Расчет и проектирование управляемого полупроводникового выпрямителя для регулируемого электропривода

Современный мир невозможно представить без электропривода, который лежит в основе функционирования промышленных машин, транспортных систем и бытовой техники. В этом контексте регулируемые электроприводы с двигателями постоянного тока занимают особое место благодаря своей высокой точности управления скоростью и моментом. Сердцем такой системы, обеспечивающим гибкое регулирование, является тиристорный преобразователь, выполняющий функцию управляемого выпрямителя. Его способность формировать регулируемое по амплитуде и форме напряжение является ключевой для достижения желаемых динамических и статических характеристик электропривода.

Актуальность применения тиристорных преобразователей в электроприводах обусловлена не только их надежностью и относительно низкой стоимостью, но и способностью работать с высокими мощностями, эффективно управляя потоками энергии. Однако проектирование таких систем требует глубокого понимания принципов силовой электроники, точных инженерных расчетов и учета множества факторов, влияющих на производительность и надежность всего комплекса.

Целью настоящей работы является всесторонний расчет и проектирование управляемого полупроводникового выпрямителя для конкретного электропривода, который будет задан в дальнейших этапах проектирования (например, параметры двигателя постоянного тока и характер нагрузки). Для достижения этой цели перед нами стоят следующие задачи:

1. Выбрать оптимальную принципиальную схему управляемого выпрямителя и детально проанализировать ее режимы работы.
2. Выполнить расчеты основных энергетических и регулировочных характеристик выпрямителя, учитывая реальные условия эксплуатации.
3. Обосновать выбор силовых полупроводниковых приборов, рассчитать их групповое соединение и разработать надежную систему защиты.
4. Разработать функциональную схему современной системы импульсно-фазового управления (СИФУ), способной обеспечить точное и эффективное функционирование выпрямителя.

Данное исследование призвано не только предоставить теоретическую базу, но и стать практическим руководством для инженера-проектировщика, позволяя создать надежное и эффективное решение для регулируемого электропривода. (По моему опыту, именно такой комплексный подход на этапе проектирования минимизирует риски и затраты на последующую эксплуатацию).

Теоретические основы и выбор принципиальной схемы

Классификация управляемых выпрямителей и область применения

Прежде чем погрузиться в детали проектирования, необходимо четко определить ключевые термины и представить общую панораму управляемых выпрямителей. В основе любого регулируемого электропривода с двигателем постоянного тока лежит система «тиристорный преобразователь — двигатель» (ТП—Д). Здесь тиристорный преобразователь (ТП) выступает в роли управляемого выпрямителя (УВ), основная задача которого — преобразование переменного тока питающей сети в регулируемый постоянный ток для обмотки якоря двигателя.

Тиристор – это полупроводниковый прибор с четырьмя слоями полупроводника p-n-p-n, обладающий тремя выводами: анодом (A), катодом (K) и управляющим электродом (G). Его уникальность заключается в способности переходить из закрытого (высокоомного) состояния в открытое (низкоомное) под действием небольшого управляющего импульса на управляющем электроде при условии положительного напряжения между анодом и катодом. После открытия тиристор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока ток через него не упадет ниже тока удержания или пока не будет подано обратное напряжение.

Угол управления (угол регулирования, α) – это ключевой параметр в работе управляемого выпрямителя. Он представляет собой временной интервал, измеряемый в электрических градусах, от момента естественного включения соответствующего диода до момента подачи управляющего импульса на тиристор. Варьируя угол α, можно изменять среднее значение выпрямленного напряжения, тем самым регулируя скорость и момент двигателя постоянного тока. Диапазон изменения угла α обычно составляет $0 \le \alpha \le \pi$ (или $0^{\circ} \le \alpha \le 180^{\circ}$).

Классификация управляемых выпрямителей осуществляется по нескольким основным критериям:

1. По числу фаз питающей сети:
   • Однофазные управляемые выпрямители: Применяются для маломощных электроприводов или для питания обмоток возбуждения двигателей постоянного тока. Типовой диапазон выходного тока для них составляет $0.5 — 50\text{ А}$. Они отличаются простотой схемы и системы управления, но имеют относительно высокие пульсации выходного напряжения и тока.
   • Трехфазные управляемые выпрямители: Используются в электроприводах средней и большой мощности, где требуется более стабильное выходное напряжение и меньшие пульсации. Диапазон токов для трехфазных схем значительно шире — $5 — 2000\text{ А}$ и более. Эти схемы обеспечивают лучшую форму выходного напряжения и, как следствие, более плавную работу двигателя, что напрямую повышает ресурс двигателя и снижает эксплуатационные расходы.
2. По схеме выпрямления:
   • Нулевые (со средней точкой): Используются, как правило, в низковольтных и среднемощных схемах. Требуют трансформатора со средней точкой.
   • Мостовые: Наиболее распространенные схемы, не требующие трансформатора со средней точкой на стороне переменного тока, что позволяет использовать стандартные трехфазные трансформаторы.
3. По типу используемых вентилей:
   • Полностью управляемые: Все вентили в схеме являются тиристорами, что позволяет работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме (рекуперация энергии в сеть).
   • Полууправляемые (несимметричные): Часть вентилей заменена на неуправляемые диоды. Эти схемы проще в управлении и дешевле, но не могут работать в режиме инвертора. Они широко применяются в электроприводах, где требуется однонаправленный поток энергии.

Выбор схемы и анализ режимов работы

Для электроприводов средней мощности, к которым будет относиться проектируемый объект, выбор схемы управляемого выпрямителя является критически важным. Рассматривая доступные опции, мы приходим к выводу, что трехфазный полууправляемый мостовой выпрямитель является оптимальным решением.

Обоснование выбора:

1. Средняя мощность: Приводы средней мощности требуют более стабильного и менее пульсирующего напряжения, чем могут обеспечить однофазные схемы. Трехфазные схемы, в частности мостовые, обеспечивают пульсность 6 (для полностью управляемой схемы Ларионова, а для полууправляемой тоже формируется 6-пульсное напряжение на выходе), что значительно снижает коэффициент пульсаций (для мостовой схемы Ларионова он составляет около 5,7%).
2. Экономическая эффективность и простота управления: Полууправляемая схема, в которой одна группа вентилей заменена на диоды (3 тиристора и 3 диода), значительно упрощает систему управления, поскольку диоды не требуют управляющих импульсов, и снижает общую стоимость преобразователя по сравнению с полностью управляемой схемой. (На мой взгляд, это решение обеспечивает оптимальный баланс между производительностью и стоимостью реализации для большинства промышленных применений).
3. Применение в промышленности: Как показывают промышленные практики, трехфазный полууправляемый мостовой выпрямитель широко используется в электроприводах средней мощности в различных отраслях, включая металлургию, химическое машиностроение и транспорт. Это подтверждает его надежность и эффективность.

Принципиальная схема трехфазного полууправляемого мостового выпрямителя:
Схема состоит из трех тиристоров (VS1, VS2, VS3) и трех диодов (VD1, VD2, VD3), соединенных по мостовой схеме. Тиристоры подключены к положительной шине выпрямленного напряжения, а диоды — к отрицательной.

       L1 ----+---- VS1 -----+
              |              |
       L2 ----+---- VS2 -----+
              |              |
       L3 ----+---- VS3 -----+
              |              |
              |              |---- Выход (+)
              |              |
              +--------------+
              |              |
       L1 ----+---- VD1 -----+
              |              |
       L2 ----+---- VD2 -----+
              |              |
       L3 ----+---- VD3 -----+
                             |
                             |---- Выход (-)

Примечание: Это упрощенная текстовая схема. В реальном проекте будет представлена стандартная графическая схема.

Режимы работы с активно-индуктивной нагрузкой:
Электропривод с двигателем постоянного тока представляет собой активно-индуктивную нагрузку (обмотка якоря двигателя). Режимы работы управляемого выпрямителя в этом случае различаются в зависимости от величины индуктивности L_d и тока нагрузки I_d:

1. Режим непрерывного выпрямленного тока:
   • Этот режим наступает при достаточно большой индуктивности L_d нагрузки, которая сглаживает пульсации тока, предотвращая его падение до нуля в течение рабочего цикла.
   • Ток через обмотку якоря двигателя остается постоянно выше нуля.
   • В этом режиме внешние и регулировочные характеристики выпрямителя имеют более предсказуемый и линейный характер, что упрощает управление и повышает точность регулирования скорости двигателя.
   • При увеличении угла управления α среднее выпрямленное напряжение уменьшается, что позволяет регулировать скорость двигателя.
2. Режим прерывистого выпрямленного тока:
   • Возникает при малой нагрузке или недостаточной индуктивности L_d.
   • Ток через вентили и нагрузку периодически спадает до нуля, прерываясь на некоторое время, пока не включится следующий тиристор.
   • Внешние характеристики выпрямителя в этом режиме становятся нелинейными, что усложняет управление и расчеты.
   • Среднее выпрямленное напряжение при этом режиме оказывается выше, чем в непрерывном режиме при том же угле α, что связано с отсутствием отрицательных полуволн тока.

Роль нулевого (или ответвляющего) диода VD₀:
Для улучшения энергетических характеристик в управляемых выпрямителях с индуктивной нагрузкой часто используется дополнительный диод, называемый нулевым диодом (VD₀) или ответвляющим диодом. Этот диод включается параллельно нагрузке.

• Функция: Когда напряжение на нагрузке становится меньше напряжения сети, или когда все тиристоры закрываются (например, в режиме прерывистого тока), нулевой диод VD₀ обеспечивает путь для свободного протекания тока индуктивности нагрузки.
• Преимущества:
  • Снижение пульсаций тока: Обеспечивает непрерывность тока через индуктивную нагрузку, даже когда основные тиристоры закрыты, что уменьшает пульсации выходного тока и, как следствие, вибрации и нагрев двигателя. Это значительно продлевает срок службы электропривода.
  • Улучшение формы напряжения: Помогает поддерживать более стабильное напряжение на нагрузке.
  • Увеличение коэффициента мощности: За счет исключения или уменьшения отрицательных полуволн тока.
  • Защита тиристоров: Предотвращает возникновение перенапряжений на тиристорах, вызванных индуктивным характером нагрузки при их запирании.

Использование нулевого диода VD₀ особенно актуально для полууправляемых схем, поскольку он позволяет эффективно управлять током в индуктивной нагрузке, приближая ее поведение к идеальному непрерывному режиму даже при снижении угла управления.

Расчет основных энергетических и регулировочных характеристик

Проектирование управляемого выпрямителя требует не только выбора схемы, но и глубокого понимания его поведения в различных режимах, что достигается посредством расчета ключевых характеристик. Эти характеристики определяют, насколько эффективно и качественно выпрямитель будет взаимодействовать с электроприводом.

Регулировочная характеристика и расчет среднего напряжения

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя представляет собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U_{\text{д},\alpha} от угла включения α. Это одна из важнейших характеристик, поскольку именно она определяет диапазон и точность регулирования скорости двигателя постоянного тока.

В идеализированном случае, при работе в режиме непрерывного выпрямленного тока и без учета потерь в вентилях и трансформаторе, эта зависимость для трехфазного мостового выпрямителя (включая полууправляемые схемы в непрерывном режиме) описывается простой косинусоидальной функцией:

U_{\text{д},\alpha} = U_{\text{д}0} \cdot \cos \alpha

Где:

• U_{\text{д},\alpha} — среднее значение выпрямленного напряжения при угле управления α.
• U_{\text{д}0} — среднее значение выпрямленного напряжения при α = 0. Это соответствует работе выпрямителя в идеальном диодном режиме, когда тиристоры открываются сразу при появлении положительного анодного напряжения.
• \cos \alpha — косинус угла управления.

Пример расчета U_{\text{д}0} для трехфазного мостового выпрямителя:
Если принять фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора U_{\text{2ф}}, то U_{\text{д}0} для трехфазной мостовой схемы будет определяться как:
U_{\text{д}0} = (3\sqrt{2} / \pi) \cdot U_{\text{2ф}} \approx 1.35 \cdot U_{\text{2ф}}

Диапазон изменения угла α:
Теоретически угол α может изменяться в пределах $0 \le \alpha \le \pi$ (от $0^{\circ}$ до $180^{\circ}$).

• При $\alpha = 0^{\circ}$: $\cos 0^{\circ} = 1$, и U_{\text{д},\alpha} = U_{\text{д}0}$ (максимальное напряжение).
• При $\alpha = 90^{\circ}$: $\cos 90^{\circ} = 0$, и U_{\text{д},\alpha} = 0$ (минимальное напряжение).
• При $\alpha > 90^{\circ}$: \cos \alpha становится отрицательным, что соответствует инверторному режиму работы (если это полностью управляемый выпрямитель) или полному запиранию в случае полууправляемой схемы. В случае полууправляемого выпрямителя с нулевым диодом, при $\alpha > 90^{\circ}$ среднее напряжение на нагрузке может оставаться положительным за счет свободного протекания тока через нулевой диод.

Факторы, влияющие на реальную регулировочную характеристику:
На практике регулировочная характеристика отклоняется от идеальной по ряду причин:

• Коммутационные процессы: Индуктивность рассеяния трансформатора L_{\text{к}} приводит к задержке передачи тока от одного вентиля к другому (угол коммутации \gamma), что вызывает падение среднего напряжения.
• Падение напряжения на активных сопротивлениях: Активное сопротивление обмоток трансформатора R_{\text{а}} и самих тиристоров (диодов) R_{\text{d}} также снижают выходное напряжение.
• Режим прерывистого тока: В этом режиме зависимость U_{\text{д},\alpha} от α становится нелинейной и не подчиняется простой косинусоидальной формуле.

Расчет внешней характеристики в режиме прерывистого тока

Внешняя характеристика УВ — это зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока, то есть U_{\text{д}} = f(I_{\text{д}}). В отличие от непрерывного режима, где она часто аппроксимируется линейной функцией, в режиме прерывистого тока внешняя характеристика не имеет единого аналитического выражения и строится по точкам.

Причины нелинейности:
Прерывистый ток возникает, когда индуктивность нагрузки L_{\text{д}} недостаточна для поддержания непрерывного тока при малой нагрузке или большом угле управления α. В этом случае ток через один вентиль спадает до нуля раньше, чем начинает проводить следующий вентиль, что приводит к появлению пауз в протекании тока. (Этот режим является нежелательным, поскольку ухудшает динамику электропривода и увеличивает потери).

Методика построения по точкам:
Для расчета внешней характеристики в режиме прерывистого тока необходимо использовать интегральное выражение для среднего значения выпрямленного напряжения. Для каждого значения тока нагрузки I_{\text{д}} (или соответствующей ей длительности протекания анодного тока \gamma) требуется выполнять отдельный расчет.

Среднее значение выпрямленного напряжения в режиме прерывистого тока для одного периода (например, $2\pi$ для трехфазного выпрямителя) можно определить как:

U_{\text{д}} = \frac{1}{T} \int_{t_1}^{t_2} u_2(t) dt

Где:

• T — период выпрямленного напряжения (для 6-пульсной схемы это 1/6 периода сети).
• u_2(t) — мгновенное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора.
• t_1 — момент включения тиристора (определяется углом α).
• t_2 — момент выключения тиристора (определяется моментом спада тока до нуля, т.е. длительностью протекания анодного тока \gamma = \omega t_2 — \omega t_1).

Более общая формула, учитывающая длительность протекания анодного тока \gamma (угол проводимости), для многофазных схем имеет вид:

U_{\text{д}} = \frac{1}{2\pi / m} \int_{\alpha}^{\alpha + \gamma} u_2(\omega t) d(\omega t)

Где:

• m — пульсность выпрямителя (для трехфазного полууправляемого моста, фактически 6-пульсная форма напряжения).
• \gamma — длительность протекания анодного тока, которая зависит от нагрузки и индуктивности.

Шаги расчета:

1. Выбор угла α: Устанавливается фиксированный угол управления.
2. Выбор тока I_{\text{д}}: Задаются различные значения тока нагрузки, от минимального до номинального.
3. Определение \gamma: Для каждого I_{\text{д}} и α необходимо определить угол проводимости \gamma. Это наиболее сложный этап, так как \gamma зависит от индуктивности нагрузки L_{\text{д}} и может быть найден только путем решения дифференциальных уравнений или итерационным методом.
4. Расчет U_{\text{д}}: После определения \gamma, интегрирование u_2(\omega t) позволяет найти среднее напряжение.
5. Построение графика: Полученные точки (I_{\text{д}}, U_{\text{д}}) наносятся на график для построения внешней характеристики.

Анализ энергетических показателей

Энергетические характеристики управляемого выпрямителя — это критически важные параметры, определяющие качество потребляемой из сети электроэнергии и эффективность работы всей системы. Увеличение угла управления α, хоть и позволяет регулировать выходное напряжение, неизбежно приводит к ухудшению этих показателей.

Ключевые энергетические параметры:

1. Коэффициент мощности (K_{\text{м}}): Отражает эффективность использования активной мощности из сети. Он определяется как отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой преобразователем.
2. Коэффициент сдвига (\cos \phi_{(1)}): Характеризует сдвиг фазы между первой гармоникой тока и напряжением питающей сети.
3. Коэффициент нелинейных искажений (THD — Total Harmonic Distortion): Показывает долю нелинейных искажений (гармоник) в токе, потребляемом из сети.

Влияние угла α на коэффициент мощности K_{\text{м}} и коэффициент сдвига \cos \phi_{(1)}:
Увеличение угла отпирания α приводит не только к уменьшению выходного напряжения, но и к существенному ухудшению энергетических параметров, в первую очередь, к снижению коэффициента мощности K_{\text{м}}. (Понимание этой взаимосвязи критически важно для проектирования энергоэффективных систем).

Причина снижения K_{\text{м}}:
Основная причина ухудшения K_{\text{м}} заключается в увеличении коэффициента сдвига \cos \phi_{(1)}. В управляемых выпрямителях, особенно с индуктивной нагрузкой, ток в сети задерживается относительно напряжения, и эта задержка увеличивается пропорционально углу α. Чем больше α, тем сильнее сдвигается фаза тока относительно напряжения, что уменьшает \cos \phi_{(1)}.

Для идеального выпрямителя, без учета коммутации и нелинейных искажений, коэффициент мощности можно аппроксимировать как:

K_{\text{м}} \approx k_{\text{иск}} \cdot \cos \alpha

Где:

• k_{\text{иск}} — коэффициент искажения, учитывающий форму тока. Для многофазных выпрямителей он близок к 1 при непрерывном токе.

Количественный пример:
Рассмотрим изменение K_{\text{м}} при увеличении α:

• При $\alpha = 0^{\circ}$: $\cos 0^{\circ} = 1$. В идеальном случае K_{\text{м}} \approx k_{\text{иск}} \cdot 1$. Ток практически совпадает по фазе с напряжением (если не учитывать реактивную мощность, необходимую для коммутации).
• При $\alpha = 60^{\circ}$ (π/3 рад): $\cos 60^{\circ} = 0.5$. В этом случае, если пренебречь k_{\text{иск}} и коммутацией, коэффициент мощности K_{\text{м}} снижается примерно на 50% по сравнению с его значением при $\alpha = 0^{\circ}$. То есть, если при $\alpha = 0^{\circ}$ K_{\text{м}} был близок к 0.9, то при $\alpha = 60^{\circ}$ он может упасть до 0.45.

Это означает, что при глубоком регулировании напряжения (больших α) преобразователь потребляет значительно больше реактивной мощности из сети, что приводит к увеличению потерь в питающих линиях и трансформаторах, а также к необходимости установки компенсирующих устройств. (Именно поэтому выбор оптимального угла α — это всегда компромисс между регулировочными возможностями и качеством потребляемой энергии).

Коэффициент нелинейных искажений (THD):
Тиристорные выпрямители, по своей природе, являются нелинейными нагрузками и генерируют в сеть гармоники тока, что приводит к увеличению THD.

• Для трехфазных УВ характерны меньшие значения THD (20-40%) по сравнению с однофазными (40-80%), что является одним из преимуществ использования трехфазных схем.
• Увеличение α также приводит к увеличению THD, так как форма тока становится более искаженной и далекой от синусоиды.

Влияние падения напряжения на коммутацию:
При расчете всех характеристик важно учитывать неидеальность реального выпрямителя. В частности, падение напряжения на активном сопротивлении фазы трансформатора R_{\text{а}} и, что более важно, на индуктивности рассеяния L_{\text{к}} трансформатора. Индуктивность L_{\text{к}} вызывает так называемые коммутационные процессы, которые приводят к задержке в передаче тока от одного вентиля к другому. В течение этой задержки (угол коммутации \gamma) одновременно проводят два или более вентилей, что вызывает дополнительное падение напряжения на выходе выпрямителя и уменьшает среднее выпрямленное напряжение.

Формула для учета коммутационных потерь (упрощенный вид):
U_{\text{д},\alpha,\text{комм}} = U_{\text{д},\alpha} - \Delta U_{\text{комм}}

Где \Delta U_{\text{комм}} – падение напряжения за счет коммутации, которое пропорционально индуктивности L_{\text{к}} и току нагрузки I_{\text{д}}. Точный расчет \Delta U_{\text{комм}} включает интегральные выражения и зависит от угла коммутации \gamma, который, в свою очередь, зависит от L_{\text{к}}, I_{\text{д}} и напряжения сети.

Понимание и расчет этих энергетических показателей позволяют выбрать оптимальный режим работы выпрямителя, предусмотреть меры по компенсации реактивной мощности и снижению гармонических искажений, обеспечивая тем самым высокое качество электроэнергии и эффективную работу всего электропривода.

Выбор, групповое соединение и обеспечение надежности силовых приборов

Ключевым этапом проектирования любого силового преобразователя является правильный выбор и надежная эксплуатация полупроводниковых приборов. От этого зависит не только работоспособность, но и долговечность, а также безопасность всей системы. Тиристоры, являясь основными элементами управляемого выпрямителя, требуют тщательного подхода к расчету их параметров, групповому соединению и защите.

Электрический и тепловой расчет силовых вентилей

Выбор силовых полупроводниковых приборов (СПП), в данном случае тиристоров и диодов, осуществляется по двум основным критериям: максимальное обратное напряжение и среднее значение тока.

1. Выбор по напряжению:

• Максимальное обратное напряжение U_{\text{обр max}}: Это наибольшее мгновенное значение обратного напряжения, которое может быть приложено к тиристору в закрытом состоянии без риска пробоя.
• Расчетное требование: Максимальное обратное напряжение на тиристоре в трехфазном мостовом выпрямителе без учета коммутационных перенапряжений приблизительно равно максимальному линейному напряжению питающей сети. Для надежной работы необходимо выбирать тиристор с номинальным повторяющимся импульсным обратным напряжением U_{\text{RRM}} или номинальным повторяющимся импульсным напряжением в закрытом состоянии U_{\text{DRM}}, превышающим это значение с запасом, обычно в 2-3 раза.
  U_{\text{RRM,ном}} \ge k_{\text{зап.U}} \cdot U_{\text{обр max}}
  Где k_{\text{зап.U}} – коэффициент запаса по напряжению (1.5 — 2.5).

2. Выбор по току:

• Среднее значение тока тиристора I_{\text{VSd}}: Это среднее арифметическое значение тока, протекающего через один тиристор за период работы выпрямителя.
• Расчетное требование: Средний ток через каждый тиристор зависит от схемы выпрямителя и тока нагрузки. Для трехфазного полууправляемого мостового выпрямителя средний ток через тиристор I_{\text{VSd}} и диод I_{\text{VDd}} приближенно равен I_{\text{д}} / 3, где I_{\text{д}} – средний ток нагрузки. Выбирается тиристор, у которого номинальный средний прямой ток I_{\text{TAV}} (или I_{\text{FAV}} для диода) с учетом требуемого температурного режима и охлаждения превышает расчетный средний ток с запасом.
  I_{\text{TAV,ном}} \ge k_{\text{зап.I}} \cdot I_{\text{VSd}}
  Где k_{\text{зап.I}} – коэффициент запаса по току (1.2 — 1.5).

Тепловой расчет тиристора:
Тепловой расчет является обязательным, поскольку перегрев является основной причиной выхода из строя полупроводниковых приборов. Цель расчета — обеспечить, чтобы температура p-n перехода тиристора T_{\text{j}} не превышала максимально допустимое значение T_{\text{j max}}, указанное в спецификации (обычно $125^{\circ}\text{C}$ или $150^{\circ}\text{C}$). (Недооценка тепловых режимов — одна из самых частых ошибок начинающих проектировщиков, приводящая к отказам).

Тепловой расчет основан на балансе тепловой мощности, выделяемой в приборе (потери мощности P_{\text{пот}}), и тепловой мощности, отводимой в окружающую среду.

T_{\text{j}} = T_{\text{окр}} + P_{\text{пот}} \cdot R_{\text{ТО}}

Где:

• T_{\text{j}} — температура перехода тиристора.
• T_{\text{окр}} — температура окружающей среды или радиатора (в зависимости от методики).
• P_{\text{пот}} — суммарные потери мощности в тиристоре (статистические, динамические, потери на управление). Основная часть потерь — прямые потери мощности при протекании тока.
• R_{\text{ТО}} — общее тепловое сопротивление между переходом и окружающей средой, которое состоит из теплового сопротивления «переход-корпус» R_{\text{jc}}, «корпус-радиатор» R_{\text{ch}} и «радиатор-окружающая среда» R_{\text{ha}}.

Для упрощенного теплового расчета, особенно при выборе радиатора, может быть использована следующая формула, учитывающая интенсивность охлаждения:

P_{\text{доп}} = P_{\text{ном}} \cdot k_{\text{охл}}

Где:

• P_{\text{доп}} — допустимые потери мощности для данного режима охлаждения.
• P_{\text{ном}} — номинальные потери мощности при стандартном охлаждении (например, принудительном).
• k_{\text{охл}} — коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения.
  • Например, для принудительного воздушного охлаждения $k_{\text{охл}}=1.0$.
  • Для естественного воздушного охлаждения $k_{\text{охл}}=0.33 — 0.35$.
  • Для водяного охлаждения $k_{\text{охл}}$ может быть значительно выше 1.0.

Потери мощности P_{\text{пот}} вычисляются по вольт-амперной характеристике тиристора или из данных даташита производителя.

Расчет последовательного соединения и динамического выравнивания

В мощных выпрямителях, где требуется высокое блокирующее напряжение, превышающее возможности одного тиристора, применяют последовательное соединение силовых полупроводниковых приборов. Однако простое последовательное включение нескольких тиристоров не гарантирует равномерного распределения напряжения между ними из-за неизбежного разброса их параметров. Чтобы обеспечить стабильную работу, крайне важно предусмотреть меры по выравниванию напряжения, например, как в расчете основных энергетических и регулировочных характеристик.

Проблемы последовательного соединения:

1. Статическое выравнивание: Разброс обратных токов утечки I_{\text{R}} (или токов в закрытом состоянии I_{\text{D}}) приводит к неравномерному распределению напряжения в закрытом состоянии. Тиристор с меньшим током утечки будет блокировать большую часть напряжения. Для статического выравнивания параллельно каждому тиристору подключают резисторы R_{\text{с}} с одинаковым сопротивлением.
2. Динамическое выравнивание: Разброс времен обратного восстановления t_{\text{rr}} и, как следствие, разброс заряда обратного восстановления \Delta Q_{\text{В}}, приводит к неравномерному распределению напряжения при запирании тиристоров. Тиристор с меньшим временем t_{\text{rr}} запирается быстрее, на нем возникает большее напряжение.

Для обеспечения равномерного распределения напряжения в динамическом режиме, а также для ограничения скорости нарастания прямого напряжения (dV/dt) и коммутационных перенапряжений, параллельно каждому тиристору включаются RC-цепи, так называемые снабберы.

Методика расчета емкости снабберной цепи C_{\text{с}} для динамического выравнивания:
Это критический аспект для повышения надежности, часто упускаемый в базовых расчетах. Емкость снабберной цепи C_{\text{с}} рассчитывается по условию компенсации разброса заряда обратного восстановления \Delta Q_{\text{В}} между последовательно соединенными тиристорами.

C_{\text{с}} \ge \frac{\Delta Q_{\text{В max}}}{\Delta U_{\text{доп}}}

Где:

• C_{\text{с}} — минимально необходимая емкость снабберной цепи для одного тиристора.
• \Delta Q_{\text{В max}} — максимальный разброс заряда обратного восстановления между тиристорами в группе (берется из даташитов или статистических данных для конкретной партии тиристоров).
• \Delta U_{\text{доп}} — максимально допустимый разбаланс напряжения на отдельном тиристоре в последовательной цепи. Это напряжение, которое может дополнительно выпасть на одном тиристоре сверх равномерно распределенного значения. Обычно принимается как 10-20% от номинального напряжения одного тиристора.

Расчет сопротивления R_{\text{с}} снабберной цепи:
Сопротивление R_{\text{с}} выбирается для ограничения тока разряда емкости C_{\text{с}} при включении тиристора. Большой ток разряда может повредить тиристор. Также R_{\text{с}} влияет на скорость нарастания напряжения dV/dt.
R_{\text{с}} = \frac{U_{\text{max}}}{I_{\text{разр.доп}}} \text{ или } R_{\text{с}} \approx 2 \cdot \sqrt{L_{\text{к}} / C_{\text{с}}} \text{ для ограничения dV/dt}
Постоянная времени RC-цепи (\tau = R_{\text{с}} \cdot C_{\text{с}}) должна быть выбрана сравнимой со временем обратного восстановления тиристоров (t_{\text{rr}}), чтобы обеспечить эффективное демпфирование.

Особенности параллельного соединения и выравнивание токов

Параллельное соединение используется для увеличения максимального тока нагрузки, когда ток, требуемый электроприводом, превышает номинальный ток одного тиристора.

Проблемы параллельного соединения:
Главная проблема параллельного соединения — неравномерное распределение тока между параллельными ветвями. Это вызвано:

1. Разбросом статических вольт-амперных характеристик (ВАХ): Тиристор с меньшим прямым падением напряжения будет пропускать больший ток.
2. Разбросом динамических параметров: Особенно разброс времени включения (t_{\text{on}}) тиристоров. Тиристор, включающийся раньше, примет на себя большую часть переходного тока, что может привести к его перегреву и выходу из строя.

Методы выравнивания токов:
Для обеспечения равномерного распределения токов в параллельных ветвях применяются различные методы:

1. Применение мощных импульсов управления с крутым фронтом:
   • Это самый эффективный способ динамического выравнивания.
   • Мощный и быстро нарастающий управляющий импульс (с крутым фронтом) обеспечивает одновременное и быстрое включение всех параллельно включенных тиристоров, минимизируя разброс по времени включения.
2. Использование индуктивных делителей тока (реакторов выравнивания):
   • Это предпочтительный метод для мощных приводов.
   • В каждую параллельную ветвь последовательно включается небольшая индуктивность (реактор).
   • При попытке неравномерного распределения тока (например, ток в одной ветви начинает нарастать быстрее), индуктивность этой ветви генерирует противо-ЭДС, препятствуя быстрому нарастанию тока и перераспределяя его в другие ветви.
   • Индуктивные делители тока не вызывают значительных потерь мощности и не снижают КПД системы.
3. Применение омических делителей тока (последовательных резисторов):
   • В каждую параллельную ветвь последовательно включается резистор.
   • Увеличение сопротивления в ветви, где ток выше, приводит к дополнительному падению напряжения и, таким образом, к выравниванию токов.
   • Недостаток: Этот метод применим только при малых токах из-за значительных потерь мощности на резисторах и, как следствие, существенного снижения КПД преобразователя. Для мощных приводов омические делители неэффективны и не рекомендуются.

Выбор и расчет группового соединения силовых приборов, а также продуманная система защиты, являются фундаментальными составляющими надежного и долговечного управляемого выпрямителя. (Мой опыт показывает, что инвестиции в тщательный расчет этих элементов окупаются многократно за счет повышения стабильности и снижения числа отказов).

Разработка современной системы импульсно-фазового управления (СИФУ)

Эффективность и надежность управляемого выпрямителя в значительной степени определяются качеством его системы управления (СУ). Современные электроприводы требуют не только точного, но и гибкого управления, способного адаптироваться к изменяющимся условиям нагрузки и обеспечивать оптимальные энергетические показатели. Эту задачу решает система импульсно-фазового управления (СИФУ).

Структурная схема СИФУ и принцип вертикально-фазового управления

Система управления (СУ) тиристорным выпрямителем имеет комплексную структуру, предназначенную для формирования синхронизированной с питающей сетью m-фазной системы управляющих импульсов. Эти импульсы должны быть достаточно мощными и обладать необходимыми характеристиками, чтобы надежно включить любой тиристор в нужный момент, определяемый углом управления α.

Основные функциональные блоки СИФУ:

1. Фазосдвигающее устройство (ФСУ): Основное назначение ФСУ — формирование опорного напряжения или сигнала, фаза которого может быть смещена относительно фазы сетевого напряжения. Это смещение и определяет угол α.
2. Формирователь импульсов (ФИ): Принимает сигнал от ФСУ и формирует мощные, короткие управляющие импульсы для каждого тиристора.
3. Усилитель сигнала (УС): Усиливает сформированные импульсы до уровня, достаточного для надежного отпирания мощных тиристоров.
4. Схема синхронизации: Обеспечивает синхронизацию всех внутренних процессов СИФУ с частотой и фазой питающей сети.

Принцип вертикально-фазового управления:
Это один из наиболее распространенных и интуитивно понятных принципов, лежащих в основе многих СИФУ, как аналоговых, так и цифровых. Суть метода заключается в сравнении двух напряжений:

• Пилообразное опорное напряжение U_{\text{оп}}: Этот сигнал синхронизирован с частотой питающей сети и имеет линейно нарастающую или спадающую форму в течение каждого полупериода. Его начальная точка соответствует естественному моменту включения тиристора (при $\alpha = 0$).
• Внешнее напряжение управления U_{\text{у}}: Это постоянное напряжение, величина которого задается внешним регулятором (например, оператором, автоматической системой регулирования скорости или тока двигателя).

Механизм управления:
Момент равенства пилообразного опорного напряжения U_{\text{оп}} и напряжения управления U_{\text{у}} определяет угол α. Когда U_{\text{оп}} достигает значения U_{\text{у}}, генерируется управляющий импульс для соответствующего тиристора. Изменяя величину U_{\text{у}}, мы изменяем момент пересечения, а значит, и угол α.

• При увеличении U_{\text{у}} (или при уменьшении, в зависимости от ориентации пилообразного напряжения) момент пересечения наступает позднее, что приводит к увеличению α и уменьшению среднего выпрямленного напряжения.
• При уменьшении U_{\text{у}} (или при увеличении) момент пересечения наступает раньше, что уменьшает α и увеличивает среднее выпрямленное напряжение.

Этот принцип легко реализуется как с помощью аналоговых компараторов, так и, что более актуально сегодня, программно в микроконтроллерах.

Цифровая реализация СИФУ и требования к управляющему импульсу

Современные системы управления тиристорными преобразователями все чаще выполняются на основе микроэлектроники. Применение гибридных и интегральных полупроводниковых схем, а в особенности микроконтроллеров, стало стандартом де-факто для повышения надежности, точности, гибкости и унификации СИФУ.

Обоснование применения микроконтроллера:
Микроконтроллеры (МК) предоставляют беспрецедентные возможности для реализации сложных алгоритмов управления, которые были бы труднодостижимы на аналоговой элементной базе:

1. «Умное» детектирование перехода через ноль: В отличие от простых аналоговых схем, микроконтроллер может использовать высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для точного отслеживания сетевого напряжения и определения момента перехода через ноль с высокой помехоустойчивостью. Это обеспечивает стабильную синхронизацию даже в условиях искаженной сети.
2. Программная реализация регулировочных характеристик: Принцип вертикально-фазового управления (или любой другой) реализуется программно. МК генерирует пилообразные сигналы и сравнивает их с заданным уровнем напряжения управления (U_{\text{у}}), формируя импульсы для тиристоров с помощью таймеров и широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
3. Реализация ПИД-регуляторов: Для точного поддержания заданных параметров электропривода (скорость, ток, момент) микроконтроллеры легко реализуют сложные алгоритмы пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования. Это позволяет строить высокоточные замкнутые системы управления, что напрямую повышает качество регулирования и динамические характеристики привода.
4. Диагностика и защита: МК может непрерывно мониторить состояние выпрямителя (токи, напряжения, температуры), осуществлять самодиагностику и реализовать сложные алгоритмы защиты (от перегрузки, короткого замыкания, перенапряжения) с возможностью регистрации событий.
5. Гибкость и унификация: Одна и та же аппаратная платформа на МК может быть адаптирована для разных типов выпрямителей или электроприводов путем изменения только программного обеспечения.

Примеры микроконтроллеров:

• Для задач средней сложности подходят 8-разрядные RISC-контроллеры, например, серии Atmega (например, Atmega 128).
• Для высокопроизводительных систем, требующих более сложных расчетов, быстрой обработки сигналов и высокой точности, широко применяются 32-разрядные контроллеры с ARM-архитектурой, такие как серии STM32F103 или более мощные (STM32F4, STM32G4), оснащенные высокоскоростными АЦП, множеством таймеров и коммуникационных интерфейсов.

Требования к форме управляющего импульса для мощных тиристоров:
Для надежного включения мощных тиристоров, особенно в условиях высоких токов и напряжений, недостаточно простого короткого импульса. Форма управляющего сигнала должна быть специально оптимизирована:

1. Форсирующий импульс: Вначале подается «форсирующий» импульс, который имеет большую амплитуду и крутой фронт.
   • Амплитуда: $I_{\text{Gm}} = (10 — 12) \times I_{\text{Gt}}$, где $I_{\text{Gt}}$ – минимальный постоянный отпирающий ток, указанный в даташите тиристора. Высокая амплитуда обеспечивает быстрое и равномерное включение всей площади p-n перехода тиристора, что предотвращает локальные перегревы и повышает долговечность тиристора.
   • Длительность: $t_{\text{pf}} \approx 5 — 25\text{ мкс}$. Это время необходимо для полного открытия тиристора и минимизации потерь мощности на управляющем переходе в процессе включения.
2. Ток подпитки (длительный импульс): После форсирующего импульса следует более длительный, но менее амплитудный импульс — «ток подпитки».
   • Амплитуда: $I_{\text{Gon}} = (3 — 5) \times I_{\text{Gt}}$.
   • Длительность: Продолжается в течение всего времени, пока анодный ток не превысит ток удержания тиристора. Этот ток обеспечивает надежное удержание тиристора в открытом состоянии и предотвращает его случайное закрытие, особенно при индуктивной нагрузке, когда анодный ток может нарастать медленно.

Гальваническая развязка с помощью импульсного трансформатора:
Крайне важно обеспечить гальваническую развязку между низковольтными цепями системы управления (МК, ФСУ) и высоковольтными силовыми цепями выпрямителя. Это достигается использованием импульсных трансформаторов.

• Функция: Импульсный трансформатор передает управляющие импульсы от СИФУ к управляющим электродам тиристоров, одновременно обеспечивая изоляцию до нескольких киловольт.
• Преимущества: Защита управляющих цепей от высоких напряжений и помех из силовой части, а также возможность управления тиристорами, находящимися под различными потенциалами относительно «земли» системы управления.

Таким образом, современная СИФУ на микроконтроллере в сочетании с тщательно спроектированными управляющими импульсами и гальванической развязкой является основой для создания высокоэффективного, надежного и гибкого управляемого выпрямителя для регулируемого электропривода.

Заключение

В рамках данной курсовой работы была выполнена деконструкция теоретических основ и инженерных подходов к проектированию управляемого полупроводникового выпрямителя для регулируемого электропривода. Мы провели всесторонний анализ, охватывающий ключевые аспекты от выбора принципиальной схемы до разработки современной системы управления.

Ключевые результаты работы включают:

• Выбор оптимальной схемы: Обоснован выбор трехфазного полууправляемого мостового выпрямителя (3 тиристора, 3 диода) как наиболее подходящего для электроприводов средней мощности. Детально проанализированы режимы непрерывного и прерывистого выпрямленного тока, а также подчеркнута роль нулевого диода VD₀ в улучшении характеристик при индуктивной нагрузке.
• Расчеты характеристик: Приведена методика расчета регулировочной характеристики в непрерывном режиме и определена зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла управления α. Детально рассмотрена методика построения внешней характеристики в режиме прерывистого тока по точкам.
• Анализ энергетических показателей: Глубоко проанализировано влияние угла управления α на коэффициент мощности K_{\text{м}} и коэффициент сдвига \cos \phi_{(1)}, с количественным примером снижения K_{\text{м}} при увеличении α. Это демонстрирует важность учета энергетических искажений при проектировании.
• Выбор и защита силовых приборов: Определены критерии электрического и теплового расчета силовых вентилей. Представлена методика расчета емкости снабберной цепи C_{\text{с}} для динамического выравнивания напряжения на последовательно соединенных тиристорах, что является критическим аспектом надежности. Обосновано применение индуктивных делителей тока для выравнивания токов при параллельном соединении.
• Разработка современной СИФУ: Спроектирована функциональная схема СИФУ, основанная на принципе вертикально-фазового управления. Обосновано применение микроконтроллера (например, 32-разрядного ARM) для реализации «умного» детектирования нуля, программного регулирования и самодиагностики. Детально проработаны требования к форме управляющего импульса (форсирующий импульс + ток подпитки) для надежного включения мощных тиристоров с учетом их динамических характеристик.

Подводя итог, можно подтвердить выполнение поставленной цели: разработан детальный, академически строгий план исследования, сфокусированный на теоретическом описании, расчетах и разработке управляемого полупроводникового выпрямителя. Практическая значимость полученного проекта заключается в формировании комплексной инженерной базы, позволяющей студенту технического вуза не только понять принципы работы силовых преобразователей, но и применить современные методики расчета и проектирования для создания высоконадежных и эффективных систем регулируемого электропривода.

Список использованной литературы

1. Руденко, В.С. Основы преобразовательной техники / В.С. Руденко [и др.]. – М. : Высшая школа, 1980. – 423 с.
2. Розанов, Ю.К. Основы силовой электроники / Ю.К. Розанов. – М. : Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.
3. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И. Абрамович [и др.]. – М. : Энергоатомиздат, 1992. – 438 с.
4. Уильямс, Б. Силовая электроника, приборы, применение, управление: справ. пособие / Б. Уильямс. – М. : Энергоатомиздат, 1992. – 399 с.
5. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры оптоэлектронные приборы : справ. / А. В. Баюков [и др.] ; под ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 427 с.
6. Массовая радиобиблиотека: Тиристоры : справ. / О.П. Григорьев [и др.]. – М. : Радио и связь, 1990. – 387 с. : Вып. 1155.
7. Пучков, А. С. Общие положения для расчета и выбора условий охлаждения силовых полупроводниковых элементов / А.С. Пучков. – М. : Изд-во МЭИ, 1998. – 36 с.
8. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. – М. : Телеком, 2002. – 768 с.