Преобразователей (сппп)

Вопрос №5. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствии с принципиальными особенностями схемы и их функциональным назначением?.

Силовые полупроводниковые преобразователи можно систе­матизировать по различным критериям. Чаще всего такая систематизация проводится в соответствии с принципиальными особенностями схемы и функциональным назначением; с областью применения; с мощностью; с особенностями конструкции; со способом охлаждения.

Систематизация преобразователей в соответствии с принципиальными особенностями схемы связана с их функциональным назначением, как это схематически показано на рис. 1. Стрелка а показывает преобразование переменного тока (или напряжения) в постоянный (выпрямители), стрелка b соответствует преобразованию постоянного тока в постоянный ток с другими параметрами, чаще всего регулируемыми (импульсные преобразователи постоянного тока), стрелка с означает преобразование постоянного тока в переменный (инверторы), а стрелка d— преобразование переменного тока в

переменный с другими параметрами (преобразователи переменного тока с фазовым или импульсным управлением). На рис. 1 показаны только основные типы прямого преобразования. Чаще встречаются различные комбинированные способы преобразования, например преобразование переменного тока в постоянный, а затем снова в переменный с постоянными или регулируемыми частотой и напряжением.

Рис. 1. Наглядное изображение четырех основных видов преобразования электроэнергии при помощи силовых полупроводниковых преобразователей

На рис. 2 показана обзорная классификация важнейших типов преобразователей в соответствии со схемными особенностями и функциональным назначением.

Рис. 2. Классификация важнейших видов преобразователей

Вопрос № 6. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствии с областью применения?.

С учетом области применения преобразователи можно систематизировать по следующим группам: для промышленных электроприводов; тяговых электроприводов; агрегатов бесперебойного и резервного питания; гальванотехники и электрохимии; индукционного нагрева; печей сопротивления и освещения; устройств коммутации переменного и постоянного тока; сварки; возбуждения синхронных машин; питания электромагнитов; зарядки аккумуляторных батарей; электро­статических установок; катодной, защиты металлических конструкций; линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения; компенсации реактивной энергии.

Эта классификация не является исчерпывающей и полной. Применение полупроводниковых преобразователей распространяется на новые области человеческой деятельности. Преобразователи не только вытесняют изготовленное ранее и эксплуатируемое до настоящего времени оборудование, но и позволяют осуществлять новые технические решения, которые вообще не были возможны при использовании классических электротехнических аппаратов и устройств.

Вопрос № 7. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствии с мощностью?.

Систематизация преобразователей в соответствии с мощностью не имеет в литературе единых, нормализованных критериев и используется редко. В обычной практике и с учетом специфических особенностей преобразователей в отдельных диапазонах мощностей можно разделить силовые преобразователи на следующие группы:

малой мощности - до 10 кВт;

средней мощности - от 10 до 250 кВт;

большой мощности - от 250 кВт до 1 МВт;

сверхбольшой мощности - более 1 МВт.

Преобразователи малой мощности до 10 кВт имеют в большинстве случаев компактное или встроенное исполнение и специальное целевое назначение. Серийность их изготовления относительно велика. Если они не имеют встроенного исполнения, то, как правило, имеют высокую степень защиты, а иногда масляное охлаждение. В последнее время в качестве основных элементов силовых цепей в них используются силовые транзисторы.

Преобразователи средней мощности от 10 до 250 кВт являются наиболее распространенными. Они выполняются конструктивно в виде шкафа, в последнее время с использованием унифицированных блоков и узлов. В них применяются тиристоры и диоды со штыревым корпусом и интегральные силовые полупроводниковые модули с номинальным током до 160-250 А. Они обычно имеют собственное естественное или принудительное воздушное охлаждение и относительно низкую степень защиты. Шкафы имеют обычно стандартизованные размеры, чтобы обеспечить возможность их установки в общий щит с односторонним доступом. Обычно их выпускают в различном исполнении по мощности в виде стандартных преобразовательных установок со стандартными цепями управления и специально не приспосабливают к устройствам, которые они питают. Шкафы устанавливают в обычных помещениях с нормальными климатическими условиями. Питаемые от них устройства могут находиться на расстоянии десятков и даже сотен метров, причем часто используются

дистанционные управление и контроль.

Преобразователи большой мощности от 250 кВт до 1 МВт также относятся к изделиям силовой электроники. Конструктивно они выполняются в виде шкафов. В них используются таблеточные тиристоры и диоды, часто с водяным охлаждением. Они обычно имеют специальное назначение, например: преобразователи для тяговых электродвигателей, для прокатных станов, для возбуждения синхронных машин, для транспортеров, для насосов, для индукционного нагрева и т. п. Они все чаще поставляются совместно с тем технологическим оборудованием, для питания которого предназначены. Сложные технологические регуляторы обычно размещают в специальном шкафу информационной электроники. В последнее время такие преобразователи снабжаются микропроцессорным управлением или же управляются от той же управляющей ЭВМ, что и вся технологическая линия или весь производственный процесс.

Преобразователи сверхбольшой мощности свыше 1 МВт всегда имеют специальное назначение. В них часто используются параллельное и последовательное соединения таблеточных полупроводниковых приборов с водяным или испарительным охлаждением. Они применяются в электроприводах предельной мощности, например в электроприводах вращающихся цементных печей, мельниц, шахтных подъемников, прокатных станов, локомотивов, судов, а также для линий электропередачи сверхвысокого напряжения, в статических компенсаторах и для установок индукционного нагрева. Конструктивно они выполняются в виде ряда шкафов или в виде самостоятельной части строительной конструкции — в специальном климатизированном зале.

При систематизации преобразователей в соответствии с мощностью необходимо учесть, что этот критерий применим только к преобразователям одинакового функционального назначения и с приблизительно одинаковыми техническими параметрами. Например, преобразователь частоты с определенной выходной мощностью будет примерно в 2 раза больше, чем управляемый выпрямитель такой же мощности, так как кроме выпрямителя он содержит еще и такой же или даже больший инвертор. Аналогично этому инвертор с большим диапазоном регулирования будет больше и дороже инвертора той же мощности, но с меньшим диапазоном регулирования. На габариты и цену преобразователя оказывают существенное влияние также климатические условия, степень защиты и другие технические требования.

Вопрос № 8. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствии с особенностями конструкции?.

Систематизация преобразователей в соответствии с особенностями конструкции тесно связана с двумя предыдущими видами систематизации (в соответствии с областью применения и мощностью). Конструкция преобразователей должна отвечать климатическим условиям, в которых они будут работать, и мощности потерь, которую нужно от них отвести. Вопрос о том, нужно ли преобразователь приспособить к условиям окружающей среды или лучше создать соответствующие климатические условия для данного преобразователя, является по существу экономическим вопросом, который решается простым экономическим расчетом. Изготовление преобразователя

в исполнении, удовлетворяющем неблагоприятным климатическим условиям, увеличивает его стоимость, однако немало стоит и создание нормальных климатических условий в помещении для преобразователя. Как правило, оказывается дешевле купить обычный серийно выпускаемый преобразователь и разместить его в помещении с нормальными климатическими условиями.

В соответствии с конструкцией преобразователи можно разделить на встраиваемые, компактные, шкафы и камерные.

Встраиваемый преобразователь представляет собой комплектное устройство, которое обычно без всякого защитного кожуха устанавливается и закрепляется внутри оборудования, для которого преобразователь предназначен. Электрические соединения силовых и управляющих цепей обеспечиваются винтовыми зажимами или электрическими разъемами. Встраиваемые преобразователи используются, например, в обрабатывающих и текстильных станках, подъемниках, транспортных механизмах и т. д. Преобразователь в этом случае является неотъемлемой составной частью этого оборудования, он приспособлен к нему своей формой, способом охлаждения, степенью защиты и климатическим исполнением.

для питания асинхронных

Компактная конструкция преобразователя характерна тем, что конструктивные решения ее механической и электрической частей направлены на возможно более тесное размещение всех его элементов и узлов с учетом допустимых расстояний между токоведущими частями и минимальных путей токов утечки по поверхности изоляции. Преобразователь оформляется в виде единой конструкции и закрывается защитным металлическим, а иногда изоляционным кожухом. Силовые и управляющие цепи находятся в тесной близости, иногда прямо на общей панели. Так как компактные преобразователи имеют относительно небольшую мощность потерь, их охлаждение в большинстве случаев выполняется естественным воздушным. Иногда используется небольшой вентилятор для обеспечения хотя бы минимального принудительного движения воздуха в преобразователе. Элементы, в которых возникают наибольшие потери тепла (такие, как диоды, тиристоры, транзисторы, шунты, резисторы и т. п.), иногда крепятся через прокладку к внутренней поверхности кожуха, что обеспечивает тепловой контакт и охлаждение через кожух. В качестве прокладки используются электроизоляционные, но хорошо проводящие тепло пластинки из слюды, полиэтилена или корунда. Большим прогрессом в этом направлении является применение интегральных силовых полупроводниковых модулей с изолированным основанием, которые можно устанавливать непосредственно на стенки кожуха преобразователя, служащие охладителями. Компактная конструкция отличается от встраиваемой практически только тем, что компактный преобразователь является самостоятельным изделием с собственным кожухом, предназначенным для крепления на стене, в распредустройстве или на оборудовании, которое он питает. Сюда относятся различные зарядные

устройства, небольшие преобразователи частоты

электродвигателей, импульсные преобразователи для регулирования постоянного тока и т. п. Конструкция силовых и управляющих цепей компактного преобразователя разрабатывается специально для данного преобразователя с тем, чтобы обеспечить минимальные массу и габарит и, как правило, не предполагает их. использование в преобразователе другого типа или в серии преобразователей с рядом исполнений по мощности. Обычно такие узлы и невозможно выделить из единой конструкции компактного преобразователя.

Конструкция преобразователей типа шкафа чаще всего используется для преобразователей средней и большой мощности. Шкафы изготавливаются из листового металла с помощью сварки или резьбовых креплений и имеют различные поверхностные покрытия. Шкафы отдельных изготовителей имеют в большинстве случаев стандартизованные размеры и форму, а также унифицированную технологию изготовления. Элементы в шкафах крепятся на планках, рамах, скобах, панелях и т. д. Отдельные узлы относительно часто повторяются и используются во многих типах преобразователей. Управляющие цепи конструктивно выполняются на больших платах и часто размещаются на дверях шкафа или в кассете, но всегда отдельно от силовых цепей. Шкафы обычно имеют принудительное воздушное охлаждение с нагнетательной или вытяжной вентиляцией. Водяное охлаждение используется пока только в преобразователях большой и сверхбольшой мощности. Модули с изолированным основанием (фланцем) принесли с собой новые возможности использования водяного охлаждения также и в области малых и средних мощностей.

Преобразователи самой большой мощности выполняются камерной конструкции. При таком конструктивном решении защитная оболочка отсутствует полностью и оборудование размещается в электропомещениях (камерах), которые специально строятся для этого преобразователя, или в помещении распредустройств вместе с другим электрооборудованием. Так выполняются преобразователи для передачи электроэнергии сверхвысоким напряжением постоянного тока, а также преобразователи для получения сверхбольших токов в электрохимии. Преобразователи на сверхбольшие токи устанавливаются в непосредственной близости от потребителя этого тока, чтобы длина токоподводов сверхбольших токов, была минимальной. Это необходимо не только для уменьшения расхода цветных металлов, но и для снижения потерь электроэнергии в этих токопроводах. Эти преобразователи, как правило, охлаждаются водой.

Вопрос № 9. Систематизация полупроводниковых преобразователей в соответствии со способами охлаждения?.

По способу охлаждения преобразователи можно разделить на преобразователи с 1)естественным воздушным охлаждением; 2)с принудительным воздушным охлаждением; 3)с проточным жидкостным охлаждением; 4)с объемным жидкостным охлаждением; 5)с испарительным охлаждением.

Существуют также различные комбинации этих способов охлаждения,

например с двумя водяными контурами, одним воздушным и одним водяным контурами, комбинация испарительного и водяного охлаждения.

В качестве охлаждающей жидкости для систем с проточным жидкостным охлаждением обычно используется вода, реже масло. Для испарительного охлаждения используется жидкость с низкой температурой кипения при самотечном возврате конденсата в резервуар или испаритель. В большинстве случаев тепловые потери не утилизируются, а отдаются в окружающее пространство.

Вопрос № 10. Классификация простых полупроводниковых преобразователей?.

Простые преобразователи, классификация которых показана на рис. 3, могут реализовать не все необходимые на практике режимы работы. Так, простой преобразователь может работать лишь в одном или двух квадрантах диаграммы ток — напряжение, поскольку ток через него может протекать только в одном направлении. Для повышения мощности диоды и тиристоры, ток и напряжение которых ограничены, включаются в простых преобразователях параллельно или последовательно. С учетом необходимости улучшения коэффициента мощности, снижения содержания высших гармоник как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока, а также для повышения нагрузочной способности необходимо при мощности свыше 1 МВт включать несколько простых преобразователей последовательно или параллельно; такие преобразователи относятся к комбинированным (рис. 4). Встречно-параллельное включение простых преобразователей может понадобиться для изменения направления тока.

Вопрос № 11. Классификация комбинированных полупроводниковых преобразователей?.

Кроме того, определенные схемы, например преобразователи с про­межуточным звеном постоянного тока (двухзвенные преобразователи), основаны на многократном преобразовании энергии. Это также отражено па

рис. 4..;