Введение

Электрическая энергия производится и распределяется по электрическим промышленным и бытовым сетям, главным обра­зом, на переменном токе. В то же время потребление электро­энергии в большом числе применений происходит на постоянном токе (электронная аппаратура, электротранспорт, гальванотехни­ка, электросварка и т.д.). В связи с этим широкое применение в электронике и электротехнике находят выпрямители – устрой­ства, предназначенные для преобразования переменного напря­жения в постоянное.

Значительно реже, но применяются в качестве первичного источника энергии и источники постоянного тока (химические и солнечные элементы, генераторы постоянного тока и т.д.). При этом потребителям может требоваться электроэнергия перемен­ного тока (электроприводы на базе двигателей переменного тока). Устройства, преобразующие электроэнергию постоянного тока в энергию переменного тока, называются инверторами.

Кроме того, напряжение первичного источника энергии обычно изменяется в некоторых пределах, и если нагрузке необ­ходим неизменный уровень напряжения, то требуется стабилиза­ция. С другой стороны, для реализации различных технологиче­ских процессов может возникать необходимость изменения на­пряжения по определённому закону. В таких случаях требуется регулирование напряжения.

Отрасль знаний, связанная с изучением преобразования па­раметров электрической энергии, называется преобразовательной техникой. Устройства преобразовательной техники реализуются на базе силовых полупроводниковых приборов – диодов, тири­сторов, транзисторов. В дисциплине «Основы преобразователь­ной техники» изучаются устройства, в основу построения кото­рых положено применение неуправляемых приборов (диодов) и не полностью управляемых (тиристоров). Устройства на полно­стью управляемых приборах (транзисторах) изучаются в дисцип­лине « Энергетическая электроника».

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и передаётся посредством трёхфазной линии электропередачи стандартной частоты и стандартных номиналов напряжений. Для большинства стран, в том числе и России, промышленная частота f = 50 Гц, значение напряжения U = 220 или 380 В. В некоторых странах (США, Япония, Чехия, Словакия и др.) стандартная частота вырабатываемой электроэнергии f = 60 Гц. Однако для большого количества потребителей в народном хозяйстве требуется для питания другой вид электроэнергии:

▪ электрическая энергия постоянного тока (для электрического транспорта, электрохимических установок, электропривода постоянного тока, сварочных агрегатов, питания радиоэлектронной аппаратуры, передачи энергии постоянным током и в целом ряде других случаев);

▪ электрическая энергия переменного тока стандартной частоты, но с другим значением напряжения;

▪ электрическая энергия переменного тока, но не стандартной частоты (постоянной или регулируемой) при первичном источнике переменного напряжения (для электропривода переменного тока, индукционного нагрева и др.);

▪ электрическая энергия переменного тока, постоянного тока или импульсов специальной формы при использовании в качестве первичного источника постоянного напряжения (для энергоснабжения подвижных объектов, устройств гарантированного питания, рекуперации энергии в сеть переменного напряжения и др.).

Приведённые примеры далеко не полностью охватывают ситуации, когда необходимо преобразовывать электрическую энергию одного вида в другой. Примерно 50 % всей электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, преобразуется в другой вид электроэнергии. Как видно, технический прогресс современного общества во многом обусловлен успехами электроники и, в частности, успехами преобразовательной техники.

Принцип работы любого статического преобразователя основан на периодическом включении и выключении электронных ключей (вентилей) в определённой последовательности (по заданному алгоритму). Особое значение имеет принцип запирания электронного вентиля, который определяется видом питающего напряжения. В ряде случаев включение последующего вентиля преобразователя приводит к автоматическому выключению предыдущего вентиля под действием напряжения питания. Процесс перехода тока от одного вентиля к другому называется процессом коммутации. Если источником коммутирующего напряжения служит сеть переменною напряжения, питающая преобразователь, то коммутацию называю сетевой (естественной), а такие преобразователе называют преобразователями, ведомыми сетью (зависимыми преобразователями). Если в качестве источника коммутирующего напряжения используется вспомогательный источник питания, то такую коммутацию называют принудительной (искусственной). В последнем случае могут быть использованы полностью управляемые вентили.

ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Основные виды устройств преобразовательной техники

Все преобразователи делятся на 2 большие группы:

▪ электромашинные преобразователи – преобразователи на основе электрических машин;

▪ статические преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования рода тока, напряжения и частоты в силовых, вспомогательных и низковольтных цепях управления и защиты, которые не содержат подвижных частей, состоят из трансформатора (на переменном токе), управляемых и неуправляемых вентилей, аппаратуры управления, охлаждения, защиты и сигнализации.

Основные виды преобразователей символически изображены на рис. 1.

Рис. 1

Дадим определения некоторых видов устройств преобразовательной техники.

Выпрямители (AC-DC-преобразователи) – преобразователи переменного (двухполярного) напряжения U_~ в постоянное (однополярное) напряжение U₌ (рис. 1, а).

Инверторы (DC-AC-преобразователи) – преобразователи постоянного напряжения U₌ в переменное (двухполярное) напряжение U_~ (рис. 1, б).

Преобразователи частоты (ПЧ) – это преобразователи переменного напряжения одной частоты U_f1 в переменное напряжение другой частоты (постоянной или регулируемой) U_f2 (рис. 1, в).

Преобразователи числа фаз – это преобразователь фазного переменного входного напряжения U_m1 с числом фаз т₁ в переменное напряжение U_m2 с другим числом фаз т₂ (рис. 1, г).

Регуляторы (трансформаторы) постоянного напряжения (DC-DC-преобразователи) – это статические преобразователи, преобразующие постоянное напряжение одного значения U₌₁ в постоянное напряжение другого значения U₌₂ (рис. 1, д).

Регуляторы переменного напряжения – это статические преобразователи, преобразующие переменное напряжение одного значения U_~1 в переменное напряжение другого значения U_~2 (рис. 1, е).

Существуют и другие виды преобразования электрической энергии: формирование мощных импульсов напряжения для питания лазеров, сигнальных устройств маяков, получение мощных импульсов электромагнитных полей и др.

Используя названные типы преобразователей, можно решать различные задачи и создавать преобразовательные установки для питания конкретных потребителей.