Преобразовательниє пристрої в системах електропостачання

Електронна енергія виробляється на електростанціях і розподіляється головним чином у вигляді змінного струму промислової частоти. Але величезна кількість споживачів електроенергії в промисловості вимагає для власного харчування інші види електроенергії.

У більшості випадків потрібно:

- незмінний струм (хімічні та електролізних ванни, електропривод постійного струму, електронний транспорт і підйомні пристрої, електрозварювальні агрегати);

- змінний струм непромислової частоти (індукційний нагрів, регульований привід змінного струму).

У зв`язку з цим виникає потреба а перетворенні
змінного струму в постійний (випрямлений) струм, або в перетворенні змінного струму однієї частоти в змінний струм іншої частоти.
У системах передачі електричної енергії, в тиристорному електроприводі постійного струму, з`являється потреба в перетворенні незмінного струму в змінний (інвертування струму) в місці вживання.

Дані приклади охоплюють не всі випадки, коли потрібно перетворювати електричну енергію 1-го виду в інший. Більше третини всієї вироблюваної електроенергії перетворюється в інший вид енергії, тому технічний прогрес багато в чому пов`язаний з вдалим розвитком перетворювальних пристроїв (перетворювальної техніки).

Систематизація пристроїв перетворювальної техніки

Головні види перетворювальних пристроїв

Питома вага пристроїв перетворювальної техніки в енергетичному балансі країни займає значне місце. переваги
напівпровідникових перетворювачів, в порівнянні з іншими видами перетворювачів, незаперечні. Головні переваги полягають в наступному:

- Напівпровідникові перетворювачі володіють високими регулювальними і енергетичними показниками;

- мають малі габарити і масу;

- прості і надійні в експлуатації;

- забезпечують безконтактну комутацію струмів в силових
ланцюгах.

Завдяки зазначеним перевагам напівпровідникові
перетворювачі отримали широке застосування: кольорової металургії, хімічної промисловості, на залізничному і міському транспорті, в чорній металургії, машинобудуванні, енергетиці та інших галузях.

Дамо визначення головних видів перетворювальних пристроїв.

Випрямляч - це пристрій для перетворення змінної напруги в постійне напруження (U ~
→ U =).

Інвертором називають пристрій для перетворення постійної напруги в змінну напругу (U =
→ U ~).

Перетворювач частоти служить для перетворення змінної напруги однієї частоти в змінну напругу іншої частоти (Uf1 → Uf2).

Перетворювач постійної напруги (регулятор) призначений для конфігурації (регулювання) підводиться до навантаження напруги, тобто конвертує змінну напругу однієї величини в змінну напругу іншої величини (U1 ~
→ U2 ~).

Тут названі найбільш широко використовувані типи пристроїв перетворювальної техніки. Є ряд перетворювальних пристроїв, створених для перетворення (регулювання) величини постійного струму, числа фаз перетворювача, форми кривої напруги і ін.

Коротка характеристика елементної бази
перетворювальних пристроїв

Все перетворюючі пристрої, розроблені для різних цілей, мають загальний механізм роботи, який заснований на періодичному включенні і виключенні електронних вентилів.
В даний час в якості електронних вентилів використовуються напівпровідникові прилади.
Найбільше застосування отримали діоди, тиристори, сімістори і силові транзистори, що працюють в головному режимі.

1. Діоди - це двохелектродні елементи електронної ланцюга, які володіють однобокою провідністю. Провідність діодіка залежить від полярності прикладеної напруги. Умовно діоди ділять на діоди малої потужності (допускається середній струм I а доп
≤ 1А), діоди середньої потужності (Іа доп = 1 - 10А) і діоди великої потужності (Іа доп
≥ 10А). За призначенням діоди діляться на низькочастотні (Fдоп
≤ 500 Гц) і високочастотні (Fдоп > 500 Гц).

Основними параметрами випрямних діодів є
найбільше середнє значення випрямленого струму, Іа доп, А, і найбільше оборотне напруга, Ubmax, В, яке може бути докладено до діодіку протягом довгого часу без загрози порушення його роботи.

У перетворювачах середньої і великої потужності використовуються масивні (лавинні) діоди. Ці діоди мають деякі специфічні особливості, так як працюють при величезних токах і великих оборотних напружених, що призводить до виділення значної потужності в р-n - переході. Тому тут повинні передбачатися дієві методи охолодження.

Інша особливість масивних діодів - необхідність їх захисту від короткострокових перенапруг, що виникають при різких скидах навантаження, комутаційних і аварійних режимах.

Захист силового діодіка від перенапруг полягає в перекладі ймовірного електронного пробою р-n - переходу з поверхневих ділянок в великі. В даному випадку пробою носить лавинний характер, а діоди називають лавинними. Такі діоди здатні пропускати досить великий оборотний струм без перегріву локальних ділянок.

При розробці схем перетворювальних пристроїв може з`явитися необхідність отримати випрямлений струм, що перевершує максимально допустиме значення 1-го діодіка. В даному випадку використовують паралельне включення однотипних діодів із вжиттям заходів щодо вирівнювання прямих струмів пристроїв, що входять в групу. Для зростання сумарного допустимого оборотного напруги вживають послідовне з`єднання діодів. При цьому також передбачають заходи, що виключають нерівномірний розподіл оборотного напруги.

Основною рисою напівпровідникових діодів є вольт-амперна риса (ВАХ). Напівпровідникова структура і умовне позначення діодіка показано на рис 1, а, б. Зворотний гілка вольт-амперної властивості діодіка - на рис. 1, в (крива 1 - ВАХ лавинного діодіка, крива 2 - ВАХ звичайного дио-да).

Мал. 1 - Умовне позначення і зворотний гілка вольт-амперної властивості діодіка.

Тиристори - це чотирьохшаровий напівпровідниковий прилад, що володіє 2-ма стійкими станами: станом з низькою провідністю (тиристор закритий) і станом з високою провідністю (тиристор відкритий). Перехід з 1-го стійкого стану в інше обгрунтований дією зовнішніх причин. Найбільш часто для відмикання тиристора на нього діють напругою (струмом) або світлом (фототиристори).

Розрізняють діодні тиристори (діністори) і тріодних тиристори, які мають керуючий електрод. Останні діляться на одноопераційних і двухопераціонние.

У одноопераційних тиристорах по ланцюгу керуючого електрода здійснюється тільки операція відмикання тиристора. Тиристор переходить у відкритий стан при позитивному анодній напрузі і наявності керуючого імпульсу на електроді управління. Отже, основною відмінною рисою тиристора є можливість випадкової затримки моменту його відмикання при наявності на ньому прямого напруги. Замикання одноопераційних тиристора, (також динистора) робиться конфігурацією полярності напруги анод - катод.

Двухопераціонние тиристори допускають по ланцюгу управління і відмикання і замикання тиристора. Замикання здійснюється подачею імпульсу управління зворотному полярності на електрод управління.

Слід враховувати, що індустрія випускає одноопераційних тиристори на допустимі струми тисячі ампер і допустимі напруги одиниці кіловольт. Наявні ж двухопераціонние тиристори мають істотно менші допустимі струми, ніж одноопераційних (одиниці і 10-ки ампер), і найменші допустимі напруги. Такі тиристори вживаються в релейного апаратури і в малопотужних перетворювальних пристроях.

На рис. 2 наведені умовне позначення тиристора, схема напівпровідникової структури і вольт-амперна риса тиристора. Знаками А, К, УЕ відповідно позначені висновки анода, катода і керуючого елемента тиристора.

Основними параметрами, що визначають вибір тиристора і його роботу в схемі перетворювача, є: допустимий прямий струм, Іа доп, А- допустимий пряме напруга в закритому стані, Uа max, В, допустиме зворотне напруга, Ubmax, В.

Найбільше пряму напругу на тиристори з урахуванням варіантів роботи перетворювальної схеми не повинно перевищувати рекомендованого робочої напруги.

Мал. 2 - Умовне позначення тиристора, схема напівпровідникової структури і вольт-амперна риса тиристора

Принциповим параметром є струм утримання тиристора у відкритому стані, Iуд, А, - малий прямий струм, при більш низьких значеннях якого тиристор виключается- параметр, потрібний для розрахунку мало допустимого навантаження перетворювача.

Інші види перетворювальних пристроїв

Сімістори (симетричні тиристори) проводять струм в обох напрямках. Напівпровідникова структура симистора містить 5 шарів напівпровідників і має більш складну конфігурацію в порівнянні з тиристором. За допомогою композиції р- і
n-шарів роблять напівпровідникову структуру, в якій при різній полярності напруги виробляються умови, належні прямий гілки вольт-амперної властивості тиристора.

Біполярні транзистори, що працюють в головному режимі. На відміну від двухопераціонного тиристора в базисної ланцюга транзистора потрібно підтримувати сигнал управління на всіх кроці проводить стану ключа. За допомогою біполярного транзистора можна втілити стовідсотково керований ключ.

к.т.н. Коляда Л. І.