Раздел XVII. Электроприемники, силовые преобразователи

Электроэнергия в промышленном производстве используется в электроприводе, разнообразными электротехнологическими и осветительными установками.

Соответственно, параметры электроэнергии, необходимые для ее эффективного применения в конкретных случаях, должны быть различны.

Нередко частота переменного напряжения, его величина требуют изменения непосредственно в течение технологического процесса.

В то же время источники электроэнергии – энергосистемы, трансформаторные подстанции обеспечивают потребителей стандартной электроэнергией в виде трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и рядом стандартных напряжений от 0,4 до 220 кВ.

Для удовлетворения нужд производства в электроэнергии разных видов и параметров, а также для эффективного управления ее распределением необходимы различные преобразовательные устройства.

Роль преобразовательной техники в народном хозяйстве

В настоящее время существует широко развитая отрасль народного хозяйства — производство силовой преобразовательной техники. Задача отрасли — создание преобразователей электроэнергии, используемых в качестве источников питания самых различных потребителей этой электроэнергии. Таким образом, эти преобразователи, называемые вторичными, служат промежуточным звеном между источником электроэнергии и ее потребителем, позволяя регулировать ток, напряжение и частоту практически в неограниченных пределах.

Научно-технический прогресс во все большей степени выявляет особую роль силовой преобразовательной техники в интенсивном развитии всех других отраслей техники и технологии. Области применений преобразовательной техники непрерывно и быстро расширяются.

У преобразовательных устройств сейчас 120 различных применений в народном хозяйстве. При этом номенклатура преобразователей (без модификаций) насчитывает более 1000 типов. Основными потребителями преобразовательных устройств (около 80%) являются электрический транспорт, металлургическая промышленность, энергетика, строительная индустрия, машиностроение, химия и нефтехимия. Однако, несмотря на высокую рентабельность силовой преобразовательной техники, потребности в ней народного хозяйства удовлетворяются далеко не полностью.

Вместе с тем назрела необходимость создания и промышленного освоения преобразовательных устройств для ряда новых направлений их использования. К ним относятся: высоковольтные преобразователи ЛЭП постоянного тока сверхвысокого напряжения, сооружаемые с целью сверхдальнего транспорта электроэнергии; инверторные устройства промышленных МГД-генераторов и других установок с непосредственным преобразованием тепловой, химической и ядерной энергии в электрическую; преобразователи переменного тока регулируемой частоты для электрошлакового переплава металлов; преобразовательные установки для перспективных видов скоростного транспорта, в том числе на магнитной подвеске; высоковольтные преобразователи для компенсации реактивной энергии ЛЭП переменного тока; устройства для ионного упрочнения деталей трущихся механизмов, инструментов и т. д.

Почти все силовые преобразовательные устройства создаются на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), которые служат основным функциональным элементом этих устройств. Таким образом, силовая полупроводниковая электроника служит элементной базой для вторичных преобразователей. Она превратилась сейчас в крупную подотрасль электротехнической промышленности, которая производит приборы более 160 типов (диоды, тиристоры, симисторы, опто - и фототиристоры и др.) с широким диапазоном параметров.

Огромная потребность ведущих отраслей народного хозяйства в СПП обусловила высокие темпы развития их производства, но, несмотря на это, объем производства СПП отстает от роста потребности в них. Анализ показывает, что к числу дефицитных СПП относятся как выпускаемые в настоящее время, так и новые типы приборов, необходимость в которых обусловлена появлением новых областей применения преобразовательных устройств.

Общая характеристика функциональных классов преобразовательной техники

Преобразователи электрической энергии подразделяются на:

- Выпрямители

- Инверторы

- Преобразователи частоты и числа фаз

- Преобразователи напряжения

Выпрямитель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический сигнал.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток с изменением величины напряжения или без и частоты. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде или дискретного сигнала.

Частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты электрического тока (напряжения).

Преобразователь напряжения – устройство для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. Часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии.

Общая характеристика функциональных классов преобразовательной техники

Преобразователи переменного тока в постоянный

Преобразователем переменного тока в постоянный является выпрямитель.

Выпрямитель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический сигнал.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, апульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Рисунок 1 - Ртутный выпрямитель

Классификация

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

1) По виду переключателя выпрямляемого тока

- механические синхронные с щёточно-коллекторным коммутатором тока

- механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока

- с электронной управляемой коммутацией тока (тиристорные)

- электронные синхронные (транзисторные) — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией

- с электронной пассивной коммутацией тока (диодные)

2) По мощности

- силовые выпрямители

- выпрямители сигналов

3) По степени использования полупериодов переменного напряжения

- однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну

- двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны

- неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны

- полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны

4) По схеме выпрямления

- мостовые

- с умножением напряжения

- трансформаторные

- с гальванической развязкой

- бестрансформаторные

5) По управляемости

- неуправляемые (диодные)

- управляемые (тиристорные)

6) По количеству каналов

- одноканальные

- многоканальные

7) По величине выпрямленного напряжения

- низковольтные (до 100В)

- средневольтовые (от 100 до 1000В)

- высоковольтные (свыше 1000В)

8) По назначению

- сварочный

- для питания микроэлектронной схемы

- для питания ламповых анодных цепей, для гальваники

9) По степени полноты мостов

- полномостовые

- полумостовые

- четвертьмостовые

10) По наличию устройств стабилизации

- стабилизированные

- нестабилизированные

11) По количеству используемых фаз

- Однофазные

- Двухфазные

- Трёхфазные

- Многофазные

12) По типу электронного вентиля

- Полупроводниковые диодные

- Полупроводниковые тиристорные

- Ламповые диодные (кенотронные)

- Газотронные

- Игнитронные

- Электрохимические

13) По управлению выходными параметрами

- Регулируемые

- Нерегулируемые

14) По индикации выходных параметров

- Без индикации

- С индикацией (аналоговой, цифровой)

15) По способу соединения

- Параллельные

- Последовательные

- Параллельно-последовательные

16) По способу объединения

- Раздельные

- Объединённые звёздами

- Объединённые кольцами

17) По частоте выпрямляемого тока

- Низкочастотные

- Среднечастотные

- Высокочастотные

Выпрямление электрического тока

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток.

Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.

Выпрямители электросиловых установок

- Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков.

Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют большую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения. Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.

- Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.

Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.

Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двух полупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.

Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

- железнодорожной тяги

- городского электротранспорта

- электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)

- питания приводов прокатных станов

- возбуждения генераторов электростанций

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

- Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

- Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики.

- Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)

- Установки очистки и обессоливания воды

- Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро)

- Для несинхронной связи энергосистем переменного тока

- Для дальней передачи электроэнергии постоянным током

Выпрямители высокочастотных колебаний

- в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.

- в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии.

Детектирование высокочастотного сигнала

В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза большей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.

Рисунок 2 - Схема АМ детектора на базе однополупериодного выпрямителя

Демодулятор амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала в простейшем случае представляет собой однополупериодный выпрямитель на одном диоде с выходным фильтром из конденсатора и резистора. Соотношение номиналов ёмкости и сопротивления выбирается так, чтобы оптимально сглаживать полупериоды несущей высокой частоты, при превышении амплитуды полупериодов несущей выше напряжения на конденсаторе ёмкость заряжается, при уменьшении амплитуды полупериодов несущей ниже напряжения на конденсаторе ёмкость разряжается, тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал.