CC BY
95
Целуйко И.Г. ©
Капитан 2 ранга, адъюнкт, Военно-морской инженерный институт СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Аннотация
В статье описываются статические преобразователи электроэнергии, их приемущество, использование в электродвижении
В настоящее время в эксплуатации находится значительнее количество разнообразных электромеханических преобразователей электроэнергии. Обладая существенными достоинствами, как, например, простотой конструктивного исполнения и высокой надежностью, тем не менее, этот вид преобразователей техники имеет существенные недостатки, среди которых:
• Высокий уровень излучаемого шума.
• Значительное время, затрачиваемое на регламентные и ремонтные работы.
• Необходимость частого выполнения регламентных работ.
• В ряде случаев отсутствие поставки запасных частей.
• Низкий коэффициент полезного действия (КПД) и низкий коэффициент мощности.
Общемировое развитие силовой электронной элементной базы сегодня позволяет полностью отказаться от электромеханических (вращающихся) преобразователей в пользу статических, лишенных указанных недостатков. Статические преобразователи энергии позволяют:
• на несколько порядков снизить уровень излучаемого шума;
• выполнить быстрое восстановление путем замены отказавших блоков на исправные из набора ЗИП;
• резко понизить частоту необходимых регламентных работ;
• снизить потери электроэнергии и оказывать меньшее влияние на питающую сеть путем повышения КПД и коэффициента мощности;
• расширить параметры диагностики аварийных режимов.
Учитывая это, ведущие мировые фирмы наращивают объемы выпуска
разнообразных статических преобразователей, предназначенных как для замены электромеханических прототипов, так и обеспечивающих работу сопрягаемых агрегатов, которые невозможно питать от вращающих преобразователей.
Статические выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и устройства другого типа, выполненные на полупроводниковых приборах (диодах, тиристорах, транзисторах), широко применяются в электроэнергетике, на транспорте, в коммунальном хозяйстве, в добывающей и перерабатывающей промышленности. Такие преобразователи позволяют связать в единую систему источники электроэнергии с различными частотами, подключить к источникам электродвигатели и другие нагрузки, обеспечить регулирование заданных параметров систем. Преобразователи, оснащенные современными микропроцессорными средствами, дают возможность реализовать самые разнообразные алгоритмы управления объектами. Их применение позволяет повысить степень автоматизации систем, реализовать энергосберегающие технологии, внедрить новые технологии, повысить надежность оборудования, увеличить срок его службы.
Наиболее быстро развивается силовая преобразовательная техника последние 15-20 лет. Увеличивается мощность преобразовательных устройств, расширяются их функциональные возможности, расширяется сфера их применения, изменяются свойства
© Целуйко И.Г., 2012 г.
систем с преобразователями, устраняются их недостатки. Это развитие обусловлено не только существующими потребностями промышленности, но и значительными изменениями элементной базы преобразователей.
При использовании в промышленной электронике разнообразного оборудования его нужно снабжать необходимыми источниками питания, которые должны обеспечивать надёжную безаварийную работу питаемых узлов. Наибольшим спектром потребительских качеств обладают вторичные источники напряжения - преобразователи на основе полупроводниковых приборов.
Силовые полупроводниковые преобразовательные устройства выпускаются на малые, средние и большие мощности. Поэтому они могут использоваться во всех областях народного хозяйства: для электролиза на химических и алюминиевых предприятиях, для тяговых подстанций, для электрифицированного железнодорожного транспорта. А также для регулируемого электропривода, в том числе электропривода прокатных станов, для средств связи, для питания различного рода подъемников, лифтов, магнитных кранов, для подземного шахтного оборудования, возбудителей синхронных машин. Кроме того в бортовых системах электропитания различного назначения (преобразователи малой мощности), в устройствах автоматики, а также в системах автоматического управления. Среди разнообразных требований, предъявляемых к преобразователям, общими являются обеспечение максимальных к. п. д. и коэффициента мощности отдельных узлов и элементов, а также максимальной надежности и устойчивости. Полупроводниковые преобразователи наиболее качественно удовлетворяют перечисленным требованиям. Они отличаются малыми габаритами и весом. Так, на один киловатт преобразованной мощности приходится вес оборудования электромашинного агрегата в 15-30 кг, ионного -в 2-5 кг, а полупроводникового в 1-2 кг (цифры приведены без учета питающего трансформатора).
Полупроводниковые преобразователи потребляют очень малую мощность управления, их коэффициент усиления превышает 100 000. Они почти безинерционны. Отсутствие контактов, подвижных и вращающихся частей, возможная универсальность создания отдельных блоков преобразователей, постоянная готовность к работе и другие особенности открыли широкую возможность их применения.
Благодаря специфическим свойствам полупроводниковых вентилей разработаны и разрабатываются совершенно новые типы преобразователей. К ним относятся выпрямители, в которых в одном блоке объединены и трансформатор и преобразователь. Такие выпрямители экономически выгодны, так как не требуют специальных помещений, могут эксплуатироваться на открытых площадках, не нуждаются в соединительных шинах, имеют единую масляную систему охлаждения. Мощность одного такого преобразователя может быть огромной (десятки мегаватт). Перспективными являются импульсные преобразователи постоянного напряжения на тиристорах. Такие преобразователи на средние и большие мощности могут применяться в электрифицированном городском и железнодорожном транспорте постоянного тока вместо регулировочных и пусковых реостатов, так как их КПД очень высок. Дальнейшее совершенствование полупроводниковых вентилей, а также оптимальное сочетание динамических параметров вентилей с электрическими режимами преобразователя при его проектировании, использование эффективных методов исследования преобразователей будут способствовать разработке преобразовательных устройств с высокими технико-экономическими показателями.
В настоящее время в силовой электронике значительное распространение получили статические полупроводниковые преобразователи. В целом их можно разделить на однофазные и трёхфазные устройства. Трёхфазные системы делятся на трёхфазные
мостовые полупроводниковые преобразователи, работающие в выпрямительном и инверторном режимах и шестифазные выпрямители с уравнительным реактором.
Однофазная двухполупериодная схема с выводом нулевой точки. Простейший двухполупериодный преобразователь состоит из однофазного двухобмоточного трансформатора с нулевой точкой и двух вентилей. Нагрузка включается между нулевой точкой, разделяющей вентильную обмотку трансформатора на две части, и катодами вентилей. В схеме имеет место двухфазное выпрямление (т=2). Схема применяется, как правило, при сравнительно небольших мощностях преобразователя (до 100 кВт) или в специальных случаях при мощности до 3000 кВт. Ее особенностью является то, что токи в частях вентильных обмоток имеют одинаковое направление, содержат постоянную и переменную составляющие.
Трехфазная нулевая схема. Преобразователь, выполненный по этой схеме, состоит из трехфазного двухобмоточного трансформатора и трех вентилей. Поскольку выпрямленные напряжения и токи имеют три пульсации за период, то фазность выпрямления равна трем (т=3). Особенностью схемы является наличие в магнитопроводе трансформатора потока вынужденного намагничивания из-за нескомпенсированных магнитодвижущих сил сетевой и вентильной обмотки фазы. Трехфазную нулевую схему с вентильными обмотками, соединенной в звезду с нулевой точкой, применяют крайне редко и как исключение.
Шестифазная нулевая схема. Преобразователь состоит из трехфазного трансформатора, вентильная обмотка которого разделена на две части, и двух трехфазных вентильных групп. Вентили VI, Vз, V5 первой группы присоединены к фазам прямой звезды, а вентили V2, V4, V6 - к соответствующим фазам обратной звезды. Нулевые точки звезд 01 и 02 связаны между собой через однофазный уравнительный реактор с ферромагнитным магнитопроводом. Благодаря уравнительному реактору выравниваются мгновенные значения анодных напряжений следующих друг за другом фаз нечетной и четной групп вентилей. Этим обеспечивается параллельная работа трехфазных групп, в результате чего в любой момент времени ток проходит одновременно через две вентильные обмотки. Выпрямленное напряжение имеет за один период шестифазную пульсацию (т=6). Вследствие хорошего использования вентилей и отсутствия в трансформаторе потока вынужденного намагничивания схему две обратные звезды с уравнительным реактором применяют в преобразователях с относительно низким выпрямленным напряжением и большим током.
Однофазная мостовая схема. Однофазный преобразователь по мостовой схеме состоит из однофазного трансформатора и четырех вентилей. В этой схеме по обеим обмоткам трансформатора протекает переменный ток, что исключает возможность появления однонаправленного потока. Для уменьшения потоков рассеяния в преобразователях с трансформаторами стержневого типа обе обмотки располагаются симметрично по обоим стержням магнитной системы либо используется трансформатор броневого типа. Выпрямленное напряжение имеет двухфазную пульсацию (т=2).
Трехфазная мостовая схема. Преобразователь по трехфазной мостовой схеме (схема Ларионова) состоит из трехфазного трансформатора и шести плеч вентилей. В этой схеме сетевые обмотки и вентильные обмотки трансформатора соединяют в звезду или треугольник. Магнитная система трансформатора уравновешена, так как магнитодвижущие силы обмоток скомпенсированы. Выпрямленное напряжение имеет шестикратную пульсацию, и фазность преобразования равна шести (т = 6). Преобразователь имеет ряд преимуществ: мощности сетевых и вентильных обмоток равны, благодаря чему обеспечивается хорошее использование трансформатора; при пробое вентиля обратного тока нет; обратное напряжение мало, так как оно распределяется между двумя последовательно включенными вентилями; в
магнитопроводе трансформатора нет потоков вынужденного намагничивания. Преобразователь по мостовой схеме применяется весьма широко.
Интенсивное развитие силовой полупроводниковой техники делает возможным создание преобразователей частоты (ПЧ) на мощность, достаточную для их применения в системах электродвижения кораблей и судов.
Системы электродвижения с преобразователями частоты представляют большой интерес, так как они обладают целым рядом новых возможностей:
- выбор оптимальных номинальных значений частоты для главных генераторов и гребных электродвигателей;
- применение более быстроходных первичных двигателей;
- регулирование скорости гребных электродвигателей;
- регулирование скорости гребных электродвигателей воздействием только на преобразователь частоты, что делает реальным создание на корабле единой сети с неизменными параметрами электроэнергии;
- улучшение маневренных характеристик системы вследствие высоких динамических качеств преобразователей частоты.
Таким образом применение статических преобразователей очень многообразно, они находят применение во многих отраслях нашей жизни и применение их, с развитием современной науки и техники, будет только усиливаться.
