1. Характеристика энергетической электроники.
Учебный курс “Промышленная электроника, часть 2” или “Энергетическая электроника” включает в себя основы современной преобразовательной техники, применяемой в электроэнергетике.
Задачей курса является изучение принципа работы и особенностей схем преобразовательной техники, характеристик их элементов и особенностей эксплуатации преобразователей.
В настоящее время 20-25 процентов электроэнергии потребляется в виде постоянного тока. Основное же потребление электроэнергии осуществляется в виде переменного тока.
Развитие современной техники и технологии ставит перед электроэнергетикой задачи выработки электроэнергии в виде постоянного тока, в виде переменного тока промышленной и нестандартной частоты с различным числом фаз, с регулируемой частотой, током и U.
Усиливающиеся требования к экономии материалов и электроэнергии в электрическом оборудовании могут быть лучше всего выполнены с помощью современной энергетической электроники, в основном базирующейся на полупроводниковой технике.
По сравнению с классическими видами преобразования и преобразовательными устройствами использование силовых полупроводниковых преобразователей дает следующие преимущества:
Сокращение объема и массы в 3-7 раз, что приводит к сокращению затрат на элементы конструкции и позволяет в ряде случаев отказаться от подъемных механизмов и тяжелых фундаментов.
Уменьшение потерь за счет меньшего падения напряжения на вентилях (20-24 В ртутные, 0.5 В полупроводниковые диоды, 1.2 В тиристоры).
Входное U до 380-660 В без последовательного соединения вентилей;
КПД до 98 процентов:
- выше 10-40 % по сравнению с двигательными агрегатами с неполной нагрузкой
- на 5-10 % с полной нагрузкой
- на 10-30 % при частичном использовании номинальной мощности
- на 30-50 % при частом холостом ходе (сварочные выпрямители)
В электрическом транспорте - отказ от пусковых реостатов и применение рекуперации энергии при торможении дает экономию электроэнергии до 20-30 процентов.
Снижение стоимости и потерь электроэнергии благодаря использованию новых схем, специальных импульсных малогабаритных конденсаторов, высокоэффективных магнитных материалов и постоянному улучшению параметров полупроводника.
Практически безынерционные и долговечные схемы на полупроводниковых элементах.
Возможность выбора силовых приборов на разные номинальные токи и напряжения в комбинации с различными охладителями, а также параллельное и последовательное соединение приборов.
На практике для питания электрохимических установок используются преобразовательные устройства на токи от нескольких ампер до более 100 кА.
Рис. 1.1. Режимы работы преобразователей
В - выпрямитель; И - инвертор; ПЧ - преобразователь частоты; Р1 - регулятор постоянного напряжения; Р2 - регулятор переменного напряжения
2. Принцип построения преобразователя электроэнергии.
Принцип работы преобразователя основан на периодическом включении и выключении тех или иных полупроводниковых приборов (вентилей). Под включенным понимается проводящее или открытое, а под выключенным - непроводящее или закрытое (запертое) состояние полупроводникового прибора. Особое значение для реализации показанных на рис. 1.1 типов преобразователей имеет принцип выключения или запирания прибора, приводящий к размыканию соответствующей ветви силовой цепи. Способ выключения зависит от вида источника напряжения, который обеспечивает ток, необходимый для выключения полупроводникового прибора. В большинстве случаев ток, проходящий через прибор, который выключается, переводится под действием этого источника напряжения в другую ветвь цепи за счет включения (отпирания) прибора в этой ветви; такой процесс называется коммутацией. Если источником коммутирующего напряжения является первичная или вторичная сеть переменного тока, коммутацию называют сетевой (или естественной); если источником коммутирующего напряжения является вспомогательное U, получаемое с помощью элементов, входящих в специальные коммутирующие цепи самого преобразователя (вентилей, конденсаторов, дросселей и др.), коммутацию называют принудительной (или искусственной). В последнем случае могут быть также использованы приборы, которые полностью или частично (т.е. в комбинации с другими средствами) выключаются с помощью управляющего электрода, например транзисторы или специальные запираемые тиристоры.
В соответствии со своим назначением и требуемым законом регулирования преобразователь может иметь различные регулировочные характеристики. Под “регулированием” в этом смысле понимается любое изменение электрической мощности, передаваемой из входной (питающей) сети в выходную (приемную) сеть, или любое наперед заданное изменение напряжения U, тока I или частоты f в выходной сети.
Не все виды преобразования выходных параметров (U, I, f) или мощности могут быть реализованы с помощью простейших схем преобразователей, поэтому еще существуют комбинированные преобразователи. Простые преобразователи основаны на использовании какой-либо одной из основных преобразовательных схем, в их состав входят один или несколько силовых приборов и соответствующие вспомогательные элементы. Комбинированные преобразователи основаны на использовании нескольких простейших преобразователей, которые электрически соединены между собой.
Каждый преобразователь является законченным прибором или устройством и в зависимости от назначения, технологических требований и типа преобразователя включает в определенной комбинации функциональные части (или некоторые из них), показанные на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Структурная схема преобразователя и преобразовательной установки:
1 - коммутационная аппаратура; 2 - измерительная аппаратура; 3 – фильтры; 4 - трансформатор, реактор; 5 - устройство защиты вентелей; 6 - вентильная группа; 7 - вспомогательный блок питания; 8 - система пуска, защиты и отключения преобразователя; 9 - система управления вентилями; 10 - устройство обработки информации; 11 - система охлаждения; 12 - вспомогательный источник питания; 13 - кожух или каркас
3. Классификация преобразователей электроэнергии.
Классификация простых преобразователей показана на рис. 1.3.
Простые преобразователи могут реализовывать не все необходимые на практике режимы работы, например, они могут работать лишь в одном или двух квадрантах диаграммы ток-U, поскольку ток через него может протекать только в одном направлении. Для повышения мощности диодов и тиристоров, ток и U которых ограничены, эти элементы включаются и применяются в простых преобразователях параллельно или последовательно. С учетом необходимости улучшения коэффициента мощности, снижения содержания высших гармоник как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока, а также для повышения нагрузочной способности необходимо при помощи 1 МВт (мегаватта) включать несколько простых преобразователей последовательно или параллельно; такие преобразователи относятся к комбинированным и показаны на рис. 1.4.
Встречно-параллельное включение простых преобразователей может понадобиться для изменения направления тока. При преобразовании с промежуточным звеном постоянного тока используются двухзвенные преобразователи, основанные на многократном преобразовании энергии.
Рис. 1.3. Классификация простых преобразователей:
U, I, f - регулируемые величины (напряжение, ток, частота); U1 - коммутация напряжением питающей сети; U2 - коммутация напряжением приемной сети (сети нагрузки); S - принудительная коммутация (за счет узла принудительной коммутации)