Konvertergeräte in Energiesystemen

Elektrische Energie wird in Kraftwerken überwiegend in Form von Wechselstrom mit einer Netzfrequenz erzeugt und verteilt. Allerdings eine große Zahl Stromverbraucher In der Industrie werden für die Stromversorgung andere Arten von Strom benötigt.

Am häufigsten benötigt:

• D.C. (elektrochemische und Elektrolysebäder, elektrische Gleichstromantriebe, elektrische Transport- und Hebegeräte, elektrische Schweißgeräte);

• Wechselstrom nichtindustrielle Frequenz (Induktionsheizung, AC-Antrieb mit variabler Drehzahl).

In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, Wechselstrom in Gleichstrom (gleichgerichteten Strom) umzuwandeln oder Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom einer anderen Frequenz umzuwandeln. In elektrischen Energieübertragungssystemen besteht bei einem Thyristor-Gleichstromantrieb die Notwendigkeit, Gleichstrom am Verbrauchsort in Wechselstrom umzuwandeln (Stromumkehrung).

Diese Beispiele decken nicht alle Fälle ab, in denen die Umwandlung elektrischer Energie von einer Art in eine andere erforderlich ist.Mehr als ein Drittel des gesamten erzeugten Stroms wird in eine andere Energieart umgewandelt, weshalb der technische Fortschritt maßgeblich mit der erfolgreichen Entwicklung von Umwandlungsgeräten (Umwandlungsgeräten) zusammenhängt.

Klassifizierung von Technologieumwandlungsgeräten

Die wichtigsten Arten von Konvertierungsgeräten

Der Anteil der umwandelnden technischen Geräte an der Energiebilanz des Landes nimmt einen bedeutenden Platz ein. Die Vorteile von Halbleiterwandlern im Vergleich zu anderen Wandlertypen sind unbestreitbar. Die Hauptvorteile sind folgende:

— Halbleiterwandler weisen hohe Regulierungs- und Energieeigenschaften auf;

— kleine Abmessungen und geringes Gewicht haben;

— einfach und zuverlässig im Betrieb;

— ermöglichen das kontaktlose Schalten von Strömen in Stromversorgungskreisen.

Dank dieser Vorteile werden Halbleiterwandler häufig eingesetzt: Nichteisenmetallurgie, chemische Industrie, Eisenbahn- und Stadtverkehr, Eisenmetallurgie, Maschinenbau, Energie und andere Industrien.

Wir geben Definitionen der wichtigsten Arten von Konvertierungsgeräten.

Gleichrichter Es handelt sich um ein Gerät zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung (U ~ → U =).

Als Wechselrichter bezeichnet man ein Gerät zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung (U = → U ~).

Ein Frequenzumrichter dient der Umwandlung einer Wechselspannung einer Frequenz in eine Wechselspannung einer anderen Frequenz (Uf1→Uf2).

Ein Wechselspannungswandler (Regler) dient dazu, die der Last zugeführte Spannung zu ändern (zu regeln), d. h. wandelt Wechselspannung einer Größe in Wechselspannung einer anderen Größe um (U1 ~ → U2 ~).

Hier sind die am häufigsten verwendeten Arten von Technologieumwandlungsgeräten... Es gibt eine Reihe von Umwandlungsgeräten, die die Größe des Gleichstroms, die Anzahl der Wandlerphasen, die Form der Spannungskurve usw. umwandeln (regeln).

Kurze Eigenschaften der Elementbasis-Umwandlungsgeräte

Alle für unterschiedliche Zwecke konzipierten Umformgeräte haben ein gemeinsames Funktionsprinzip, das auf dem periodischen Ein- und Ausschalten elektrischer Ventile basiert. Derzeit werden Halbleiterbauelemente als elektrische Ventile verwendet. Die am häufigsten verwendeten Dioden, Thyristoren, Triacs und LeistungstransistorenFunktioniert im Tastenmodus.

1. Dioden stellen Zwei-Elektroden-Elemente eines Stromkreises mit einseitiger Leitfähigkeit dar. Der Leitwert einer Diode hängt von der Polarität der angelegten Spannung ab. Im Allgemeinen werden Dioden in Dioden mit geringer Leistung (zulässiger Durchschnittsstrom Ia ≤ 1 A), Dioden mit mittlerer Leistung (mit Ia = 1 – 10 A) und Dioden mit hoher Leistung (mit Ia ≥ 10 A) unterteilt. Je nach Verwendungszweck werden Dioden in Niederfrequenzdioden (fadd ≤ 500 Hz) und Hochfrequenzdioden (fdop> 500 Hz) unterteilt.

Die Hauptparameter der Gleichrichterdioden sind der höchste durchschnittliche gleichgerichtete Strom, Ia Addition, A, und die höchste Sperrspannung, Ubmax, B, die über einen langen Zeitraum an die Diode angelegt werden kann, ohne dass die Gefahr einer Störung ihres Betriebs besteht.

In Konvertern mittlerer und hoher Leistung werden leistungsstarke (Lawinen-)Dioden eingesetzt. Diese Dioden weisen einige spezifische Eigenschaften auf, da sie bei hohen Strömen und hohen Sperrspannungen arbeiten, was zu einer erheblichen Leistungsfreisetzung im pn-Übergang führt.Daher sollten hier wirksame Kühlmethoden bereitgestellt werden.

Ein weiteres Merkmal von Leistungsdioden ist der Schutz vor kurzzeitigen Überspannungen, die durch plötzliche Lastabfälle, Schaltvorgänge usw. entstehen Notfallmodi.

Der Schutz der Stromversorgungsdiode vor Überspannung besteht in der Übertragung eines möglichen elektrischen Durchschlags p-n – einem Übergang von der Oberfläche zur Masse. In diesem Fall hat der Durchbruch Lawinencharakter und die Dioden werden Lawine genannt. Solche Dioden sind in der Lage, einen ausreichend großen Sperrstrom durchzulassen, ohne lokale Bereiche zu überhitzen.

Bei der Entwicklung von Stromrichterschaltungen kann es erforderlich sein, einen gleichgerichteten Strom zu erhalten, der den maximal zulässigen Wert einer einzelnen Diode überschreitet. In diesem Fall wird die Parallelschaltung von Dioden des gleichen Typs verwendet, wobei Maßnahmen zum Ausgleich der Konstantströme der in der Gruppe enthaltenen Geräte ergriffen werden. Um die insgesamt zulässige Sperrspannung zu erhöhen, wird eine Reihenschaltung von Dioden verwendet. Gleichzeitig sind Maßnahmen vorgesehen, um eine ungleichmäßige Verteilung der Sperrspannung auszuschließen.

Das Hauptmerkmal von Halbleiterdioden ist die Strom-Spannungs-Kennlinie (VAC). Die Halbleiterstruktur und das Diodensymbol sind in Abb. dargestellt. 1, a, b. Der umgekehrte Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode ist in Abb. dargestellt. 1, c (Kurve 1 — I — V-Kennlinie einer Lawinendiode, Kurve 2 — I — V-Kennlinie einer herkömmlichen Diode).

Reis. 1 – Symbol und Umkehrzweig der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode.

Thyristoren Es handelt sich um ein vierschichtiges Halbleiterbauelement mit zwei stabilen Zuständen: einem Zustand niedriger Leitfähigkeit (Thyristor geschlossen) und einem Zustand hoher Leitfähigkeit (Thyristor offen). Der Übergang von einem stabilen Zustand in einen anderen ist auf die Einwirkung externer Faktoren zurückzuführen. Um einen Thyristor zu entsperren, wird er meist durch Spannung (Strom) oder Licht (Photothyristoren) beeinflusst.

Man unterscheidet Dioden-Thyristoren (Dynistoren) und Trioden-Steuerelektroden-Thyristoren. Letztere sind in einstufige und zweistufige unterteilt.

Bei einfach wirkenden Thyristoren erfolgt nur der Abschaltvorgang des Thyristors am Gate-Kreis. Bei positiver Anodenspannung und Vorhandensein eines Steuerimpulses an der Steuerelektrode geht der Thyristor in den offenen Zustand. Daher ist das Hauptunterscheidungsmerkmal des Thyristors die Möglichkeit einer willkürlichen Verzögerung zum Zeitpunkt seiner Zündung, wenn an ihm eine Durchlassspannung anliegt. Die Sperrung eines einstufigen Thyristors (sowie eines Dinistors) erfolgt durch Änderung der Polarität der Anoden-Kathoden-Spannung.

Dual-Duty-Thyristoren ermöglichen es dem Steuerkreis, den Thyristor sowohl zu entsperren als auch zu sperren. Die Verriegelung erfolgt durch Anlegen eines Steuerimpulses umgekehrter Polarität an die Steuerelektrode.

Es ist zu beachten, dass die Industrie einfachwirkende Thyristoren für zulässige Ströme von Tausenden Ampere und zulässige Spannungen von einer Einheit Kilovolt herstellt. Bestehende doppeltwirkende Thyristoren haben deutlich niedrigere zulässige Ströme als einfachwirkende Thyristoren (Einheiten und Dutzende Ampere) und niedrigere zulässige Spannungen. Solche Thyristoren werden in Relaisgeräten und in Stromrichtergeräten mit geringer Leistung eingesetzt.

In Abb.In Abb. 2 zeigt die herkömmliche Bezeichnung des Thyristors, das Schema des Halbleiteraufbaus und die Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors. Die Buchstaben A, K, UE bezeichnen jeweils die Ausgänge des Anoden-, Kathoden- und Thyristor-Steuerelements.

Die wichtigsten Parameter, die die Wahl eines Thyristors und seinen Betrieb im Stromrichterkreis bestimmen, sind: zulässiger Durchlassstrom, Ia additiv, A; zulässige Durchlassspannung im geschlossenen Zustand, Ua max, V, zulässige Sperrspannung, Ubmax, V.

Die maximale Durchlassspannung des Thyristors sollte unter Berücksichtigung der Betriebsfähigkeiten der Wandlerschaltung die empfohlene Betriebsspannung nicht überschreiten.

Reis. 2 – Thyristorsymbol, Halbleiterstrukturdiagramm und Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors

Ein wichtiger Parameter ist der Haltestrom des Thyristors im offenen Zustand, Isp, A, ist der minimale Vorwärtsstrom, bei dessen niedrigeren Werten der Thyristor abschaltet; Parameter, der zur Berechnung der minimal zulässigen Belastung des Umrichters benötigt wird.

Andere Arten von Konvertierungsgeräten

Triacs (symmetrische Thyristoren) leiten den Strom in beide Richtungen. Die Halbleiterstruktur eines Triacs besteht aus fünf Halbleiterschichten und ist komplexer aufgebaut als der Thyristor. Durch die Kombination von p- und n-Schichten entsteht eine Halbleiterstruktur, in der bei unterschiedlichen Spannungspolaritäten die Bedingungen erfüllt sind, die dem direkten Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie des Thyristors entsprechen.

BipolartransistorenFunktioniert im Tastenmodus.Im Gegensatz zum bioperierenden Thyristor im Hauptstromkreis des Transistors ist es erforderlich, während des gesamten leitenden Zustands des Schalters ein Steuersignal aufrechtzuerhalten. Mit einem Bipolartransistor kann ein vollständig steuerbarer Schalter realisiert werden.

Ph.D. Kolyada L.I.