ВВЕДЕНИЕ
С появление полупроводниковых приборов начались интенсивные работы, направленные на создание преобразователей параметров электроэнергии. Ограниченная величина допустимых токов и напряжений, невысокие динамические свойства тока полупроводниковых приборов наложили ряд ограничений на основные показатели полупроводниковых преобразователей: частоту преобразования, выходную мощность, качество электроэнергии на входе и выходе преобразователя. Указанные недостатки полупроводниковых преобразователей определили область их практического применения (диапазон напряжение до 50 В, мощностей – до 100 Вт) в системах, в которых высокие значения коэффициента полезного действия являлись определяющими – автономные объекты с нетрадиционными источниками электроэнергии на основе фото-, термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей, а также автономные энергосистемы объектов авиационной и космической техники. Удельная выходная мощность первичных источников не превышала 0.5-5 Вт/кг, поэтому замена линейных регуляторов и преобразователей с коэффициентом полезного действия порядка 50% импульсными с коэффициентом полезного действия приблизительно 90% привела к существенному снижению массы электрооборудования.
Интенсивное развитие автономной электроэнергетики привело к значительному увеличению выходной мощности энергоустановок, потребовало создания преобразователей с рабочим током выше 100 А.
При относительно невысокой частоте преобразования (порядка 1 кГц) созданы транзисторные инверторы и импульсные регуляторы мощностью несколько киловатт, имеющие высокий коэффициент полезного действия.
Низкая удельная выходная мощность первичных источников и жесткие ограничения, накладываемые на объем и массу оборудования в автономных объектах, определили основные направления совершенствования полупроводниковых преобразователей: повышение коэффициента полезного действия устройства и частоты преобразования.
Новым этапом развития транзисторной преобразовательной техники явилось освоение высоковольтных полупроводниковых приборов с рабочим напряжение до 1000 В. Использование транзисторных преобразователей, работающих в низковольтных промышленных сетях в качестве устройств электропитания различной аппаратуры, управления электроприводов и преобразователей параметров качества электроэнергии, привело к массовому освоению серийного производства устройств транзисторной преобразовательной техники практически во всех отраслях. Начиная от электронного зажигания в двигателях внутреннего сгорания, блоков питания и разверток в бытовых телевизионных приемниках и электронных вычислительных машин, и заканчивая быстродействующими регуляторами магнитных систем термоядерных установок, системами управления гироскопов, источниками электропитания – таков диапазон практического применения устройств транзисторной преобразовательной техники.
По мере расширения объемов производства и практического использования транзисторных преобразователей техника подошла к такому этапу своего развития, на котором первостепенными становятся вопросы электромагнитной совместимости устройств с другими объектами технических и энергетических систем. Увеличение доли нелинейных потребителей, к которым относятся транзисторные преобразователи, в общем объеме энергопотребления приводит к генерирования больших уровней высших гармоник и реактивной мощности, что ухудшает показатели качества электроэнергии, снижает эффективность и ресурс роботы электроэнергетического оборудования. Особенно остро эта проблема ощущается в сетях ограниченной мощности автономных электроустановках переменного тока. Распределяющиеся по сети электромагнитные помехи нарушают работоспособность оборудования, работающего от единой питающей сети. Нередко ущерб от сбоев оборудования значительно превышает его собственную стоимость. В этой связи особое значение приобретают работы, направленные на пересмотр концентрации проектирования транзисторные преобразователей. Переход от простейших структурных схем к сложным структурам с промежуточными накопителями энергии (электролитические и молекулярные конденсаторы или аккумуляторные батареи), комплексный подход к проектированию преобразователей с учетом влияния их параметров на общие показатели устройств электропитания позволяют не только увеличить надежность систем энергоснабжения, но и значительно улучшить их экономические показатели. Существенный эффект от использования неискажающих преобразователей может быть получен лишь при их массовом применении, поэтому достижение высокого качества электроэнергии в низковольтных промышленных сетях и автономных энергосистемах может служить обобщенным показателем технического уровня проектирования электрооборудования систем энергоснабжения.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Широкое использование сложного радиоэлектронного оборудования предопределило необходимость совершенствования традиционных и поиск новых подходов к построению транзисторных источников и систем вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. В качестве входного звена традиционных систем используются неуправляемые мостовые выпрямители с емкостным фильтром. Основным преимуществом последних, обусловившим их широкое применение, является высокое, близкое к абсолютному, значение коэффициента полезного действия и хорошие массогабаритные показатели. Возросшие требования, предъявляемые к надежности функционирования радио электронной аппаратуры, вызвали необходимость разработки преобразователей переменного напряжения в постоянное, обеспечивающих высокое качество электроэнергии на входе. Такие устройства называют «выпрямителями с принудительным формированием потребляемого тока», «силовыми активными фильтрами-гармоник», «выпрямителями с корректором коэффициента мощности или единичным коэффициентом мощности», «преобразователями с улучшенной электромагнитной совместимостью или синусоидальными входными токами» и так далее.
Сравнительный анализ основных технических характеристик мостового выпрямителя с емкостным фильтром и выпрямителя с емкостным фильтром и выпрямителя с принудительным формированием кривой выходного тока показали такие результаты. (Схемы рассматриваемых выпрямителей приведены на рисунках 1 а) и 2 а), соответственно).
Формы кривых входного тока выпрямителей с емкостным фильтром для питающей сети бесконечной івх1 и ограниченной івх2 мощности показаны на рисунке 1, 2, в), г). ток выпрямителя имеет ярко выраженный импульсный характер с большим содержанием высших гармоник, причем его амплитудное значение существенно зависит как от параметров сети, так и от емкости фильтра, и может в десятки раз превышать среднее значение тока за полупериод. Генерируемые выпрямителями гармоники отрицательно влияют на систему питания и посредством нее на другие нагрузки.
а) а)
в) в)
Рисунок 2
Рисунок 1
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
