Pretvarački uređaji u elektroenergetskim sustavima

Električna energija se proizvodi u elektranama i distribuira uglavnom u obliku izmjenične struje s frekvencijom napajanja. Ipak velik broj potrošači električne energije u industriji zahtijeva druge vrste električne energije za svoje napajanje.

Najčešće je potrebno:

• D.C. (elektrokemijske i elektrolizne kupke, istosmjerni električni pogon, električni transportni i dizni uređaji, električni uređaji za zavarivanje);

• naizmjenična struja neindustrijska frekvencija (indukcijsko grijanje, AC pogon promjenjive brzine).

S tim u vezi postaje potrebno transformirati izmjeničnu struju u istosmjernu (ispravljenu) struju ili kod pretvaranja izmjenične struje jedne frekvencije u izmjeničnu struju druge frekvencije. U sustavima prijenosa električne energije, u tiristorskom istosmjernom pogonu, postoji potreba za pretvaranjem istosmjerne struje u izmjeničnu (inverzija struje) na mjestu potrošnje.

Ovi primjeri ne pokrivaju sve slučajeve u kojima je potrebna pretvorba električne energije iz jedne vrste u drugu.Više od trećine sve proizvedene električne energije pretvara se u drugu vrstu energije, zbog čega je tehnički napredak u velikoj mjeri vezan uz uspješan razvoj uređaja za pretvaranje (pretvorbena oprema).

Klasifikacija uređaja za pretvorbu tehnologije

Glavne vrste pretvaračkih uređaja

Udio pretvorbenih tehnoloških uređaja u energetskoj bilanci zemlje zauzima značajno mjesto. Prednosti poluvodičkih pretvarača u odnosu na druge vrste pretvarača su neosporne. Glavne prednosti su sljedeće:

— Poluvodički pretvarači imaju visoke regulacijske i energetske karakteristike;

— imaju male dimenzije i težinu;

— jednostavan i pouzdan u radu;

— osigurati beskontaktno prebacivanje struja u krugovima napajanja.

Zahvaljujući ovim prednostima, poluvodički pretvarači nalaze široku primjenu: obojena metalurgija, kemijska industrija, željeznički i gradski promet, crna metalurgija, strojarstvo, energetika i druge industrije.

Dat ćemo definicije glavnih vrsta uređaja za pretvorbu.

Ispravljač je uređaj za pretvaranje izmjeničnog napona u istosmjerni (U ~ → U =).

Inverterom se naziva uređaj za pretvaranje istosmjernog napona u izmjenični napon (U = → U ~).

Frekvencijski pretvarač služi za pretvaranje izmjeničnog napona jedne frekvencije u izmjenični napon druge frekvencije (Uf1→Uf2).

Pretvarač izmjeničnog napona (regulator) dizajniran je za promjenu (regulaciju) napona koji se dovodi do opterećenja, tj. pretvara izmjenični napon jedne veličine u izmjenični napon druge veličine (U1 ~ → U2 ~).

Ovdje su najčešće korištene vrste uređaja za pretvorbu tehnologije... Postoji niz uređaja za pretvorbu namijenjenih pretvorbi (regulaciji) veličine istosmjerne struje, broja faza pretvarača, oblika krivulje napona itd.

Kratke karakteristike pretvaračkih uređaja elementne baze

Svi uređaji za pretvaranje, dizajnirani za različite namjene, imaju zajednički princip rada, koji se temelji na periodičnom uključivanju i isključivanju električnih ventila. Trenutno se poluvodički uređaji koriste kao električni ventili. Najraširenije diode, tiristori, trijaci i tranzistori snageradi u ključnom načinu rada.

1. Diode Predstavljaju dvoelektrodne elemente električnog kola s jednostranom vodljivošću. Vodljivost diode ovisi o polaritetu primijenjenog napona. Općenito, diode se dijele na diode male snage (dopuštena prosječna struja Ia ≤ 1A), diode srednje snage (dodatak Ia = 1 — 10A) i diode velike snage (dodatak Ia ≥ 10A). Prema namjeni diode se dijele na niskofrekventne (fadd ≤ 500 Hz) i visokofrekventne (fdop> 500 Hz).

Glavni parametri ispravljačkih dioda su najveća prosječna ispravljena struja, Ia dodatak, A, i najveći reverzni napon, Ubmax, B, koji se na diodu može primjenjivati ​​dulje vrijeme bez opasnosti od poremećaja njezina rada.

U pretvaračima srednje i velike snage Primijenite snažne (lavinske) diode. Ove diode imaju neke specifične karakteristike jer rade pri visokim strujama i visokim reverznim naponima, što rezultira značajnim oslobađanjem snage u p-n spoju.Dakle, ovdje treba osigurati učinkovite metode hlađenja.

Druga značajka energetskih dioda je potreba za zaštitom od kratkotrajnih prenapona koji proizlaze iz naglih padova opterećenja, prebacivanja i hitni načini rada.

Zaštita napojne diode od prenapona sastoji se u prijenosu mogućeg električnog sloma p-n - prijelaz s površinskih površina na rasuti. U ovom slučaju kvar ima lavinski karakter, a diode se nazivaju lavinskim. Takve diode mogu proći dovoljno veliku povratnu struju bez pregrijavanja lokalnih područja.

Pri razvoju krugova pretvaračkih uređaja može biti potrebno dobiti ispravljenu struju koja prelazi najveću dopuštenu vrijednost jedne diode. U ovom slučaju koristi se paralelno spajanje dioda istog tipa uz poduzimanje mjera za izjednačavanje konstantnih struja uređaja uključenih u skupinu. Za povećanje ukupnog dopuštenog obrnutog napona koristi se serijsko povezivanje dioda. Istodobno su predviđene mjere za isključivanje neravnomjerne raspodjele obrnutog napona.

Glavna karakteristika poluvodičkih dioda je strujno-naponska (VAC) karakteristika. Struktura poluvodiča i simbol diode prikazani su na sl. 1, a, b. Obrnuta grana strujno-naponske karakteristike diode prikazana je na sl. 1, c (krivulja 1 — I — V karakteristika lavinske diode, krivulja 2 — I — V karakteristika konvencionalne diode).

Riža. 1 — Simbol i inverzna grana strujno-naponske karakteristike diode.

Tiristori Četveroslojni je poluvodički element s dva stabilna stanja: stanje niske vodljivosti (tiristor zatvoren) i stanje visoke vodljivosti (tiristor otvoren). Prijelaz iz jednog stabilnog stanja u drugo posljedica je djelovanja vanjskih čimbenika. Najčešće, za otključavanje tiristora, na njega utječe napon (struja) ili svjetlost (fototiristori).

Razlikuju se diodni tiristori (dinistori) i triodni tiristori upravljačka elektroda. Potonji su podijeljeni na jednoslojne i dvoslojne.

U tiristorima s jednostrukim djelovanjem, samo se operacija isključivanja tiristora izvodi u krugu vrata. Tiristor prelazi u otvoreno stanje s pozitivnim anodnim naponom i prisutnošću upravljačkog impulsa na upravljačkoj elektrodi. Stoga je glavna karakteristika tiristora mogućnost proizvoljnog kašnjenja u trenutku njegovog paljenja u prisutnosti prednjeg napona na njemu. Zaključavanje tiristora s jednom operacijom (kao i dinistora) provodi se promjenom polariteta napona anoda-katoda.

Dvostruki tiristori omogućuju upravljačkom krugu otključavanje i zaključavanje tiristora. Zaključavanje se izvodi primjenom kontrolnog impulsa obrnutog polariteta na kontrolnu elektrodu.

Treba napomenuti da industrija proizvodi tiristore s jednostrukim djelovanjem za dopuštene struje od tisuća ampera i dopuštene napone jedinice kilovolta. Postojeći dvostruki tiristori imaju znatno niže dopuštene struje od jednostrukih (jedinice i deseci ampera) i niže dopuštene napone. Takvi se tiristori koriste u relejnoj opremi iu pretvaračkim uređajima male snage.

Na sl.Slika 2 prikazuje konvencionalnu oznaku tiristora, shemu strukture poluvodiča i strujno-naponsku karakteristiku tiristora. Slova A, K, UE redom označavaju izlaze anode, katode i tiristorskog upravljačkog elementa.

Glavni parametri koji određuju izbor tiristora i njegov rad u krugu pretvarača su: dopuštena struja naprijed, Ia aditiv, A; dopušteni prednji napon u zatvorenom stanju, Ua max, V, dopušteni povratni napon, Ubmax, V.

Maksimalni prednji napon tiristora, uzimajući u obzir radne mogućnosti kruga pretvarača, ne smije premašiti preporučeni radni napon.

Riža. 2 — Simbol tiristora, dijagram strukture poluvodiča i strujno-naponska karakteristika tiristora

Važan parametar je struja držanja tiristora u otvorenom stanju, Isp, A, je minimalna struja naprijed, pri nižim vrijednostima od kojih se tiristor isključuje; parametar potreban za izračunavanje minimalno dopuštenog opterećenja pretvarača.

Druge vrste uređaja za pretvorbu

Trijaci (simetrični tiristori) provode struju u oba smjera. Poluvodička struktura triaka sadrži pet poluvodičkih slojeva i ima složeniju konfiguraciju od tiristora. Kombinacijom p- i n-slojeva stvara se poluvodička struktura u kojoj su, pri različitim polaritetima napona, ispunjeni uvjeti koji odgovaraju izravnoj grani strujno-naponske karakteristike tiristora.

Bipolarni tranzistoriradi u ključnom načinu rada.Za razliku od dvooperacijskog tiristora u glavnom krugu tranzistora potrebno je održavati upravljački signal kroz cijelo vodljivo stanje sklopke. Potpuno upravljiva sklopka može se ostvariti s bipolarnim tranzistorom.

dr.sc. Kolyada L.I.