Виды преобразования электроэнергии, основные виды полупроводниковых преобразователей и области их применения

Основные определения и допущения

Как известно [4], свыше 95% всей электроэнергии вырабатывается с помощью синхронных генераторов в виде переменного тока промышленной частоты. В тоже время, значительная часть электроэнергии потребляется в виде энергии постоянного тока или в виде энергии переменного тока повышенной, а иногда и регулируемой частоты. В качестве примеров потребителей постоянного тока можно привести электролизные ванны для получения алюминия или рафинирования меди, тяговый электропривод железнодорожного и городского транспорта, зарядные устройства, источники питания и т.п. Переменный ток повышенной частоты используется в установках для индукционного нагрева, источниках питания со звеном повышенной частоты, сварочных генераторах и т.д. Переменный ток регулируемой частоты необходим в частотнорегулируемом электроприводе на базе асинхронных двигателей. Во всех перечисленных случаях энергия переменного тока промышленной частоты подвергается преобразованию с помощью полупроводниковых преобразователей. В настоящее время, принято различать два основных вида преобразования электроэнергии: выпрямление и инвертирование.

Выпрямлением называется преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Соответственно, устройство (преобразователь), обеспечивающее такое преобразование, называется выпрямителем.

Инвертированием называется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.Соответственно, устройство, обеспечивающее такое преобразование, называется инвертором.

В основе любого преобразования электрической энергии лежат процессы переключения тока в элементах схемы. Например, в однофазной мостовой схеме выпрямления, формирование однополярного тока в нагрузке обеспечивается за счет переключения зажимов нагрузки по отношению к зажимам трансформатора при изменении полярности мгновенной эдс вторичной обмотки трансформатора. Это переключение производится с помощью полупроводниковых диодов, включенных между трансформатором и нагрузкой. Процесс переключения тока в схеме полупроводникового преобразователя, в частности, между силовыми полупроводниковыми приборами, называется коммутацией. Коммутация тока в преобразователях может осуществляться разными способами. В настоящее время, все эти способы принято делить на два, принципиально отличающихся друг от друга, вида: естественную коммутацию и искусственную коммутацию.

Естественной коммутацией называется коммутация под воздействием эдс сети переменного тока, которая, в свою очередь, называется ведущей сетью.

Искусственной коммутацией называется коммутация, осуществляемая при отсутствии ведущей сети или с помощью специальных, коммутирующих конденсаторов (емкостная коммутация), или за счет свойств управляемых полупроводниковых приборов (например, силовых транзисторов), позволяющих выключать ток через прибор по цепи управления. В этом случае, коммутация называется принудительной.

В зависимости от вида коммутации все преобразователи делятся на две основных категории: преобразователи, ведомые сетью, и автономные преобразователи. Работа преобразователей, ведомых сетью, основана на использовании естественной коммутации, а, соответственно, в автономных преобразователях используется искусственная коммутация (емкостная или принудительная).

В свою очередь, преобразователи, ведомые сетью, как показано на рисунке 1.1, делятся на: выпрямители (В), инверторы ведомые сетью (ИВС) и непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

Рисунок 1.1 – Основные виды полупроводниковых преобразователей

 

Соответственно, автономные преобразователи подразделяются на инверторы тока (ИТ), инверторы напряжения (ИН) и импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН).

Кроме того, основные схемы выпрямления подразделяются:

- по структуре схемы - на мостовые схемы и схемы с выводом нулевой точки источника (обычно, трансформатора);

- по способу формирования выходного напряжения - на однополупериодные или двухполупериодные;

- по числу фаз питающего напряжения – на однофазные и трехфазные.

Автономные преобразователи тоже имеют более мелкие подвиды, рассмотрение которых выходит за рамки данного курса. Следует отметить, однако, что любой подвид инвертора тока или инвертора напряжения может быть реализован по любой из известных, основных схем выпрямления. Например, параллельный инвертор тока может выполняться по однофазной мостовой схеме или по схеме с выводом нулевой точки трансформатора, или по трехфазной мостовой схеме и т.п. Схемные варианты импульсных преобразователей весьма специфичны, что и обеспечило выделение этого класса преобразователей в отдельную группу.

Силовые полупроводниковые преобразователи широко применяются в современной науке и технике. Неуправляемые (диодные) выпрямители являются неотъемлемой частью большинства источников питания и преобразователей частоты, как со звеном постоянного тока, так и со звеном повышенной частоты. Они используются в тяговых подстанциях городского и железнодорожного электротранспорта, в бортовых системах электроснабжения постоянного тока, а также в промышленных системах релейно-контакторного управления для питания обмоток электрических аппаратов.

Управляемые выпрямители и инверторы, ведомые сетью, применяются в регулируемом электроприводе постоянного тока, а также в тиристорных преобразователях частоты со звеном постоянного тока. Например, такие преобразователи с выходным напряжением повышенной частоты (до 10 кГц), на базе инверторов тока или инверторов напряжения, широко применяются в технологических целях, например, в установках индукционного нагрева металлов.

В настоящее время перспективным направлением является разработка и применение импульсных преобразователей, например, для регуляторов частоты вращения тяговых двигателей постоянного тока.