Συσκευές μετατροπέων σε συστήματα ισχύος

Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και διανέμεται κυρίως με τη μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος με συχνότητα παροχής. Μεγάλος αριθμός όμως καταναλωτές ηλεκτρικής ενέργειας στη βιομηχανία απαιτεί άλλους τύπους ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία της.

Τις περισσότερες φορές απαιτούνται:

• D.C. (ηλεκτροχημικά και λουτρά ηλεκτρόλυσης, ηλεκτρική κίνηση συνεχούς ρεύματος, ηλεκτρικές συσκευές μεταφοράς και ανύψωσης, ηλεκτρικές συσκευές συγκόλλησης).

• εναλλασσόμενο ρεύμα μη βιομηχανική συχνότητα (επαγωγική θέρμανση, μεταβλητή ταχύτητα AC).

Σε αυτό το πλαίσιο, καθίσταται απαραίτητος ο μετασχηματισμός του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές (ανορθωμένο) ρεύμα ή κατά τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος μιας συχνότητας σε εναλλασσόμενο ρεύμα μιας άλλης συχνότητας. Στα συστήματα μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας, σε ένα σύστημα κίνησης συνεχούς ρεύματος με θυρίστορ, υπάρχει ανάγκη μετατροπής του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο ρεύμα (αντιστροφή ρεύματος) στο σημείο κατανάλωσης.

Αυτά τα παραδείγματα δεν καλύπτουν όλες τις περιπτώσεις όπου απαιτείται μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας από έναν τύπο σε άλλο.Περισσότερο από το ένα τρίτο του συνόλου της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε άλλο είδος ενέργειας, γι' αυτό η τεχνική πρόοδος σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με την επιτυχή ανάπτυξη συσκευών μετατροπής (εξοπλισμός μετατροπής).

Ταξινόμηση συσκευών μετατροπής τεχνολογίας

Οι κύριοι τύποι συσκευών μετατροπής

Το μερίδιο των τεχνολογικών συσκευών μετατροπής στο ενεργειακό ισοζύγιο της χώρας κατέχει σημαντική θέση. Τα πλεονεκτήματα των μετατροπέων ημιαγωγών, σε σύγκριση με άλλους τύπους μετατροπέων, είναι αναμφισβήτητα. Τα κύρια πλεονεκτήματα είναι τα ακόλουθα:

— Οι μετατροπείς ημιαγωγών έχουν υψηλή ρύθμιση και ενεργειακά χαρακτηριστικά.

— έχουν μικρές διαστάσεις και βάρος.

— απλό και αξιόπιστο στη λειτουργία·

— παρέχουν ανεπαφική μεταγωγή ρευμάτων σε κυκλώματα τροφοδοσίας.

Χάρη σε αυτά τα πλεονεκτήματα, οι μετατροπείς ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως: μη σιδηρούχα μεταλλουργία, χημική βιομηχανία, σιδηροδρομικές και αστικές μεταφορές, σιδηρούχα μεταλλουργία, μηχανολογία, ενέργεια και άλλες βιομηχανίες.

Θα δώσουμε ορισμούς των κύριων τύπων συσκευών μετατροπής.

Ανορθωτής Είναι μια συσκευή για τη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε τάση συνεχούς ρεύματος (U ~ → U =).

Ένας μετατροπέας ονομάζεται μια συσκευή για τη μετατροπή της άμεσης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση (U = → U ~).

Ένας μετατροπέας συχνότητας χρησιμεύει για τη μετατροπή μιας εναλλασσόμενης τάσης μιας συχνότητας σε μια εναλλασσόμενη τάση μιας άλλης συχνότητας (Uf1→Uf2).

Ένας μετατροπέας τάσης AC (ρυθμιστής) έχει σχεδιαστεί για να αλλάζει (ρυθμίζει) την τάση που παρέχεται στο φορτίο, δηλ. μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση μιας ποσότητας σε εναλλασσόμενη τάση μιας άλλης ποσότητας (U1 ~ → U2 ~).

Εδώ είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι τύποι συσκευών μετατροπής τεχνολογίας... Υπάρχει ένας αριθμός συσκευών μετατροπής που έχουν σχεδιαστεί για να μετατρέπουν (ρυθμίζουν) το μέγεθος του συνεχούς ρεύματος, τον αριθμό των φάσεων του μετατροπέα, το σχήμα της καμπύλης τάσης κ.λπ.

Σύντομα χαρακτηριστικά των συσκευών μετατροπής βάσης στοιχείων

Όλες οι συσκευές μετατροπής, σχεδιασμένες για διαφορετικούς σκοπούς, έχουν μια κοινή αρχή λειτουργίας, η οποία βασίζεται στην περιοδική ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των ηλεκτρικών βαλβίδων. Επί του παρόντος, οι συσκευές ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρικές βαλβίδες. Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες δίοδοι, θυρίστορ, triacs και τρανζίστορ ισχύοςλειτουργεί σε λειτουργία κλειδιού.

1. Δίοδοι Αντιπροσωπεύουν στοιχεία δύο ηλεκτροδίων ενός ηλεκτρικού κυκλώματος με μονόπλευρη αγωγιμότητα. Η αγωγιμότητα μιας διόδου εξαρτάται από την πολικότητα της εφαρμοζόμενης τάσης. Γενικά, οι δίοδοι χωρίζονται σε δίοδοι χαμηλής ισχύος (επιτρεπόμενο μέσο ρεύμα Ia ≤ 1A), δίοδοι μέσης ισχύος (με προσθήκη Ia = 1 — 10A) και δίοδοι υψηλής ισχύος (με προσθήκη Ia ≥ 10A). Σύμφωνα με τον σκοπό τους, οι δίοδοι χωρίζονται σε χαμηλής συχνότητας (fadd ≤ 500 Hz) και υψηλής συχνότητας (fdop> 500 Hz).

Οι κύριες παράμετροι των διόδων ανορθωτή είναι το υψηλότερο μέσο ανορθωμένο ρεύμα, προσθήκη Ia, A και η υψηλότερη αντίστροφη τάση, Ubmax, B, που μπορεί να εφαρμοστεί στη δίοδο για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς κίνδυνο διαταραχής της λειτουργίας της.

Σε μετατροπείς μέσης και υψηλής ισχύος Εφαρμόστε ισχυρές (χιονοστιβάδες) διόδους. Αυτές οι δίοδοι έχουν κάποια συγκεκριμένα χαρακτηριστικά καθώς λειτουργούν σε υψηλά ρεύματα και υψηλές αντίστροφες τάσεις, με αποτέλεσμα σημαντική απελευθέρωση ισχύος στη διασταύρωση p-n.Επομένως, εδώ θα πρέπει να παρέχονται αποτελεσματικές μέθοδοι ψύξης.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό των διόδων ισχύος είναι η ανάγκη προστασίας από βραχυπρόθεσμες υπερτάσεις που προκύπτουν από ξαφνικές πτώσεις φορτίου, μεταγωγή και καταστάσεις έκτακτης ανάγκης.

Η προστασία της διόδου τροφοδοσίας από την υπέρταση συνίσταται στη μεταφορά μιας πιθανής ηλεκτρικής βλάβης p-n - μια μετάβαση από τις επιφάνειες στο χύμα. Σε αυτή την περίπτωση, η βλάβη έχει χαρακτήρα χιονοστιβάδας και οι δίοδοι ονομάζονται χιονοστιβάδα. Τέτοιες δίοδοι μπορούν να περάσουν ένα αρκετά μεγάλο αντίστροφο ρεύμα χωρίς υπερθέρμανση των τοπικών περιοχών.

Κατά την ανάπτυξη κυκλωμάτων συσκευών μετατροπέα, μπορεί να είναι απαραίτητο να ληφθεί ένα διορθωμένο ρεύμα που υπερβαίνει τη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή μιας μεμονωμένης διόδου. Σε αυτή την περίπτωση, η παράλληλη σύνδεση διόδων του ίδιου τύπου χρησιμοποιείται με τη λήψη μέτρων για την εξίσωση των σταθερών ρευμάτων των συσκευών που περιλαμβάνονται στην ομάδα. Για να αυξηθεί η συνολική επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση, χρησιμοποιείται σειριακή σύνδεση διόδων. Παράλληλα, προβλέπονται μέτρα για τον αποκλεισμό της ανομοιόμορφης κατανομής της αντίστροφης τάσης.

Το κύριο χαρακτηριστικό των διόδων ημιαγωγών είναι το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης (VAC). Η δομή ημιαγωγού και το σύμβολο της διόδου φαίνονται στο Σχ. 1, α, β. Ο αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της διόδου φαίνεται στο Σχ. 1, c (καμπύλη 1 — I — V χαρακτηριστικό μιας διόδου χιονοστιβάδας, καμπύλη 2 — I — V χαρακτηριστικό μιας συμβατικής διόδου).

Ρύζι. 1 — Σύμβολο και αντίστροφος κλάδος του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης διόδου.

Θυρίστορ Είναι μια συσκευή ημιαγωγών τεσσάρων στρωμάτων με δύο σταθερές καταστάσεις: μια κατάσταση χαμηλής αγωγιμότητας (κλειστό θυρίστορ) και υψηλή αγωγιμότητα (ανοικτό θυρίστορ). Η μετάβαση από τη μια σταθερή κατάσταση στην άλλη οφείλεται στη δράση εξωτερικών παραγόντων. Τις περισσότερες φορές, για να ξεκλειδώσετε ένα θυρίστορ, επηρεάζεται από την τάση (ρεύμα) ή το φως (φωτοθυρίστορ).

Διακρίνετε τα θυρίστορ διόδου (dynistor) και το ηλεκτρόδιο ελέγχου τριοδικών θυρίστορ. Τα τελευταία χωρίζονται σε μονοβάθμια και δύο επίπεδα.

Στα θυρίστορ μίας ενέργειας, μόνο η λειτουργία απενεργοποίησης θυρίστορ εκτελείται στο κύκλωμα πύλης. Το θυρίστορ πηγαίνει σε ανοιχτή κατάσταση με θετική τάση ανόδου και παρουσία παλμού ελέγχου στο ηλεκτρόδιο ελέγχου. Ως εκ τούτου, το κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα του θυρίστορ είναι η δυνατότητα αυθαίρετης καθυστέρησης κατά τη στιγμή της πυροδότησης του με την παρουσία τάσης προς τα εμπρός σε αυτό. Το κλείδωμα ενός θυρίστορ μίας λειτουργίας (καθώς και ενός δινιστόρ) πραγματοποιείται με αλλαγή της πολικότητας της τάσης ανόδου-καθόδου.

Τα θυρίστορ διπλής λειτουργίας επιτρέπουν στο κύκλωμα ελέγχου να ξεκλειδώνει και να κλειδώνει το θυρίστορ. Το κλείδωμα πραγματοποιείται με την εφαρμογή ενός παλμού ελέγχου αντίστροφης πολικότητας στο ηλεκτρόδιο ελέγχου.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η βιομηχανία παράγει θυρίστορ μίας δράσης για επιτρεπόμενα ρεύματα χιλιάδων αμπέρ και επιτρεπόμενες τάσεις μονάδας κιλοβολτ. Τα υπάρχοντα θυρίστορ διπλής δράσης έχουν σημαντικά χαμηλότερα επιτρεπόμενα ρεύματα από τα μονής δράσης (μονάδες και δεκάδες αμπέρ) και χαμηλότερες επιτρεπόμενες τάσεις. Τέτοια θυρίστορ χρησιμοποιούνται σε εξοπλισμό ρελέ και σε συσκευές μετατροπέων χαμηλής ισχύος.

Στο σχ.Το σχήμα 2 δείχνει τη συμβατική ονομασία του θυρίστορ, τη σχηματική εικόνα της δομής του ημιαγωγού και το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης του θυρίστορ. Τα γράμματα A, K, UE αντίστοιχα δηλώνουν τις εξόδους του στοιχείου ελέγχου ανόδου, καθόδου και θυρίστορ.

Οι κύριες παράμετροι που καθορίζουν την επιλογή ενός θυρίστορ και τη λειτουργία του στο κύκλωμα του μετατροπέα είναι: επιτρεπόμενο προς τα εμπρός ρεύμα, πρόσθετο Ia, A; Επιτρεπόμενη προς τα εμπρός τάση σε κλειστή κατάσταση, Ua max, V, επιτρεπόμενη αντίστροφη τάση, Ubmax, V.

Η μέγιστη προς τα εμπρός τάση του θυρίστορ, λαμβάνοντας υπόψη τις δυνατότητες λειτουργίας του κυκλώματος μετατροπέα, δεν πρέπει να υπερβαίνει τη συνιστώμενη τάση λειτουργίας.

Ρύζι. 2 — Σύμβολο θυρίστορ, διάγραμμα δομής ημιαγωγών και χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης θυρίστορ

Μια σημαντική παράμετρος είναι το ρεύμα συγκράτησης του θυρίστορ σε ανοιχτή κατάσταση, Isp, A, είναι το ελάχιστο προς τα εμπρός ρεύμα, σε χαμηλότερες τιμές του οποίου το θυρίστορ απενεργοποιείται. παράμετρος που απαιτείται για τον υπολογισμό του ελάχιστου επιτρεπόμενου φορτίου του μετατροπέα.

Άλλοι τύποι συσκευών μετατροπής

Τα Triacs (συμμετρικά θυρίστορ) μεταφέρουν ρεύμα και στις δύο κατευθύνσεις. Η δομή ημιαγωγών ενός triac περιέχει πέντε στρώματα ημιαγωγών και έχει πιο περίπλοκη διαμόρφωση από το θυρίστορ. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό στρωμάτων p και n δημιουργείται μια δομή ημιαγωγού στην οποία, σε διαφορετικές πολικότητες τάσης, πληρούνται οι συνθήκες που αντιστοιχούν στον άμεσο κλάδο του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης του θυρίστορ.

Διπολικά τρανζίστορλειτουργεί σε λειτουργία κλειδιού.Σε αντίθεση με το διλειτουργικό θυρίστορ στο κύριο κύκλωμα του τρανζίστορ, είναι απαραίτητο να διατηρείται ένα σήμα ελέγχου σε όλη την κατάσταση αγωγιμότητας του διακόπτη. Ένας πλήρως ελεγχόμενος διακόπτης μπορεί να πραγματοποιηθεί με ένα διπολικό τρανζίστορ.

Ph.D. Kolyada L.I.