Классификация полупроводниковых силовых преобразователей электроэнергии

Силовые полупроводниковые преобразователи – это электротехнические устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида. В главных цепях силовых полупроводниковых преобразователей используются силовые полупроводниковые приборы, а основным показателем качества является коэффициент полезного действия.

Силовые полупроводниковые преобразователи являются статическими, бесконтактными и обладают высокой эффективностью.

Статический характер силовых полупроводниковых преобразователей обусловлен тем, что преобразование электрической энергии осуществляется в полупроводниковой структуре без механического движения, т.е. без износа деталей под влиянием трения. В этом случае существует только движение электрических зарядов и их носителей, которое подчиняется законам электродинамики.

Бесконтактный характер преобразователей определяется тем, что включение и отключение электрического тока происходит без видимого прерывания цепей, без электрической дуги и без износа коммутирующего перехода.

Высокая эффективность полупроводниковых преобразователей обусловлена вольт-амперными характеристиками силовых полупроводниковых приборов, которые приближаются к идеальным характеристикам устройств коммутации, не имеющих потерь. Они обладают высокой электрической проводимостью (малое падение напряжения) в прямом проводящем направлении и высоким электрическим сопротивлением (малый ток утечки) в обратном направлении и в закрытом состоянии. Следовательно, преобразование электрической энергии происходит с минимальными потерями.

Конструкция силовых полупроводниковых преобразователей имеет следующие характерные особенности:

- большое число очень разнородных элементов;

- относительно малая серийность;

- необходимость согласованности с оборудованием, для которого преобразователи предназначены.

Полупроводниковые преобразователи состоят из силовых, а также управляющих и регулирующих цепей.

Силовые цепи включают в себя электрически соединенные между собой силовые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы и диоды), защитные и коммутационные аппараты, резисторы, конденсаторы, дроссели и трансформаторы, контактные зажимы. К силовой части относятся: узлы системы охлаждения, такие, как охладители (радиаторы), вентиляторы; воздуховоды; насосы; теплообменники; фильтры; вентили и т.п. Все это конструктивно объединяется несущим каркасом или шкафом.

Управляющие и регулирующие цепи, а также цепи контроля состоят из маломощных дискретных и интегральных полупроводниковых элементов, пассивных элементов, миниатюрных реле, маломощных трансформаторов, переходных контактов, которые чаще всего устанавливаются на платах с печатными соединениями. Платы размещаются в кассетах или закрепляются в преобразователях иными способами. К цепям контроля относятся устройства сигнализации, диагностики, датчики, измерительные приборы и т.п.

Полупроводниковые преобразовательные агрегаты можно классифицировать по следующему ряду признаков: назначению, области применения, способу охлаждения силовых вентилей, конструктивным особенностям и т.д.

В зависимости от назначения преобразовательные агрегаты подразделяются на следующие основные группы:

1. Выпрямители, преобразующие переменный ток (обычно промышленной частоты) в постоянный. 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. Инверторы, преобразующие постоянный ток 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.

3. Преобразователи частоты, преобразующие переменный ток 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 [15].

Кроме общей классификации, каждая из основных групп преобразователей имеет свое специфическое деление.

Выпрямительные агрегаты подразделяются по способу регулирования постоянного напряжения:

а) с нерегулируемым напряжением на выходе;

б) с регулируемым напряжением на выходе;

в) со стабилизированным напряжением на выходе.

Инверторы различают по режиму работы:

а) инвертор, работающий в сеть переменного тока большей (по сравнению с инвертором) мощности, называется ведомым или зависимым.

б) инвертор, работающий на цепь, не содержащую генераторов переменного тока, называется автономным или независимым.

Преобразователи частоты также можно разделить на две группы:

а) преобразователи частоты, связывающие две сети переменного тока, в каждой из которых имеются синхронные генераторы, называются ведомыми;

б) преобразователи частоты, работающие на сеть, не содержащую других источников переменного тока, называются автономными.

В устройствах электропривода применяются как неуправляемые, так и управляемые преобразователи. Неуправляемые преобразователи обычно используют как источники питания обмоток возбуждения неуправляемых машин постоянного тока, тормозных электромагнитов, релейных схем управления и т.д. Управляемые преобразователи используют в качестве управляемых источников питания цепи якоря или обмотки возбуждения электрической машины.

В неуправляемых преобразователях в качестве ключевого элемента используют неуправляемые вентили – полупроводниковые диоды, а в управляемых преобразователях – тиристоры или транзисторы. Транзистор по своим параметрам наиболее близок к управляемому электронному ключу, так как переключение транзистора из состояния “замкнуто” в состояние “разомкнуто” происходит путем подачи определенного входного напряжения. Однако небольшое предельное значение тока в силовой цепи (ток коллектора ~ 100 А) ограничивает применение транзисторов. Наиболее распространено в мощных преобразователях применение однооперационных тиристоров, у которых переход в состояние “замкнуто” управляется входным импульсом, а переход в состояние “разомкнуто” - уменьшением до нуля тока в силовой цепи.

По диапазону мощностей силовые преобразователи можно разделить на следующие группы:

малой мощности – до 10 кВт;

средней мощности – от 10 до 250 кВт;

большой мощности – от 250 кВт до 1 МВт;

сверхбольшой мощности – более 1 МВт.

Поиск по сайту: