Преобразователи электрической энергии
Преобразователь – это электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию одних параметров или показателей качества в электроэнергию с другими значениями параметров или показателей качества. Параметрами электрической энергии могут являться род тока и напряжения, их частота, число фаз, фаза напряжения.
По характеру преобразования электроэнергии силовые преобразователи подразделяются на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения переменного и постоянного тока, преобразователи числа фаз напряжения переменного тока.
В современных автоматизированных электроприводах применяются главным образом полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи постоянного и переменного тока.
Достоинствами полупроводниковых преобразователей являются широкие функциональные возможности управления процессом преобразования электроэнергии, высокие быстродействие и КПД, большие сроки службы, удобство и простота обслуживания при эксплуатации, широкие возможности по реализации защит, сигнализации, диагностирования и тестирования как самого электрического привода, так и технологического оборудования.
Вместе с тем, для полупроводниковых преобразователей характерны и определенные недостатки. К ним относятся: высокая чувствительность полупроводниковых приборов к перегрузкам по току, напряжению и скорости их изменения, низкая помехозащищенность, искажение синусоидальной формы тока и напряжения сети.
Выпрямителем называется преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока.
Неуправляемые выпрямители не обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости — диодах.
Управляемые выпрямители выполняются на управляемых диодах — тиристорах и позволяют регулировать свое выходное напряжение за счет соответствующего управления тиристорами.
Выпрямители могут быть нереверсивными и реверсивными. Реверсивные выпрямители позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке, а нереверсивные — нет. По числу фаз питающего входного напряжения переменного тока выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные, а по схеме силовой части — на мостовые и с нулевым выводом.
Инвертором называется преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания электропривода от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании электропривода от источника постоянного напряжения.
В схемах электроприводов наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока, реализуемые на тиристорах или транзисторах.
Автономные инверторы напряжения (АИН) имеют жесткую внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, вследствие чего при изменении тока нагрузки их выходное напряжение практически не изменяется. Тем самым инвертор напряжения по отношению к нагрузке ведет себя как источник ЭДС.
Автономные инверторы тока (АИТ) имеют «мягкую» внешнюю характеристику и обладают свойствами источника тока. Тем самым инвертор тока по отношению к нагрузке ведет себя как источник тока.
Преобразователем частоты (ПЧ) называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Полупроводниковые преобразователи частоты подразделяются на две группы: преобразователи частоты с непосредственной связью и преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.
Лабораторный преобразователь частоты
Преобразователи частоты с непосредственной связью позволяют изменять частоту напряжения на нагрузке только в сторону ее уменьшения по сравнению с частотой напряжения источника питания. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока не имеют подобного ограничения и находят более широкое применение в электроприводе.
Промышленный преобразователь частоты для управления электроприводом
Регулятором напряжения переменного тока называется преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в регулируемое напряжение переменного тока той же частоты. Они могут быть одно- и трехфазными и используют в своей силовой части, как правило, однооперационные тиристоры.
Регулятором напряжения постоянного тока называется преобразователь нерегулируемого напряжения источника постоянною тока в регулируемое напряжение на нагрузке. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи, работающие в импульсном режиме, а регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Силовые полупроводниковые преобразователи
Вы будете перенаправлены на Автор24
Свойства и назначение полупроводниковых преобразователей
Силовой полупроводниковый преобразователь — это электротехническое устройство, которое предназначено для преобразования электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида.
Использующиеся в промышленности силовые полупроводниковые преобразователи должны обладать следующими свойствами:
Силовые полупроводниковые преобразователи являются статическими, бесконтактными и обладают высокой эффективностью. Статический характер силовых полупроводниковых преобразователей обусловлен тем, что преобразование электроэнергии происходит в полупроводниковой структуре без механического движения, поэтому в них нет износа деталей из-за трения. В таких преобразователях осуществляется движение только электрозарядов и их носителей, которое подчиняется законам электродинамики. Бесконтактный характер преобразователей данного вида определен тем, что отключение и включение электрического тока осуществляется без видимого прерывания цепи, без износа материала коммутирующего процесса и при отсутствии электрической дуги. Высокая эффективность силовых полупроводниковых преобразователей обусловлена вольтамперными характеристиками, приближающиеся к идеальным характеристиками коммутационной аппаратуры, в которой отсутствуют потери. Им свойственны малое падения напряжения в прямом проводящем направлении, а также высоким электрическим сопротивлением в в закрытом состоянии и обратном направлении. Таким образом преобразование электрической энергии осуществляется с минимальными потерями. Например, при преобразовании электрической энергии переменного тока в энергии постоянного тока, экономия энергии может достигать 40 % в сравнении с традиционными устройствами. Высокая эффективность силовых полупроводниковых приборов также является причиной их высокой надежности, быстродействия и качества регулирования, что способствует увеличению производительности оборудования на 30 — 50 %.
Готовые работы на аналогичную тему
Основное назначение силовых полупроводниковых преобразователей заключается в регулировании скорости исполнительного двигателя электрического привода. В электроприводах постоянного тока это достигается за счет регулировки напряжения на выходе преобразователя. В электрических приводах переменного тока регулировка частоты и напряжения на выходе преобразователя осуществляется по определенному закону.
Виды силовых полупроводниковых преобразователей
К силовым полупроводниковым преобразователям, широко использующимся в разнообразных технологических процессах относятся:
Частым случаем управляемого выпрямителя является неуправляемый выпрямитель, использующийся во вторичных источниках питания
Функциональная схема базовых силовых преобразователей изображена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Функциональная схема базовых силовых преобразователей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
ШИП — широтно-импульсный преобразователь; А — автономный инвертор; УВ — управляемый выпрямитель; НПЧ — непосредственный преобразователь частоты.
Принцип работы базовых силовых полупроводниковых преобразователей изображен на рисунке ниже.
Рисунок 2. Принцип работы базовых силовых полупроводниковых преобразователей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В системах постоянного тока исполнительным двигателем является двигатель постоянного тока. В случае питания от источника постоянного тока (солнечная батарея, аккумулятор, генератор постоянного тока), как силовой полупроводниковый преобразователь может использоваться широтно-импульсный преобразователь, а если источником питания является сеть переменного тока, то может использоваться управляемый выпрямитель или широтно-импульсный преобразователь в сочетании со вторичными источниками питания.
В системах переменного тока исполнительным двигателем является машина переменного тока. В данном случае, при питании от источника постоянного тока используется автономный инвертор, при питании от источника переменного тока непосредственный преобразователь частоты, либо сочетания управляемого выпрямителя с вторичным источником питания или автономного инвертора с вторичным источником питания.
Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.
Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.
Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение.
Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.
Классификация полупроводниковых приборов
На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы :
Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.
Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.
Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.
Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1).
Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода
В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.
Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток Iпр mах и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max. Данные параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя.
С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.
Универсальные диоды служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Параметры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).
Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.
Диоды Шоттки – основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды.
Рисунок 2 – Условно-графическое обозначение диоды
Подробнее о диодах смотрите здесь:
С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.
Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.
— по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.
— по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.
— по значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.
— по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.
— по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.
— по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.
В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:
Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.
В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.
На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.
Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;
Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером
К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.
Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.
В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.
Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.
Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.
Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.
МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.
Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.
Подробнее о транзисторах смотрите здесь:
Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.
Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.
Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.
Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.
Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Силовые полупроводники на страже экологии
Для того чтобы снизить выбросы CO2 в атмосферу, необходимо отказаться от использования тепловых электростанций и перейти на экологически чистую энергетику. Такой переход нельзя произвести одномоментно, сначала нужно повысить эффективность использования уже вырабатываемой электроэнергии, снизить её потери во время транспортировки к потребителю и преобразования в различные формы. Ключевым элементом для решения этих задач является силовая электроника и силовые полупроводниковые приборы.
Так как решения для энергетики являются одним из важнейших сегментов нашего бизнеса, мы считаем важным рассказать о том, как наша работа помогает сделать мир чище. В частности силовые полупроводники, которые мы производим, позволяют серьёзно экономить электричество и в итоге отказаться от строительства экологически вредных электростанций. Давайте разберёмся, чем же силовые полупроводники отличаются от обычных и выясним, какие их свойства позволяют экономить электричество и снижать выбросы CO2.
Особенности силовых полупроводниковых устройств
Если не углубляться в теорию, то силовые полупроводниковые устройства — это те же диоды, транзисторы и тиристоры, модифицированные с учётом сферы их применения. В отличие от микроэлектронных устройств силовые полупроводники используются при токах в десятки, сотни и тысячи ампер, напряжениях в сотни мегавольт. Такие нагрузки требуют специфических конструктивных решений, чтобы исключить пробой p-n-перехода.
Например, основу мощного силового диода составляет тонкая пластина монокристалла кремния, в которой сформирован p-n переход. Чтобы пластина не растрескалась от нагрева, её серебряным припоем припаивают к термокомпенсирующим дискам из вольфрама или молибдена толщиной до 3 мм. Получившийся «бутерброд» помещают в герметичный корпус штыревой или таблеточной конструкции.
Конструкция штыревого диода. Источник
Основной элемент для преобразования электроэнергии больших мощностей — десятки мегавольт и выше — высоковольтный тиристор. Структурно он состоит из четырёх слоёв кремния с чередующейся проводимостью, на границе которых образуются три p-n перехода. Два крайних перехода — анод и катод, а средний — управляющий.
У тиристора есть два устойчивых состояния: «открыто» (ток проходит) и «закрыто» (тока нет). Состояние изменяется под воздействием напряжения на управляющем электроде. Само переключение происходит очень быстро, хоть и не мгновенно. В схемах переменного напряжения тиристор будет пропускать только одну полуволну — верхнюю. Когда приходит нижняя полуволна, он сбрасывается в состояние «закрыто». Это свойство тиристора используется в импульсных блоках питания для преобразования синусоиды в импульсы.
На базе тиристоров создаются сверхмощные преобразователи в линиях электропередач (ЛЭП) постоянного тока, вставки постоянного тока между энергосистемами, статические компенсаторы реактивной мощности в ЛЭП переменного тока.
Устройство высоковольтного тиристора. Источник
Основные потребители электроэнергии работают с мощностями ниже мегавольта. Наиболее распространённый силовой элемент для этого диапазона — биполярно-полевой транзистор, Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT. IGBT — силовая интегральная схема из множества элементарных ячеек. Каждая ячейка состоит из высоковольтного биполярного транзистора с включённым в цепь управления полевым транзистором. Достоинства IGBT — небольшая потребляемая мощность в цепи управления для включения и выключения и высокое быстродействие.
Для построения преобразователей малой мощности используются МОП-транзисторы, metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET. Эти устройства также выполнены в виде силовой интегральной схемы, содержащей сотни тысяч транзисторных ячеек. Рабочее напряжение для МОП-схем, как правило, меньше 500 В, рабочий ток — до сотен ампер.
Где и почему применяются полупроводниковые устройства
Промышленные установки
Благодаря экономичности, управляемости и высокому КПД силовые полупроводниковые устройства повышают эффективность преобразования электроэнергии. Устройства плавного пуска, источники бесперебойного питания, электродвигатели и различные электроустановки потребляют меньше и работают дольше благодаря использованию силовых электронных компонентов.
В устройствах, содержащих электродвигатель, более половины потребляемого электричества тратится на обеспечение его вращения. Регулируемый полупроводниковый преобразователь частот позволяет сократить расход электричества на 30% без ухудшения других характеристик.
Электрические сети
Использование полупроводниковых преобразователей при транспортировке и распределении электричества позволяет экономить до 25% электричества. Таким образом, повсеместное внедрение полупроводниковых силовых компонентов позволяет отказаться от строительства новых электростанций и обойтись мощностями уже работающих.
Солнечные электростанции
Электроэнергию, полученную от солнечных батарей, нужно преобразовать для передачи в электросети или для использования в бытовых целях. Применение силовых полупроводниковых устройств для управления солнечными электростанциями повышает эффективность их работы.
Электротранспорт
Электромобили используют энергию, запасённую в аккумуляторных батареях. Благодаря использованию силовой электроники преобразование энергии для нужд различных потребителей в автомобиле происходит с минимальными потерями. А технология рекуперации позволяет пустить энергию торможения на подзарядку аккумуляторов и увеличить пробег.
Причём интересно, что бурное развитие электротранспорта заставило производителей полупроводниковых устройств искать новые, более энергоэффективные материалы для создания новых силовых компонентов. По данным аналитических исследований, полупроводниковая промышленность в массовом порядке переводит свои мощности на использование карбида кремния и нитрида галлия вместо обычных кристаллов кремния.
Силовые элементы, изготовленные из новых материалов, значительно компактнее традиционных кремниевых, что позволяет говорить о том, что блоки питания нового поколения станут меньше на 80-90%. Кроме того, соединения с использованием этих материалов имеют в 10 раз большую удельную мощность, работают на более высоких частотах и в большем диапазоне температур, а уровень сопротивления в открытом состоянии и токи утечки существенно ниже, чем у кремниевых собратьев.
Перспективы
Правительства многих стран принимают программы снижения выбросов двуокиси углерода в атмосферу. Например, правительство Испании планирует к 2030 году уменьшить выбросы CO2 на 20%, а к 2050 году на 90% от уровня 1990 года. Роль флагмана по снижению выбросов отведена электроэнергетике, а трансформацию других отраслей планируется провести позже.
План снижения выбросов CO2 по секторам промышленности. Испания, 2019 год. Источник
Предполагается, что к 2030 году мощность национальной электроэнергетики должна достичь 157 ГВт. Из них 50 ГВт будут обеспечивать ветроэлектростанции, а 37 ГВт —фотоэлектрические солнечные электростанции, 27 ГВт — парогазовые мощности.
Кроме того, пакет законов предполагает, что с 2040 года в Испании можно будет купить только автомобили с нулевыми выбросами.
Аналогичные пакеты законов уже приняты или находятся в процессе рассмотрения в странах Евросоюза. Это значит, что в ближайшие десятилетия можно ожидать бурного роста продаж силовых полупроводниковых устройств, поскольку без них реализация запланированных мер по улучшению экологической обстановки просто невозможна.