Электронная энергия вырабатывается на электрических станциях и распределяется приемущественно в виде переменного тока промышленной частоты. Но огромное количество потребителей электроэнергии в индустрии просит для собственного питания другие виды электроэнергии.

В большинстве случаев требуется:

— неизменный ток (химические и электролизные ванны, электропривод неизменного тока, электронный транспорт и подъемные устройства, электросварочные агрегаты);

— переменный ток непромышленной частоты (индукционный нагрев, регулируемый привод переменного тока).

В связи с этим появляется необходимость а преобразовании
переменного тока в неизменный (выпрямленный) ток, либо в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты.
В системах передачи электронной энергии, в тиристорном электроприводе неизменного тока, появляется потребность в преобразовании неизменного тока в переменный (инвертирование тока) в месте употребления.

Данные примеры обхватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электронную энергию 1-го вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, потому технический прогресс почти во всем связан с удачным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).

Систематизация устройств преобразовательной техники

Главные виды преобразовательных устройств

Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает существенное место. Достоинства
полупроводниковых преобразователей, по сопоставлению с другими видами преобразователей, неопровержимы. Главные достоинства заключаются в последующем:

— Полупроводниковые преобразователи владеют высочайшими регулировочными и энергетическими показателями;

— имеют малые габариты и массу;

— ординарны и надежны в эксплуатации;

— обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых
цепях.

Благодаря обозначенным преимуществам полупроводниковые
преобразователи получили обширное применение: цветной металлургии, хим индустрии, на жд и городском транспорте, в темной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.

Дадим определения главных видов преобразовательных устройств.

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в неизменное напряжение (U~
→  U=).

Инвертором именуют устройство для преобразования неизменного 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 конфигурации (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. конвертирует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U1~
→  U2~).

Тут названы более обширно используемые типы устройств преобразовательной техники. Имеется ряд преобразовательных устройств, созданных для преобразования (регулирования) величины неизменного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.

Короткая черта элементной базы
преобразовательных устройств

Все преобразовательные устройства, разработанные для различных целей, имеют общий механизм работы, который основан на повторяющемся включении и выключении электронных вентилей.
В текущее время в качестве электронных вентилей используются полупроводниковые приборы.
Наибольшее применение получили диоды, тиристоры, симисторы и силовые транзисторы, работающие в главном режиме.

1. Диоды – это двухэлектродные элементы электронной цепи, владеющие однобокой проводимостью. Проводимость диодика находится в зависимости от полярности приложенного напряжения. Условно диоды делят 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 предназначению 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 оборотное напряжение, Ubmax, В, которое может быть приложено к диодику в течение долгого времени без угрозы нарушения его работы.

В преобразователях средней и большой мощности используются массивные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некие специальные особенности, так как работают при огромных токах и больших оборотных напряжениях, что приводит к выделению значимой мощности в р-n – переходе. Потому тут должны предусматриваться действенные методы остывания.

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

Защита силового диодика от перенапряжений заключается в переводе вероятного электронного пробоя р-n – перехода с поверхностных участков в большие. В данном случае пробой носит лавинный нрав, а диоды именуют лавинными. Такие диоды способны пропускать довольно большой оборотный ток без перегрева локальных участков.

При разработке схем преобразовательных устройств может появиться необходимость получить выпрямленный ток, превосходящий максимально допустимое значение 1-го диодика. В данном случае используют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов устройств, входящих в группу. Для роста суммарного допустимого оборотного напряжения употребляют последовательное соединение диодов. При всем этом также предугадывают меры, исключающие неравномерное рассредотачивание оборотного напряжения.

Основной чертой полупроводниковых диодов является вольт-амперная черта (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диодика показано на рис 1, а,б. Оборотная ветвь вольт-амперной свойства диодика – на рис. 1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диодика, кривая 2 – ВАХ обыденного дио-да).

Рис. 1 — Условное обозначение и оборотная ветвь вольт-амперной свойства диодика.

Тиристоры – это четырехслойный полупроводниковый прибор, владеющий 2-мя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высочайшей проводимостью (тиристор открыт). Переход из 1-го устойчивого состояния в другое обоснован действием наружных причин. Более нередко для отпирания тиристора на него действуют напряжением (током) либо 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 перебегает в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Как следует, основной отличительной особенностью тиристора является возможность случайной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (также динистора) делается конфигурацией полярности напряжения анод – катод.

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

Следует учитывать, что индустрия выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тыщи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Имеющиеся же двухоперационные тиристоры имеют существенно наименьшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и 10-ки ампер), и наименьшие допустимые напряжения. Такие тиристоры употребляются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.

На рис. 2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная черта тиристора. Знаками 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 оборотное напряжение, Ubmax, В.

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

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

Принципиальным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии, Iуд, А, – малый прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, нужный для расчета мало допустимой нагрузки преобразователя.

Другие виды преобразовательных устройств

Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит 5 слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сопоставлению с тиристором. При помощи композиции р- и
n-слоев делают полупроводниковую структуру, в какой при разной полярности напряжения производятся условия, надлежащие прямой ветки вольт-амперной свойства тиристора.

Биполярные транзисторы, работающие в главном режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базисной цепи транзистора нужно поддерживать сигнал управления на всем шаге проводящего состояния ключа. При помощи биполярного транзистора можно воплотить стопроцентно управляемый ключ.

к.т.н. Коляда Л. И.