Dispositivi di conversione nei sistemi di potenza

L'energia elettrica viene generata nelle centrali elettriche e distribuita principalmente sotto forma di corrente alternata con una frequenza di alimentazione. Un gran numero però consumatori di energia elettrica nell'industria richiede altri tipi di elettricità per la sua alimentazione.

Più spesso richiesto:

• DC (bagni elettrochimici ed elettrolitici, azionamento elettrico in corrente continua, dispositivi elettrici di trasporto e sollevamento, dispositivi elettrici di saldatura);

• corrente alternata frequenza non industriale (riscaldamento a induzione, azionamento in c.a. a velocità variabile).

A questo proposito, diventa necessario trasformare la corrente alternata in corrente continua (raddrizzata) o quando si converte la corrente alternata di una frequenza in corrente alternata di un'altra frequenza. Nei sistemi di trasmissione di energia elettrica, in un azionamento CC a tiristori, è necessario convertire la corrente continua in corrente alternata (inversione di corrente) nel punto di consumo.

Questi esempi non coprono tutti i casi in cui è richiesta la conversione dell'energia elettrica da un tipo all'altro.Più di un terzo di tutta l'elettricità prodotta viene convertita in un altro tipo di energia, motivo per cui il progresso tecnico è in gran parte correlato al successo dello sviluppo di dispositivi di conversione (apparecchiature di conversione).

Classificazione dei dispositivi di conversione tecnologica

I principali tipi di dispositivi di conversione

La quota di conversione di dispositivi tecnologici nel bilancio energetico del Paese occupa un posto significativo. I vantaggi dei convertitori a semiconduttore, rispetto ad altri tipi di convertitori, sono innegabili. I principali vantaggi sono i seguenti:

— I convertitori a semiconduttore hanno caratteristiche energetiche e di regolazione elevate;

— avere dimensioni e peso ridotti;

— funzionamento semplice e affidabile;

— fornire la commutazione senza contatto delle correnti nei circuiti di alimentazione.

Grazie a questi vantaggi, i convertitori di semiconduttori sono ampiamente utilizzati: metallurgia non ferrosa, industria chimica, trasporto ferroviario e urbano, metallurgia ferrosa, ingegneria meccanica, energia e altre industrie.

Daremo definizioni dei principali tipi di dispositivi di conversione.

Raddrizzatore È un dispositivo per convertire la tensione alternata in tensione continua (U ~ → U =).

Un inverter è chiamato un dispositivo per convertire la tensione continua in tensione alternata (U = → U ~).

Un convertitore di frequenza serve a convertire una tensione alternata di una frequenza in una tensione alternata di un'altra frequenza (Uf1→Uf2).

Un convertitore di tensione CA (regolatore) è progettato per modificare (regolare) la tensione fornita al carico, ad es. converte la tensione CA di una grandezza in tensione CA di un'altra grandezza (U1 ~ → U2 ~).

Ecco i tipi più utilizzati di dispositivi di conversione tecnologica... Esistono numerosi dispositivi di conversione progettati per convertire (regolare) l'entità della corrente continua, il numero di fasi del convertitore, la forma della curva di tensione, ecc.

Brevi caratteristiche dei dispositivi di trasformazione della base degli elementi

Tutti i dispositivi di conversione, progettati per scopi diversi, hanno un principio di funzionamento comune, che si basa sull'accensione e lo spegnimento periodici delle valvole elettriche. Attualmente, i dispositivi a semiconduttore sono utilizzati come valvole elettriche. I diodi più utilizzati, tiristori, triac e transistor di potenzafunziona in modalità chiave.

1. Diodi Rappresentano elementi a due elettrodi di un circuito elettrico con conduttività unilaterale. La conduttanza di un diodo dipende dalla polarità della tensione applicata. Generalmente, i diodi sono divisi in diodi a bassa potenza (corrente media consentita Ia ≤ 1A), diodi a media potenza (aggiungendo Ia = 1 — 10A) e diodi ad alta potenza (aggiungendo Ia ≥ 10A). Secondo il loro scopo, i diodi sono divisi in bassa frequenza (fadd ≤ 500 Hz) e alta frequenza (fdop> 500 Hz).

I parametri principali dei diodi raddrizzatori sono la più alta corrente raddrizzata media, Ia addizione, A, e la più alta tensione inversa, Ubmax, B, che può essere applicata al diodo per lungo tempo senza pericolo di disturbarne il funzionamento.

Nei convertitori di media e alta potenza Applicare potenti diodi (a valanga). Questi diodi hanno alcune caratteristiche specifiche in quanto operano a correnti elevate e tensioni inverse elevate, con conseguente rilascio di potenza significativo nella giunzione p-n.Quindi dovrebbero essere forniti metodi di raffreddamento efficaci qui.

Un'altra caratteristica dei diodi di potenza è la necessità di proteggere da sovratensioni a breve termine derivanti da improvvise cadute di carico, commutazione e modalità di emergenza.

La protezione del diodo di alimentazione da sovratensione consiste nel trasferimento di un possibile guasto elettrico p-n - una transizione dalle aree superficiali alla massa. In questo caso, il guasto ha un carattere a valanga ei diodi sono chiamati valanga. Tali diodi sono in grado di far passare una corrente inversa sufficientemente grande senza surriscaldare le aree locali.

Quando si sviluppano circuiti di dispositivi convertitori, può essere necessario ottenere una corrente raddrizzata superiore al valore massimo consentito di un singolo diodo. In questo caso si utilizza il collegamento in parallelo di diodi dello stesso tipo con l'adozione di accorgimenti per equalizzare le correnti costanti dei dispositivi compresi nel gruppo. Per aumentare la tensione inversa totale consentita, viene utilizzata la connessione in serie dei diodi. Allo stesso tempo, vengono fornite misure per escludere la distribuzione non uniforme della tensione inversa.

La caratteristica principale dei diodi a semiconduttore è la caratteristica corrente-tensione (VAC). La struttura del semiconduttore e il simbolo del diodo sono mostrati in Fig. 1, a, b. Il ramo inverso della caratteristica corrente-tensione del diodo è mostrato in Fig. 1, c (curva 1 - I - V caratteristica di un diodo a valanga, curva 2 - I - V caratteristica di un diodo convenzionale).

Riso. 1 — Simbolo e ramo inverso della caratteristica corrente-tensione del diodo.

Tiristori È un dispositivo semiconduttore a quattro strati con due stati stabili: uno stato di bassa conducibilità (tiristore chiuso) e uno stato di alta conducibilità (tiristore aperto). Il passaggio da uno stato stabile all'altro è dovuto all'azione di fattori esterni. Molto spesso, per sbloccare un tiristore, è influenzato dalla tensione (corrente) o dalla luce (fototiristori).

Distinguere i tiristori a diodi (dynistor) e l'elettrodo di controllo dei tiristori a triodo. Questi ultimi sono divisi in singolo livello e due livelli.

Nei tiristori a singola azione, sul circuito di gate viene eseguita solo l'operazione di spegnimento del tiristore. Il tiristore entra nello stato aperto con una tensione anodica positiva e la presenza di un impulso di controllo sull'elettrodo di controllo. Pertanto, la principale caratteristica distintiva del tiristore è la possibilità di un ritardo arbitrario al momento della sua accensione in presenza di una tensione diretta su di esso. Il blocco di un tiristore a singola operazione (così come un dinistor) viene effettuato cambiando la polarità della tensione anodo-catodo.

I tiristori a doppia funzione consentono al circuito di controllo di sbloccare e bloccare il tiristore. Il bloccaggio viene eseguito applicando un impulso di controllo di polarità inversa all'elettrodo di controllo.

Va notato che l'industria produce tiristori a singola azione per correnti consentite di migliaia di ampere e tensioni consentite di un'unità di kilovolt. I tiristori a doppia azione esistenti hanno correnti consentite significativamente inferiori rispetto a quelli a singola azione (unità e decine di ampere) e tensioni consentite inferiori. Tali tiristori sono utilizzati nelle apparecchiature a relè e nei dispositivi convertitori a bassa potenza.

Nella fig.2 mostra la designazione convenzionale del tiristore, lo schema della struttura del semiconduttore e la caratteristica corrente-tensione del tiristore. Le lettere A, K, UE indicano rispettivamente le uscite dell'elemento di controllo di anodo, catodo e tiristore.

I parametri principali che determinano la scelta di un tiristore e il suo funzionamento nel circuito del convertitore sono: corrente diretta ammissibile, Ia additiva, A; tensione diretta ammissibile nello stato chiuso, Ua max, V, tensione inversa ammissibile, Ubmax, V.

La tensione diretta massima del tiristore, tenendo conto delle capacità operative del circuito del convertitore, non deve superare la tensione operativa consigliata.

Riso. 2 — Simbolo del tiristore, diagramma della struttura del semiconduttore e caratteristica corrente-tensione del tiristore

Un parametro importante è la corrente di mantenimento del tiristore nello stato aperto, Isp, A, è la corrente diretta minima, a valori inferiori di cui il tiristore si spegne; parametro necessario per calcolare il carico minimo ammissibile del convertitore.

Altri tipi di dispositivi di conversione

I triac (tiristori simmetrici) conducono corrente in entrambe le direzioni. La struttura a semiconduttore di un triac contiene cinque strati semiconduttori e ha una configurazione più complessa del tiristore. Usando una combinazione di strati p e n crea una struttura semiconduttrice in cui, a diverse polarità di tensione, sono soddisfatte le condizioni corrispondenti al ramo diretto della caratteristica corrente-tensione del tiristore.

Transistor bipolarifunziona in modalità chiave.A differenza del tiristore bioperativo nel circuito principale del transistor, è necessario mantenere un segnale di controllo durante l'intero stato di conduzione dell'interruttore. Un interruttore completamente controllabile può essere realizzato con un transistor bipolare.

dottorato di ricerca Kolyada L.I.