Omvandlarenheter i kraftsystem

Elektrisk energi genereras i kraftverk och distribueras huvudsakligen i form av växelström med matningsfrekvens. Ett stort antal dock elkonsumenter inom industrin kräver andra typer av el för sin strömförsörjning.

Oftast krävs:

• D.C. (elektrokemiska och elektrolysbad, likströmsdrivning, elektriska transport- och lyftanordningar, elektriska svetsanordningar);

• växelström icke-industriell frekvens (induktionsvärmefrekvensomriktare med variabel hastighet).

I detta sammanhang blir det nödvändigt att transformera växelström till likström eller vid konvertering av växelström av en frekvens till växelström av en annan frekvens. I elektriska kraftöverföringssystem, i en tyristor DC-drivenhet, finns det ett behov av att omvandla likström till växelström (ströminversion) vid förbrukningspunkten.

Dessa exempel täcker inte alla fall där omvandling av elektrisk energi från en typ till en annan krävs.Mer än en tredjedel av all producerad el omvandlas till en annan typ av energi, varför tekniska framsteg till stor del är relaterade till framgångsrik utveckling av omvandlingsanordningar (konverteringsutrustning).

Klassificering av teknikkonverteringsenheter

De viktigaste typerna av konverteringsenheter

Andelen omvandling av tekniska enheter i landets energibalans har en betydande plats. Fördelarna med halvledaromvandlare, jämfört med andra typer av omvandlare, är obestridliga. De viktigaste fördelarna är följande:

— Halvledaromvandlare har höga reglerings- och energiegenskaper.

— ha små dimensioner och vikt;

— Enkel och tillförlitlig i drift.

— tillhandahålla kontaktlös omkoppling av strömmar i strömförsörjningskretsar.

Tack vare dessa fördelar används halvledaromvandlare i stor utsträckning: icke-järnmetallurgi, kemisk industri, järnvägs- och stadstransporter, järnmetallurgi, maskinteknik, energi och andra industrier.

Vi kommer att ge definitioner av huvudtyperna av konverteringsenheter.

Likriktare Det är en anordning för att omvandla AC-spänning till DC-spänning (U ~ → U =).

En växelriktare kallas en anordning för att omvandla likspänning till växelspänning (U = → U ~).

En frekvensomvandlare tjänar till att omvandla en växelspänning av en frekvens till en växelspänning med en annan frekvens (Uf1→Uf2).

En AC-spänningsomvandlare (regulator) är utformad för att ändra (reglera) spänningen som tillförs belastningen, d.v.s. omvandlar växelspänning av en kvantitet till växelspänning av en annan storhet (U1 ~ → U2 ~).

Här är de mest använda typerna av teknikkonverteringsenheter... Det finns ett antal omvandlingsenheter som är utformade för att omvandla (reglera) storleken på likström, antalet omvandlarfaser, formen på spänningskurvan, etc.

Korta egenskaper hos elementbasomvandlingsanordningarna

Alla omvandlingsanordningar, utformade för olika ändamål, har en gemensam funktionsprincip, som bygger på periodisk på- och avkoppling av elektriska ventiler. För närvarande används halvledarenheter som elektriska ventiler. De mest använda dioderna, tyristorer, triacs och krafttransistorerfungerar i nyckelläge.

1. Dioder Representerar tvåelektrodelement i en elektrisk krets med ensidig konduktivitet. Konduktansen hos en diod beror på polariteten hos den applicerade spänningen. Generellt är dioder indelade i lågeffektdioder (tillåten medelström Ia ≤ 1A), dioder med medeleffekt (som lägger till Ia = 1 - 10A) och högeffektsdioder (tillför Ia ≥ 10A). Enligt deras syfte är dioder indelade i lågfrekventa (fadd ≤ 500 Hz) och högfrekventa (fdop> 500 Hz).

Huvudparametrarna för likriktardioderna är den högsta genomsnittliga likriktade strömmen, Ia-tillägg, A, och den högsta backspänningen, Ubmax, B, som kan appliceras på dioden under lång tid utan risk för att störa dess funktion.

I omvandlare med medelhög och hög effekt Använd kraftfulla (lavin)dioder. Dessa dioder har vissa specifika egenskaper eftersom de arbetar vid höga strömmar och höga backspänningar, vilket resulterar i betydande kraftutsläpp i p-n-övergången.Så effektiva kylningsmetoder bör tillhandahållas här.

En annan egenskap hos effektdioder är behovet av att skydda mot kortvariga överspänningar som uppstår från plötsliga belastningsfall, omkoppling och nödlägen.

Skyddet av strömförsörjningsdioden från överspänning består i överföringen av ett eventuellt elektriskt genombrott p-n - en övergång från ytområden till bulk. I det här fallet har sammanbrottet en lavinkaraktär, och dioderna kallas lavin. Sådana dioder kan passera en tillräckligt stor backström utan att överhetta lokala områden.

När man utvecklar kretsar för omvandlarenheter kan det vara nödvändigt att erhålla en likriktad ström som överstiger det maximalt tillåtna värdet för en enda diod. I det här fallet används parallellkopplingen av dioder av samma typ med antagande av åtgärder för att utjämna de konstanta strömmarna för enheterna som ingår i gruppen. För att öka den totala tillåtna backspänningen används seriekoppling av dioder. Samtidigt tillhandahålls åtgärder för att utesluta den ojämna fördelningen av backspänningen.

Det huvudsakliga kännetecknet för halvledardioder är ström-spännings-karakteristiken (VAC). Halvledarstrukturen och diodsymbolen visas i fig. 1, a, b. Den omvända grenen av ström-spänningskarakteristiken för dioden visas i fig. 1, c (kurva 1 — I — V karakteristisk för en lavindiod, kurva 2 — I — V karakteristisk för en konventionell diod).

Ris. 1 — Symbol och omvänd gren av diodström-spänningskarakteristiken.

Tyristorer Det är en fyra-lagers halvledarenhet med två stabila tillstånd: ett tillstånd med låg konduktivitet (tyristor stängd) och hög konduktivitet (tyristor öppen). Övergången från ett stabilt tillstånd till ett annat beror på inverkan av yttre faktorer. Oftast, för att låsa upp en tyristor, påverkas den av spänning (ström) eller ljus (fototyristor).

Särskilj diodtyristorer (dynistorer) och triodtyristorkontrollelektrod. De senare är uppdelade i en-nivå och två-nivå.

I enkelverkande tyristorer utförs endast tyristorns avstängningsoperation på grindkretsen. Tyristorn går in i öppet tillstånd med en positiv anodspänning och närvaron av en styrpuls på styrelektroden. Därför är det främsta kännetecknet för tyristorn möjligheten till godtycklig fördröjning vid tidpunkten för dess avfyring i närvaro av en framåtspänning på den. Låsningen av en enoperationstyristor (liksom en dinistor) utförs genom att ändra polariteten hos anod-katodspänningen.

Dubbla tyristorer tillåter styrkretsen att både låsa upp och låsa tyristorn. Låsning utförs genom att applicera en styrpuls med omvänd polaritet på styrelektroden.

Det bör noteras att industrin producerar enkelverkande tyristorer för tillåtna strömmar på tusentals ampere och tillåtna spänningar av en enhet kilovolt. Befintliga dubbelverkande tyristorer har betydligt lägre tillåtna strömmar än enkelverkande (enheter och tiotals ampere) och lägre tillåtna spänningar. Sådana tyristorer används i reläutrustning och i lågeffektomvandlarenheter.

I fig.Figur 2 visar den konventionella beteckningen av tyristorn, schemat för halvledarstrukturen och ström-spänningskarakteristiken för tyristorn. Bokstäverna A, K, UE betecknar utsignalerna från anod-, katod- och tyristorstyrelementet.

Huvudparametrarna som bestämmer valet av en tyristor och dess funktion i omvandlarkretsen är: tillåten framåtström, Ia-additiv, A; tillåten framspänning i stängt tillstånd, Ua max, V, tillåten backspänning, Ubmax, V.

Den maximala framspänningen för tyristorn, med hänsyn till omvandlarkretsens driftkapacitet, bör inte överstiga den rekommenderade driftspänningen.

Ris. 2 — Tyristorsymbol, halvledarstrukturdiagram och tyristorström-spänningskarakteristik

En viktig parameter är tyristorns hållström i öppet tillstånd, Isp, A, är den minsta framåtströmmen, vid lägre värden av vilka tyristorn stängs av; parameter som behövs för att beräkna den minsta tillåtna belastningen för omvandlaren.

Andra typer av konverteringsenheter

Triacs (symmetriska tyristorer) leder ström i båda riktningarna. Halvledarstrukturen hos en triac innehåller fem halvledarskikt och har en mer komplex konfiguration än tyristorn. Genom att använda en kombination av p- och n-skikt skapas en halvledarstruktur i vilken, vid olika spänningspolariteter, villkoren som motsvarar den direkta grenen av tyristorns ström-spänningskarakteristik är uppfyllda.

Bipolära transistorerfungerar i nyckelläge.Till skillnad från den bioperativa tyristorn i transistorns huvudkrets är det nödvändigt att upprätthålla en styrsignal genom hela omkopplarens ledande tillstånd. En fullt styrbar omkopplare kan realiseras med en bipolär transistor.

Ph.D. Kolyada L.I.