Bilim.techО проекте

Силовая электроника: выпрямитель, транзистор, ШИМ

Как из переменного тока получить постоянный, а из постоянного синус любой частоты? Собирай выпрямитель, меняй скважность ШИМ и частоту инвертора и смотри на осциллограммы.

01 Что это такое

Силовая электроника управляет большой мощностью, быстро включая и выключая полупроводниковые ключи. Диод пропускает ток в одну сторону, транзистор открывается по команде, а частота и ширина импульсов задают нужное напряжение.

Диодный мост превращает переменный ток в постоянный, конденсатор сглаживает пульсации. Транзистор IGBT работает как очень быстрый выключатель: тысячи раз в секунду открывается и закрывается. Если открыть его на четверть времени, на двигатель в среднем придет четверть напряжения, а тепла в ключе почти не выделится. Мост из четырех или шести таких ключей с синусоидальной ШИМ делает из постоянного напряжения переменное нужной частоты: это инвертор частотного преобразователя.

ШИМ: среднее зависит от ширины25 %75 %импульсы 540 В, оранжевая линия: среднеечастотный преобразовательвыпрямительзвено = 540 ВинверторM0–100 Гцсеть 380 В 50 Гц
Слева: чем шире импульс, тем выше среднее напряжение. Справа: в частотнике энергия сначала выпрямляется, а потом из постоянного напряжения делается переменное нужной частоты.
D
Скважность (коэффициент заполнения). Доля периода, в течение которой ключ открыт. Среднее напряжение на нагрузке равно D · U.
IGBT
Биполярный транзистор с изолированным затвором. Управляется маленьким напряжением на затворе и переключает сотни ампер и тысячи вольт за микросекунды.
m
Глубина модуляции. Отношение амплитуды синусоиды задания к пиле несущей. От нее зависит амплитуда выходного напряжения инвертора.
02 Опыт
Выпрямляй. Режь импульсами. Собирай синус. ОСЦИЛЛОГРАФ
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Как ключи делают из одного тока другой?

Рис. 11.7
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИМост в конструкторе
Среднее напряжение
Пульсации
Схема
03 Формулы по буквам

Среднее, скважность и первая гармоника

У каждой схемы своя главная формула: выпрямитель дает среднее от синусоиды, ШИМ делит напряжение по времени, инвертор строит синус из импульсов. Числа берутся из опыта. Выпрямитель можно собрать и проверить в конструкторе схем.

Сколько вольт даст выпрямитель?

Uср = 0,9 · U

Среднее значение выпрямленной мостом синусоиды равно 2√2 / π ≈ 0,9 от действующего. Один диод дает вдвое меньше: 0,45 · U. С конденсатором напряжение поднимается почти до амплитуды √2 · U.

Uср
среднее выпрямленное напряжение, В
U
действующее напряжение сети, В
0,9
2√2 / π: среднее модуля синусоиды по отношению к действующему

Как транзистор делит напряжение?

Uср = D · Ud

Среднее напряжение на нагрузке пропорционально доле времени, в течение которой ключ открыт. Индуктивность обмотки сглаживает ток, и двигатель чувствует только среднее. Чем выше частота ШИМ, тем меньше пульсации тока.

D
скважность: tоткр / T, от 0 до 1
Ud
напряжение постоянного звена, В
ΔI
размах пульсации тока ≈ Ud · D · (1 − D) / (L · f)

Какое переменное напряжение даст инвертор?

U1m = m · Ud

Ширина импульсов меняется по синусу задания. В среднем за каждый короткий период несущей получается значение синуса, поэтому первая гармоника выходного напряжения повторяет задание: ее частота это частота синуса, а амплитуда пропорциональна глубине модуляции.

U1m
амплитуда первой гармоники, В
m
глубина модуляции, от 0 до 1
f
частота на выходе задается частотой синуса задания, Гц

Почему ключ лучше реостата

Можно снизить напряжение на двигателе реостатом. Но тогда на реостате выделяется мощность I² · R, и при половинной скорости в тепло уходит почти столько же, сколько получает двигатель. Так раньше и было: пусковые резисторы экскаваторов и электровозов краснели от жара.

Ключ работает иначе. Когда он открыт, ток большой, но напряжение на нем около 2 В. Когда закрыт, напряжение большое, но тока нет. Мощность U · I в обоих состояниях мала, а теряется энергия только в короткие моменты переключения. КПД современного частотника 97–98 %.

Двигатель реагирует не на каждый импульс, а на среднее: его обмотка это катушка, и ток в ней не успевает меняться за микросекунды. Поэтому из прямоугольных импульсов получается гладкий ток. Как это используется в карьерном самосвале, разобрано в теме «Дизель-электрический привод карьерного самосвала».

двигатель на половине напряженияреостатдвигательтепло 50 %ключ ШИМдвигательтепло 2–3 %ширина полосы: мощность из сети
При реостатном регулировании половина мощности сгорает в резисторе, ключ теряет единицы процентов.
04 Где и зачем это применяют

Ключи стоят в каждой современной машине

Допущения модели+

Выпрямитель считается ядром CircuitCore по тем же схемам, что в конструкторе: сеть 24 В 50 Гц, диод это ключ с порогом 0,7 В, нагрузка резистор, показаны два периода после установления. ШИМ-регулятор: постоянное звено 540 В, идеальный ключ, нагрузка R = 2 Ом и L = 20 мГн, обратный диод 0,7 В. Инвертор: однофазный мост, двухполярная синусоидальная ШИМ, нагрузка R = 3 Ом и L = 30 мГн. Чтобы импульсы было видно, частота несущей взята всего в 15 раз выше выходной; в настоящих частотниках 2–16 кГц, и ток почти идеально синусоидальный. Потери переключения, мертвое время и нагрев ключей не учитываются.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →