Каково назначение преобразователя электрической энергии

Преобразователь электрической энергии

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД .

Содержание

История развития

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

+ Большие мощности
— Материалоёмкость
— Сложность ремонта и обслуживания
— Шум и вибрации

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других.
Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери — меньше, а качество преобразования энергии — гораздо выше.

Функции преобразователей

  • Преобразование
  • Преобразование и регулирование
  • Преобразование и стабилизация

Классификация

По характеру преобразования

Выпрямители

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. [1]

Инверторы

Инвертор — устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью (зависимые) и автономные.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю. [2]

Автономные инверторы

Автономные инверторы — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку. [3]

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

Преобразователи частоты

Импульсные преобразователи напряжения

По способу управления

  1. Импульсные (на постоянном токе)
  2. Фазовые (на переменном токе)

По типу схем

  • Нулевые, мостовые
  • Трансформаторные, бестрансформаторные
  • Однофазные, двухфазные, трёхфазные…

По способу управления

  • Управляемые
  • Неуправляемые

Примечания

  1. ↑С. Ю. Забродин Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие свединия // Промышленная электроника: учебник длч вузов. — М .: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.
  2. ↑С. Ю. Забродин Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М .: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.
  3. ↑С. Ю. Забродин Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М .: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Преобразование Шиндлера
  • Преодоление

Смотреть что такое «Преобразователь электрической энергии» в других словарях:

преобразователь электрической энергии — Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. Примечание.… … Справочник технического переводчика

Преобразователь электрической энергии — 4. Преобразователь электрической энергии Converter Преобразователь электроэнергии Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

преобразователь электрической энергии, — 2 преобразователь электрической энергии, преобразователь электроэнергии: Электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Преобразователь электрической энергии — – электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. ГОСТ 18311 80 … Коммерческая электроэнергетика. Словарь-справочник

Преобразователь электрической энергии — 1. Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества Употребляется в… … Телекоммуникационный словарь

Преобразователь электрической энергии (Преобразователь электроэнергии) — English: Electricity converter Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей… … Строительный словарь

ГОСТ Р 54130-2010: Качество электрической энергии. Термины и определения — Терминология ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа: Amplitude die schnelle VergroRerung der Spannung 87 Определения термина из разных документов: Amplitude die schnelle VergroRerung der… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ПЛАЗМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ — преобразователи тепловой энергии плазмы в электрич. энергию. Существуют два типа П. и. э. э. магнитогидродинамический генератор и термоэлектронный преобразователь. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор … Физическая энциклопедия

Плазменные источники электрической энергии — преобразователи тепловой энергии плазмы (См. Плазма) в электрическую энергию. Существует 2 типа П. и. э. э. Магнитогидродинамический генератор и Термоэлектронный преобразователь … Большая советская энциклопедия

преобразователь частоты — [IEV number 151 13 43] [IEV number 313 03 06] преобразователь частоты Преобразователь электрической энергии переменного тока, который преобразует электрическую энергию с изменением частоты [ОСТ 45.55 99] EN frequency converter electric energy… … Справочник технического переводчика

Преобразователи напряжения. Виды и устройство. Работа

Преобразователем напряжения называется устройство, которое изменяет вольтаж цепи. Это электронный прибор, который используется для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователи напряжения могут повышать или понижать входное напряжение, в том числе менять величину и частоту первоначального напряжения.

Необходимость применения данного устройства преимущественно возникает в случаях, когда необходимо использовать какой-либо электрический прибор в местах, где невозможно использовать имеющиеся стандарты или возможности электроснабжения. Преобразователи могут использоваться в виде отдельного устройства либо входить в состав систем бесперебойного питания и источников электрической энергии. Они широко применяются во многих областях промышленности, в быту и других отраслях.

Устройство

Для преобразования одного уровня напряжения в иное часто используют импульсные преобразователи напряжения с применением индуктивных накопителей энергии. Согласно этому известно три типа схем преобразователей:

  • Инвертирующие.
  • Повышающие.
  • Понижающие.

Общими для указанных видов преобразователей являются пять элементов:

  • Ключевой коммутирующий элемент.
  • Источник питания.
  • Индуктивный накопитель энергии (дроссель, катушка индуктивности).
  • Конденсатор фильтра, который включен параллельно сопротивлению нагрузки.
  • Блокировочный диод.

Включение указанных пяти элементов в разных сочетаниях дает возможность создать любой из перечисленных типов импульсных преобразователей.

Регулирование уровня выходящего напряжения преобразователя обеспечивается изменением ширины импульсов, которые управляют работой ключевого коммутирующего элемента. Стабилизация выходного напряжения создается методом обратной связи: изменение выходного напряжения создает автоматическое изменение ширины импульсов.

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Устройство трансформатора включает следующие элементы:
  • Магнитопровод.
  • Первичная и вторичная обмотка.
  • Каркас для обмоток.
  • Изоляция.
  • Система охлаждения.
  • Другие элементы (для доступа к выводам обмоток, монтажа, защиты трансформатора и так далее).

Напряжение, которое будет выдавать трансформатор на вторичной обмотке, будет зависеть от витков, которые имеются на первичной и вторичной обмотке.

Существуют и другие виды преобразователей напряжения, которые имеют иную конструкцию. Их устройство в большинстве случаев выполнено на полупроводниковых элементах, так как они обеспечивают значительный коэффициент полезного действия.

Принцип действия

Преобразователь напряжение вырабатывает напряжение питания необходимой величины из иного питающего напряжения, к примеру, для питания определенной аппаратуры от аккумулятора. Одним из главных требований, которые предъявляются к преобразователю, является обеспечение максимального коэффициента полезного действия.

Преобразование переменного напряжения легко можно выполнить при помощи трансформатора, вследствие чего подобные преобразователи постоянного напряжения часто создаются на базе промежуточного преобразования постоянного напряжения в переменное.
  • Мощный генератор переменного напряжения, который питается от источника исходного постоянного напряжения, соединяется с первичной обмоткой трансформатора.
  • Переменное напряжение необходимой величины снимается с вторичной обмотки, которое потом выпрямляется.
  • В случае необходимости постоянное выходное напряжение выпрямителя стабилизируется при помощи стабилизатора, который включен на выходе выпрямителя, либо с помощью управления параметрами переменного напряжения, которое вырабатывается генератором.
  • Для получения высокого кпд в преобразователях напряжения используются генераторы, которые работают в ключевом режиме и вырабатывают напряжение с использованием логических схем.
  • Выходные транзисторы генератора, которые коммутируют напряжение на первичной обмотке, переходят из закрытого состояния (ток не течет через транзистор) в состояние насыщения, где на транзисторе падает напряжение.
  • В преобразователях напряжения высоковольтных источников питания в большинстве случаев применяется эдс самоиндукции, которая создается на индуктивности в случаях резкого прерывания тока. В качестве прерывателя тока работает транзистор, а первичная обмотка повышающего трансформатора выступает индуктивностью. Выходное напряжение создается на вторичной обмотке и выпрямляется. Подобные схемы способны вырабатывать напряжение до нескольких десятков кВ. Их часто применяют для питания электронно-лучевых трубок, кинескопов и так далее. При этом обеспечивается кпд выше 80%.
В иды

Преобразователи можно классифицировать по ряду направлений.

Преобразователи напряжения постоянного тока:
  • Регуляторы напряжения.
  • Преобразователи уровня напряжения.
  • Линейный стабилизатор напряжения.
Преобразователи переменного тока в постоянный:
  • Импульсные стабилизаторы напряжения.
  • Блоки питания.
  • Выпрямители.
Преобразователи постоянного тока в переменный:
  • Инверторы.
Преобразователи переменного напряжения:
  • Трансформаторы переменной частоты.
  • Преобразователи частоты и формы напряжения.
  • Регуляторы напряжения.
  • Преобразователи напряжения.
  • Трансформаторы разного рода.
Преобразователи напряжения в электронике в соответствии с конструкцией также делятся на следующие типы:
  • На пьезоэлектрических трансформаторах.
  • Автогенераторные.
  • Трансформаторные с импульсным возбуждением.
  • Импульсные источники питания.
  • Импульсные преобразователи.
  • Мультиплексорные.
  • С коммутируемыми конденсаторами.
  • Бестрансформаторные конденсаторные.
Особенности
  • При отсутствии ограничений по объему и массе, а также при высоком значении питающего напряжения преобразователи рационально использовать на тиристорах.
  • Полупроводниковые преобразователи на тиристорах и транзисторах могу быть регулируемыми и нерегулируемыми. При этом регулируемые преобразователи могут применяться как стабилизаторы переменного и постоянного напряжения.
  • По способу возбуждения колебаний в устройстве могут быть схемы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Схемы с независимым возбуждением выполняются из усилителя мощности и задающего генератора. Импульсы с выхода генератора направляются на вход усилителя мощности, что позволяет управлять им. Схемы с самовозбуждением – это импульсные автогенераторы.

Применение
  • Для распределения и передачи электрической энергии. На электростанциях генераторы переменного тока обычно вырабатывается энергия напряжением 6—24 кВ. Для передачи энергии на дальние расстояния выгодно использовать большее напряжение. Вследствие этого на каждой электростанции ставят трансформаторы, повышающие напряжение.
  • Для различных технологических целей: электротермических установок (электропечные трансформаторы), сварки (сварочные трансформаторы) и так далее.
  • Для питания различных цепей;

— автоматики в телемеханике, устройств связи, электробытовых приборов;
— радио- и телевизионной аппаратуры.

Для разделения электрических цепей данных устройств, в том числе согласования напряжений и так далее. Трансформаторы, применяемые в данных устройствах, в большинстве случаев имеют малую мощность и невысокое напряжение.

  • Преобразователи напряжения практически всех типов широко применяются в быту. Блоки питания многих бытовых приборов, сложных электронных устройств, инверторные блоки широко используются для обеспечения требуемого напряжения и обеспечения автономного энергоснабжения. К примеру, это может быть инвертор, который может быть использован для аварийного или резервного источника питания бытовых приборов (телевизор, электроинструмент, кухонная техника и так далее), потребляющих переменный ток напряжением 220 Вольт.
  • Наиболее дорогими и востребованными в медицине, энергетике, военной сфере, науке и промышленности являются преобразователи, которые имеют выходное переменное напряжение с чистой формой синусоиды. Подобная форма пригодна для работы устройств и приборов, которые имеют повышенную чувствительность к сигналу. К ним можно отнести измерительную и медицинскую аппаратуру, электрические насосы, газовые котлы и холодильники, то есть оборудование, в составе которых имеются электромоторы. Преобразователи часто необходимы и для продления времени службы оборудования.

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Электронные преобразователи вагонов предназначены для преобразования параметров электрической энергии. К основным видам преобразователей электрической энергии относятся:

  • — выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный (нерегулируемые и регулируемые);
  • — инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный (нерегулируемые и регулируемые);
  • — преобразователи частоты, преобразующие переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты;
  • — импульсные преобразователи постоянного или переменного тока, преобразующие постоянный или переменный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения;
  • — преобразователи числа фаз, преобразующие переменный ток с одним числом фаз в переменный ток с другим числом фаз.

Иногда одни преобразователи применяются в сочетании с другими, например, преобразователи частоты и фаз (ПЧФ), выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП) и др.

Широкое применение нашли широтно-импульсные и частотноимпульсные преобразователи, которые приходят на смену реостатно-контакторным регуляторам напряжения и скорости вращения электрических двигателей. Большими возможностями обладают также статические преобразователи, преобразующие однофазный ток в трехфазный с промежуточным звеном постоянного тока. При этом частота трехфазного тока может быть постоянной или переменной.

Устройства преобразования электроэнергии делятся на электромагнитные и электронные. Благодаря экономичности и высокой надежности преимущественное применение в современной преобразовательной технике находят электронные преобразователи, построенные на основе диодов, тиристоров и силовых транзисторов. Такие преобразователи получили название полупроводниковых преобразователей электрической энергии.

Преимущества электронных преобразователей по сравнению с другими преобразователями неоспоримы: они имеют небольшие габаритные размеры, высокий КПД, просты в обслуживании и обладают большой надежностью в условиях эксплуатации. Благодаря указанным преимуществам электронные преобразователи нашли широкое применение на вагонах. Такие преобразователи применяются для выпрямления переменного тока в системах электроснабжения вагонов; для преобразования постоянного тока в переменный для питания люминесцентного освещения пассажирских вагонов и для питания электрических бритв пассажиров, радио- и видеоаппаратуры; для стабилизации постоянного тока; для плавного регулирования скорости электродвигателей и т.д.

В составе электронных преобразователей применяется и новый вид электронных устройств — электронные аппараты. Это тиристорные выключатели переменного и постоянного тока, защитные устройства и другие бесконтактные аппараты. Переход от контактной аппаратуры к бесконтактным электронным устройствам позволяет повысить надежность работы, сократить эксплуатационные расходы, уменьшить материалоемкость и размеры аппаратуры.

На рис. 2.1 представлена классификация преобразователей электроэнергии.

В состав преобразовательного агрегата входят: блоки силовых полупроводниковых приборов; блоки управления, защиты и сигнализации; трансформаторно-реакторное оборудование; коммутационная аппаратура; конденсаторы; система охлаждения; силовые шины; каркас. В некоторых преобразователях часть этих узлов может быть объединена или отсутствовать.

Требования, предъявляемые к преобразователям, зависят от назначения и условий эксплуатации. К общим требованиям относятся:

  • — каждый узел преобразователя должен надежно работать в нормальных условиях и восстанавливать работоспособность после отключения устройствами защиты в аварийных режимах;
  • — в нормальном режиме температура токоведущих частей, изоляционных и конструкционных частей не должна превышать установленных значений;

Рис. 2.1. Классификация преобразователей

  • — изоляция токоведущих частей должна выдерживать возможные перенапряжения с запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляционных материалов;
  • — токоведущие части и детали должны выдерживать без остаточных деформаций термические, электродинамические и другие перегрузки;
  • — конструкция каждого элемента преобразователя должна обеспечивать удобство и безопасность обслуживания, ремонта и наладки;
  • — преобразователь должен иметь наименьшие размеры и массу.

Для сохранения эксплутационных показателей в заданных пределах преобразователи должны обладать высокой надежностью, которая определяется безотказностью и ремонтопригодностью. К основным показателям надежности относятся:

  • — безотказность — свойство преобразователя непрерывно сохранять работоспособность и нормально выполнять свои функции в пределах допусков в течение заданного времени. (Отказом называется событие, заключающееся в полной или частичной потери работоспособности.) Безотказность оценивается длительностью или объемом работы;
  • — долговечность — это свойство преобразователя длительно (с возможными перерывами на ремонт) сохранять работоспособность в любых рабочих режимах до разрушения или другого предельного состояния. Она оценивается временем от начала эксплуатации до изнашивания за вычетом времени на ремонт (технический ресурс);
  • — ремонтопригодность — это приспособленность конструкции преобразователя к восстановлению исправного состояния и поддержанию технического ресурса посредством предупреждения, обнаружения и устранения неисправности или отказа.

Рис. 2.2. Условное обозначение преобразователей: а — переменного напряжения в постоянное; б — постоянного напряжения в переменное; в — постоянного тока; г — частоты

На электрических схемах преобразователи изображаются в виде квадрата с чертой по диагонали. Для указания направления преобразования на линии связи или на соответствующей стороне квадрата проставляют стрелку. Назначение и параметры преобразования определяются по графическим или буквенным обозначениям, установленными соответствующими стандартами. На рис. 2.2 представлены примеры обозначения преобразователей на электрических схемах.

Контрольные вопросы

  • 1. Назовите назначение преобразователей.
  • 2. Представьте классификацию преобразователей.
  • 3. Опишите достоинства электронных преобразователей.
  • 4. Приведите состав преобразовательного агрегата.
  • 5. Назовите назначение инвертора.
  • 6. Как изображается преобразователь на электрических схемах?
  • 7. Перечислите основные показатели надежности преобразователей.
  • 8. Назовите назначение выпрямителей.
  • 9. Приведите разновидности выпрямителей.
  • 10. Опишите достоинства электронных бесконтактных устройств.

Основные виды преобразователей эл. энергии и классификация преобразователей

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.

К числу основных видов преобразования электрической энергии относят:

1. выпрямление переменного тока;

2. инвертирование тока;

3. преобразование частоты;

4. преобразование числа фаз;

5. преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения;

6. формирование определенной кривой переменного напряжения (например, мощных импульсов тока), которые находят применение в специальных установках.

Реально существует большой класс преобразователей, которые делят на:

7. ведомые, зависимые от сети. Осуществляется периодический переход тока с одного вентиля на другой, коммутация тока осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника;

8. автономные. Коммутация осуществляется специальной электрической цепью, формирующей управляющие сигналы.

Классификация преобразователей электрической энергии по назначению:

9. преобразователи с естественной коммутацией, в которых цепь переменного тока связана с цепью постоянного тока. Эти преобразователи обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях. Различают выпрямительный и инверторный режимы их работы;

10. преобразователи с принудительной коммутацией, с помощью которых связана цепь постоянного тока с переменной. Также обеспечивают работу в двух режимах, но в основном в инверторном режиме;

11. преобразователи с принудительной коммутацией, разделяющие две цепи постоянного тока (прерыватели постоянного тока);

12. преобразователи с естественной или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи переменного тока одной частоты (прерыватели переменного тока);

13. специальные преобразователи, представляющие собой комбинации всех остальных (например, преобразователь частоты со звеном постоянного тока);

14. преобразователи с естественной и принудительной коммутацией, связывающие цепи переменного тока разных частот (преобразователи частоты).

1. Выпрямление переменного тока — преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).

2. Инвертирование тока — преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).

3. Преобразование частоты — преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.

4. Преобразование числа фаз. В ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.

Разработаны различные типы преобразователей (ПР), которые обладают 1 общим признаком: управляют потоком энергии путем вкл/выкл СПП, или за счет циклической переда­чи тока от одного СПП к другому (коммутация).

Наиболее часто ПР классифицируют по виду коммутации и различают ПР с естес­твенной и принудительной коммутацией. В ПР с естественной коммутацией цикли­ческая коммутация СПП происходит под действием «

» напряжением источника пита­ния. В ПР принудительной коммутацией коммутация происходит под действием допол­нит. коммутирующих узлов или системы управления. По назначению ПР делят на:

1. ПР с ест. комм., связывающие цепь «

» тока с цепью «-» тока и наоборот. Эти ПР обеспечивают передачу энергии в обоих направлениях и в зависимости от направления передачи различают выпрямительный и инверсный режимы их работы

2. ПР с принудительной коммутацией, связывающих цепь «-» тока с цепью «

» тока. Обеспечивают передачи в обоих направлениях, однако используются в инверторном режиме.

3. ПР с принудительной коммутацией, разделяющие цепи «-» и «

» тока называемые прерывателями «-» тока.

4. ПР с естеств. или принудительной коммутацией, разделяющие две цепи «

» тока одной частоты, называемые прерывателями «

5. ПР с естеств. или принудительной коммутацией, связывающие сети «

» тока разной частоты, называемые преобразователи частоты.

6. Смешанные преобразователи.

Неотъемлемой частью ПР является различные схемы управления, регулирования, защиты. Для управлением ПР требуется незначительная, поэтому передача и обработка управляющей информации происходит при малом расходе энергии.

Преобразовательные устройства в системах электроснабжения

16 августа 2012 в 10:00

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты. Однако большое количество потребителей электроэнергии в промышленности требует для своего питания другие виды электроэнергии.

Чаще всего требуется:

  • постоянный ток (электрохимические и электролизные ванны, электропривод постоянного тока, электрический транспорт и подъемные устройства, электросварочные агрегаты);
  • переменный ток непромышленной частоты (индукционный нагрев, регулируемый привод переменного тока).

В связи с этим возникает необходимость а преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямленный) ток, или в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В системах передачи электрической энергии, в тиристорном электроприводе постоянного тока, возникает потребность в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование тока) в месте потребления.

Данные примеры охватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, поэтому технический прогресс во многом связан с успешным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).

Классификация устройств преобразовательной техники

Основные виды преобразовательных устройств

Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает значительное место. Преимущества полупроводниковых преобразователей, по сравнению с другими видами преобразователей, неоспоримы. Основные преимущества заключаются в следующем:

  • Полупроводниковые преобразователи обладают высокими регулировочными и энергетическими показателями;
  • имеют малые габариты и массу;
  • просты и надежны в эксплуатации;
  • обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.

Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразователи получили широкое применение: цветной металлургии, химической промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в черной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.

Дадим определения основных видов преобразовательных устройств.

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (U

Инвертором называют устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (U= → U

Преобразователь частоты служит для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (Uf1→ Uf2).

Преобразователь переменного напряжения (регулятор) предназначен для изменения (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U1

Здесь названы наиболее широко применяемые типы устройств преобразовательной техники. Имеется ряд преобразовательных устройств, предназначенных для преобразования (регулирования) величины постоянного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.

Краткая характеристика элементной базы преобразовательных устройств

Все преобразовательные устройства, разработанные для разных целей, имеют общий принцип работы, который основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В настоящее время в качестве электрических вентилей применяются полупроводниковые приборы. Наибольшее применение получили диоды, тиристоры, симисторы и силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.

Диоды – это двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа доп ≤ 1А), диоды средней мощности (Iа доп = 1 — 10А) и диоды большой мощности (Iа доп ≥ 10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (fдоп > 500 Гц).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются наибольшее среднее значение выпрямленного тока, Iа доп, А, и наибольшее обратное напряжение, Ubmax, В, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без опасности нарушения его работы.

В преобразователях средней и большой мощности применяются мощные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некоторые специфические особенности, поскольку работают при больших токах и высоких обратных напряжениях, что приводит к выделению значительной мощности в р-n – переходе. Поэтому здесь должны предусматриваться эффективные способы охлаждения.

Другая особенность мощных диодов – необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах.

Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-n – перехода с поверхностных участков в объемные. В этом случае пробой носит лавинный характер, а диоды называют лавинными. Такие диоды способны пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков.

При разработке схем преобразовательных устройств может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения используют последовательное соединение диодов. При этом также предусматривают меры, исключающие неравномерное распределение обратного напряжения.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диода показано на рис 1, а,б. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода – на рис. 1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диода, кривая 2 – ВАХ обычного диода).

Рис. 1 — Условное обозначение и обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода.

Тиристоры – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высокой проводимостью (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое обусловлен действием внешних факторов. Наиболее часто для отпирания тиристора на него воздействуют напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры, имеющие управляющий электрод. Последние делятся на однооперационные и двухоперационные.

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора. Тиристор переходит в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Следовательно, основной отличительной особенностью тиристора является возможность произвольной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (а также динистора) производится изменением полярности напряжения анод – катод.

Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание и запирание тиристора. Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления.

Следует учесть, что промышленность выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Существующие же двухоперационные тиристоры имеют значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Такие тиристоры используются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.

На рис. 2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная характеристика тиристора. Буквами А, К, УЭ соответственно обозначены выводы анода, катода и управляющего элемента тиристора.

Основными параметрами, определяющими выбор тиристора и его работу в схеме преобразователя, являются: допустимый прямой ток, Iа доп, А; допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии, Uа max, В, допустимое обратное напряжение, Ubmax, В.

Максимальное прямое напряжение на тиристоре с учетом вариантов работы преобразовательной схемы не должно превышать рекомендованного рабочего напряжения.

Рис. 2 – Условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная характеристика тиристора

Важным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии, Iуд, А, – минимальный прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, необходимый для расчета минимально допустимой нагрузки преобразователя.

Другие виды преобразовательных устройств

Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. С помощью комбинации р- и n-слоев создают полупроводниковую структуру, в которой при разной полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора.

Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.