1. Основные характеристики и схемы выпрямительных агрегатов

1.1. Общие сведения

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является переменный ток, например промышленная сеть частотой 50 Гц. Современные выпрямители представляют собой комплектные устройства, содержащие собственно выпрямитель, систему управления, устройства защиты, сигнализации и охлаждения. Их используют для питания электролизных установок цветной и химической промышленности, дуговых вакуумных и графитных печей, установок для электрохимической обработки металлов, регулируемых электроприводов прокатных станов и стан­ков, цеховых сетей постоянного тока, от которых питаются электроприводы, не требующие регулирования подводимого к ним напряжения (табл.1.1), устройств энергоснабжения и электрической тяги железнодорожного и городского транспорта, установок контактной сварки, электростатических промышленных установок, электронного оборудования, средств связи, бытовых приборов. Постоянный ток передают по линиям электропередачи на большие расстояния при высоком напряжении.

Таблица 1.1

Характеристика выпрямительных и преобразовательных установок

Назначение	Ток, кА	Напряжение, В	Регулирование выпрямленного напряжения
Питание электролизных производств Питание дуговых вакуумных печей Питание графитных пе­чей Электрохимическая обработка металлов и гальваностегия Питание электрифицированного транспорта Питание цеховых сетей постоянного тока	12,5…250 12,5…37,5 25…200 0,1…25 0,5…3,2 1…4	75, 115, 150, 300, 450, 600,850 75 150, 300 6, 12, 24, 48 275, 600, 825, 1650, 3300 230, 460	Требуется То же -//- -//- Не требуется То же

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный используют выпрямительные агрегаты, состоящие из трансформаторов, выпрямительных блоков и другого, как правило, комплектного оборудования.

1.2.Элементная база преобразователей электрической энергии

Принцип работы любого преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических вентилей. В качестве вентиля может использоваться любой выпускаемый промышленностью прибор, работающий в ключевом режиме. В ключевом режиме на приборе будет выделяться минимальная мощность, что в основном и определяет КПД устройства. В случае идеального ключа на этапе его проводящего состояния падение напряжения на ключе равно нулю. В запертом состоянии отсутствие тока также определяет нулевое значение потери мощности. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые приборы, основные из которых перечислены ниже и представлены на рис. 1.1 (для каждого прибора даны его символическое избражение и типовая вольт-амперная характеристика.

Диоды (рис.1.1, а). Проводимость диода зависит от приложенного напряжения. Условно диоды разделяют на диоды малой мощности (допускаемый средний ток ), средней мощности () ибольшой мощности (). По назначению диоды делятся на низкочастотные (и высокочастотные (). Высокочастотные диоды Шоттки имеют время восстановления доли микросекунд.

Однооперационные тиристоры (рис.1.1, б). Прибор переходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Выключить однооперационный тиристор по цепи управления невозможно. Для его выключения необходимо поменять полярность анодного напряжения. Промышленность выпускает тиристоры на допустимые токи тысячи ампер и допустимые напряжения единицы киловольт с временем восстановления управляющих свойств от сотен микросекунд до долей микросекунды.

Двухоперационные тиристоры. ( на рис. 1.1, в). Эти приборы имеют такую же вольт-амперную характеристику, как и однооперационные тиристоры, но их можно (запереть) закрыть по цепи управления.Запирание осуществляется подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления. Однако существующие двухоперационные тиристоры выпускаются промышленностью на значительно меньшие допускаемые токи, чем однооперационные тиристоры (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Кроме того, они имеют меньший коэффициент усиления, т.е. для того, чтобы выключить двухоперационный тиристор, по цепи управления необходимо пропустить импульс тока, соизмеримый по значению со значением выключаемого тока.

Аналогичные вольт-амперные характеристики имеют фототиристоры и оптронные тиристоры, в которых сигнал управления передается световым лучом.

Симисторы (рис.1.1, г). Эти приборы могут проводить ток в обе стороны, т.е. симистор − что иное, как два тиристора, включенных антипараллельно.

Биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме, показаны на рис. 1.1, д. В отличие от двухоперационных тиристоров в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа. С помощью биполярного транзистора можно реализовать полностью управляемый ключ.

Полевые транзисторы (рис1.1, е). Преимущество полевого транизистора перед биполярным транзистором заключается в том, что у полевого транзистора очень большое входное сопротивление, т.е. цепь управления такого прибора практически не потребляет электрической мощности в стационарном режиме, что повышает экономичность преобразователя.

IGBT-транзистор (Insolated Gate Bipolar Transistor − биполярный транзистор с изолированным затвором, рис.1.1, ж). Это наиболее перспективный тип ключевых управляемых приборов. Он представляет собой комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, что позволяет получить электрический ключ на достаточно большие токи при затрате малых мощностей по цепи управления.

Тенденция развития элементной базы направлена на унификацию электронных ключей, уменьшение их установленной мощности, снижение потерь и уменьшение мощности управления. В настоящее время выпускаются интегральные блоки, в состав которых входят не только элементы силового ключа, но и формирователи сигналов управления этими ключами [драйверы, или, как их иначе называют, формирователи сигналов управления (ФСУ)]. На рис. 1.2, а показан одиночный ключ с обратным диодом и формирователем сигнала управления ФСУ. На рис. 1.2, б изображена изображена схема полумоста, состоящая из двух аналогичных ключей со своими ФСУ.

Такой блок является составной частью большинства устройств преобразовательной техники. Интегральная схема, содержащая три полумоста с драйверами, является основной частью преобразователей электрической энергии.

Структурная схема интегрального интеллектуального модуля приведена на рис. 1.3. В состав интегральной схемы помимо модуля силового блока и драйвера входит диагностический блок, который контролирует токи и напряжения на силовых элементах, температуру структуры и вырабатывает сигналы, блокирующие драйвер при возникновении аварийных режимов. Кроме того, интеллектуальный модуль имеет диагностические выводы, по сигналам которых можно судить о причине блокировки сигналов управления силовыми транзисторами.