Konvertorové zariadenia v energetických systémoch

Elektrická energia sa vyrába v elektrárňach a distribuuje sa prevažne vo forme striedavého prúdu s napájacou frekvenciou. Aj keď veľké množstvo spotrebiteľov elektriny v priemysle vyžaduje na napájanie iné druhy elektriny.

Najčastejšie sa vyžaduje:

• D.C. (elektrochemické a elektrolýzne vane, jednosmerný elektrický pohon, elektrické dopravné a zdvíhacie zariadenia, elektrické zváracie zariadenia);

• striedavý prúd nepriemyselná frekvencia (indukčný ohrev, striedavý pohon s premenlivou rýchlosťou).

V tejto súvislosti je potrebné transformovať striedavý prúd na jednosmerný (usmernený) prúd alebo pri premene striedavého prúdu jednej frekvencie na striedavý prúd inej frekvencie. V systémoch prenosu elektrickej energie je v tyristorovom jednosmernom pohone potreba premeniť jednosmerný prúd na striedavý prúd (inverzia prúdu) v mieste spotreby.

Tieto príklady nepokrývajú všetky prípady, keď je potrebná premena elektrickej energie z jedného typu na druhý.Viac ako tretina všetkej vyrobenej elektriny sa premieňa na iný druh energie, a preto technický pokrok do značnej miery súvisí s úspešným vývojom konverzných zariadení (konverzných zariadení).

Klasifikácia zariadení na konverziu technológie

Hlavné typy konvertorových zariadení

Podiel konvertorových technologických zariadení na energetickej bilancii krajiny zaujíma významné miesto. Výhody polovodičových meničov v porovnaní s inými typmi meničov sú nepopierateľné. Hlavné výhody sú nasledovné:

— Polovodičové meniče majú vysoké regulačné a energetické charakteristiky;

— majú malé rozmery a hmotnosť;

— jednoduché a spoľahlivé v prevádzke;

— zabezpečiť bezkontaktné spínanie prúdov v napájacích obvodoch.

Vďaka týmto výhodám majú polovodičové meniče široké využitie: metalurgia neželezných kovov, chemický priemysel, železničná a mestská doprava, hutníctvo železa, strojárstvo, energetika a iné odvetvia.

Uvedieme definície hlavných typov konverzných zariadení.

Usmerňovač Je zariadenie na premenu striedavého napätia na jednosmerné napätie (U ~ → U =).

Invertor sa nazýva zariadenie na premenu jednosmerného napätia na striedavé napätie (U = → U ~).

Frekvenčný menič slúži na premenu striedavého napätia jednej frekvencie na striedavé napätie inej frekvencie (Uf1→Uf2).

Striedavý menič napätia (regulátor) je určený na zmenu (reguláciu) privádzaného napätia do záťaže, t.j. premieňa striedavé napätie jednej veličiny na striedavé napätie inej veličiny (U1 ~ → U2 ~).

Tu sú najpoužívanejšie typy zariadení na prepočítavanie technológií... Existuje množstvo prepočítavačov určených na premenu (reguláciu) veľkosti jednosmerného prúdu, počtu fáz meniča, tvaru krivky napätia atď.

Stručná charakteristika zariadení na konverziu elementovej bázy

Všetky meniče, určené na rôzne účely, majú spoločný princíp činnosti, ktorý je založený na pravidelnom zapínaní a vypínaní elektrických ventilov. V súčasnosti sa ako elektrické ventily používajú polovodičové zariadenia. Najpoužívanejšie diódy, tyristory, triaky a výkonové tranzistorypracuje v kľúčovom režime.

1. Diódy Predstavujú dvojelektródové prvky elektrického obvodu s jednostrannou vodivosťou. Vodivosť diódy závisí od polarity použitého napätia. Vo všeobecnosti sa diódy delia na diódy s nízkym výkonom (prípustný priemerný prúd Ia ≤ 1A), diódy so stredným výkonom (pridanie Ia = 1 – 10A) a diódy s vysokým výkonom (pridanie Ia ≥ 10A). Podľa účelu sa diódy delia na nízkofrekvenčné (fadd ≤ 500 Hz) a vysokofrekvenčné (fdop> 500 Hz).

Hlavnými parametrami usmerňovacích diód sú najvyšší priemerný usmernený prúd, prídavok Ia, A a najvyššie spätné napätie Ubmax, B, ktoré môže byť na diódu privedené dlhodobo bez nebezpečenstva narušenia jej činnosti.

V meničoch stredného a vysokého výkonu Použite výkonné (lavínové) diódy. Tieto diódy majú niektoré špecifické vlastnosti, pretože pracujú pri vysokých prúdoch a vysokých spätných napätiach, čo vedie k významnému uvoľneniu energie v p-n prechode.Preto by tu mali byť poskytnuté účinné metódy chladenia.

Ďalšou vlastnosťou výkonových diód je potreba ochrany pred krátkodobými prepätiami vznikajúcimi pri náhlych poklesoch záťaže, spínaní a núdzové režimy.

Ochrana napájacej diódy pred prepätím spočíva v prenose možného elektrického prierazu p-n — prechod z povrchových plôch na objem. V tomto prípade má porucha lavínový charakter a diódy sa nazývajú lavínové. Takéto diódy sú schopné prejsť dostatočne veľkým spätným prúdom bez prehriatia miestnych oblastí.

Pri vývoji obvodov konvertorových zariadení môže byť potrebné získať usmernený prúd presahujúci maximálnu prípustnú hodnotu jednej diódy. V tomto prípade sa paralelné pripojenie diód rovnakého typu používa s prijatím opatrení na vyrovnanie konštantných prúdov zariadení zahrnutých v skupine. Na zvýšenie celkového prípustného spätného napätia sa používa sériové zapojenie diód. Súčasne sa poskytujú opatrenia na vylúčenie nerovnomerného rozloženia spätného napätia.

Hlavnou charakteristikou polovodičových diód je charakteristika prúdového napätia (VAC). Polovodičová štruktúra a symbol diódy sú znázornené na obr. 1, a, b. Reverzná vetva prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy je znázornená na obr. 1, c (krivka 1 — I — V charakteristika lavínovej diódy, krivka 2 — I — V charakteristika klasickej diódy).

Ryža. 1 — Symbol a inverzná vetva prúdovo-napäťovej charakteristiky diódy.

Tyristory Je to štvorvrstvová polovodičová súčiastka s dvoma stabilnými stavmi: stavom nízkej vodivosti (tyristor zatvorený) a vysokou vodivosťou (tyristor otvorený). Prechod z jedného stabilného stavu do druhého je spôsobený pôsobením vonkajších faktorov. Na odblokovanie tyristora je najčastejšie ovplyvnené napätím (prúd) alebo svetlom (fototyristory).

Rozlišujte diódové tyristory (dynistory) a triódové tyristory riadiacej elektródy. Tie sú rozdelené na jednoúrovňové a dvojúrovňové.

V jednočinných tyristoroch sa na obvode hradla vykonáva iba operácia vypnutia tyristora. Tyristor prechádza do otvoreného stavu s kladným anódovým napätím a prítomnosťou riadiaceho impulzu na riadiacej elektróde. Preto je hlavným rozlišovacím znakom tyristora možnosť ľubovoľného oneskorenia v čase jeho spustenia v prítomnosti predného napätia na ňom. Uzamknutie jednočinného tyristora (ako aj dinistora) sa vykonáva zmenou polarity anódovo-katódového napätia.

Dvojité tyristory umožňujú riadiacemu obvodu odblokovať aj uzamknúť tyristor. Blokovanie sa vykonáva privedením riadiaceho impulzu opačnej polarity na riadiacu elektródu.

Treba poznamenať, že priemysel vyrába jednočinné tyristory pre prípustné prúdy tisíc ampérov a prípustné napätie jednotky kilovoltov. Existujúce dvojčinné tyristory majú výrazne nižšie prípustné prúdy ako jednočinné (jednotky a desiatky ampérov) a nižšie prípustné napätia. Takéto tyristory sa používajú v reléových zariadeniach a v konvertorových zariadeniach s nízkym výkonom.

Na obr.2 je znázornené konvenčné označenie tyristora, schéma polovodičovej štruktúry a prúdovo-napäťová charakteristika tyristora. Písmená A, K, UE označujú výstupy anódového, katódového a tyristorového riadiaceho prvku.

Hlavné parametre, ktoré určujú výber tyristora a jeho činnosť v obvode meniča, sú: prípustný dopredný prúd, prísada Ia, A; prípustné dopredné napätie v zatvorenom stave, Ua max, V, prípustné spätné napätie, Ubmax, V.

Maximálne dopredné napätie tyristora, berúc do úvahy prevádzkové možnosti obvodu meniča, by nemalo prekročiť odporúčané prevádzkové napätie.

Ryža. 2 — Symbol tyristora, schéma polovodičovej štruktúry a charakteristika prúdového napätia tyristora

Dôležitým parametrom je prídržný prúd tyristora v otvorenom stave, Isp, A, je minimálny dopredný prúd, pri nižších hodnotách sa tyristor vypína; parameter potrebný na výpočet minimálneho prípustného zaťaženia meniča.

Iné typy konverzných zariadení

Triaky (symetrické tyristory) vedú prúd v oboch smeroch. Polovodičová štruktúra triaku obsahuje päť polovodičových vrstiev a má zložitejšiu konfiguráciu ako tyristor. Kombináciou p- a n-vrstiev vytvorte polovodičovú štruktúru, v ktorej sú pri rôznych polaritách napätia splnené podmienky zodpovedajúce priamej vetve prúdovo-napäťovej charakteristiky tyristora.

Bipolárne tranzistorypracuje v kľúčovom režime.Na rozdiel od bifunkčného tyristora v hlavnom obvode tranzistora je potrebné udržiavať riadiaci signál počas celého vodivého stavu spínača. Plne ovládateľný spínač môže byť realizovaný bipolárnym tranzistorom.

Ph.D. Kolyada L.I.