выпрямления ... 72
3.1.4. Шестипульсные схемы выпрямления .... 74
3.1.5. Составные комбинированные многопульсные вы- . прямители .......... 79
3.1.6. Режим прерывистого тока...... 82
3.2. Трансформаторы для преобразователей. Высшие гармоники. Регулирование напряжения преобразователей . 82
3.2.1. Трансформаторы для преобразователей ... 82
3.2.2. Гармонические составляющие выпрямленного напряжения и потребляемого от сети тока ... 88
3.2.3. Регулирование выпрямленного напряжения . . 92
3.3. Ведомые сетью инверторы. Реверсивные преобразователи .............. 97
3.3.1. Ведомые сетью инверторы ....... 97
3.3.2. Реверсивные преобразователи ...... 100
461
• -тгадою ' "'tfs?l
3.4. Токи короткого замыкания......._ i(jg
3.4.1. Основные положения......." loy
3.4.2. Порядок расчета ........ 110
3.4.3. Пример расчета ......... ИЗ
3.5. Автономные инверторы, преобразователи частоты . . jig
3.5.1. Автономные инверторы ....... 116
3.5.2. Инверторы, ведомые нагрузкой ..... 132
3.5.3. Преобразователи с промежуточным звеном постоянного напряжения ........ 139
3.5.4. Непосредственные преобразователи частоты . . 141
3.6. Одно- и трехфазные регуляторы переменного напряжения ............. 145
3.6.1. Принцип действия......... 145
3.6.2. Нагрузочные характеристики и основные параметры ........... 1*>1
3.6.3. Включение однофазного и трехфазного регуляторов переменного напряжения в цепи выпрямителя ............ J54
3.6.4. Выбор схемы.......... }*6
3.7. Регуляторы постоянного напряжения..... 157
3.7.1. Принцип действия основных схем..... 157
3.7.2. Схемы тиристорных регуляторов напряжения . . 160
3.7.3. Основные показатели и характеристики регулято- . ров. Пример расчета........ :~
3.8. Системы управления преобразователями .... |°*
3.8.1. Функции системы управления ..... 1о*
3.8.2. Системы управления преобразователями, ведомыми сетью ........... J65
3.8.3. Системы управления автономными инверторами . '<*5
3.8.4. Система управления импульсным регулятором постоянного напряжения ...... '"'
3.8.5. Выходные усилители (оконечные каскады) . . '89 Глава четвертая. Устройства и установки энергетической
электроники ............. '92
4.1. Условия эксплуатации преобразователей, виды и режимы работы, влияние на питающую сеть .... 192
4.1.1. Условия эксплуатации ....... '92
4.1.2. Нагрузочная характеристика ..... 198
4.1.3. Пульсации выпрямленного напряжения и тока . . 203
4.1.4. Коэффициент полезного действия..... 203
4.1.5. Реактивная мощность, коэффициент мощности . 204
4.1.6. Влияние преобразователей на питающую сеть и способы его уменьшения....... 207
4.1.7. Основные типовые элементы силовых схем . . 218
4.1.8. Надежность и помехоустойчивость .... 220
4.2. Устройства защиты, вспомогательные и дополнительные -устройства ............ 225
4.2.1. Защита от перенапряжений и сверхтоков . . . 225
4.2.2. Конденсаторные батареи и тиристорные компенсаторы реактивной мощности....... 237
4.2.3. Радиопомехи .......... 243
4.2.4. Методы и устройства охлаждения .... 244
4.3. Информационные устройства ....... 248
4.3.1. Основные понятия ........ 248
4.3.2. Аналоговый и цифровой методы представления информации .......... 257
4.3.3. Примеры типовых функциональных узлов . . . 259
ЛГ*П
ЧАСТЬ II
ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Глава пятая. Преобразователи и преобразовательные установки для разветвленных сетей и отдельных потребителей . 268
5.1. Выпрямители для питания сетей постоянного тока . . 268
5.1.1. Выпрямители для питания сетей общего назначения ...... ..... 268
5.1.2. Выпрямители для питания контактных сетей электрифицированного транспорта .... 270
5.2. Зарядные преобразователи и преобразователи для питания электронной аппаратуры и устройств проводной
связи ............. 280
5.2.1.-Зарядные преобразователи ...... 280
5.2.2. Преобразователи для питания устройств проводной связи.......... 284
5.2.3. Транзисторные стабилизаторы напряжения . . . 290
5.3. Источники бесперебойного питания, питания потребите-телей на подвижных объектах и питания высоковольтных устройств.......... 296
5.3.1. Бесперебойное питание потребителей переменного
тока ............ 296
5.3.2. Системы электропитания потребителей на подвижном составе железнодорожного транспорта . . 299
5.3.3. Электропитание высоковольных устройств . . . 309
5.4. Системы электронного возбуждения синхронных машин ............. 313
5.4.1. Общие положения......... 313
5.4.2. Возбуждение с помощью стационарных выпрямителей ............ 314
5.4.3. Системы возбуждения бесщеточных генераторов . 320
5.5. Тиристорные контакторы ........ 323
5.5.1. Требования к контакторам и тенденции их развития ............ 323
5.5.2. Контакторы переменного тока..... 326
5.5.3. Контакторы трехфазного тока..... 328
5.5.4. Тиристорные переключатели отводов трансформатора ............ 329
5.5.5. Контакторы постоянного тока...... 331
5.5.6. Управление тиристорами в контакторах . . . 332 Глава шестая. Преобразователи для регулируемых электроприводов ............... 335
6.1. Общие замечания .......... 335
6.2. Нереверсивные электроприводы постоянного тока . . 338
6.2.1. Применение ведомых сетью преобразователей . . 338
6.2.2. Преобразователи на базе импульсных регуляторов постоянного напряжения....... 352
6.2.3. Влияние на сеть преобразователей с сетевой коммутацией ..........v. . 356
6.3. Электроприводы с реверсом момента ...... 358
6.3.1. Основные схемы ......... 359
6.3.2. Эксплуатационные характеристики .... 364
6.4. Преобразователи для питания асинхронных двигателей . 365
6.4.1. Общие положения ........ 365
6.4.2. Подсинхронные вентильные каскады .... 369
6.4.3. Регулирование напряжения, подводимого к асинхронным двигателям ........ 371
ЛРЪ
I
6.4.4. Частотное управление асихронными двигате- i лями ............ 374
6.4.5. Частотное управление синхронными двигателями . 381
6.4.6. Частотное управление линейными двигателями . . 388 Глава седьмая. Источники питания электротехнологических
установок ............ 388
7.1. Выпрямительные устройства для электролиза ... 388
7.1.1. Общие положения ........ 388
7.1.2. Требования к выпрямительным установкам . . 390
7.1.3. Конструкция выпрямительных установок ... 390
7.2. Выпрямители для питания устройств дуговой сварки, вакуумных дуговых печей и плазмотронов . . 395
7.2.1. Требования к устройствам электропитания . . 395
7.2.2. Основные схемы источников электропитания . . 399
7.3. Регуляторы переменного тока для осветительных уст-ройств, печей сопротивления и сварочных приборов . . *м
7.3.1. Осветительные устройства ...... 4(М
7.3.2. Регуляторы для печей сопротивления 4"°
7.3.3. Регуляторы для аппаратов сварки сопротивлением ............ 409
7.4. Преобразователи частоты для электронагревательных
•- устройств ............ 409
7.4.1. Преобразователи с инфранизкой выходной частотой ............ 409
7.4.2. Преобразователи повышенной частоты для индукционного нагрева ......... 415
Глава восьмая. Бытовая электроника...... 422
8.1. Схемы устройств управления ....... 422
8.1.1. Фазовое управление ........ 422
8.1.2. Низкочастотное широтно-импульсное управление . 428
8.2. Применения ........... 432
8.2.1. Регулирование частоты вращения двигателей . 432
8.2.2. Управление мощностью электрических нагревателей ............ 438
8.2.3. Автомобильная электроника...... 441
Список литературы ........... 445
Список основной литературы по преобразовательной технике на
русском языке ............. 460
Цена: 300руб.
