Pretvorniške naprave v elektroenergetskih sistemih

Električna energija se proizvaja v elektrarnah in se distribuira predvsem v obliki izmeničnega toka z napajalno frekvenco. Vendar veliko število porabniki električne energije v industriji za svoje napajanje potrebuje druge vrste električne energije.

Najpogosteje se zahteva:

• D.C. (elektrokemijske in elektrolizne kopeli, enosmerni električni pogon, električne transportne in dvižne naprave, elektrovarilne naprave);

• izmenični tok neindustrijska frekvenca (indukcijsko ogrevanje, AC pogon s spremenljivo hitrostjo).

V zvezi s tem se pojavi potreba po pretvorbi izmeničnega toka v enosmerni (uspravljeni) tok ali pri pretvorbi izmeničnega toka ene frekvence v izmenični tok druge frekvence. V sistemih za prenos električne energije je v tiristorskem enosmernem pogonu potrebna pretvorba enosmernega toka v izmenični tok (tokovna inverzija) na odjemnem mestu.

Ti primeri ne zajemajo vseh primerov, kjer je potrebna pretvorba električne energije iz ene vrste v drugo.Več kot tretjina vse proizvedene električne energije se pretvori v drugo vrsto energije, zato je tehnični napredek v veliki meri povezan z uspešnim razvojem pretvorniških naprav (pretvorniške opreme).

Razvrstitev naprav za pretvorbo tehnologije

Glavne vrste pretvornih naprav

Delež predelovalnih tehnoloških naprav v energetski bilanci države zavzema pomembno mesto. Prednosti polprevodniških pretvornikov v primerjavi z drugimi vrstami pretvornikov so nesporne. Glavne prednosti so naslednje:

— Polprevodniški pretvorniki imajo visoke regulacijske in energijske lastnosti;

— imajo majhne dimenzije in težo;

— enostavno in zanesljivo delovanje;

— zagotoviti brezkontaktno preklapljanje tokov v napajalnih tokokrogih.

Zaradi teh prednosti se polprevodniški pretvorniki pogosto uporabljajo: barvna metalurgija, kemična industrija, železniški in mestni promet, črna metalurgija, strojništvo, energetika in druge industrije.

Podali bomo definicije glavnih vrst pretvorniških naprav.

Usmernik Je naprava za pretvorbo izmenične napetosti v enosmerno (U ~ → U =).

Razsmernik imenujemo naprava za pretvarjanje enosmerne napetosti v izmenično (U = → U ~).

Frekvenčni pretvornik služi za pretvorbo izmenične napetosti ene frekvence v izmenično napetost druge frekvence (Uf1→Uf2).

Pretvornik izmenične napetosti (regulator) je namenjen spreminjanju (regulaciji) napetosti, ki se dovaja bremenu, tj. pretvarja izmenično napetost ene količine v izmenično napetost druge količine (U1 ~ → U2 ~).

Tukaj so najpogosteje uporabljene vrste naprav za pretvorbo tehnologije ... Obstajajo številne pretvorne naprave, namenjene pretvorbi (regulaciji) velikosti enosmernega toka, števila faz pretvornika, oblike napetostne krivulje itd.

Kratke značilnosti naprav za pretvorbo elementne baze

Vse pretvorne naprave, zasnovane za različne namene, imajo skupno načelo delovanja, ki temelji na periodičnem vklopu in izklopu električnih ventilov. Trenutno se polprevodniške naprave uporabljajo kot električni ventili. Najbolj razširjene diode, tiristorji, triaki in močnostni tranzistorjideluje v ključnem načinu.

1. Diode Predstavljajo dvoelektrodne elemente električnega tokokroga z enostransko prevodnostjo. Prevodnost diode je odvisna od polarnosti uporabljene napetosti. Na splošno se diode delijo na diode majhne moči (dovoljen povprečni tok Ia ≤ 1A), diode srednje moči (dodatek Ia = 1 — 10A) in diode velike moči (dodatek Ia ≥ 10A). Glede na namen delimo diode na nizkofrekvenčne (fadd ≤ 500 Hz) in visokofrekvenčne (fdop> 500 Hz).

Glavna parametra usmerniških diod sta najvišji povprečni popravljeni tok, Ia dodatek, A, in najvišja povratna napetost, Ubmax, B, ki ju lahko na diodo pripeljemo dolgo časa brez nevarnosti, da bi motili njeno delovanje.

V pretvornikih srednje in visoke moči uporabite močne (lavinske) diode. Te diode imajo nekaj posebnih značilnosti, saj delujejo pri visokih tokovih in visokih povratnih napetostih, kar povzroči znatno sprostitev moči v p-n spoju.Zato je treba tukaj zagotoviti učinkovite metode hlajenja.

Druga značilnost močnostnih diod je potreba po zaščiti pred kratkotrajnimi prenapetostmi, ki nastanejo zaradi nenadnih padcev obremenitve, preklapljanja in zasilni načini.

Zaščita napajalne diode pred prenapetostjo je sestavljena iz prenosa morebitne električne okvare p-n - prehoda s površin na razsuti del. V tem primeru ima razčlenitev lavinski značaj, diode pa imenujemo plaz. Takšne diode lahko prenesejo dovolj velik povratni tok brez pregrevanja lokalnih območij.

Pri razvoju vezij pretvorniških naprav bo morda treba pridobiti popravljeni tok, ki presega največjo dovoljeno vrednost ene diode. V tem primeru se uporablja vzporedna povezava diod istega tipa s sprejetjem ukrepov za izenačitev konstantnih tokov naprav, vključenih v skupino. Za povečanje skupne dovoljene povratne napetosti se uporablja serijska povezava diod. Hkrati so zagotovljeni ukrepi za izključitev neenakomerne porazdelitve povratne napetosti.

Glavna značilnost polprevodniških diod je tokovno-napetostna (VAC) karakteristika. Struktura polprevodnika in simbol diode sta prikazana na sl. 1, a, b. Povratna veja tokovno-napetostne karakteristike diode je prikazana na sl. 1, c (krivulja 1 — I — V, značilna za lavinsko diodo, krivulja 2 — I — V, značilna za konvencionalno diodo).

riž. 1 - Simbol in inverzna veja tokovno-napetostne karakteristike diode.

Tiristorji Je štirislojna polprevodniška naprava z dvema stabilnima stanjema: stanjem nizke prevodnosti (tiristor zaprt) in visoko prevodnosti (tiristor odprt). Prehod iz enega stabilnega stanja v drugega je posledica delovanja zunanjih dejavnikov. Najpogosteje za odklepanje tiristorja vpliva napetost (tok) ali svetloba (fototiristorji).

Razlikovati diodne tiristorje (dinistorje) in triodne tiristorje krmilne elektrode. Slednji so razdeljeni na enostopenjske in dvonivojske.

Pri tiristorjih z enojnim delovanjem se na vezju vrat izvaja samo operacija izklopa tiristorja. Tiristor preide v odprto stanje s pozitivno anodno napetostjo in prisotnostjo krmilnega impulza na krmilni elektrodi. Zato je glavna značilnost tiristorja možnost poljubne zakasnitve v času njegovega sprožitve v prisotnosti napetosti naprej. Zaklepanje enodelnega tiristorja (kot tudi dinistorja) se izvede s spremembo polarnosti anodno-katodne napetosti.

Dvojni tiristorji omogočajo krmilnemu vezju, da odklene in zaklene tiristor. Zaklepanje se izvede z uporabo krmilnega impulza obratne polarnosti na krmilno elektrodo.

Treba je opozoriti, da industrija proizvaja tiristorje z enim delovanjem za dovoljene tokove na tisoče amperov in dovoljene napetosti enote kilovoltov. Obstoječi tiristorji z dvojnim delovanjem imajo bistveno nižje dovoljene tokove kot tiristorji z enojnim delovanjem (enote in desetine amperov) in nižje dovoljene napetosti. Takšni tiristorji se uporabljajo v relejni opremi in v pretvorniških napravah z nizko močjo.

Na sl.2 prikazuje konvencionalno oznako tiristorja, shemo strukture polprevodnika in tokovno-napetostno karakteristiko tiristorja. Črke A, K, UE oziroma označujejo izhode anode, katode in tiristorskega krmilnega elementa.

Glavni parametri, ki določajo izbiro tiristorja in njegovo delovanje v pretvorniškem vezju, so: dovoljeni prednji tok, Ia dodatek, A; dovoljena napetost naprej v zaprtem stanju, Ua max, V, dopustna napetost povratka, Ubmax, V.

Največja sprednja napetost tiristorja, ob upoštevanju delovnih zmogljivosti pretvorniškega vezja, ne sme preseči priporočene delovne napetosti.

riž. 2 - Simbol tiristorja, diagram strukture polprevodnika in tokovno-napetostna karakteristika tiristorja

Pomemben parameter je zadrževalni tok tiristorja v odprtem stanju, Isp, A, je najmanjši prednji tok, pri nižjih vrednostih katerega se tiristor izklopi; parameter, potreben za izračun najmanjše dovoljene obremenitve pretvornika.

Druge vrste naprav za pretvorbo

Triaki (simetrični tiristorji) vodijo tok v obe smeri. Polprevodniška struktura triaka vsebuje pet polprevodniških plasti in ima bolj zapleteno konfiguracijo kot tiristor. S kombinacijo p- in n-slojev ustvarite polprevodniško strukturo, v kateri so pri različnih polaritetah napetosti izpolnjeni pogoji, ki ustrezajo neposredni veji tokovno-napetostne karakteristike tiristorja.

Bipolarni tranzistorjideluje v ključnem načinu.Za razliko od bioperacijskega tiristorja v glavnem vezju tranzistorja je treba vzdrževati krmilni signal skozi celotno prevodno stanje stikala. Popolnoma nadzorovano stikalo je mogoče realizirati z bipolarnim tranzistorjem.

dr. Kolyada L.I.