Muuntimet sähköjärjestelmissä

Sähköenergiaa tuotetaan voimalaitoksissa ja jaetaan pääosin syöttötaajuudella vaihtovirtana. Suuri määrä kuitenkin sähkön kuluttajat teollisuudessa tarvitsee muuntyyppistä sähköä tehonsyötökseensä.

Useimmiten vaaditaan:

• DC. (sähkökemialliset ja elektrolyysikylvyt, tasavirtasähkökäyttö, sähköiset kuljetus- ja nostolaitteet, sähköhitsauslaitteet);

• vaihtovirta ei-teollinen taajuus (induktiolämmitys, taajuusmuuttaja).

Tässä yhteydessä on tarpeen muuttaa vaihtovirta tasavirtaiseksi (tasasuuntaiseksi) tai muunneltaessa yhden taajuuden vaihtovirtaa toisen taajuuden vaihtovirraksi. Sähkövoimansiirtojärjestelmissä tyristori-DC-käytössä tasavirta on muutettava vaihtovirraksi (virran inversio) kulutuskohdassa.

Nämä esimerkit eivät kata kaikkia tapauksia, joissa vaaditaan sähköenergian muuntamista tyypistä toiseen.Yli kolmannes kaikesta tuotetusta sähköstä muunnetaan muunlaiseksi energiaksi, minkä vuoksi tekninen kehitys liittyy pitkälti muunnoslaitteiden (muunnoslaitteiden) onnistuneeseen kehittämiseen.

Teknologian muunnoslaitteiden luokitus

Muunnoslaitteiden päätyypit

Jalostettavien teknologisten laitteiden osuus maan energiataseesta on merkittävä. Puolijohdemuuntimien edut muihin muuntimiin verrattuna ovat kiistattomia. Tärkeimmät edut ovat seuraavat:

— Puolijohdemuuntimilla on korkeat säätö- ja energiaominaisuudet;

— niiden mitat ja paino ovat pienet;

— yksinkertainen ja luotettava toiminta;

— tarjota kontaktiton virtojen kytkentä tehonsyöttöpiireissä.

Näiden etujen ansiosta puolijohdemuuntimia käytetään laajalti: ei-rautametalliteollisuudessa, kemianteollisuudessa, rautatie- ja kaupunkiliikenteessä, rautametalliteollisuudessa, konepajateollisuudessa, energiateollisuudessa ja muilla aloilla.

Annamme määritelmät muunnoslaitteiden päätyypeistä.

Tasasuuntaaja Se on laite, joka muuntaa vaihtovirtajännitteen tasajännitteeksi (U ~ → U =).

Invertteriä kutsutaan laitteeksi, joka muuntaa tasajännitteen vaihtojännitteeksi (U = → U ~).

Taajuusmuuttaja muuntaa yhden taajuuden vaihtojännitteen toisen taajuuden vaihtojännitteeksi (Uf1→Uf2).

Vaihtojännitemuunnin (säädin) on suunniteltu muuttamaan (säätämään) kuormaan syötettyä jännitettä, ts. muuntaa yhden suuren vaihtovirtajännitteen toisen suuren AC-jännitteeksi (U1 ~ → U2 ~).

Tässä ovat yleisimmin käytetyt teknologiamuunnoslaitteiden tyypit... On olemassa useita muunnoslaitteita, jotka on suunniteltu muuntamaan (säätämään) tasavirran suuruutta, muuntimen vaiheiden lukumäärää, jännitekäyrän muotoa jne.

Elementtipohjan muunnoslaitteiden lyhyet ominaisuudet

Kaikilla eri käyttötarkoituksiin suunnitelluilla muunnoslaitteilla on yhteinen toimintaperiaate, joka perustuu sähköventtiilien säännölliseen päälle- ja poiskytkentään. Tällä hetkellä puolijohdelaitteita käytetään sähköventtiileinä. Eniten käytetyt diodit, tyristorit, triacit ja tehotransistorittoimii avaintilassa.

1. Diodit edustavat sähköpiirin kaksielektrodielementtejä, joilla on yksipuolinen johtavuus. Diodin konduktanssi riippuu käytetyn jännitteen napaisuudesta. Yleensä diodit jaetaan pienitehoisiin diodeihin (sallittu keskimääräinen virta Ia ≤ 1A), keskitehodiodeihin (lisäämällä Ia = 1 - 10A) ja suuritehoisiin diodeihin (lisätään Ia ≥ 10A). Käyttötarkoituksensa mukaan diodit jaetaan matalataajuisiin (fadd ≤ 500 Hz) ja korkeataajuisiin (fdop> 500 Hz).

Tasasuuntausdiodien pääparametrit ovat suurin keskimääräinen tasasuuntausvirta, Ia additio, A ja suurin käänteinen jännite, Ubmax, B, joita voidaan syöttää diodille pitkään ilman vaaraa häiritä sen toimintaa.

Keski- ja suuritehoisissa muuntimissa Käytä tehokkaita (lumivyöry)diodeja. Näillä diodeilla on joitain erityisominaisuuksia, koska ne toimivat suurilla virroilla ja korkeilla käänteisjännitteillä, mikä johtaa merkittävään tehon vapautumiseen p-n-liitoksessa.Joten tehokkaita jäähdytysmenetelmiä tulisi tarjota täällä.

Toinen tehodiodien ominaisuus on tarve suojata lyhytaikaisilta ylijännitteiltä, ​​jotka aiheutuvat äkillisistä kuormituspudoksista, kytkennöistä ja hätätilat.

Virtalähteen diodin suojaus ylijännitteeltä koostuu mahdollisen sähkökatkon p-n siirtämisestä - siirtymisestä pinta-alalta bulkkiin. Tässä tapauksessa rikkoutumisella on lumivyöryluonne, ja diodeja kutsutaan lumivyöryksi. Tällaiset diodit pystyvät kuljettamaan riittävän suuren käänteisen virran ylikuumenematta paikallisia alueita.

Muuntolaitteiden piirejä kehitettäessä voi olla tarpeen saada tasasuunnattu virta, joka ylittää yhden diodin suurimman sallitun arvon. Tässä tapauksessa käytetään samantyyppisten diodien rinnakkaiskytkentää ottamalla käyttöön toimenpiteitä ryhmään kuuluvien laitteiden vakiovirtojen tasaamiseksi. Sallitun kokonaisvastusjännitteen lisäämiseksi käytetään diodien sarjakytkentää. Samanaikaisesti tarjotaan toimenpiteitä, joilla estetään käänteisen jännitteen epätasainen jakautuminen.

Puolijohdediodien pääominaisuus on virta-jännite (VAC) -ominaisuus. Puolijohderakenne ja diodisymboli on esitetty kuvassa. 1, a, b. Diodin virta-jännite-ominaisuuden vastahaara on esitetty kuvassa. 1, c (vyörydiodin käyrä 1 — I — V, tavanomaisen diodin käyrä 2 — I — V).

Riisi. 1 — Diodin virta-jännite ominaiskäyrän symboli ja käänteishaara.

Tyristorit Se on nelikerroksinen puolijohdelaite, jossa on kaksi vakaata tilaa: matalan johtavuuden tila (tyristori kiinni) ja korkea johtavuus (tyristori auki). Siirtyminen vakaasta tilasta toiseen johtuu ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Useimmiten tyristorin lukituksen avaamiseen vaikuttaa jännite (virta) tai valo (fototyristorit).

Erottele diodityristorit (dynistorit) ja triodityristorit ohjauselektrodit. Jälkimmäiset on jaettu yksitasoisiin ja kaksitasoisiin.

Yksitoimisissa tyristoreissa vain tyristorin sammutustoiminto suoritetaan hilapiirissä. Tyristori menee avoimeen tilaan positiivisella anodijännitteellä ja ohjauspulssin läsnäololla ohjauselektrodilla. Siksi tyristorin tärkein erottuva piirre on mielivaltaisen viiveen mahdollisuus sen laukaisuhetkellä, kun siinä on myötäjännite. Yksitoimisen tyristorin (sekä dinistorin) lukitus suoritetaan muuttamalla anodi-katodijännitteen napaisuutta.

Kaksitoimiset tyristorit mahdollistavat ohjauspiirin sekä tyristorin avaamisen että lukituksen. Lukitus suoritetaan kohdistamalla ohjauselektrodiin käänteisen napaisuuden ohjauspulssi.

On huomattava, että teollisuus tuottaa yksitoimisia tyristoreita tuhansien ampeerien sallituille virroille ja sallituille jännitteille kilovolttiyksikössä. Olemassa olevilla kaksitoimisilla tyristoreilla on huomattavasti pienemmät sallitut virrat kuin yksitoimisilla (yksiköt ja kymmeniä ampeeria) ja pienemmät sallitut jännitteet. Tällaisia ​​tyristoreita käytetään relelaitteissa ja pienitehoisissa muuntimessa.

KuvassaKuvassa 2 on esitetty tyristorin tavanomainen nimitys, puolijohderakenteen kaavio ja tyristorin virta-jännite-ominaisuus. Kirjaimet A, K, UE vastaavasti tarkoittavat anodi-, katodi- ja tyristoriohjauselementin lähtöjä.

Tärkeimmät parametrit, jotka määräävät tyristorin valinnan ja sen toiminnan muunninpiirissä ovat: sallittu myötävirta, Ia-lisäaine, A; sallittu myötäsuuntainen jännite suljetussa tilassa, Ua max, V, sallittu paluujännite, Ubmax, V.

Tyristorin suurin myötäsuuntainen jännite, kun otetaan huomioon muuntajapiirin toimintaominaisuudet, ei saa ylittää suositeltua käyttöjännitettä.

Riisi. 2 — Tyristorisymboli, puolijohteen rakennekaavio ja tyristorin virta-jännite-ominaisuus

Tärkeä parametri on tyristorin pitovirta avoimessa tilassa, Isp, A, on pienin eteenpäin suuntautuva virta, jonka alemmilla arvoilla tyristori sammuu; parametri, jota tarvitaan muuntimen pienimmän sallitun kuormituksen laskemiseen.

Muut muunnoslaitteet

Triacit (symmetriset tyristorit) johtavat virtaa molempiin suuntiin. Triakin puolijohderakenne sisältää viisi puolijohdekerrosta ja sen konfiguraatio on monimutkaisempi kuin tyristori. P- ja n-kerrosten yhdistelmällä luodaan puolijohderakenne, jossa eri jännitenapaisuuksilla tyristorin virta-jännite-ominaisuuden suorahaaraa vastaavat ehdot täyttyvät.

Bipolaariset transistorittoimii avaintilassa.Toisin kuin kaksitoiminen tyristori transistorin pääpiirissä, on välttämätöntä ylläpitää ohjaussignaalia koko kytkimen johtavan tilan ajan. Täysin ohjattava kytkin voidaan toteuttaa bipolaarisella transistorilla.

Ph.D. Kolyada L.I.