Введение. Вопрос №1. Объясните назначение силовых полупроводниковых преобразователей

Лекция № 1

Вопрос №1. Объясните назначение силовых полупроводниковых преобразователей?. Что является их основным показателем качества?.

Силовые полупроводниковые преобразователи — это элек­тротехнические устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида. В их главных цепях используются силовые полупроводниковые приборы, а основным показателем качества является коэффициент полезного действия (КПД). Практически вся электрическая энергия в настоящее время вырабатывается и передается в виде трехфазного переменного тока постоянной частоты. Для обеспечения возможности регулирования и повышения КПД при использовании этой электрической энергии возникает необходимость преобразовывать ее в электрическую энергию постоянного тока или переменного тока регулируемой частоты. Электрическую энергию постоянного тока, полученную от электрохимических источников, очень часто приходится регулировать, стремясь сделать это с наименьшими потерями энергии. В еще недавнем прошлом это преобразование осуществлялось с помощью электромеханических вращающихся преобразователей, а функции регулирования зачастую перекладывались на механические узлы (редукторы, вариаторы, дроссельные заслонки и т. п.), имеющие низкий КПД. Такое устаревшее оборудование находится в эксплуатации и в настоящее время.

Развитие полупроводниковых приборов, которое привело в 60-е годы к появлению на рынке силовых кремниевых диодов и тиристоров, позволило создать силовые полупроводниковые преобразователи, которые являются почти идеальным средством преобразования электрической энергии. Так, на атомных ледоколах" типа «Арктика» использованы неуправляемые выпрямители в контурах главного тока ГЭУ мощностью свыше 10 тыс. кВт и управляемые выпрямители для питания обмоток возбуждения главных генераторов и гребных двигателей, в том числе реверсивные. На ледоколах типа «Капитан Измайлов» применен управляемый выпрямитель в цепи главного тока ГЭУ. Ледоколы типа «Таймыр» оснащены гребной

электрической установкой переменно-переменного тока с тиристорным преобразователем частоты мощностью 3x12,5 тыс. кВт. Менее мощные преобразователи используются в электроприводах постоянного тока для кранов, лебедок (в том числе буксирных), где необходимо обеспечить

режимы реверса и рекуперативного торможения.

Вопрос №2. Объясните что такое силовые, управляющие и регулирующие цепи полупроводниковых преобразователей?.

Полупроводниковые преобразователи(ПпП) состоят из силовых, а также управляющих и регулирующих цепей.

Силовые цепи включают в себя электрически соединенные между собой силовые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы и диоды), защитные и коммутационные аппараты, резисторы, конденсаторы, дроссели и трансформаторы, контактные зажимы. К силовым цепям относятся также питающие и выходные сборные шины, кабели, а также силовые розетки и вилки. К силовой части нужно отнести и узлы системы охлаждения, такие, как охладители (радиаторы), вентиляторы, воздуховоды, насосы, теплообменники, фильтры, вентили и т. п. Все это конструктивно объединяется несущим каркасом или шкафом.

Управляющие и регулирующие цепи, а также цепи контроля состоят из маломощных дискретных и интегральных полупроводниковых элементов, пассивных элементов, миниатюрных реле, маломощных трансформаторов, переходных контактов, которые чаще всего устанавливаются на платах с печатными соединениями. Платы размещаются в кассетах или закрепляются в преобразователях иными способами. К цепям контроля относятся устройства сигнализации, диагностики, датчики, измерительные приборы и т.п.

Вопрос № 3. Объясните статический и бесконтактный характер полупроводниковых преобразователей и какова их эффективность?.

Силовые полупроводниковые преобразователи(ПпП) являются статическими, бесконтактными и имеют высокую эффективность.

Статический характер силовых полупроводниковых преоб­разователей обусловлен тем, что преобразование электрической энергии осуществляется в полупроводниковой структуре без механического движения и, следовательно, без износа деталей под влиянием трения. Здесь существует только движение электрических зарядов и их носителей, которое подчиняется законам электродинамики.

Бесконтактный характер этих преобразователей определяется тем, что включение и отключение электрического тока происходит без видимого прерывания цепей, без электрической дуги и без износа материала коммутирующего перехода.

Высокая эффективность полупроводниковых преобразователей обусловлена вольт-амперными характеристиками(ВАХ) силовых полупроводниковых приборов, которые приближаются к идеальным характеристикам устройств коммутации, не имеющих потерь. Они обладают высокой электрической проводимостью (малое падение напряжения) в прямом проводящем направлении и высоким электрическим сопротивлением (малый ток утечки) в обратном направлении и в закрытом состоянии. Следовательно, преобразование электрической энергии происходит с минимальными потерями. При преобразовании электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока происходит экономия энергии на 10-40% по сравнению с классическими вращающимися

и контактными устройствами. Кроме того, высокая эффективность обеспечивает высокую надежность, готовность к работе, быстродействие и качество регулирования. Эти свойства позволяют повысить производительность промышленного оборудования с полупроводниковыми преобразователями на 30-50%, благодаря чему возникает вторичная экономия энергии, которая обычно гораздо выше, чем прямая (непосредственная) экономия.

В то же время устройства силовой электроники в большинстве случаев дороже классических преобразователей и требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала. Часто они оказывают неблагоприятное влияние на электрическое напряжение питающей сети вследствие низкого коэффициента мощности (соsф) по первой гармонической составляющей и несинусоидальной формы потребляемого тока. Однако при комплексной оценке эффективности использования силовых преобразователей необходимо учитывать общий долговременный эффект, а не только единовременные капитальные затраты. Длительная практика внедрения силовой электроники доказывает ее абсолютное преимущество перед устаревшими вращающимися и контактными устройст­вами и высокую долговременную экономическую эффективность.

Вопрос № 4. Объясните где используются силовые полупроводниковые преобразователи на судах?.

В ближайшем будущем силовые полупроводниковые преобразователи на судах получат еще большее распространение, во-первых, для регулирования электроприводов с вентиляторной нагрузкой (центробежных насосов и вентиляторов), обеспечивающих заметное повышение КПД при частичной нагрузке; во-вторых, в валогенераторных установках, работающих с изменяющейся частотой вращения, но с постоянной частотой вырабатываемого напряжения; в-третьих, для питания нагрузки постоянного тока с переменными параметрами (системы зарядки аккумуляторов, устрой­ства защиты корпуса и винта судна от коррозии). В четвертых, дальнейшее развитие получат и ГЭУ различного типа, в том числе для малотоннажных аккумуляторных экологически чистых судов.