Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты. Однако большое количество потребителей электроэнергии в промышленности требует для своего питания другие виды электроэнергии.
Чаще всего требуется:
В связи с этим возникает необходимость а преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямленный) ток, или в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В системах передачи электрической энергии, в тиристорном электроприводе постоянного тока, возникает потребность в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование тока) в месте потребления.
Данные примеры охватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, поэтому технический прогресс во многом связан с успешным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).
Классификация устройств преобразовательной техники
Основные виды преобразовательных устройств
Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает значительное место. Преимущества полупроводниковых преобразователей, по сравнению с другими видами преобразователей, неоспоримы. Основные преимущества заключаются в следующем:
Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразователи получили широкое применение: цветной металлургии, химической промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в черной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.
Дадим определения основных видов преобразовательных устройств.
Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (U~ → U=).
Инвертором называют устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (U= → U~).
Преобразователь частоты служит для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (Uf1→ Uf2).
Преобразователь переменного напряжения (регулятор) предназначен для изменения (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U1~ → U2~).
Здесь названы наиболее широко применяемые типы устройств преобразовательной техники. Имеется ряд преобразовательных устройств, предназначенных для преобразования (регулирования) величины постоянного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.
Краткая характеристика элементной базы преобразовательных устройств
Все преобразовательные устройства, разработанные для разных целей, имеют общий принцип работы, который основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В настоящее время в качестве электрических вентилей применяются полупроводниковые приборы. Наибольшее применение получили диоды, тиристоры, симисторы и силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.
Диоды – это двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа доп ≤ 1А), диоды средней мощности (Iа доп = 1 - 10А) и диоды большой мощности (Iа доп ≥ 10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (fдоп > 500 Гц).
Основными параметрами выпрямительных диодов являются наибольшее среднее значение выпрямленного тока, Iа доп, А, и наибольшее обратное напряжение, Ubmax, В, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без опасности нарушения его работы.
В преобразователях средней и большой мощности применяются мощные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некоторые специфические особенности, поскольку работают при больших токах и высоких обратных напряжениях, что приводит к выделению значительной мощности в р-n – переходе. Поэтому здесь должны предусматриваться эффективные способы охлаждения.
Другая особенность мощных диодов – необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах.
Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-n – перехода с поверхностных участков в объемные. В этом случае пробой носит лавинный характер, а диоды называют лавинными. Такие диоды способны пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков.
При разработке схем преобразовательных устройств может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения используют последовательное соединение диодов. При этом также предусматривают меры, исключающие неравномерное распределение обратного напряжения.
Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диода показано на рис 1, а,б. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода – на рис. 1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диода, кривая 2 – ВАХ обычного диода).
Тиристоры – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высокой проводимостью (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое обусловлен действием внешних факторов. Наиболее часто для отпирания тиристора на него воздействуют напряжением (током) или светом (фототиристоры).
Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры, имеющие управляющий электрод. Последние делятся на однооперационные и двухоперационные.
В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора. Тиристор переходит в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Следовательно, основной отличительной особенностью тиристора является возможность произвольной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (а также динистора) производится изменением полярности напряжения анод – катод.
Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание и запирание тиристора. Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления.
Следует учесть, что промышленность выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Существующие же двухоперационные тиристоры имеют значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Такие тиристоры используются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.
На рис. 2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная характеристика тиристора. Буквами А, К, УЭ соответственно обозначены выводы анода, катода и управляющего элемента тиристора.
Основными параметрами, определяющими выбор тиристора и его работу в схеме преобразователя, являются: допустимый прямой ток, Iа доп, А; допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии, Uа max, В, допустимое обратное напряжение, Ubmax, В.
Максимальное прямое напряжение на тиристоре с учетом вариантов работы преобразовательной схемы не должно превышать рекомендованного рабочего напряжения.
Важным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии, Iуд, А, – минимальный прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, необходимый для расчета минимально допустимой нагрузки преобразователя.
Другие виды преобразовательных устройств
Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. С помощью комбинации р- и n-слоев создают полупроводниковую структуру, в которой при разной полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора.
Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.
Комментарий проверяется
Текст комментария будет виден после проверки администратором.