Силовая электроника: профессиональные решения


Серия «Компоненты и технологии»



Б. Ю. Семенов





СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА: ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ














Москва СОЛОН-Пресс 2020

УДК 621.38
ББК 32.85
       С30
       Семенов Б. Ю.
С30 Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-Пресс, 2020. — 416 с.: ил. (Серия «Компоненты и технологии»)
           ISBN 978-5-91359-224-8
           Силовая электроника — специфическая область инженерного знания, где многое определяется не столько сугубо теоретическими знаниями, сколько опытом, эрудицией, живым поиском путей проектирования надежной электронной техники. Пути решения той или иной технической проблемы силовой электроники могут быть весьма нетрадиционными, хотя существует ряд правил, без соблюдения которых точно ничего работоспособного разработать невозможно. Данная книга призвана помочь включиться в процесс разработки, конструирования и эксплуатации статических преобразователей электроэнергии на основе современных полупроводниковых силовых элементов. Книга адресована инженерно-тех-ническимспециалистам, занятым в процессе разработки, модернизации иремонта изделий силовой электроники, студентам высших и средних учебныхзаведений, а также всем, кто интересуется проблемами преобразовательнойтехники.

КНИГА — ПОЧТОЙ
    Книги издательства «СОЛОН-Пресс» можно заказать и оплатить в издательстве с пересылкой Почтой
    РФ. Заказ можно оформить одним из перечисленных способов:
      1.  Оформить заказ на сайте www.solon-press.ru в разделе «Книга — почтой».
      2.  Заказать книгу по тел. (495) 617-39-64, (495) 617-39-65.
      3.  Отправив заявку на e-mail: kniga@solon-press.ru (указать наименование издания, обратный адрес и ФИО получателя).
      4.  Послать открытку или письмо по адресу: 123001, Москва, а/я 82
    При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя. Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
    Через Интернет вы можете в любое время получить свежий каталог издательства «СОЛОН-Пресс», считав его с адреса http://www.solon-press.ru/katalog.
    Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru

По вопросам приобретения обращаться:
ООО «СОЛОН-Пресс»
Тел.: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65,
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru

ISBN 978-5-91359-224-8                       © СОЛОН-ПРЕСС, 2020
© Семенов Б. Ю., 2020

                                       Моей жене Юлии Семёновой посвящаю эту книгу





                ОТ АВТОРА






   Электроэнергетика в современном мире заняла столь прочное место, что мы уже просто не представляем, каким образом можно обойтись без электрической энергии в цивилизованном обществе, насыщенном техническими средствами, облегчающими нам жизнь. Соответственно, задачи преобразования электроэнергии сегодня столь широки и разнообразны, что в этом направлении работает огромное количество разработчиков-инженеров, великое множество фирм поставляет на рынок всевозможные преобразователи напряжения, тока, частоты с колоссальными диапазонами мощностей — начиная от долей ватт и заканчивая тысячами мегаватт. Поэтому вполне естественно, что преобразователи электроэнергии сегодня можно встретить во всех отраслях промышленности, на транспорте, в быту. Современное промышленное производство немыслимо без частотных преобразователей скорости вращения электродвигателей. Не обойтись без преобразователей и на современном электротранспорте: здесь уже широко применяют асинхронные электродвигатели, которые вращаются статическими преобразователями, питаемыми от традиционных транспортных сетей постоянного тока. Широкий класс преобразовательной техники составляют источники питания собственных нужд, встраиваемые в аппаратуру самого разного назначения. Даже в бытовых условиях часто можно встретить преобразователи электроэнергии, хотя их присутствие в бытовой технике для неспециалиста незаметно. К примеру, производители современных автоматических стиральных машин с широкими программными режимами стирки, полоскания и отжима, стремящиеся повысить показатели долговечности и надежности, стремятся применять для вращения двигателей частотные преобразовательные блоки, которые управляют вращением барабана.
   Как известно, исторически область преобразовательной техники разделилась на два крупных направления: направление вращающихся преобразователей и направление статических преобразователей. До недавнего времени вращающиеся преобразователи занимали в техни

От автора

ке подавляющее положение, поскольку для их реализации не требовалось сложной электронной элементной базы, а статическим преобразователям небольших мощностей отводилась скромная ниша специальных применений, и при этом они несли клеймо «ненадежных», «сложных», «дорогих». И причины этого заключались вовсе не в порочности идеи статического преобразования электроэнергии, а в том, что для реализации статических преобразователей требовалась особая элементная база, которая появилась не так давно.
   Но не будем бросать «камень в огород» вращающихся преобразователей — ведь они, обладая чрезвычайной простотой и надежностью, десятками лет обеспечивали работу технических средств. И, тем не менее, недостатки вращающейся техники очевидны: это небольшой межремонтный ресурс, а значит, частая необходимость проведения регламентных работ, высокая шумность, невозможность быстрого ремонта после поломки или истечения межремонтного интервала, трудности с диагностикой исправного состояния, низкий коэффициент полезного действия (КПД), низкий коэффициент мощности, связанный с работой асинхронных двигателей, которые непосредственно подключены к питающей сети. Комплекс этих задач решали обычными методами, проектируя специальные агрегатные помещения для размещения преобразователей, а также создавая специализированные диагностические комплексы. Однако задачу полнофункциональной диагностики вращающихся преобразователей до сих пор в полной мере решить не удалось — слишком много факторов определяют работоспособность вращающейся техники. А это означает лишь одно: диагностика и ремонт вращающихся преобразователей была и остается нетривиальной задачей, связанной с наличием высококвалифицированного персонала, обладающего, кроме базовых технических знаний, еще и опытом работы. Понятно, что число таких высококвалифицированных людей всегда ограничено, и они достаточно высоко оценивают свои услуги.
   Ситуация коренным образом изменилась с появлением на рынке электронных компонентов управляемых силовых транзисторов IGBT и MOSFET. На основе этих компонентов были разработаны статические преобразователи электроэнергии, свободные от указанных выше недостатков вращающихся преобразователей. Удалось на несколько порядков снизить уровень излучаемого шума (что позволило размещать преобразователи в обычных производственных помещениях), создать развитую комплексную систему диагностики исправного состояния с применением микропроцессорных систем, построить приборы по модульному принципу, обеспечивающему быструю замену отказавшего узла, руководствуясь стандартной процедурой и минимальным набором инструментов, повысить КПД и коэффициент мощности. Необходимость в высококвалифицированном эксплуата

От автора

5

ционном персонале, если и не отпала совсем, то значительно снизилась — ведь блочную замену отказавшего узла можно поручить даже стажеру, мало-мальски знакомому с техникой и умеющему работать отверткой. Конечно, первые образцы статических преобразователей оказались не столь надежны, как от них этого ожидали, и часто выходили из строя. Но на сегодняшний день технологии их производства стали столь совершенными, что, остановившись перед проблемой выбора того или иного класса преобразователя, разработчики отдают предпочтение именно статическим решениям, так как они действительно позволяют реализовать надежное функционирование питаемых ими устройств и значительно снизить эксплуатационные расходы при высоком уровне надежности. Другими словами, эра энерго- и ресурсосбережения, основой наступления которой послужили статические преобразователи, — это именно то время, в которое мы с вами и живем.
   Наша книга не ставит своей целью провести всеобъемлющий анализ общемировых тенденций развития преобразовательной техники, поскольку материалы на эту тему можно без труда разыскать и в технических журналах, и в других книгах, и в сети Интернет. Мы посвящаем книгу рассмотрению специальных технических вопросов, связанных с разработкой статических преобразователей в объеме схемотехнических и конструктивных решений. Хотя, конечно, мы не раз обратимся к общим вопросам там, где это окажется уместным. Как показывает практический опыт автора, занимающегося разработкой и поставкой потребителям преобразовательной техники, уровень отечественных работ в этой области значительно отстает от зарубежных, как по технике, так и по объемам применения. Поэтому отечественные разработчики систем питания зачастую закладывают в свои проектные схемы зарубежные модели статических преобразователей (если, конечно речь не идет о специальной технике), вынуждая заказчика тратить дополнительные средства на закупку, обслуживание, вызов зарубежных специалистов-эксплуатационников, приобретение оригинальных запасных частей за рубежом. Конечно, нельзя сказать, что в нашем отечестве это направление электронной техники никак не представлено в плане разработки, однако следует констатировать: проектирование статических преобразователей у нас пока остается уделом избранных специалистов, которые неохотно делятся профессиональными секретами с начинающими работать на этом поприще. Поэтому целью данной книги в основном является знакомство начинающих разработчиков с основными принципами построения промышленных статических преобразователей электроэнергии, со специальной элементной базой силовой электроники, с основными трудностями, которые могут возникнуть при разработке, и с путями решения проблем.

От автора

    Задачи, решаемые силовой электроникой, как мы уже говорили, столь широки, что в одной, даже очень большой, книге невозможно рассказать о всех ее направлениях подробно. Предыдущие авторские издания [1] и [2] были посвящены общему обзору элементной базы, а также коснулись схемотехнического построения маломощных источников питания на основе чопперных, бустерных, инвертирующих, пуш-пульных, полумостовых и однофазных мостовых схем. Кроме этого, в названных изданиях автор рассказал о такой нетрадиционной «профессии» силовой электроники, как построение электронных балластов. Небольшой разговор состоялся и о построении инверторной сварочной техники.
    В этой книге мы будем говорить о мощных преобразовательных схемах, питаемых преимущественно от трехфазных сетей переменного тока, с однофазным или трехфазным выходом. Поговорим мы и об элементной базе, использующейся при проектировании таких преобразователей, а также об их конструктивном исполнении, рассмотрим типовые ошибки, встречающиеся при проектировании преобразователей и наметим пути их устранения. Кроме этого, наш разговор будет обращен к современным методам построения управляющей части статических преобразователей.
    Силовая электроника — достаточно специфическая и сложная область инженерного знания. Очень многое определяется здесь не столько теоретическими знаниями, сколько опытом, полученным в процессе выполнения собственных разработок, изготовления макетных и опытных образов, живого поиска путей улучшения технических характеристик разработок. Пути решения той или иной технической проблемы силовой электроники могут быть весьма нетрадиционными, хотя, конечно, существует ряд правил, без соблюдения которых точно ничего работоспособного разработать невозможно.
    Автору хочется надеяться, что эта книга послужит неплохой отправной точкой для тех читателей, кто решил связать свою профессиональную жизнь с разработкой силовой электронной техники.

    Б. Ю. Семенов.
    Апрель 2009 г.

Глава 1





                СИЛОВЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ





1.1. Преобразовательная техника в современном мире

   Попробуйте, уважаемые читатели, представить современный мир без электроэнергетики, и вам, вне всякого сомнения, станет грустно. Ибо на ум приходит картина из позапрошлого века: паровые машины, керосиновые лампы, гужевые повозки, конки. В этом мире, лишенном устройств получения и преобразования электроэнергии, мы не увидим на улицах ни автомобилей, ни трамваев, ни троллейбусов, ни «электричек», ни электрических фонарей. Мы не обнаружим в нем ни компьютеров, ни телефонов, ни радиоприемников с телевизорами. Огромное количество важных и полезных вещей станут ненужными только лишь потому, что их нечем будет питать. Отсюда мы без труда сможем заключить, что наличие электрической энергии — это необходимое условие для решения подавляющего большинства современных задач, которые ставит перед нами жизнь в нашем времени.
   Практика XX в. показала, что электричество является наиболее удобным и универсальным видом энергии, который имеет смысл вырабатывать, передавать на большие расстояния и преобразовывать в другие виды энергии (механическую, тепловую и т. д.). Именно поэтому электроэнергетика заняла в нашей современной жизни столь прочное место. Но процесс выработки электроэнергии является достаточно сложным в техническом отношении, так что просчеты в этой области часто приводят к катастрофическим последствиям. Например, в результате техногенной катастрофы, случившейся в Москве весной 2005 г., когда произошло отключение электроэнергии в части районов города, только в одних лифтах было заблокировано 1500 человек, не говоря уже о прекращении подачи электроэнергии в системы обеспечения больниц, на дорожные светофоры, насосные станции подачи воды, холодильники. В декабре 2008 года в Каракасе, столице Венесуэлы, в результате короткого замыкания был полностью обесточен город, из-за чего жизнь в нем полностью парализовало. Властям пришлось вызволять людей из застрявших лифтов, закрывать метро и эвакуировать пассажиров. К счастью, нефтеперегонные заводы в пригородах Каракаса были оснащены собственными генераторами, так

1.1. Преобразовательная техника в современном мире

что техногенных катастроф не произошло. По подсчетам специалистов, энергетическая катастрофа, случившаяся в 2003 г. в Нью-Йорке и продолжавшаяся 29 часов, обошлась США в 1 млрд долларов.
   Один из существенных просчетов сегодняшнего времени, не приводящий к техногенным катастрофам, но, тем не менее, заставляющий задуматься специалистов — это невнимательное отношение к расходованию энергетических ресурсов. С детства нам знаком призыв «выходя — гасите свет». И эти слова нельзя назвать пустыми. Понятно, что любой производитель товара вынужден закладывать цену затраченных энергетических ресурсов (в том числе израсходованных «вхолостую», для работы малоэффективного оборудования) в стоимость своей продукции, а значит, растет ее цена и снижается конкурентоспособность на рынке аналогичных товаров. Именно поэтому во всем мире все больше и больше внимания уделяется проблемам энергосбережения, то есть повышения эффективности использования вырабатываемой энергии. Если до настоящего времени вопросы, связанные с расширением производства, решались простым увеличением потребления энергии, строительством новых электростанций, то сейчас перспективные фирмы стремятся использовать новое энергосберегающее оборудование, направляя на его приобретение значительную долю капиталовложений. Экономические расчеты показывают, что новые энергосберегающие технологии очень быстро окупаются по затратам, а рентабельность производства столь же стремительно растет.
   Данные современных статистических исследований показывают, что около 65 % электрической энергии в мире потребляется электродвигателями различного назначения, например, насосами, вентиляторами, тягловыми электродвигателями электротранспорта. Классические нерегулируемые приводные электродвигатели на сегодняшний момент практически исчерпали свои возможности по повышению коэффициента полезного действия (КПД). Мощной альтернативой нерегулируемому электроприводу является использование так называемого энергосберегающего регулируемого электропривода. При использовании этой технологии электродвигатель подключается не непосредственно к сети переменного тока, а к специальному устройству с названием «статический преобразователь электроэнергии». Статический преобразователь — это электронное силовое устройство, которое позволяет задать частоту вращения электродвигателя, причем не только вручную, но и автоматизированным способом, получая управляющий сигнал от компьютера, оснащенного специализированной программой.
   По оценкам исследователей рынка преобразовательной техники, на сегодняшний момент в индустриально-развитых странах достигнуто соотношение между нерегулируемым и регулируемым электроприводом порядка 1 : 1, и вскоре регулируемый (частотный) электропривод будет превалировать над нерегулируемым. Интересно отметить, что по

1.1. Преобразовательная техника в современном мире

9

данным Института электроэнергетики США, в период с 1985 по 1995 г. была проведена реконструкция 60-ти энергоблоков теплоэлектростанций, где было установлено около 300 частотно-регулируемых устройств электропривода в диапазоне мощностей от 630 до 4500 кВт. Годовой экономический эффект от внедрения новых технологий выразился в экономии 1 млрд кВт • ч электрической энергии. Те же данные в отношении России, к сожалению, гораздо менее скромны: регулируемый привод составляет не более 5 % от общих объемов приводной техники. Это означает, что промышленное производство в нашей стране до сих пор живет «по старинке», особо не заботясь о повышении эффективности использования энергии, или только мечтая об этом в условиях отсутствия свободных средств на модернизацию. Тем не менее, и у нас наметились положительные сдвиги. Например, в период с 1995 по 2005 г. специалисты ОАО «ВНИИЭ» внедрили на ряде теплоэлектростанций 28 частотно-регулируемых преобразователя в диапазоне мощностей от 500 до 4000 кВт, что экономит до 100 млн кВт • ч в год [3].
    Аналогичная ситуация складывается в области электротранспорта. Кроме проблем энергосбережения, здесь существенным является надежная работа тяглового электродвигателя, поскольку, если ориентироваться на статистические данные, 50 % неисправностей электровозов, троллейбусов, вагонов метро и трамваев связаны именно с неисправностью электродвигателя. Традиционно в этой области техники используются коллекторные двигатели постоянного тока, частоту вращения которых невозможно регулировать простыми и надежными методами. Применение асинхронных двигателей переменного тока (АТЭД) с частотным регулированием позволяет не только коренным образом пересмотреть идеологию конструирования электротранспорта, но существенно сократить процент отказов, связанных с выходом из строя электродвигателей, расширить диагностические возможности, предупредить развитие отказов на ранней стадии. Более того, асинхронные электродвигатели при той же мощности, что и синхронные постоянного тока, имеют в 1,5 (в среднем) раза сниженные габариты.
    Еще одна область применения частотно-регулируемого электропривода — это лифтовое хозяйство и подъемное оборудование (тельферы, лебедки, краны). Ежегодное потребление энергии в данной отрасли у нас в стране составляет 1 млрд кВт • ч. Поэтому становится понятным, насколько она энергоемка и какой экономический эффект можно достигнуть от применения преобразовательной техники, если учесть, что, применив частотные преобразователи, можно снизить энергопотребление электрооборудования лифтов на 40...60 %. Кроме того, использование «частотников» повышает комфортность движения кабин, обеспечивает бесшумность движения и высокую точность позиционирования при остановке [4].

1.1. Преобразовательная техника в современном мире

   А теперь давайте оценим перспективы использования регулируемого электропривода в лифтовом хозяйстве с точки зрения емкости рынка потребления этой технологии. По оценкам, приведенным на сайте компании «Лифт-Комплект» [5], в одной только Москве в настоящее время находится в эксплуатации около 120 тысяч пассажирских и грузовых лифтов, «львиная доля» которых уже выработала 25-летний ресурс, и число таких устаревших лифтов растет с каждым годом. Нужно ли говорить, что такие лифты не только подлежат ремонту по правилам технической эксплуатации как выработавшие заложенный ресурс, но даже — исходя из простого здравого смысла — становятся потенциально-опасными для жизни и здоровья людей. Здравый смысл также подсказывает, что полная замена оборудования окажется намного более затратной задачей, чем разумная модернизация, особенно в условиях экономического кризиса.
   Применение регулируемого электропривода в лифтовом хозяйстве позволяет снизить эксплуатационные расходы и повысить межремонтный период. Так, классический электродвигателями необходимо заменять (или, по крайней мере, проводить его капитальный ремонт) раз в 5—10 лет, а двигатель, управляемый преобразователем, прослужит без замены весь 25-летний ресурс. К тому же, отпадает необходимость использования двухскоростного двигателя, вместо которого применяется односкоростной электродвигатель, обладающий меньшими габаритами и стоимостью.
   Статические преобразователи для реализации регулируемого электропривода могут работать как с электродвигатели с ротором короткозамкнутого типа, так и сопрягаться с высокоскоростными синхронными электродвигателями. Пуск электродвигателей в любом случае осуществляется плавно, с исключением электродинамических нагрузок в его обмотках и ударных нагрузок в механизмах привода, в результате чего увеличивается срок службы как электродвигателя, так и сопрягаемого с ним оборудования. Появляется возможность отказаться от технически сложных механических редукторов и вариаторов, обеспечить работу на пониженных частотах вращения с уменьшением циклических динамических и вибрационных нагрузок на подшипники, элементы крепления, фундаменты электродвигателей. Остановка электроприводного агрегата за счет рекуперативного электрического торможения обеспечивает возврат электроэнергии в питающую сеть. Коэффициент полезного действия устройств частотно-регулируемого электропривода может достигать 98 %. По оценкам специалистов, применение частотно-регулируемого электропривода может обеспечить экономию электроэнергии порядка 50 % по сравнению с нерегулируемым вариантом.
   Большие неприятности потребителю электроэнергии может доставить нестабильность ее электрических параметров. В этом случае го