Важные изменения в способе производства и использования электроэнергии, такие как наращивание использования электроэнергии из возобновляемых источников, переход на эффективные электроприводы с регулируемой скоростью в промышленных и бытовых электроприборах и внедрение гибридных или аккумуляторных электромобилей, — увеличивают требования к электронной базе инверторов, которыми можно управлять «переменным током» при желаемом напряжении и частоте.
Взяв в качестве примера возобновляемую энергию, стратегии коммунальных компаний движутся в направлении распределенной генерации электроэнергии, когда микрогенераторы отдают электроэнергию в сеть в нескольких точках сети. Также существует интерес к небольшим генераторам, не связанным с электрической сетью, для размещения на потребительских или фермерских и легких коммерческих / промышленных площадках.
Такие приложения требуют компактного и недорогого электронного сопровождения. Это позволило бы преобразовать богатую гармониками и не блещущую стабильностью выходную мощность ветровой турбины или изменяющуюся выходную мощность постоянного тока массива фотоэлектрических панелей, сначала в высоковольтный, стабилизированный конденсатором постоянный ток, который затем подается в инвертор для генерации переменного тока и его согласования с сетью переменного тока промышленной частоты. Проще говоря – формируют гармоническую форму тока (синусоиду), подходящую для подачи в электрическую сеть.
Точно так же в гибридных / электрических автомобилях или двигателях, где постоянная регулировка выходной частоты инвертора с помощью логических или программных команд является ключом к управлению скоростью двигателя, компактные размеры, малый вес и доступность имеют решающее значение для обеспечения роста рынка.
Принципы работы инверторов и источники электромагнитных помех
Инвертор, например мостовой, показанный на рисунке ниже, коммутирует ток через нагрузку путем последовательного включения и выключения верхних и нижних ключей питания (транзисторов) в чередующихся ветвях. Коммутаторы могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или сверхпереходные МОП-транзисторы, или — в высокопроизводительных приложениях, таких как электромобили премиум-класса или там, где требуется максимальная энергоэффективность, — устройства с широкой запрещенной зоной, такие как MOSFETs на основе карбида кремния (SiC). Каждый логический элемент управляется последовательно относительно всех остальных с использованием сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Если силовые транзисторы являются IGBT, частота сигналов ШИМ, подаваемых на каждый затвор, обычно составляет около 20 кГц. МОП-транзисторы могут работать на гораздо более высоких частотах, вплоть до нескольких сотен килогерц. В любом случае быстрое переключение вызывает резкие изменения напряжения на транзисторах, вызывая колебания, содержащие высокочастотный шум в гармониках частоты переключения.
В любом инверторе на основе IGBT транзисторов для ветряного или солнечного генератора электромагнитные помехи могут существовать на частотах до 1 МГц или более. Эти и другие источники электрического шума, такие как переключение преобразователя постоянного тока в другое место системы, связанные с линиями выходной мощности переменного тока, могут ухудшить качество выходной мощности и вызвать помехи. Это может повлиять на собственные управляющие сигналы системы, такие как аналоговые сигналы обратной связи, а также на близлежащее оборудование.
Чтобы предотвратить искажения сигналов обратной связи и появление электромагнитных помех (ЭМП), разработаны стандарты, такие как IEEE 1547 и UL 1741, которые применяются к инверторам для систем с распределенной мощностью, таких как ветряные или солнечные генераторы, устанавливают ограничения на содержание гармоник, разрешенных на выходе инвертора. Излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП) также подпадают под ограничения, налагаемые такими стандартами, как FCC Part 15 B.
Смягчение шумов при переключении транзисторов инвертора
Чтобы соответствовать применимым спецификациям по ЭМП и электромагнитной совместимости, фильтры, размещенные по всей системе, удаляют гармоники из сигналов напряжения и тока, корректируют коэффициент мощности, обеспечивая синфазность сигналов напряжения и тока и сводят к минимуму их искажения.
На рисунке ниже показано расположение фильтров для ослабления шума в системе преобразования солнечной энергии. Фильтр на выходе инвертора предназначен для устранения переходных частот переключения. Он содержит комбинацию конденсаторов X и Y, катушек индуктивности и дросселей для устранения синфазного и дифференциального шума на основных гармониках частоты переключения.
На рисунке ниже представлена более подробная информация о составе фильтра. В принципе, конденсаторы X и дроссели удаляют шум дифференциального режима, в то время как конденсаторы Y и индукторы синфазного сигнала устраняют шум синфазного режима. Синфазный шум появляется в одном и том же направлении на двух проводниках, тогда как дифференциальный шум появляется в противоположных направлениях на двух проводниках.
Синфазная дроссельная катушка, показанная на рисунке выше, представляет собой четырехконтактное устройство, которое содержит два токопроводящих провода, намотанных в противоположных направлениях вокруг одного магнитного сердечника. Условно это ядро состоит из ферритового материала. Поскольку магнитный поток течет внутри сердечника, дроссельные катушки синфазного режима действуют как индукторы, которые обеспечивают высокий импеданс против синфазных (шумовых) токов, в то же время позволяя проходить требуемым дифференциальным токам.
Что касается обычного дросселя, идентичные токи, протекающие в противоположных направлениях через обмотки дросселя, будут создавать равные по величине, но противоположные по направлению магнитные поля, которые подавляют друг друга. Следовательно, дроссель представляет минимальное сопротивление для тока, протекающего в нагрузку и обратно через катушку. Дифференциальный шум относится к искажениям, которые вызывают различия между этими двумя токами. Магнитные поля из-за этих различных сигналов не будут подавлены; вместо этого они будут представлять высокий импеданс, который ослабляет искажения.
Передовые технологии фильтрации для облегченных инверторов
Растущая зависимость от возобновляемых источников энергии, электромобилей и разнообразных электроприводов продолжает стимулировать спрос на компактные, легкие и доступные по цене инверторы. Следовательно, промышленность ищет способы уменьшить размер, вес и стоимость типично громоздких компонентов, таких как фильтрующие конденсаторы и дроссели.
Для решения этой проблемы запатентованные материалы с ферритовым сердечником, разработанные KEMET, помогают значительно уменьшить размеры стандартных дросселей. Кроме того, они позволяют создавать двухрежимные дроссели, которые объединяют синфазную и дифференциальную фильтрацию в одном пакете. Габаритные размеры аналогичны размерам обычного синфазного дросселя. Рисунок ниже иллюстрирует принцип исполнения:
KEMET также использовал дополнительную гибкость конструкции, обеспечиваемую его фирменными материалами, для оптимизации формы этих двухрежимных дросселей. Конечным результатом является значительно улучшенное подавление шума в дифференциальном режиме (нормальном режиме).
На рисунке ниже показана диаграмма высокой производительности двухрежимных дросселей SSHB10, демонстрирующих высокий импеданс как синфазного, так и дифференциального шума. Стандартный тип, представленный на этой схеме SSHB10H-04320, оптимизирован для работы при высоких температурах. SSHB10H-R04760 имеет материал сердечника с повышенной магнитной проницаемостью, который дополнительно повышает импеданс синфазного шума при сохранении идентичных характеристик дифференциального режима. Оба дросселя рассчитаны на ток до 3 А.
Выводы
Ожидается, что спрос на компактные и легкие инверторы будет расти на рынках экологически чистой энергии, тяжелой и автомобильной промышленности. Передовые магнитные технологии, которые могут значительно уменьшить громоздкие ЭМС фильтры и уменьшить количество компонентов, теперь дают разработчикам дополнительную свободу для достижения различных целей.
