10.7 Преобразователи напряжения

Вентильные преобразователи широко применяются для преобразования электрической энергии, вырабатываемой и передаваемой в виде переменного напряжения стандарт­ной частоты f_с = 50 Гц в электрическую энергию другого вида - в постоянный ток или переменный ток с нестандартной (f< f_с или f>f_c) или изменяемой частотой. Почти половина энергии потребляется в преобра­зованном виде, прежде всего в виде постоянного тока. Электропривод постоянного тока, в том числе тяговый электропривод, мощные электротермические и электротех­нологические установки - это наиболее энергоемкие потре­бители постоянного тока. Для их питания ток промышлен­ной частоты преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей.

Растет группа потребителей электроэнергии, которые нуждаются в переменном токе повышенной или пониженной частоты, а нередко требуют использования регулируе­мой частоты (установки часточно-регулируемого электро­привода переменного тока, индукционные установки, мно­гие электротермические и электротехнологические потреби­тели). Для питания таких потребителей применяют различ­ные тиристорные преобразователи частоты.

Таким образом, значительное число потребителей элект­роэнергии большой мощности подключается к промышлен­ной сети через вентильные преобразователи различных ти­пов.

Важной областью при­менения вентильных преобразователей являются линии электропередачи в электрических сетях и системах. В пер­вую очередь речь идет о линиях передач постоянного тока, которые экономически эффективны для передачи энергии на большие расстояния. Такая линия передач на входе со­держит мощный тиристорный выпрямитель, преобразую­щий энергию тока частоты 50 Гц в постоянный ток. На выходе линии устанавливается мощный тиристорный инвер­тор, преобразующий постоянный ток в переменный. Обычно линии передач постоянного тока отдают энергию в системы, которые содержат другие мощные источники переменного тока. Инвертор, работающий на сеть, в которой имеются мощные источники переменного тока, называется ведомым сетью или зависимым инвертором.

Второй областью применения вентильных преобразова­телей в электроэнергетике являются тиристорные источники реактивной мощности, позволяющие вырабатывать и регу­лировать реактивную мощность для компенсации ее де­фицита в энергосистеме.

Третьей областью применения вентильных преобразова­телей в электроэнергетике является использование преобра­зователей для обеспечения работы основного оборудования электростанций, в частности для возбуждения синхронных гидро- или турбогенераторов и компенсаторов (схемы тиристорного возбуждения), для частотного пуска мощных генераторов (например, гидрогенераторов).

Преобразователи нужны также для таких нетрадиционных источников электроэнергии, как солнечные батареи, термохимические генераторы, ге­нераторы, использующие энергию ветра, и т. п.

Инверторы

Это устройства преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. реализуют процесс обратный выпрямлению.

Основными элементами инверторов являются коммутирующие приборы, которые периодически прерывают ток или изменяют его направление.

Классификация инверторов:

1) по принципу коммутации

- ведомые сетью (коммутация тока осуществляется переменным напряжением сети и частота инвертируемого тока соответствует частоте сети)

- автономные (коммутация осуществляется отдельным независимым устройством, поэтому частота инвертируемого тока определяется частотой управляющих импульсов)

2) по роду преобразуемой величины

- инверторы тока (используется дроссель большой индуктивности, за счет чего ток практически не изменяется)

- инверторы напряжения (используется конденсатор большой емкости)

3) по типу коммутируемых приборов

- тиристорные

- транзисторные

В ряде случаев инверторный режим чередуется с выпрямительным, что характерно для электропривода постоянного тока. В режиме двигателя преобразователь работает как выпрямитель, питающий двигатель. При торможении двигатель переходит в режим генератора, а преобразователь становится инвертором, передовая энергию в сеть переменного тока. Инвертор ведомый сетью показ на рис. 90.

Р исунок 90 – Схема инвертора ведомого сетью

Автономный инвертор представлен на рис. 91. Схема управления обеспечивает попеременное открывание пар тиристоров – VS1, VS3 и VS2, VS4, создавая тем самым ток в нагрузке, протекающий в разных направлениях. Частота тока в нагрузке задается схемой управления.

Рисунок 91 – Схема автономного инвертора

Преобразовате­ли частоты как правило состоят из выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, и автоном­ного инвертора, преобразующего постоянный ток в пере­менный ток повышенной, пониженной или изменяющейся частоты.

В электроприводе частотные преобразователи служат для плавного регулирования скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты.

Принцип работы частотного преобразователя или как его часто называют - инвертора: переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется батареей конденсаторов большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT или MOSFET транзисторов с диодами, включенными анти параллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. Кроме того, в схему иногда включают цепь "слива" энергии - транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Эту схему используют в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и выхода из строя.

Используя специальный алгоритм управления - открывая и закрывая перекрестные пары транзисторов формируют направление и ШИМ напряжение в фазах двигателя и создают необходимую величину и форму тока в фазных обмотках при разных частотах вращения поля.

Регуляторы напряжения

Существует два ос­новных типа регуляторов напряже­ния: линейные и импульсные. Клас­сический линейный регулятор - это устройство, стабилизирующее напряжение на нагрузке и не позво­ляющее добиться выходного напря­жения, превышающего входное. Его классическая схема рассмотрена в теме 10.6 (рис. 89). Для большинства инте­гральных линейных регуляторов типовое внутреннее падение напря­жения составляет порядка 2 В. Это означает, что для получения на вы­ходе такого регулятора напряжения 5 В на его входе должно быть не ме­нее 7 В. Следствием достаточно большого падения напряжения па элементах линейного регулятора является их низкий КПД. Ещё одной серьёзной проблемой линейных регуляторов является вы­сокая вероятность выхода из строя проходного транзистора.

Современные импульсные регуля­торы практически избавлены от пе­речисленных недостатков и поэтому получили широкое распростране­ние. В отличие от линейных регулято­ров, чьи силовые элементы постоян­но находятся в открытом состоянии, в импульсных силовой элемент рабо­тает в дискретном (ключевом) режи­ме.

На рисунке 92 изображен линейный регулятор для плавной регулировки сетевого напряжения. С помощью таких устройств можно управлять яркостью свечения ламп, температурой электронагревательных приборов, частотой вращения электродвигателей.

Устройство имеет следующие параметры: диапазон регулировки напряжения от 0 до 218 В, максимальная мощность нагрузки при использовании в регулирующей цепи одного транзистора - не более 100 Вт.

Регулирующий элемент прибора - транзистор VT1. Диодный блок VD1-VD4 в зависимости от фазы сетевого тока направляет его на коллектор или эмиттер VT1. Трансформатор Т1 понижает напряжение 220 В до 5-8 В, которое выпрямляется диодным блоком VD6 - VD9 и сглаживается конденсатором С1. Переменный резистор R1 служит для регулировки величины управляющего напряжения, а резистор R2 ограничивает ток базы транзистора. Диод VD5 защищает VT1 от попадания на его базу напряжения отрицательной полярности. Устройство подсоединяется к сети вилкой ХР1. Розетка XS1 служит для подключения нагрузки.

Р егулятор действует следующим образом. После включения питания тумблером Q1 сетевое напряжение поступает одновременно на диоды VD1, VD2 и первичную обмотку трансформатора Т1. При этом выпрямитель, состоящий из диодного блока VD6-VD9, конденсатора С1 и переменного резистора R1, формирует управляющее напряжение, которое поступает на базу транзистора и открывает его. Если в момент включения регулятора в сети оказалось напряжение отрицательной полярности, ток нагрузки протекает по цепи VD2 - эмиттер-коллектор VT1-VD3. Если полярность сетевого напряжения положительная, ток протекает по цепи VD1 - коллектор-эмиттер VT1-VD4. Значение тока нагрузки зависит от величины управляющего напряжения на базе VT1. Вращая движок R1, и изменяя значение управляющего напряжения, управляют величиной тока коллектора VT1. Этот ток, а следовательно, и ток, протекающий в нагрузке, будет тем больше, чем выше уровень управляющего напряжения, и наоборот. При крайнем правом по схеме положении движка переменного резистора транзистор окажется полностью открыт и "доза" электроэнергии, потребляемая нагрузкой, будет соответствовать номинальной величине. Если движок R1 переместить в крайнее левое положение, VT1 окажется запертым и ток через нагрузку не потечет.

Рисунок 92 – Схема регулятора сетевого напряжения

С труктурная схема импульсного преобразователя приведена па ри­сунке 93. Наиболее часто применяе­мый принцип работы - широтно-импульсная модуляция (Pulse Width Modulation, PWM). В импульсных регуляторах, построенных по данному принципу, выходное напряжение пропорцио­нально скважности импульсов, зада­ваемой блоком PWM.

Одно из основных следствий ра­боты в ключевом режиме - малое выделение энергии в виде тепла и, следовательно, потенциально высокий КПД подобных устройств. Габа­риты конструкции напрямую зави­сят от рабочей частоты инвертора. Чем она выше, тем меньшей индук­тивности требуется дроссель и меньшей ёмкости - выходной кон­денсатор, а значит, эти наиболее громоздкие элементы будут ком­пактнее.

Рисунок 93 – Структура импульсного преобразователя

55