Dispositius convertidors en sistemes elèctrics

L'energia elèctrica es genera a les centrals elèctriques i es distribueix principalment en forma de corrent altern amb una freqüència de subministrament. Un gran nombre, però consumidors d'electricitat a la indústria requereix altres tipus d'electricitat per al seu subministrament.

Molt sovint es requereix:

• D.C. (banys electroquímics i d'electròlisi, accionament elèctric de corrent continu, aparells elèctrics de transport i elevació, aparells elèctrics de soldadura);

• corrent altern freqüència no industrial (calefacció per inducció, variador de CA de velocitat).

En aquesta connexió, es fa necessari transformar el corrent altern en corrent continu (rectificat) o quan es converteix el corrent altern d'una freqüència en corrent altern d'una altra freqüència. En els sistemes de transmissió d'energia elèctrica, en un tiristor DC, hi ha la necessitat de convertir el corrent continu en corrent altern (inversió de corrent) al punt de consum.

Aquests exemples no cobreixen tots els casos en què es requereix la conversió d'energia elèctrica d'un tipus a un altre.Més d'un terç de tota l'electricitat produïda es converteix en un altre tipus d'energia, per això el progrés tècnic està relacionat en gran mesura amb el desenvolupament reeixit dels dispositius de conversió (equips de conversió).

Classificació dels dispositius de conversió de tecnologia

Els principals tipus de dispositius de conversió

La part de la conversió de dispositius tecnològics en el balanç energètic del país ocupa un lloc important. Els avantatges dels convertidors de semiconductors, en comparació amb altres tipus de convertidors, són innegables. Els principals avantatges són els següents:

— Els convertidors de semiconductors tenen característiques de regulació i energia elevades;

- tenen petites dimensions i pes;

- funcionament senzill i fiable;

— Proporcionar commutació sense contacte de corrents en circuits d'alimentació.

Gràcies a aquests avantatges, els convertidors de semiconductors són àmpliament utilitzats: metal·lúrgia no ferrosa, indústria química, transport ferroviari i urbà, metal·lúrgia ferrosa, enginyeria mecànica, energia i altres indústries.

Donarem definicions dels principals tipus de dispositius de conversió.

Rectificador És un dispositiu per convertir la tensió CA en voltatge CC (U ~ → U =).

Un inversor s'anomena dispositiu per convertir la tensió directa en voltatge alterna (U = → U ~).

Un convertidor de freqüència serveix per convertir una tensió alterna d'una freqüència en una tensió alterna d'una altra freqüència (Uf1→Uf2).

Un convertidor de tensió CA (regulador) està dissenyat per canviar (regular) la tensió subministrada a la càrrega, és a dir. converteix la tensió de CA d'una magnitud a la tensió de CA d'una altra magnitud (U1 ~ → U2 ~).

Aquests són els tipus de dispositius de conversió de tecnologia més utilitzats... Hi ha una sèrie de dispositius de conversió dissenyats per convertir (regular) la magnitud del corrent continu, el nombre de fases del convertidor, la forma de la corba de tensió, etc.

Breus característiques dels dispositius convertidors de bases d'elements

Tots els dispositius de conversió, dissenyats per a diferents finalitats, tenen un principi de funcionament comú, que es basa en l'encesa i apagada periòdica de les vàlvules elèctriques. Actualment, els dispositius semiconductors s'utilitzen com a vàlvules elèctriques. Els díodes més utilitzats, tiristors, triacs i transistors de potènciafunciona en mode clau.

1. Díodes Representen elements de dos elèctrodes d'un circuit elèctric amb conductivitat unilateral. La conductància d'un díode depèn de la polaritat de la tensió aplicada. Generalment, els díodes es divideixen en díodes de baixa potència (intensitat mitjana admissible Ia ≤ 1A), díodes de potència mitjana (afegir Ia = 1 - 10A) i díodes d'alta potència (afegir Ia ≥ 10A). Segons la seva finalitat, els díodes es divideixen en baixa freqüència (fadd ≤ 500 Hz) i alta freqüència (fdop> 500 Hz).

Els paràmetres principals dels díodes rectificadors són el corrent rectificat mitjà més alt, Ia addició, A, i la tensió inversa més alta, Ubmax, B, que es pot aplicar al díode durant molt de temps sense perill de pertorbar-ne el funcionament.

En convertidors de potència mitjana i alta Aplicar díodes potents (allau). Aquests díodes tenen algunes característiques específiques, ja que operen a corrents elevats i tensions inverses elevades, donant lloc a una alliberació de potència significativa a la unió p-n.Així que aquí s'han de proporcionar mètodes de refrigeració efectius.

Una altra característica dels díodes de potència és la necessitat de protegir contra sobretensions a curt termini derivades de caigudes sobtades de càrrega, commutació i modes d'emergència.

La protecció del díode de la font d'alimentació contra la sobretensió consisteix en la transferència d'una possible avaria elèctrica p-n: una transició de les àrees superficials a la massa. En aquest cas, l'avaria té un caràcter d'allau, i els díodes s'anomenen allau. Aquests díodes són capaços de passar un corrent invers prou gran sense sobreescalfar les zones locals.

Quan es desenvolupen circuits de dispositius convertidors, pot ser necessari obtenir un corrent rectificat que superi el valor màxim permès d'un únic díode. En aquest cas, s'utilitza la connexió en paral·lel de díodes del mateix tipus amb l'adopció de mesures per igualar els corrents constants dels dispositius inclosos en el grup. Per augmentar la tensió inversa total admissible, s'utilitza la connexió en sèrie de díodes. Al mateix temps, es proporcionen mesures per excloure la distribució desigual de la tensió inversa.

La característica principal dels díodes semiconductors és la característica de corrent-tensió (VAC). L'estructura del semiconductor i el símbol del díode es mostren a la Fig. 1, a, b. La branca inversa de la característica de corrent-tensió del díode es mostra a la Fig. 1, c (corba 1 — I — V característica d'un díode d'allau, corba 2 — I — V característica d'un díode convencional).

Arròs. 1 — Símbol i branca inversa de la característica corrent-tensió del díode.

Tiristors És un dispositiu semiconductor de quatre capes amb dos estats estables: un estat de baixa conductivitat (tiristor tancat) i alta conductivitat (tiristor obert). El pas d'un estat estable a un altre es deu a l'acció de factors externs. Molt sovint, per desbloquejar un tiristor, es veu afectat per la tensió (corrent) o la llum (fototiristors).

Distingeix tiristors de díode (dinistors) i elèctrode de control de tiristors de triode. Aquests últims es divideixen en d'un sol nivell i de dos nivells.

En els tiristors d'acció única, només es realitza l'operació d'apagada del tiristor al circuit de la porta. El tiristor entra a l'estat obert amb una tensió d'ànode positiva i la presència d'un pols de control a l'elèctrode de control. Per tant, la principal característica distintiva del tiristor és la possibilitat d'un retard arbitrari en el moment de la seva activació en presència d'una tensió directa. El bloqueig d'un tiristor d'una sola operació (així com d'un dinistor) es realitza canviant la polaritat de la tensió ànode-càtode.

Els tiristors de doble funció permeten que el circuit de control desbloquegi i bloquegi el tiristor. El bloqueig es realitza aplicant un pols de control de polaritat inversa a l'elèctrode de control.

Cal tenir en compte que la indústria produeix tiristors d'acció única per a corrents permeses de milers d'amperes i voltatges permesos d'una unitat de kilovolts. Els tiristors de doble acció existents tenen corrents permeses significativament més baixes que els d'acció simple (unitats i desenes d'amperes) i tensions permeses més baixes. Aquests tiristors s'utilitzen en equips de relé i en dispositius convertidors de baixa potència.

A la fig.La figura 2 mostra la designació convencional del tiristor, l'esquema de l'estructura del semiconductor i la característica de corrent-tensió del tiristor. Les lletres A, K, UE denoten respectivament les sortides de l'element de control de l'ànode, el càtode i el tiristor.

Els principals paràmetres que determinen l'elecció d'un tiristor i el seu funcionament en el circuit del convertidor són: corrent directe admissible, Ia additiu, A; tensió directa admissible en estat tancat, Ua max, V, tensió inversa admissible, Ubmax, V.

La tensió directa màxima del tiristor, tenint en compte les capacitats de funcionament del circuit convertidor, no ha de superar la tensió de funcionament recomanada.

Arròs. 2 — Símbol del tiristor, diagrama d'estructura de semiconductors i característica corrent-tensió del tiristor

Un paràmetre important és el corrent de retenció del tiristor en estat obert, Isp, A, és el corrent directe mínim, a valors més baixos del qual el tiristor s'apaga; paràmetre necessari per calcular la càrrega mínima admissible del convertidor.

Altres tipus de dispositius de conversió

Els triacs (tiristors simètrics) condueixen el corrent en ambdues direccions. L'estructura semiconductora d'un triac conté cinc capes de semiconductors i té una configuració més complexa que el tiristor. Utilitzant una combinació de capes p i n es crea una estructura semiconductora en la qual, a diferents polaritats de tensió, es compleixen les condicions corresponents a la branca directa de la característica de corrent-tensió del tiristor.

Transistors bipolarsfunciona en mode clau.A diferència del tiristor bi-operacional del circuit principal del transistor, és necessari mantenir un senyal de control durant tot l'estat conductor de l'interruptor. Un interruptor totalment controlable es pot realitzar amb un transistor bipolar.

Ph.D. Kolyada L.I.