Преобразовательные устройства в системах электроснабжения. Как из постоянного тока сделать переменный? Какой ток опаснее - постоянный или переменный

Хотя, как мы уже указывали, в технике применяется преимущественно переменный ток, однако в ряде случаев бывает необходимо иметь постоянный ток. Такой ток необходим, например, для питания радиоприемных и радиопередающих устройств, телевизоров, для зарядки аккумуляторов, для электролитического получения металлов, для приведения в действие двигателей трамваев, троллейбусов и электропоездов и для многих других целей. Поэтому очень важное техническое значение имеют устройства, позволяющие превращать переменный ток в постоянный, или, как принято говорить, выпрямлять его.

В основе действия всех устройств такого рода – выпрямителей – лежит применение так называемых электрических вентилей, т. е. приборов, которые пропускают ток в одном направлении и не пропускают его в противоположном направлении. С одним из таких вентилей мы уже знакомы. Это – двухэлектродная лампа с накаленным катодом (§ 106). Если мы включим такую лампу в сеть переменного тока последовательно с нагрузкой, для питания которой нам нужен постоянный ток (рис. 315), то ток будет проходить через цепь только в тот полупериод, когда накаленная нить будет катодом, а холодная пластинка – анодом. В следующий полупериод, когда холодная пластинка служит катодом, а раскаленная нить – анодом, ток проходить не может, потому что испускаемые нитью электроны не будут притягиваться полем к пластинке, а, наоборот, будут отталкиваться обратно к нити. Поэтому ток в нагрузке будет прямым, т. е. направление его меняться не будет. Форма такого пульсирующего прямого тока показана на рис. 316. Эта схема выпрямления переменного тока носит название однополупериодной.

Рис. 315. Схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 316. Форма тока при однополупериодном выпрямлении

Чтобы сгладить колебания силы тока в цепи, применяют более сложную, двухполупериодную, схему выпрямления, показанную на рис. 317. Здесь сетевое напряжение подводят к первичной обмотке трансформатора, а середину вторичной обмотки соединяют с отдельным зажимом. Ясно, что в течение одного полупериода зажим имеет относительно средней точки более высокий потенциал, т. е. является по отношению к ней плюсом, а точка – минусом. В течение следующего полупериода, наоборот, плюсом по отношению к средней точке будет точка , а минусом – точка .

Рис. 317. Схема двухполупериодного выпрямителя

Крайние точки трансформатора и присоединяют к анодам двух выпрямительных ламп, катоды которых соединены между собой и накаливаются отдельной батареей или отдельной понижающей обмоткой на трансформаторе. Нагрузка, как это видно из рис. 317, включается между средней точкой трансформатора и катодами обеих выпрямительных ламп. В течение того полупериода, когда точка положительна по отношению к точке , а точка – отрицательна, ток проходит только через первую лампу, а вторая заперта, т. е. не пропускает тока. В течение следующего полупериода лампы меняются ролями: первая лампа заперта, и ток проходит только через вторую. Направления этих токов отмечены на рис. 317 стрелками. Мы видим, что через нагрузку ток проходит в течение обоих полупериодов в одном и том же направлении. Форма этого тока показана на рис. 318 штриховой линией.

Рис. 318. Форма тока при двухполупериодном выпрямлении

Чтобы еще больше сгладить пульсации выпрямленного тока, применяют так называемые фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор достаточно большой емкости, включенный параллельно нагрузке. Этот конденсатор, показанный штриховой линией на рис. 315, заряжается в тот полупериод, когда через выпрямительную лампу проходит ток, и разряжается через приемник энергии в течение следующего полупериода, поддерживая в нем, таким образом, ток в течение всего периода.

Еще более совершенным является фильтр, состоящий из катушки с железным сердечником, обладающей большой индуктивностью, и двух конденсаторов. Катушка включается последовательно с приемником энергии, а конденсаторы – параллельно ему: один – перед катушкой, другой после нее (рис. 317). Э. д. с. самоиндукции в катушке противодействует изменениям тока. Она ослабляет его во время нарастания и поддерживает во время убывания. Форма сглаженного тока показана на рис. 318 сплошной ломаной линией.

Двухэлектродные вакуумные выпрямительные лампы с накаленными катодами называют кенотронами (§ 106). Они получили очень широкое распространение в радиоприемниках, телевизорах и других радиоустройствах.

Кенотроны могут пропускать через себя лишь сравнительно слабые токи, до нескольких десятков миллиампер. В тех случаях, когда нужно выпрямлять большие токи (до 50 А), вместо кенотронов применяют так называемые газотроны (рис. 319). Это тоже двухэлектродная лампа с накаленным катодом и металлическим или угольным анодом, но в отличие от кенотрона, внутри которого воздух по возможности полностью откачан, колба газотрона заполнена парами ртути или инертным газом. Электроны, вылетающие из накаленного катода, на своем пути к аноду ионизуют при соударениях атомы ртути. Появляющиеся при этом положительные ионы способствуют увеличению эмиссии с катода, так что ток через газотрон может быть значительно больше, чем через кенотрон.

Рис. 319. Газотрон: а) внешний вид; б) условное обозначение

Наконец, в тех случаях, когда требуется выпрямить токи очень больших мощностей (до 200 А при напряжении до 50 кВ), в качестве вентилей применяют так называемые ртутные выпрямители. Они представляют собой большие стеклянные или металлические колбы (рис. 320), в которых происходит дуговой разряд в парах ртути между катодом 1 (жидкая ртуть) и графитовыми электродами 2 и 3, впаянными в боковые отростки. Дополнительные электроды 4 и 5 включены в устройство, обеспечивающее работу выпрямителя при малых нагрузках. Ртуть в дополнительном отростке 6 служит для зажигания дуги. Дуга в колбе может гореть только тогда, когда жидкая ртуть является катодом. При этом на поверхности ртути образуется ярко светящееся пятно, представляющее собой нагретый участок ртути. С этого участка происходит усиленное испарение ртути, пары которой при высоком давлении заполняют всю колбу. Это же пятно является и источником электронов, которые движутся под действием электрического поля к тому из электродов 2 и 3, который в данное время положителен по отношению к ртути и другому аноду.

Рис. 320. Устройство ртутного выпрямителя

Такой выпрямитель включается по схеме двухполупериодного выпрямления, и дуга горит в течение одного полупериода между катодом 1 и анодом 2, а в течение другого – между катодом 1 и анодом 3. При этом в нагрузке ток идет все время в одном и том же направлении. Такими ртутными выпрямителями оборудованы, в частности, почти все подстанции, питающие электрические железные дороги, трамваи и троллейбусы.

Наряду с описанными электронными или газоразрядными выпрямителями в последнее время получили более широкое распространение твердые или полупроводниковые выпрямители, о которых было сказано в гл. IX. Их включают в выпрямительные устройства по тем же схемам одно- и двухполупериодиого выпрямления, как газотроны или кенотроны.

На чертежах полупроводниковые вентили принято обозначать условным знаком, изображенным на рис. 321. Направление острия указывает направление пропускания тока. Иными словами, устройство, обозначенное этим знаком, пропускает ток только тогда, когда электрод, изображенный треугольником, является анодом (плюсом), а электрод, изображаемый пластинкой, – катодом (минусом).

Рис. 321. Условное обозначение полупроводниковых электрических вентилей

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты. Однако большое количество в промышленности требует для своего питания другие виды электроэнергии.

Чаще всего требуется:

• (электрохимические и электролизные ванны, электропривод постоянного тока, электрический транспорт и подъемные устройства, электросварочные агрегаты);

• непромышленной частоты ( , регулируемый привод переменного тока).

В связи с этим возникает необходимость а преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямленный) ток, или в преобразовании переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты. В системах передачи электрической энергии, в тиристорном электроприводе постоянного тока, возникает потребность в преобразовании постоянного тока в переменный (инвертирование тока) в месте потребления.

Данные примеры охватывают не все случаи, когда требуется преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Более трети всей вырабатываемой электроэнергии преобразуется в другой вид энергии, поэтому технический прогресс во многом связан с успешным развитием преобразовательных устройств (преобразовательной техники).

Классификация устройств преобразовательной техники

Удельный вес устройств преобразовательной техники в энергетическом балансе страны занимает значительное место. Преимущества полупроводниковых преобразователей , по сравнению с другими видами преобразователей, неоспоримы. Основные преимущества заключаются в следующем:

Полупроводниковые преобразователи обладают высокими регулировочными и энергетическими показателями;

Имеют малые габариты и массу;

Просты и надежны в эксплуатации;

Обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях.

Благодаря указанным преимуществам полупроводниковые преобразователи получили широкое применение: цветной металлургии, химической промышленности, на железнодорожном и городском транспорте, в черной металлургии, машиностроении, энергетике и других отраслях.

Дадим определения основных видов преобразовательных устройств .

Выпрямитель – это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (U~ → U=).

Инвертором называют устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение (U= → U~).

Преобразователь частоты служит для преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (Uf1 → Uf2).

Преобразователь переменного напряжения (регулятор) предназначен для изменения (регулирования) подводимого к нагрузке напряжения, т.е. преобразует переменное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины (U1~ → U2~).

Здесь названы наиболее широко применяемые типы устройств преобразовательной техники . Имеется ряд преобразовательных устройств, предназначенных для преобразования (регулирования) величины постоянного тока, числа фаз преобразователя, формы кривой напряжения и др.

Краткая характеристика элементной базы преобразовательных устройств

Все преобразовательные устройства , разработанные для разных целей, имеют общий принцип работы, который основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В настоящее время в качестве электрических вентилей применяются полупроводниковые приборы. Наибольшее применение получили диоды, , симисторы и , работающие в ключевом режиме.

1. – это двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью. Проводимость диода зависит от полярности приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток Iа доп ≤ 1А), диоды средней мощности (Iа доп = 1 - 10А) и диоды большой мощности (Iа доп ≥ 10А). По назначению диоды делятся на низкочастотные (fдоп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (fдоп > 500 Гц).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются наибольшее среднее значение выпрямленного тока , Iа доп, А, и наибольшее обратное напряжение , Ubmax, В, которое может быть приложено к диоду в течение длительного времени без опасности нарушения его работы.

В преобразователях средней и большой мощности применяются мощные (лавинные) диоды. Эти диоды имеют некоторые специфические особенности, поскольку работают при больших токах и высоких обратных напряжениях, что приводит к выделению значительной мощности в р-n – переходе. Поэтому здесь должны предусматриваться эффективные способы охлаждения.

Другая особенность мощных диодов – необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и .

Защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя р-n – перехода с поверхностных участков в объемные. В этом случае пробой носит лавинный характер, а диоды называют лавинными. Такие диоды способны пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков.

При разработке схем преобразовательных устройств может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения используют последовательное соединение диодов. При этом также предусматривают меры, исключающие неравномерное распределение обратного напряжения.

Основной характеристикой полупроводниковых диодов является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Полупроводниковая структура и условное обозначение диода показано на рис 1, а,б. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода – на рис. 1, в (кривая 1 – ВАХ лавинного диода, кривая 2 – ВАХ обычного дио-да).

Рис. 1 - Условное обозначение и обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода.

– это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием с низкой проводимостью (тиристор закрыт) и состоянием с высокой проводимостью (тиристор открыт). Переход из одного устойчивого состояния в другое обусловлен действием внешних факторов. Наиболее часто для отпирания тиристора на него воздействуют напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Различают диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры , имеющие управляющий электрод. Последние делятся на однооперационные и двухоперационные.

В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только операция отпирания тиристора. Тиристор переходит в открытое состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Следовательно, основной отличительной особенностью тиристора является возможность произвольной задержки момента его отпирания при наличии на нем прямого напряжения. Запирание однооперационного тиристора, (а также динистора) производится изменением полярности напряжения анод – катод.

Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управления и отпирание и запирание тиристора. Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления.

Следует учесть, что промышленность выпускает однооперационные тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт. Существующие же двухоперационные тиристоры имеют значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Такие тиристоры используются в релейной аппаратуре и в маломощных преобразовательных устройствах.

На рис. 2 приведены условное обозначение тиристора, схема полупроводниковой структуры и вольт-амперная характеристика тиристора. Буквами А, К, УЭ соответственно обозначены выводы анода, катода и управляющего элемента тиристора.

Основными параметрами, определяющими выбор тиристора и его работу в схеме преобразователя, являются: допустимый прямой ток, Iа доп, А; допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии, Uа max, В, допустимое обратное напряжение, Ubmax, В.

Максимальное прямое напряжение на тиристоре с учетом вариантов работы преобразовательной схемы не должно превышать рекомендованного рабочего напряжения.

Рис. 2 –

Важным параметром является ток удержания тиристора в открытом состоянии , Iуд, А, – минимальный прямой ток, при более низких значениях которого тиристор выключается; параметр, необходимый для расчета минимально допустимой нагрузки преобразователя.

Другие виды преобразовательных устройств

Симисторы (симметричные тиристоры) проводят ток в обоих направлениях. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. С помощью комбинации р- и n -слоев создают полупроводниковую структуру, в которой при разной полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора.

Работающие в ключевом режиме. В отличие от двухоперационного тиристора в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

к.т.н. Коляда Л. И.

— устройство, преобразовывающее переменный ток одного в переменный ток другого напряжения. Он состоит из катушек (или обмоток), которые наматываются на каркас с помощью изолированного провода. Размещены катушки на магнитопроводе из пластин специальной стали. Вряд ли можно найти электронное устройство, где не использовался бы электрический трансформатор. Он является также одной из основных составляющих в системе подачи электроэнергии на расстояние. В основу работы трансформатора положено открытие Фарадеем в 1831 году электромагнитной индукции. Правда, главное свойство трансформатора — преобразование токов и напряжений откроют значительно позже.

Французским изобретателем Г. Румкорфом была создана в 1852 году индукционная катушка — прообраз первого трансформатора. С помощью катушки он получил колебания тока высокого напряжения. Для превращения постоянного тока, не поддающегося трансформации, в переменный, изобретатель включил прерыватель последовательно с первичной катушкой. При замыкании во вторичной обмотке напряжение выше первичного в таком соотношении, в каком было количество витков во вторичной обмотке по отношению к первичной. При размыкании тока первичной обмотки возникало еще большее напряжение во вторичной. Чем быстрее размыкание, тем больше его величина. В роли прерывателя была пружинная пластинка. Она размыкала цепь, притянутая сердечником катушки. На частоту прерываний влияла масса и упругость пружины, напряжение батареи. Практическое применение индукционные катушки получили лишь в 70-х годах.

Датой рождения трансформатора принято считать 30 ноября 1876 года. В этот день русскому ученому П. Н. Яблочкову вручили патент на трансформатор с разомкнутым сердечником катушки. Сердечником был стержень, на который были намотаны обмотки. Столкнувшись с проблемой «дробления» электричества, Яблочков предложил решить проблему с помощью индукционных катушек. При таком соединении в цепь включались последовательно первичные обмотки катушек, работавшие в режиме трансформатора, и выдавали необходимое напряжение на выходе. Во вторичную обмотку включали одну, две и более свечей. При потухании одной лампы цепь не разрывалась и другие свечи продолжали гореть. В 1882 году изобретатели Голяр и Гиббс запатентовали трансформатор, используемый также и для преобразования напряжения. Вскоре было отмечено, что можно повысить КПД и уменьшить потери энергии, насадив на единый сердечник вторичную и первичную катушки.

Трансформатор с замкнутым сердечником был впервые создан братьями Гопкинсонами в 1884 году. Сердечник набирался из стальных полос или проволок, которые разделялись изоляционным материалом. Это помогало уменьшить потери энергии. На сердечник поочередно размещали катушки высшего напряжения и низшего. В 1885 году электротехник Дери запатентовал параллельный способ включения трансформаторов в цепь. Это стало началом массового выпуска трансформаторов однофазного тока. Благодаря изобретенному Свинберном в конце 80-х способу масляного охлаждения трансформатора возросла надежность обмоток.

Русским ученым Доливо-Добровольским в 1889 году была предложена система трехфазного переменного тока и был изобретен первый трехфазный трансформатор. Конструкция трехфазного трансформатора с расположенными в одной плоскости параллельными стержнями оказалась довольно удачной и сохранилась без существенных изменений до наших дней. Трансформаторы находят сегодня широчайшее использование в быту и промышленности. Силовые электрические трансформаторы передают переменный ток на огромные расстояния по линиям электропередач. Существуют трансформаторы-карлики, которые применяют в телевизорах, радиоприемниках, телефонных аппаратах, магнитофонах и т.д.

Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя

В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую U 0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения U d (пульсации). Это действие часто называется "сглаживанием" выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим. Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания Δf f c .

Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный

На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой ω c . За период частоты входного колебания через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети ω c . Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое U 1 = U m sinω c t , то временные диаграммы напряжения на входе и выходе данной схемы будут выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя

Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный

В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке U H в два раза выше частоты сети ω c , что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя

В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.

Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.

Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия производится и распределяется по электрическим промышленным и бытовым сетям, главным обра­зом, на переменном токе. В то же время потребление электро­энергии в большом числе применений происходит на постоянном токе (электронная аппаратура, электротранспорт, гальванотехни­ка, электросварка и т.д.). В связи с этим широкое применение в электронике и электротехнике находят выпрямители – устрой­ства, предназначенные для преобразования переменного напря­жения в постоянное.

Значительно реже, но применяются в качестве первичного источника энергии и источники постоянного тока (химические и солнечные элементы, генераторы постоянного тока и т.д.). При этом потребителям может требоваться электроэнергия перемен­ного тока (электроприводы на базе двигателей переменного тока). Устройства, преобразующие электроэнергию постоянного тока в энергию переменного тока, называются инверторами .

Кроме того, напряжение первичного источника энергии обычно изменяется в некоторых пределах, и если нагрузке необ­ходим неизменный уровень напряжения, то требуется стабилиза­ция . С другой стороны, для реализации различных технологиче­ских процессов может возникать необходимость изменения на­пряжения по определённому закону. В таких случаях требуется регулирование напряжения .

Отрасль знаний, связанная с изучением преобразования па­раметров электрической энергии, называется преобразовательной техникой . Устройства преобразовательной техники реализуются на базе силовых полупроводниковых приборов – диодов, тири­сторов, транзисторов. В дисциплине «Основы преобразователь­ной техники» изучаются устройства, в основу построения кото­рых положено применение неуправляемых приборов (диодов) и не полностью управляемых (тиристоров). Устройства на полно­стью управляемых приборах (транзисторах) изучаются в дисцип­лине « Энергетическая электроника».

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передаётся посредством трёхфазной линии электропередачи стандартной частоты и стандартных номиналов напряжений. Для большинства стран, в том числе и России, промышленная частота f = 50 Гц, значение напряжения U = 220 или 380 В. В некоторых странах (США, Япония, Чехия, Словакия и др.) стандартная частота вырабатываемой электроэнергии f = 60 Гц. Однако для большого количества потребителей в народном хозяйстве требуется для питания другой вид электроэнергии:

▪ электрическая энергия постоянного тока (для электрического транспорта, электрохимических установок, электропривода постоянного тока, сварочных агрегатов, питания радиоэлектронной аппаратуры, передачи энергии постоянным током и в целом ряде других случаев);

▪ электрическая энергия переменного тока стандартной частоты, но с другим значением напряжения;

▪ электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (для электропривода переменного тока, индукционного нагрева и др.);

▪ электрическая энергия переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве первичного источника постоянного напряжения (для энергоснабжения подвижных объектов, устройств гарантированного питания, рекуперации энергии в сеть переменного напряжения и др.).

Приведённые примеры далеко не полностью охватывают ситуации, когда необходимо преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Примерно 50 % всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии. Как видно, технический прогресс современного общества во многом обусловлен успехами электроники и, в частности, успехами преобразовательной техники.

Принцип работы любого статического преобразователя основан на периодическом включении и выключении электронных ключей (вентилей) в определённой последовательности (по заданному алгоритму) . Особое значение имеет принцип запирания электронного вентиля, который определяется видом питающего напряжения. В ряде случаев включение последующего вентиля преобразователя приводит к автоматическому выключению предыдущего вентиля под действием напряжения питания. Процесс перехода тока от одного вентиля к другому называется процессом коммутации . Если источником коммутирующего напряжения служит сеть переменною напряжения, питающая преобразователь, то коммутацию называю сетевой (естественной ), а такие преобразователе называют преобразователями, ведомыми сетью (зависимыми преобразователями ). Если в качестве источника коммутирующего напряжения используется вспомогательный источник питания, то такую коммутацию называют принудительной (искусственной ). В последнем случае могут быть использованы полностью управляемые вентили.

ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Основные виды устройств преобразовательной техники

Все преобразователи делятся на 2 большие группы:

▪ электромашинные преобразователи – преобразователи на основе электрических машин ;

▪ с татические преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования рода тока, напряжения и частоты в силовых, вспомогательных и низковольтных цепях управления и защиты, которые не содержат подвижных частей , состоят из трансформатора (на переменном токе), управляемых и неуправляемых вентилей, аппаратуры управления, охлаждения, защиты и сигнализации.

Основные виды преобразователей символически изображены на рис. 1.

Дадим определения некоторых видов устройств преобразовательной техники.

Выпрямители (AC - DC -преобразователи ) – преобразователи переменного (двухполярного) напряжения U ~ в постоянное (однополярное) напряжение U = (рис. 1, а ).

Инверторы (DC - AC -преобразователи ) – преобразователи постоянного напряжения U = в переменное (двухполярное) напряжение U ~ (рис. 1, б ).

Преобразователи частоты (ПЧ) – это преобразователи переменного напряжения одной частоты U f 1 в переменное напряжение другой частоты (постоянной или регулируемой) U f 2 (рис. 1, в ).

Преобразователи числа фаз – это преобразователь фазного переменного входного напряжения U m 1 с числом фаз т 1 в переменное напряжение U m 2 с другим числом фаз т 2 (рис. 1, г ).

Регуляторы (трансформаторы ) постоянного напряжения (DC - DC -преобразователи ) – это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одного значения U =1 в постоянное напряжение другого значения U =2 (рис. 1, д ).

Регуляторы переменного напряжения – это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одного значения U ~1 в переменное напряжение другого значения U ~2 (рис.1,е ).

Существуют и другие виды преобразования электрической энергии: формирование мощных импульсов напряжения для питания лазеров, сигнальных устройств маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и др.

Используя названные типы преобразователей, можно решать различные задачи и создавать преобразовательные установки для питания конкретных потребителей.

Элементная база, используемая в преобразователях

Принцип работы любого преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В качестве вентиля может использоваться любой выпускаемый промышленностью прибор, работающий в ключевом режиме . В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность , что в основном и определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжениям на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых перечислены ниже и представлены на рис 2 (для каждого прибора даны его символическое изображение и типовая вольт-амперная характеристика).

Диоды (рис. 2, а ). Проводимость диода зависит от полярности приложенного к нему напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток I а.доп < 1 А), средней мощности (I а.доп = 1…10 А) и большой мощности (I а.доп > 10 А).

По назначению диоды делятся на низкочастотные (f доп ≤ 500 Гц) и высокочастотные (f доп > 500 Гц). Высокочастотные диоды Шоттки имеют время восстановления доли микросекунд.

Однооперационные тиристоры (рис. 2, б ). Прибор переходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Выключить однооперационный тиристор по цепи управления невозможно. Для его выключения необходимо поменять полярность анодного напряжения. Промышленность выпускает тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимыенапряжения единицы киловольт с временем восстановления управляющих свойств от сотен микросекунд до долей микросекунды.

Двухоперационные (запираемые) тиристоры [GTO (Gate Turn - Off ) thyristor ](на рис. 2, в ). Эти приборы имеют такую же вольт-амперную характеристику, как и однооперационные тиристоры, но их можно закрыть (запереть) по цепи управления.

Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления. Однако существующие двухоперационные тиристоры выпускаются промышленностью на значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные тиристоры (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Кроме того, они имеют меньший коэффициент усиления, т.е. для того чтобы выключить двухоперационный тиристор, по цепи управления необходимо пропустить импульс тока, соизмеримый по значению со значением выключаемого тока.

Аналогичные вольт-амперные характеристики имеют фототиристоры и оптронные тиристоры , в которых сигнал управления передаётся световым лучом.

Симисторы (рис. 2, г ). Эти приборы могут проводить ток в обе стороны, т.е. симистор – это не что иное, как два тиристора, включенных антипараллельно .

Обозначение на схемах

Фото современных симисторов

Симистop (симметричный триодный тиристор ) или триак (от англ. TRIAC – triode for alternating current ) – полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний – выводом 2 или условным анодом, вывод справа – управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзисторa). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания . Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

Симистор был изобретен в г. Саранске на заводе «Электровыпрямитель» в 1962-1963 г. начальником конструкторского бюро Василенко Валентиной Стефановной. Запатентован в СССР с приоритетом от 22 июня 1963 года, на полгода ранее, чем в США.

Структура

Симистор имеет пятислоевую структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы (см. рис.) из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

Эквивалентная схема симистора

Управление

Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение относительно условного катода. Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов (так называемые четырёхквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток (а именно, больший управляющий ток требуется в четвёртом квадранте, т. е. когда напряжение на условном аноде имеет  отрицательную полярность, а на управляющем электроде –  положительную).

Ограничения

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора. Существуют и другие параметры, на которые накладываются ограничения в соответствии с предельно-допустимыми режимами эксплуатации. К таким параметрам относятся ток и напряжение управляющего электрода, температура корпуса, рассеиваемая прибором мощность и пр.

Опасность превышения по скорости нарастания тока заключается в следующем. Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому, даже несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины. Это сопровождается выделением тепловой энергии, которая не успевает рассеяться и может привести к перегреву и повреждению кристалла.

Одним из способов защиты симистора от выбросов напряжения при работе с индуктивной нагрузкой является включение варистора параллельно основным выводам симистора. Для защиты симистора от превышения скорости изменения напряжения применяют так называемую снабберную цепочку (RC-цепь), подключаемую аналогично.

Устойчивость симистора к разрушению при превышении допустимой скорости нарастания тока (dI/dt) зависит от внутреннего сопротивления и индуктивности источника питания и нагрузки. При работе на емкостную нагрузку необходимо внести в цепь небольшую индуктивность.

Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме, показаны на рис. 1.2, д. В отличие от двухоперационных тиристоров в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всём этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

Полевые транзисторы (рис. 1.2, е ). Преимущество полевого транзистора перед биполярным транзистором заключается в том, что у полевого транзистора очень большое входное сопротивление, т.е. цепь управления такого прибора практически не потребляет электрической мощности в стационарном режиме, что повышает экономичность преобразователя.

IGBT -транзистор (Insolated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) (рис. 2, ж ). Это наиболее перспективный тип ключевых управляемых приборов. Он представляет собой комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, что позволяет получить электрический ключ на достаточно большие токи при затрате малых мощностей по цепи управления.

Тенденция развития элементной базы направлена на унификацию электронных ключей, уменьшение их установленной мощности, снижение потерь и уменьшение мощности управления. В настоящее время выпускаются интегральные блоки, в состав которых входят не только элементы силового ключа, но и формирователи сигналов управления этими ключами (драйверы ), или, как их иначе называют, формирователи сигналов управления (ФСУ).

На рис. 3 представлены принципиальные схемы таких ключей с двухсторонней проводимостью в интегральном исполнении. На рис. 3, а показан одиночный ключ с обратным диодом и формирователем сигнала управления ФСУ. На рис. 3, б изображена схема полумоста, состоящая из двух аналогичных ключей со своими ФСУ. Такой блок является составной частью большинства устройств преобразовательной техники. Интегральная схема, содержащая три полумоста с драйверами, является основной составной частью преобразователей электрической энергии.

Структурная схема интегрального интеллектуального модуля приведена на рис. 4. В состав интегральной схемы помимо модуля силового блока и драйвера входит диагностический блок , который контролирует токи и напряжения на силовых элементах, температуру структуры и вырабатывает сигналы, блокирующие драйвер при возникновении аварийных режимов. Кроме того, интеллектуальный модуль имеет диагностические выводы, по сигналам которых можно судить о причине блокировки сигналов управления силовыми транзисторами.

Рис. 4

МАЛОМОЩНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

Основные блоки выпрямительных установок

Бытовая электронная аппаратура, а также аппаратура, используемая в измерительной технике, системах управления и ряде других устройств, питается от сети переменного напряжения, тогда как отдельные узлы аппаратуры должны питаться постоянным напряжением (питание усилителей, устройств вычислительной техники и др.).

Рис. 1. Структурная схема маломощного источника питания

На рис. 1 приведена структурная схема маломощного источника питания, имеющая следующие элементы:

T – согласующий трансформатор (понижающий или повышающий ), который служит для согласования действующего значения напряжения U c и требуемого среднего значения напряжения на нагрузке U н;

В – вентильный комплект , служащий для преобразования переменного напряжения в напряжение, имеющее постоянную составляющую;

Ф – фильтр , предназначенный для уменьшения пульсации напряжения на нагрузке до требуемого уровня;

С – стабилизатор напряжения , служащий для стабилизации среднего значения напряжения на нагрузке при колебаниях значения питающего напряжения или при изменении тока нагрузки;

.

На практике некоторые блоки (кроме вентильного комплекта) могут отсутствовать в зависимости от значения постоянного напряжения на нагрузке и требований к его качеству.

Маломощные выпрямители, как правило, питаются от однофазной сети переменного напряжения 220 В. В качестве выпрямителей используются две основные схемы двухполупериодного выпрямления :

а) двухполупериодный выпрямитель по схеме с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора ;

б) однофазная мостовая схема выпрямления .

Проведём анализ работы каждой из названных схем при их работе на активную нагрузку и с различными типами фильтров. При анализе схем сделаем следующие допущения :

▪ вентили идеальные, т.е. прямое падение напряжения и обратный ток вентилей равны нулю;

▪ трансформатор идеальный, т.е. ток намагничивания, активное сопротивление обмоток трансформатора и индуктивность рассеяния трансформатора равны нулю;

▪ сопротивление подводящих проводов равно нулю.

Однофазный выпрямитель по схеме с нулевым выводом, работающий на активную нагрузку

Схема выпрямителя и временные диаграммы, поясняющие её работу, приведены на рис. 2 и 3.

Трансформатор Т , имеющий одну первичную обмотку и две вторичные обмотки, соединённые последовательно, предназначен в этой схеме как для согласования значения питающего напряжения и напряжения на нагрузке, так и для создания средней точки, служащей одним из полюсов напряжения на нагрузке. Очевидно, что ЭДС на вторичных обмотках е 2а и е 2 b относительно нулевой точки будут в противофазе (рис. 3, б ). В каждый момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого положителен. Так, для момента времени t 1 (рис. 3, б ), потенциал фазы а положителен. Значит, ток будет проводить диод VD 1 (полярность напряжения на вторичных обмотках трансформатора для момента времени t 1 показана на рис. 2). Поскольку падение напряжения на диоде в проводящем состоянии близко к нулю, все напряжение фазы приложено к нагрузке (е 2 а = U d ).

Рис. 2

Рис. 2

Рис. 3

Через половину периода питающего напряжения фаза b становится положительной, начинает проводить ток диод VD 2 и к нагрузке прикладывается напряжение фазы е 2 в с той же полярностью, что и в предыдущем полупериоде (рис. 3, б ). Далее процесс повторяется.

Форма тока нагрузки (рис. 3, в ) будет повторять форму напряжения (так как нагрузка чисто активная). Диоды VD 1 и VD 2 проводят ток нагрузки поочерёдно, когда потенциал соответствующего диода становится положительным. Поэтому ток диода повторяет форму тока нагрузки на этапе проводимости, но протекать он будет только в течение полупериода питающего напряжения (рис. 3, г ).

Форма и значение тока в первичной обмотке трансформатора определяются током во вторичной обмотке трансформатора i 2 и коэффициентом трансформации трансформатора K т (так как i 1 = i 2 /K т). На принципиальной схеме выпрямителя хорошо видно, что токи вторичных обмоток трансформатора фаз а и b протекают в разные стороны. Значит, индуцируемый в первичную обмотку трансформатора ток также будет разнополярным и имеющим синусоидальную форму (рис. 3, а ). Изменение напряжения на диоде во времени показано на рис. 3, д. Падение напряжения на диоде близко к нулю на интервале проводимости тока. На интервале закрытого состояния диода (например, VD 1 на интервале π–2π) к диоду VD 1 прикладывается суммарное напряжение двух обмоток трансформатора (u а.к = –е 2 а – е 2 b = – 2е 2) через открытый диод VD 2.

Учитывая вышеизложенное, можно приступить к расчёту рассматриваемой схемы. Рассчитать выпрямитель – это значит определить предельные значения токов и напряжений в различных ветвях и точках схемы и по расчётным значениям выбрать элементы и параметры схемы: диоды, коэффициент трансформации трансформатора, сечение проводов обмоток и мощность трансформатора, от которой зависит сечение магнитопровода. Для выбора диодов необходимо определить среднее значение тока, протекающего через диод, и максимальное значение напряжения, прикладываемое к диоду в закрытом состоянии. Диод перегревается и сгорает при превышении током, протекающим через диод, среднего допустимого значения. Диод пробивается при превышении напряжением, прикладываемым к нему, допустимого напряжения.

Для выбора трансформатора необходимо определить коэффициент трансформации

K т = w 1 /w 2 = U 1 /U 2 = I 2 /I 1 = .

По действующим значениям токов, протекающих через обмотки трансформатора, рассчитывается диаметр провода обмоток трансформатора (с учётом, что допустимая плотность тока J = 3–5 А/мм 2).

Типовая мощность трансформатора Р т определяется как полусумма мощностей всех обмоток трансформатора:

,

где P i – мощность каждой обмотки трансформатора.

Значением типовой мощности трансформатора определяется сечение магнитопровода трансформатора. Ориентировочно сечение магнитопровода можно найти по формуле