Energijos sistemų keitikliai

Elektros energija generuojama elektrinėse ir paskirstoma daugiausia kintamos srovės su tiekimo dažniu pavidalu. Nors didelis skaičius elektros vartotojų pramonėje reikia kitų rūšių elektros energijos tiekimui.

Dažniausiai reikalaujama:

• D.C. (elektrocheminės ir elektrolizės vonios, nuolatinės srovės elektros pavara, elektriniai transportavimo ir kėlimo įrenginiai, elektriniai suvirinimo įrenginiai);

• kintamoji srovė nepramoninis dažnis (indukcinis šildymas, kintamo greičio kintamosios srovės pavara).

Šiuo atžvilgiu kintamąją srovę reikia paversti nuolatine (ištaisyta) srove arba konvertuojant vieno dažnio kintamąją srovę į kito dažnio kintamąją srovę. Elektros energijos perdavimo sistemose tiristoriaus nuolatinės srovės pavaroje nuolatinę srovę reikia konvertuoti į kintamąją srovę (srovės inversija) vartojimo vietoje.

Šie pavyzdžiai neapima visų atvejų, kai reikia konvertuoti elektros energiją iš vienos rūšies į kitą.Daugiau nei trečdalis visos pagamintos elektros energijos yra paverčiama kitos rūšies energija, todėl technikos pažanga daugiausia susijusi su sėkmingu konversijos įrenginių (konvertavimo įrangos) kūrimu.

Technologijų konvertavimo įrenginių klasifikacija

Pagrindiniai konvertavimo įrenginių tipai

Konvertuojamų technologinių įrenginių dalis šalies energijos balanse užima reikšmingą vietą. Puslaidininkinių keitiklių pranašumai, palyginti su kitų tipų keitikliais, yra neabejotini. Pagrindiniai privalumai yra šie:

— Puslaidininkiniai keitikliai turi aukštas reguliavimo ir energijos charakteristikas;

— turi mažus matmenis ir svorį;

- paprastas ir patikimas veikimas;

— užtikrinti bekontakčių srovių perjungimą maitinimo grandinėse.

Dėl šių privalumų puslaidininkiniai keitikliai plačiai naudojami: spalvotosios metalurgijos, chemijos pramonės, geležinkelių ir miesto transporto, juodosios metalurgijos, mechanikos inžinerijos, energetikos ir kitose pramonės šakose.

Pateiksime pagrindinių konversijos įrenginių tipų apibrėžimus.

Lygintuvas Tai įtaisas, skirtas kintamosios srovės įtampai paversti nuolatine įtampa (U ~ → U =).

Inverteris vadinamas įtaisu, skirtu nuolatinę įtampą paversti kintamąja įtampa (U = → U ~).

Dažnio keitiklis skirtas vieno dažnio kintamajai įtampai paversti kito dažnio kintamąja įtampa (Uf1 → Uf2).

Kintamosios srovės įtampos keitiklis (reguliatorius) skirtas pakeisti (reguliuoti) į apkrovą tiekiamą įtampą, t.y. paverčia vieno dydžio kintamąją įtampą į kito dydžio kintamąją įtampą (U1 ~ → U2 ~).

Čia pateikiami plačiausiai naudojami technologijų konvertavimo įrenginių tipai... Yra nemažai konvertavimo įrenginių, skirtų konvertuoti (reguliuoti) nuolatinės srovės dydį, keitiklio fazių skaičių, įtampos kreivės formą ir kt.

Trumpos elementų bazės konvertavimo įrenginių charakteristikos

Visi skirtingiems tikslams skirti konvertuojantys įrenginiai turi bendrą veikimo principą, kuris pagrįstas periodišku elektrinių vožtuvų įjungimu ir išjungimu. Šiuo metu puslaidininkiniai įtaisai naudojami kaip elektriniai vožtuvai. Plačiausiai naudojami diodai, tiristoriai, triacs ir galios tranzistoriaiveikia rakto režimu.

1. Diodai Pavaizduoja vienpusio laidumo elektros grandinės dviejų elektrodų elementus. Diodo laidumas priklauso nuo įjungtos įtampos poliškumo. Paprastai diodai skirstomi į mažos galios diodus (leistina vidutinė srovė Ia ≤ 1A), vidutinės galios diodus (pridedant Ia = 1 — 10A) ir didelės galios diodus (pridedant Ia ≥ 10A). Pagal paskirtį diodai skirstomi į žemo dažnio (fadd ≤ 500 Hz) ir aukšto dažnio (fdop> 500 Hz).

Pagrindiniai lygintuvų diodų parametrai yra didžiausia vidutinė išlyginamoji srovė, Ia papildymas, A ir didžiausia atvirkštinė įtampa Ubmax, B, kuri gali būti taikoma diodui ilgą laiką be pavojaus sutrikdyti jo veikimą.

Vidutinės ir didelės galios keitikliuose Taikykite galingus (lavinos) diodus. Šie diodai turi tam tikrų specifinių charakteristikų, nes jie veikia esant didelėms srovėms ir aukštai atvirkštinei įtampai, todėl p-n sandūroje išsiskiria didelė galia.Taigi čia turėtų būti pateikti veiksmingi vėsinimo būdai.

Kita galios diodų savybė – būtinybė apsaugoti nuo trumpalaikių viršįtampių, atsirandančių dėl staigių apkrovų kritimų, perjungimų ir avariniai režimai.

Maitinimo diodo apsaugą nuo viršįtampių sudaro galimo elektros gedimo p-n perkėlimas - perėjimas iš paviršiaus plotų į tūrį. Šiuo atveju gedimas turi lavinos pobūdį, o diodai vadinami lavina. Tokie diodai gali praleisti pakankamai didelę atvirkštinę srovę, neperkaitindami vietinių vietų.

Kuriant keitiklių įtaisų grandines, gali prireikti gauti išlygintą srovę, viršijančią didžiausią leistiną vieno diodo vertę. Šiuo atveju lygiagretus to paties tipo diodų sujungimas naudojamas priėmus priemones, skirtas išlyginti į grupę įtrauktų įrenginių pastovias sroves. Norint padidinti bendrą leistiną atvirkštinę įtampą, naudojamas nuoseklus diodų jungimas. Tuo pačiu metu numatytos priemonės, kad būtų išvengta netolygaus atvirkštinės įtampos pasiskirstymo.

Pagrindinė puslaidininkinių diodų charakteristika yra srovės įtampos (VAC) charakteristika. Puslaidininkio struktūra ir diodo simbolis parodyta fig. 1, a, b. Diodo srovės-įtampos charakteristikos atvirkštinė šaka parodyta fig. 1, c (kreivė 1 — I — V charakteristika lavina diodui, kreivė 2 — I — V įprasto diodo charakteristika).

Ryžiai. 1 — Diodo srovės-įtampos charakteristikos simbolis ir atvirkštinė šaka.

Tiristoriai Tai keturių sluoksnių puslaidininkinis įtaisas, turintis dvi stabilias būsenas: mažo laidumo būseną (tiristorius uždarytas) ir didelio laidumo būseną (tiristorius atidarytas). Perėjimas iš vienos stabilios būsenos į kitą vyksta dėl išorinių veiksnių veikimo. Dažniausiai, norint atrakinti tiristorių, jį veikia įtampa (srovė) arba šviesa (fototiristoriai).

Atskirkite diodinius tiristorius (dinistorius) ir triodinius tiristorius valdymo elektrodus. Pastarieji skirstomi į vieno ir dviejų lygių.

Vieno veikimo tiristoriuose vartų grandinėje atliekama tik tiristoriaus išjungimo operacija. Tiristorius pereina į atvirą būseną, kai yra teigiama anodo įtampa ir valdymo elektrode yra valdymo impulsas. Todėl pagrindinis tiristoriaus skiriamasis bruožas yra savavališko uždelsimo galimybė jo užsidegimo metu, kai ant jo yra tiesioginė įtampa. Vieno veikimo tiristoriaus (taip pat ir dinistoriaus) blokavimas atliekamas keičiant anodo-katodo įtampos poliškumą.

Dvigubo veikimo tiristoriai leidžia valdymo grandinei ir atrakinti, ir užrakinti tiristorių. Užrakinimas atliekamas taikant atvirkštinio poliškumo valdymo impulsą valdymo elektrodui.

Reikėtų pažymėti, kad pramonė gamina vieno veikimo tiristorius, kurių leistina srovė siekia tūkstančius amperų ir leistina įtampa kilovoltų vienetui. Esami dvigubo veikimo tiristoriai turi žymiai mažesnes leistinas sroves nei vienetiniai (vienetai ir dešimtys amperų) ir mažesnės leistinos įtampos. Tokie tiristoriai naudojami relinėje įrangoje ir mažos galios keitikliuose.

Fig.2 parodytas įprastas tiristoriaus žymėjimas, puslaidininkio struktūros schema ir tiristoriaus srovės-įtampos charakteristika. Raidės A, K, UE atitinkamai žymi anodo, katodo ir tiristoriaus valdymo elemento išėjimus.

Pagrindiniai parametrai, lemiantys tiristoriaus pasirinkimą ir jo veikimą keitiklio grandinėje yra šie: leistina tiesioginė srovė, Ia priedas, A; leistina tiesioginė įtampa uždaroje būsenoje, Ua max, V, leistina atvirkštinė įtampa, Ubmax, V.

Didžiausia tiristoriaus tiesioginė įtampa, atsižvelgiant į keitiklio grandinės veikimo galimybes, neturėtų viršyti rekomenduojamos darbinės įtampos.

Ryžiai. 2 — Tiristoriaus simbolis, puslaidininkių sandaros schema ir tiristoriaus srovės-įtampos charakteristika

Svarbus parametras yra tiristoriaus laikymo srovė atviroje būsenoje, Isp, A yra mažiausia tiesioginė srovė, kurios mažesnėmis vertėmis tiristorius išsijungia; parametras, reikalingas minimaliai leistinai keitiklio apkrovai apskaičiuoti.

Kiti konvertavimo įrenginių tipai

Triakai (simetriški tiristoriai) veda srovę į abi puses. Triako puslaidininkinę struktūrą sudaro penki puslaidininkių sluoksniai ir jos konfigūracija yra sudėtingesnė nei tiristoriaus. Naudojant p ir n sluoksnių derinį, sukuriama puslaidininkinė struktūra, kurioje, esant skirtingiems įtampos poliams, tenkinamos sąlygos, atitinkančios tiristoriaus srovės įtampos charakteristikos tiesioginę šaką.

Bipoliniai tranzistoriaiveikia rakto režimu.Skirtingai nuo dvipusio veikimo tiristoriaus pagrindinėje tranzistoriaus grandinėje, valdymo signalas turi būti palaikomas visoje jungiklio laidžiojoje būsenoje. Visiškai valdomas jungiklis gali būti realizuotas naudojant bipolinį tranzistorių.

Ph.D. Kolyada L.I.