Thiết bị chuyển đổi trong hệ thống điện

Năng lượng điện được tạo ra trong các nhà máy điện và được phân phối chủ yếu dưới dạng dòng điện xoay chiều có tần số cung cấp. Một số lượng lớn mặc dù người tiêu dùng điện trong công nghiệp đòi hỏi các loại điện khác để cung cấp năng lượng cho nó.

Thường được yêu cầu nhất:

• D.C. (bể tắm điện hóa và điện phân, ổ điện một chiều, thiết bị vận chuyển và nâng điện, thiết bị hàn điện);

• Dòng điện xoay chiều tần số phi công nghiệp (nhiệt cảm ứng, ổ đĩa AC biến tốc độ).

Trong kết nối này, cần phải biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (chỉnh lưu) hoặc khi chuyển đổi dòng điện xoay chiều của một tần số thành dòng điện xoay chiều có tần số khác. Trong các hệ thống truyền tải điện, trong bộ truyền động một chiều bằng thyristor, cần phải chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều (đảo ngược dòng điện) tại điểm tiêu thụ.

Những ví dụ này không bao gồm tất cả các trường hợp cần chuyển đổi năng lượng điện từ loại này sang loại khác.Hơn một phần ba tổng lượng điện sản xuất được chuyển đổi thành dạng năng lượng khác, đó là lý do tại sao tiến bộ kỹ thuật phần lớn liên quan đến sự phát triển thành công của các thiết bị chuyển đổi (thiết bị chuyển đổi).

Phân loại thiết bị chuyển đổi công nghệ

Các loại thiết bị chuyển đổi chính

Tỷ lệ chuyển đổi các thiết bị công nghệ trong cân bằng năng lượng của đất nước chiếm một vị trí quan trọng. Ưu điểm của bộ chuyển đổi bán dẫn so với các loại bộ chuyển đổi khác là không thể phủ nhận. Những ưu điểm chính là như sau:

— Bộ chuyển đổi bán dẫn có đặc tính điều tiết và năng lượng cao;

- có kích thước và trọng lượng nhỏ;

- vận hành đơn giản và đáng tin cậy;

- cung cấp khả năng chuyển đổi dòng điện không tiếp xúc trong các mạch cung cấp điện.

Nhờ những ưu điểm này, bộ chuyển đổi bán dẫn được sử dụng rộng rãi: luyện kim màu, công nghiệp hóa chất, đường sắt và giao thông đô thị, luyện kim màu, cơ khí, năng lượng và các ngành công nghiệp khác.

Chúng tôi sẽ đưa ra định nghĩa về các loại thiết bị chuyển đổi chính.

Bộ chỉnh lưu Là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều (U ~ → U =).

Biến tần hay còn gọi là thiết bị biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều (U = → U ~).

Bộ biến tần dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều có tần số này thành điện áp xoay chiều có tần số khác (Uf1 → Uf2).

Bộ chuyển đổi điện áp xoay chiều (bộ điều chỉnh) được thiết kế để thay đổi (điều chỉnh) điện áp cung cấp cho tải, tức là. chuyển đổi điện áp xoay chiều của một đại lượng thành điện áp xoay chiều của đại lượng khác (U1 ~ → U2 ~).

Dưới đây là các loại thiết bị chuyển đổi công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất... Có một số thiết bị chuyển đổi được thiết kế để chuyển đổi (điều chỉnh) cường độ dòng điện một chiều, số pha của bộ chuyển đổi, hình dạng của đường cong điện áp, v.v.

Đặc điểm ngắn gọn của các thiết bị chuyển đổi cơ sở phần tử

Tất cả các thiết bị chuyển đổi, được thiết kế cho các mục đích khác nhau, đều có một nguyên tắc hoạt động chung, dựa trên việc bật và tắt định kỳ các van điện. Hiện nay, các thiết bị bán dẫn được sử dụng làm van điện. Các điốt được sử dụng rộng rãi nhất, thyristor, triac và bóng bán dẫn điệnhoạt động ở chế độ phím.

1. Điốt Đại diện cho các phần tử hai điện cực của mạch điện có tính dẫn điện một phía. Độ dẫn điện của diode phụ thuộc vào cực tính của điện áp đặt vào. Nói chung, điốt được chia thành điốt công suất thấp (dòng điện trung bình cho phép Ia ≤ 1A), điốt công suất trung bình (thêm Ia = 1 — 10A) và điốt công suất cao (thêm Ia ≥ 10A). Theo mục đích của chúng, điốt được chia thành tần số thấp (fadd ≤ 500 Hz) và tần số cao (fdop> 500 Hz).

Các thông số chính của điốt chỉnh lưu là dòng điện chỉnh lưu trung bình cao nhất, Ia, A và điện áp ngược cao nhất, Ubmax, B, có thể được áp dụng cho điốt trong một thời gian dài mà không có nguy cơ ảnh hưởng đến hoạt động của nó.

Trong các bộ chuyển đổi công suất trung bình và cao Áp dụng điốt mạnh (tuyết lở). Các điốt này có một số đặc điểm cụ thể khi chúng hoạt động ở dòng điện cao và điện áp ngược cao, dẫn đến giải phóng năng lượng đáng kể ở tiếp giáp p-n.Vì vậy, phương pháp làm mát hiệu quả nên được cung cấp ở đây.

Một tính năng khác của điốt công suất là nhu cầu bảo vệ chống quá điện áp ngắn hạn phát sinh do giảm tải đột ngột, chuyển đổi và chế độ khẩn cấp.

Việc bảo vệ đi-ốt cung cấp điện khỏi quá điện áp bao gồm việc chuyển p-n sự cố điện có thể xảy ra - quá trình chuyển đổi từ diện tích bề mặt sang diện tích lớn. Trong trường hợp này, sự cố có đặc tính tuyết lở và các điốt được gọi là tuyết lở. Các điốt như vậy có thể truyền dòng điện ngược đủ lớn mà không làm quá nóng các khu vực cục bộ.

Khi phát triển các mạch của thiết bị chuyển đổi, có thể cần phải thu được dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị tối đa cho phép của một diode. Trong trường hợp này, kết nối song song của các điốt cùng loại được sử dụng với việc áp dụng các biện pháp để cân bằng dòng điện không đổi của các thiết bị có trong nhóm. Để tăng tổng điện áp ngược cho phép, kết nối hàng loạt điốt được sử dụng. Đồng thời, các biện pháp được cung cấp để loại trừ sự phân bố không đều của điện áp ngược.

Đặc tính chính của điốt bán dẫn là đặc tính dòng điện-điện áp (VAC). Cấu trúc chất bán dẫn và ký hiệu diode được thể hiện trong hình. 1, a, b. Nhánh đảo ngược của đặc tính điện áp hiện tại của diode được hiển thị trong Hình. 1, c (đường cong 1 — I — V đặc trưng của đi-ốt tuyết lở, đường cong 2 — I — V đặc trưng của đi-ốt thông thường).

Cơm. 1 - Ký hiệu và nhánh nghịch đảo của đặc tính dòng điện-điện áp điốt.

Thyristor Nó là một linh kiện bán dẫn bốn lớp với hai trạng thái ổn định: trạng thái dẫn điện thấp (thyristor đóng) và trạng thái dẫn điện cao (thyristor mở). Sự chuyển đổi từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác là do tác động của các yếu tố bên ngoài. Thông thường, để mở khóa thyristor, nó bị ảnh hưởng bởi điện áp (dòng điện) hoặc ánh sáng (photothyristor).

Phân biệt điện cực điều khiển thyristor diode (dynistor) và triode thyristor. Loại thứ hai được chia thành một cấp và hai cấp.

Trong các thyristor tác động đơn, chỉ có thao tác tắt thyristor được thực hiện trên mạch cổng. Thyristor chuyển sang trạng thái mở với điện áp cực dương dương và sự hiện diện của xung điều khiển trên điện cực điều khiển. Do đó, đặc điểm nổi bật chính của thyristor là khả năng trễ tùy ý tại thời điểm kích hoạt khi có điện áp chuyển tiếp trên nó. Việc khóa một thyristor hoạt động đơn lẻ (cũng như một dinistor) được thực hiện bằng cách thay đổi cực tính của điện áp cực dương-cực âm.

Thyristor nhiệm vụ kép cho phép mạch điều khiển mở khóa và khóa thyristor. Việc khóa được thực hiện bằng cách áp một xung điều khiển có cực ngược vào điện cực điều khiển.

Cần lưu ý rằng ngành công nghiệp sản xuất thyristor tác động đơn cho dòng điện cho phép hàng nghìn ampe và điện áp cho phép của đơn vị kilovolt. Các thyristor tác động kép hiện có có dòng điện cho phép thấp hơn đáng kể so với thyristor tác động đơn (đơn vị và hàng chục ampe) và điện áp cho phép thấp hơn. Các thyristor như vậy được sử dụng trong thiết bị chuyển tiếp và trong các thiết bị chuyển đổi công suất thấp.

Trong bộ lễ phục.Hình 2 cho thấy ký hiệu thông thường của thyristor, sơ đồ cấu trúc chất bán dẫn và đặc tính dòng điện-điện áp của thyristor. Các chữ cái A, K, UE lần lượt biểu thị các đầu ra của phần tử điều khiển anode, cathode và thyristor.

Các thông số chính quyết định việc lựa chọn thyristor và hoạt động của nó trong mạch chuyển đổi là: dòng điện chuyển tiếp cho phép, phụ gia Ia, A; điện áp thuận cho phép ở trạng thái đóng, Ua max, V, điện áp ngược cho phép, Ubmax, V.

Điện áp chuyển tiếp tối đa của thyristor, có tính đến khả năng hoạt động của mạch chuyển đổi, không được vượt quá điện áp hoạt động khuyến nghị.

Cơm. 2 - Ký hiệu thyristor, sơ đồ cấu tạo chất bán dẫn và đặc tính dòng điện-điện áp của thyristor

Một tham số quan trọng là dòng giữ của thyristor ở trạng thái mở, Isp, A, là dòng chuyển tiếp tối thiểu, ở các giá trị thấp hơn mà thyristor tắt; tham số cần thiết để tính tải tối thiểu cho phép của bộ chuyển đổi.

Các loại thiết bị chuyển đổi khác

Triac (thyristor đối xứng) dẫn dòng theo cả hai hướng. Cấu trúc bán dẫn của triac chứa năm lớp bán dẫn và có cấu hình phức tạp hơn thyristor. Sử dụng kết hợp các lớp p và n tạo ra một cấu trúc bán dẫn trong đó, ở các cực điện áp khác nhau, các điều kiện tương ứng với nhánh trực tiếp của đặc tính điện áp dòng điện của thyristor được đáp ứng.

bóng bán dẫn lưỡng cựchoạt động ở chế độ phím.Không giống như thyristor hoạt động hai chiều trong mạch chính của bóng bán dẫn, cần phải duy trì tín hiệu điều khiển trong toàn bộ trạng thái dẫn điện của công tắc. Một công tắc có thể điều khiển hoàn toàn có thể được thực hiện với một bóng bán dẫn lưỡng cực.

Bằng tiến sĩ. Kolyada L.I.