Преобразователи электрической энергии играют важнейшую роль в современных системах электроснабжения. Особое место среди них занимают статические преобразователи, позволяющие преобразовывать электрическую энергию без использования движущихся частей. Давайте подробно разберем их устройство и особенности.
Назначение и принцип действия статических преобразователей
Статические преобразователи предназначены для преобразования рода, частоты, напряжения и силы электрического тока. В отличие от электромеханических устройств, они осуществляют это преобразование без использования движущихся частей, посредством электронных компонентов.
Принцип действия статических преобразователей основан на применении полупроводниковых приборов – диодов, тиристоров, транзисторов. Эти приборы обладают свойством односторонней проводимости и могут управляться подачей электрических импульсов. Коммутируя их определенным образом, можно получить на выходе требуемые параметры электрического тока.
Статические преобразователи позволяют эффективно и надежно преобразовывать электрическую энергию, обеспечивая ее рациональное использование в различных областях
Классификация статических преобразователей
Статические преобразователи классифицируются по ряду признаков:
- По виду преобразуемой энергии - преобразователи постоянного и переменного тока
- По выполняемым функциям - выпрямители, инверторы, преобразователи частоты
- По типу используемых полупроводниковых приборов - диодные, тиристорные, транзисторные
Также преобразователи различаются по способу охлаждения, конструктивному исполнению, режиму работы и другим признакам.
- По способу охлаждения бывают с естественным и принудительным охлаждением.
- По конструктивному исполнению - отдельные блоки или встраиваемые модули.
- По режиму работы - однофазные или трехфазные, реверсивные или нереверсивные.
Устройство статических преобразователей
В состав статического преобразователя входят следующие основные элементы:
- Полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы)
- Сглаживающие фильтры
- Система управления на базе микроконтроллера
- Вспомогательные цепи питания, защиты, охлаждения
Полупроводниковые приборы выполняют функцию «ключей», коммутирующих входное напряжение с заданной частотой и последовательностью. Фильтры обеспечивают сглаживание пульсаций на выходе. Система управления формирует сигналы управления полупроводниковыми приборами.
На рисунке представлена упрощенная структурная схема тиристорного преобразователя:
Здесь VS1-VS6 – тиристоры, формирующие трехфазный мост, F – сглаживающий фильтр, БУ – блок управления.
Ртутные преобразователи в истории
Первыми статическими преобразователями, получившими широкое распространение, были ртутные выпрямители и инверторы. Они использовали эффект односторонней проводимости дугового разряда в парах ртути.
Несмотря на ряд недостатков (большие габариты, токсичность ртути), ртутные преобразователи применялись вплоть до 1970-х годов, пока их не вытеснили полупроводниковые устройства.
Ртутные преобразователи сыграли важную роль в развитии техники преобразования электрической энергии, однако были вытеснены более совершенными полупроводниковыми устройствами.
Тиристорные преобразователи
Начиная с 1960-х годов в преобразовательной технике стали применяться тиристоры – полупроводниковые приборы с управляемой односторонней проводимостью.
Первые тиристорные преобразователи обладали низкой надежностью и высокой стоимостью. Их массовое распространение началось лишь в 1980-х годах.
По сравнению с ртутными устройствами, тиристорные преобразователи имеют меньшие размеры, более высокий КПД и не требуют обслуживания.
Наиболее широко тиристорные преобразователи используются в системах электроснабжения промышленных предприятий, на электровозах и электропоездах.
Транзисторные преобразователи
C 1990-х годов в преобразовательной технике стали применяться транзисторы – полупроводниковые приборы, управляемые подачей напряжения на затвор.
По сравнению с тиристорами, транзисторы обладают рядом преимуществ:
- Более высокая частота коммутации
- Возможность работы в режиме холостого хода
- Проще система управления
Наиболее широко используются IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором).
Транзисторные преобразователи позволяют получить на выходе качественную синусоидальную форму напряжения и обеспечивают высокую энергоэффективность.
В настоящее время они вытесняют тиристорные устройства во многих областях применения.
Применение статических преобразователей
Статические преобразователи используются в самых различных областях:
- Электротранспорт
- Системы электроснабжения промышленных предприятий
- Ветроэнергетика
- Солнечная энергетика
- Сварочное оборудование
- Бытовая техника
| Преимущества | Недостатки |
|
|
Перспективы развития статических преобразователей связаны с созданием полностью цифровых систем управления, повышением рабочей частоты, улучшением массогабаритных показателей.
Транзисторные преобразователи
C 1990-х годов в преобразовательной технике стали применяться транзисторы – полупроводниковые приборы, управляемые подачей напряжения на затвор.
По сравнению с тиристорами, транзисторы обладают рядом преимуществ:
- Более высокая частота коммутации
- Возможность работы в режиме холостого хода
- Проще система управления
Наиболее широко используются IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором).
Транзисторные преобразователи позволяют получить на выходе качественную синусоидальную форму напряжения и обеспечивают высокую энергоэффективность.
В настоящее время они вытесняют тиристорные устройства во многих областях применения.
Сравнение тиристорных и транзисторных преобразователей
Тиристорные и транзисторные преобразователи имеют свои преимущества и недостатки.
Преимущества тиристорных преобразователей:
- Простота схемы
- Низкая стоимость
Преимущества транзисторных преобразователей:
- Высокая частота коммутации
- Лучшее качество выходного напряжения
- Возможность работы на высоких оборотах
Поэтому для систем небольшой мощности чаще применяют тиристорные преобразователи, а транзисторные используются там, где важны высокое быстродействие и качество выходного напряжения.
Требования к системе управления преобразователем
Система управления статическим преобразователем должна обеспечивать:
- Формирование импульсов управления полупроводниковыми приборами с заданной частотой и скважностью
- Контроль параметров входного и выходного напряжения
- Защиту от перегрузок и аварийных режимов
Для этого в состав системы управления входят:
- Микроконтроллер или микропроцессор
- Датчики тока и напряжения
- Схемы формирования imp/p>
- Блок питания
Современные системы управления преобразователями реализуются на цифровой элементной базе с использованием микроконтроллеров или ПЛИС.
Режимы работы преобразователей
Статические преобразователи могут работать в различных режимах:
- Режим выпрямления переменного тока
- Режим инвертирования постоянного тока
- Режим стабилизации напряжения или тока
- Режим преобразования частоты
Выбор режима определяется алгоритмом работы системы управления преобразователя.
Некоторые преобразователи могут работать в комбинированном режиме, например, выпрямительно-инверторном.
Статические характеристики преобразователей
К важнейшим статическим характеристикам преобразователей относятся:
- Входное и выходное напряжение
- Входной и выходной ток
- КПД
- Коэффициент мощности
Эти параметры определяют область применения и режимы работы преобразователя.
Также оцениваются динамические характеристики: быстродействие, перегрузочная способность, устойчивость.
Знание статических характеристик позволяет правильно выбрать преобразователь для конкретных задач.
