Полупроводниковые выпрямители и инверторы

Существует множество различных схем полупроводниковых выпрямителей (преобразователей переменно-постоянного тока) и инверторов (преобразователей постоянно-переменного тока), которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности и транспорта. Неуправляемые силовые полупроводниковые выпрямители широко используются в электрохимической промышленности (получение алюминия, цинка, меди, хрома, водорода и т. п.), на электрическом транспорте (тяговые подстанции, электропоезда и электровозы), в электроприводе (для питания двигателей постоянного тока и обмоток возбуждения двигателей). Во всех перечисленных устройствах необходимо не только преобразовывать переменный ток в постоянный, но и регулировать выходное напряжение и ток. В частности, в тяговых двигателях постоянного тока электропоездов и в статических устройствах питания обмоток возбуждения двигателей такого рода регулирование необходимо во всем диапазоне напряжения и тока от 0 до 100%. Этот факт и определяет области наибольшего применения управляемых полупроводниковых элементов — тиристоров.

В настоящее время выпрямители на тиристорах нашли применение в стационарных устройствах для регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока. В последнее время все более широко проводятся исследовательские работы по внедрению преобразователей с тиристорами на транспорте — в электропоездах и электровозах на переменном токе. Для этих электроприемников необходимо обеспечить плавное регулирование скорости вращения двигателей при пуске и электрическое торможение. Кроме того, во многих случаях двигатели этих электроприемников приходится реверсировать, а это можно осуществить изменением направления выпрямленного тока. Поэтому в настоящем параграфе основное внимание уделено таким реверсивным и нереверсивным управляемым полупроводниковым преобразователям, которые выполняют функции как выпрямления (в режиме пуска двигателей), так и инвертирования (в режиме рекуперативного торможения двигателей).

Если направления тока преобразователя и э. д. с. двигателя совпадают, то двигатель постоянного тока работает как генератор и преобразователь осуществляет инвертирование. Такое положение соответствует режиму рекуперативного торможения двигателя постоянного тока. Если э. д. с. двигателя постоянного тока направлена встречно направлению тока преобразователя, то двигатель потребляет электроэнергию и преобразователь работает в режиме выпрямителя. Это положение соответствует режиму пуска двигателя постоянного тока. Двигатель, работающий в режиме пуска, можно затормозить, перейдя в режим рекуперации. Для этого необходимо изменить направление э. д. с. двигателя постоянного тока, так как направление тока в преобразователе, состоящем из обыкновенных тиристоров, нельзя изменить. При постоянном направлении вращения двигателя постоянного тока направление э. д. с. двигателя можно изменить, только поменяв полярность подключения якоря или обмотки возбуждения. Для этого дополнительно необходимы коммутационные аппараты, действие которых в данном случае затрудняется большой индуктивностью обмотки возбуждения. Поэтому в последнее время все чаще избирают другой путь и меняют не направление э. д. с. двигателя постоянного тока, а направление тока в преобразователе. Это можно осуществить, соединив два одинаковых преобразователя встречно-параллельно. Преобразователи этого вида называются реверсивными. Они позволяют осуществлять пуск и рекуперативное торможение двигателя в обоих направлениях вращения. Схемы однофазных преобразователей используются в том случае, когда из-за малой мощности электроприемников нет надобности создавать трехфазный преобразователь, а также если выбор схемы однофазного преобразователя диктуется наличием однофазной сети (например, контактная сеть для железнодорожной тяги). В установках небольшой мощности однофазные однополупериодные и двухполупериодные выпрямители используются главным образом для привода небольших двигателей постоянного тока, питания обмоток возбуждения электрических машин и зарядки аккумуляторных батарей. Основным преимуществом схемы однофазного однополупериодного выпрямителя является минимальное количество используемых тиристоров и простота системы управления. Наиболее существенным недостатком такой схемы является плохое использование мощности трансформатора преобразователя, так как ток через него проходит только в течение полупериода. Гораздо лучше мощность трансформатора используется в преобразователе, работающем по схеме однофазного двухполупериодного выпрямления с выведенным нулем. В этой схеме количество необходимых преобразовательных элементов в 2 раза больше, чем в предыдущей. Однако и здесь мощность трансформатора используется неполностью, так как ток в каждый полупериод проходит только через одну половину вторичной обмотки. Наиболее полное использование мощности трансформаторов в однофазных преобразователях достигается при использовании мостовых схем. В них ток проходит по всей вторичной обмотке трансформатора в течение обоих полупериодов. Эти мостовые схемы обладают и тем преимуществом, что в устройствах с большим напряжением, где необходимо последовательное включение нескольких элементов, позволяют обойтись тем же количеством полупроводниковых элементов, как и в соответствующих схемах с выведенным нулем (в последних все элементы должны быть рассчитаны на двойное напряжение). Если мостовые схемы не используются для рекуперационного торможения двигателей и вследствие этого преобразователи не должны работать в режиме инвертирования, то половину общего числа полупроводниковых элементов преобразователя могут составлять неуправляемые вентили. При этом, если нагрузка имеет индуктивный характер, неуправляемые вентили желательно включать в первое и второе или третье и четвертое плечи однофазной мостовой схемы. В последнем случае эти неуправляемые вентили образуют контур, в котором рассеивается накопленная в обмотках нагрузки энергия магнитного поля.

Одной из наиболее перспективных областей применения регулируемых однофазных мостовых схем является электрическая тяга. Заменив в преобразователях на электропоездах и электровозах неуправляемые вентили тиристорами, можно плавно регулировать выпрямленное напряжение, не применяя электромеханические коммутационные аппараты (силовые контроллеры). При этом тяговый трансформатор упрощается, становится легче и дешевле, так как отпадает необходимость в многочисленных регулировочных выводах первичной или вторичной обмотки. Кроме того, использование в преобразователях тиристоров позволяет применять для остановки поезда или снижения его скорости вращения рекуперативное торможение. Это сокращает расход электроэнергии и дает возможность экономить металл, из которого изготовляются тормозные колодки.

Первые однофазные преобразователи описанного вида с использованием тиристоров были изготовлены в ФРГ фирмой АЭГ. Они были установлены на одной из моторвагонных секций типа ЕТ-25, состоящих из двух моторных вагонов и одного прицепного вагона. В каждом моторном вагоне установлены два последовательно включенных тяговых двигателя постоянного тока на номинальное напряжение 435 в и ток 755 а (в часовом режиме). Кратковременно в режиме пуска ток в двигателях достигает величины 200 а. Два плеча мостового выпрямителя состоят из тиристоров, а остальные два — из неуправляемых полупроводниковых вентилей. Каждое управляемое плечо мостовой схемы преобразователя состоит из пяти параллельных ветвей с пятью последовательно включенными тиристорами в каждой ветви. Неуправляемые плечи состоят из четырех параллельных ветвей по три вентиля в каждой. Всего в преобразователе установлено 74 полупроводниковых элемента. Аналогичный преобразователь установлен в одном из французских моторных вагонов Z9055.

Однофазные мостовые преобразователи с тиристорами во всех плечах используются в ФРГ на шахтных электровозах мощностью 100 кет, где весьма выгодно применять рекуперативное торможение, так как в шахтах имеется много участков, где электровозы съезжают под уклон. Реверсивная мостовая схема однофазных преобразователей пока не нашла применения в электротяге. Здесь для перехода из режима пуска в режим рекуперативного торможения используют контакторы. В электропоездах тиристоры могут быть использованы п для других целен, например в схеме неуправляемого выпрямителя для того, чтобы увеличить равномерность регулирования напряжения. Подобная схема рекомендована для электропоездов ЭР-9, выпускаемых Рижским вагоностроительным заводом. В ней тиристоры используются только для равномерного регулирования напряжения между ступенями, образующимися при переключении выводов вторичной обмотки тягового трансформатора Тр. В такой схеме можно обойтись гораздо меньшим количеством тиристоров, так как в этом случае они рассчитываются лишь на напряжение одной секции трансформатора; при этом целесообразно использовать метод импульсного регулирования, так как при этом не понижается коэффициент мощности, а система управления тиристорами не сложна. Следует отметить, что для электровозов и электропоездов на переменном токе могут быть созданы также различные варианты схем с секционированной вторичной обмоткой тягового трансформатора и секционированным преобразователем.

В то время как однофазные мостовые преобразователи большой мощности находят применение в основном только на электрическом транспорте, трехфазные преобразователи используются преимущественно в стационарных промышленных устройствах. При этом, так же как в схемах однофазных преобразователей, в схемах трехфазных преобразователей преимущество остается за мостовыми схемами. Дело в том, что в схемах трехфазных преобразователей с выведенным нулем необходимы более тяжелые трансформаторы. Если ток не инвертируется, то и в трехфазных мостовых преобразователях половина полупроводниковых элементов могут быть неуправляемыми. При этом зачастую управляемые элементы включены в так называемую катодную группу К, в которой соединены катоды тиристоров. В такой схеме один полюс схемы управления тиристорами можно присоединить к общей узловой точке катода. Именно по этой схеме был изготовлен первый в Советском Союзе промышленный трехфазный преобразователь на тиристорах, установленный в 1963 г. на заводе «Серп и молот». Этот преобразователь служит для регулирования возбуждения чвигателя прокатного стана. Напряжение обмотки возбуждения двигателя МП-3-100-75 мощностью 3100 л. с. равно 220 в, а ток — 150 а. В институте, где был спроектирован этот преобразователь, созданы и другие нереверсивные преобразователи на тиристорах, предназначенные для регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока. Несмотря на то что трехфазные управляемые преобразователи используются в основном для регулирования двигателей постоянного тока, они находят применение и для других целей (для зарядки аккумуляторных батарей, питания электромагнитов, обеспечения питанием узлов связи и т. п.). Поэтому в последнее время многие иностранные фирмы изготовляют небольшие серии управляемых преобразователей на тиристорах общего назначения, рассчитанных на различную мощность и напряжение как входное, так и выходное. Так, например, в ФРГ фирма АЭГ изготовляет нереверсивные и реверсивные трехфазные мостовые преобразователи мощностью 3,8; 7,5; 12,5; 30 и 60 кет. Выходное напряжение этих преобразователей 220 в, а ток достигает 275 а. Шведская фирма ASEA изготовляет трехфазные управляемые преобразователи еще большей мощности, применяя параллельное и последовательное соединение тиристоров. Мощность изготовляемых этой фирмой нереверсивных преобразователей достигает 300 кет при выпрямленном напряжении 500 в и токе 600 а, а нереверсивных— 150 кет. Необходимо отметить, что в отдельных случаях для рационального использования полупроводниковых элементов в преобразователях целесообразно образовать выпрямитель из неуправляемых элементов, а регулировочные элементы (тиристоры) включать в цепь первичной обмотки трансформатора выпрямителя или в цепь выпрямленного тока. Регулирование со стороны первичной обмотки трансформатора выпрямителя может оказаться весьма полезным, если выпрямитель рассчитан на очень высокое выходное напряжение и малый ток (например, питание электрических фильтров и радиотехнических устройств). В этом случае включение тиристоров в цепь со стороны первичной обмотки дает то преимущество, что тиристоры могут быть рассчитаны на более низкое напряжение. В маломощных выпрямителях для того, чтобы уменьшить количество устанавливаемых тиристоров, можно использовать вспомогательные тиристоры, включенные в цепь выпрямленного тока и действующие аналогично рассмотренным импульсным преобразователям постоянного тока.

Весьма важной областью применения управляемых полупроводниковых элементов являются так называемые независимые или автономные инверторы, которые в отличие от рассмотренных выше не связаны с сетью переменного тока. Автономные инверторы используются главным образом в электроустановках таких транспортных средств, в которых единственным источником тока является аккумуляторная батарея. Такие автономные инверторы чаще всего используются для регулирования бесконтактных двигателей, питания люминесцентного освещения и узлов связи. При этом в таких инверторах тиристоры используются, когда невозможно применить полупроводниковые триоды, т. е. при напряжениях выше 60—80 в и мощности электроприемников более 0,5 — 1,0 кет. Фирма АЭГ изготовляет для нестационарных установок автономные инверторы на тиристорах для напряжения ПО и 220 в мощностью 2 кет, а для стационарных — от 2,5 до 30 кет.

Используя специальные тиристоры с очень малым временем запирания (менее 2 мксек), можно создать силовые инверторы и для токов высокой частоты (50—100 кгц). В последнее время появились новые схемы автономных инверторов, в которых выходное синусоидальное напряжение получают, как бы синтезируя его из отдельных импульсов прямоугольной формы. Трансформатор в этой схеме состоит из трех неравных отдельных секций, а выходное напряжение синтезируется из трех импульсов различной величины. Каждая секция присоединяется к нагрузке через два параллельно-встречно включенных тиристора. Во время одного полупериода выходное синусоидальное напряжение создается в результате отпирания и запирания тиристоров Г3—Т5, а во время второго — в результате отпирания и запирания тиристоров Г6—Т6. В моменты переключения тиристоров Тх—Т2, включенных в цепь первичной обмотки, во вторичной обмотке исчезает напряжение, в результате чего тиристоры запираются. Основное преимущество такой схемы инвертирования заключается в том, что для получения синусоидального выходного напряжения нет необходимости в больших конденсаторах и дросселях в сглаживающем фильтре. Отметим, что и в этой схеме установленная мощность трансформатора используется плохо, так как ток в каждой секции вторичной обмотки проходит лишь в течение периода. Аналогичный принцип синтезирования синусоидального переменного тока использован в многофазном инверторе мощностью 50 ква, созданном фирмой General Electric. Этот инвертор состоит из четырех трехфазных мостовых инверторов, которые подают синтезируемые импульсы на отдельные первичные секции трехфазного трансформатора. Трехфазное напряжение вторичной обмотки можно равномерно изменять в пределах 0—240 с, а частоту напряжения — в пределах 50-500 гц, причем форма вторичного напряжения весьма близка к синусоидальной.

Рассмотренные примеры показывают, что и в области автономных инверторов полупроводниковые элементы предоставляют широкие возможности для создания новых систем.

Бирзниек Л., Полупроводниковые преобразователи. — М., «Энергия», 1967