Dispositivos conversores em sistemas de energia

A energia elétrica é gerada nas usinas e distribuída principalmente na forma de corrente alternada com uma frequência de alimentação. Um grande número embora consumidores de eletricidade na indústria requer outros tipos de eletricidade para o seu fornecimento de energia.

Mais frequentemente exigido:

• DC (banhos eletroquímicos e de eletrólise, acionamento elétrico de corrente contínua, dispositivos elétricos de transporte e elevação, dispositivos elétricos de soldagem);

• corrente alternada frequência não industrial (aquecimento por indução, inversor de frequência de velocidade variável).

Nesta conexão, torna-se necessário transformar corrente alternada em corrente contínua (retificada) ou ao converter corrente alternada de uma frequência em corrente alternada de outra frequência. Em sistemas de transmissão de energia elétrica, em um acionamento CC tiristorizado, existe a necessidade de converter corrente contínua em corrente alternada (inversão de corrente) no ponto de consumo.

Esses exemplos não cobrem todos os casos em que é necessária a conversão de energia elétrica de um tipo para outro.Mais de um terço de toda a eletricidade produzida é convertida em outro tipo de energia, razão pela qual o progresso técnico está amplamente relacionado ao desenvolvimento bem-sucedido de dispositivos de conversão (equipamentos conversores).

Classificação de dispositivos de conversão de tecnologia

Os principais tipos de dispositivos de conversão

A participação dos dispositivos tecnológicos conversores no balanço energético do país ocupa um lugar significativo. As vantagens dos conversores semicondutores, em comparação com outros tipos de conversores, são inegáveis. As principais vantagens são as seguintes:

— Conversores de semicondutores possuem alta regulação e características energéticas;

— ter dimensões e peso reduzidos;

— operação simples e confiável;

— fornecer comutação sem contato de correntes em circuitos de alimentação.

Graças a essas vantagens, os conversores de semicondutores são amplamente utilizados: metalurgia não ferrosa, indústria química, transporte ferroviário e urbano, metalurgia ferrosa, engenharia mecânica, energia e outras indústrias.

Daremos definições dos principais tipos de dispositivos de conversão.

Retificador É um dispositivo para converter tensão AC em tensão DC (U ~ → U =).

Um inversor é chamado de dispositivo para converter tensão contínua em tensão alternada (U = → U ~).

Um conversor de frequência serve para converter uma tensão alternada de uma frequência em uma tensão alternada de outra frequência (Uf1→Uf2).

Um conversor de tensão CA (regulador) é projetado para alterar (regular) a tensão fornecida à carga, ou seja, converte a tensão CA de uma grandeza em tensão CA de outra grandeza (U1 ~ → U2 ~).

Aqui estão os tipos mais usados ​​​​de dispositivos de conversão de tecnologia... Existem vários dispositivos de conversão projetados para converter (regular) a magnitude da corrente contínua, o número de fases do conversor, a forma da curva de tensão etc.

Breves características dos dispositivos de conversão de base de elemento

Todos os dispositivos de conversão, projetados para finalidades diferentes, têm um princípio de operação comum, que se baseia na ativação e desativação periódica de válvulas elétricas. Atualmente, dispositivos semicondutores são usados ​​como válvulas elétricas. Os diodos mais usados, tiristores, triac e transistores de forçafunciona no modo chave.

1. Diodos Representam elementos de dois eletrodos de um circuito elétrico com condutividade unilateral. A condutância de um diodo depende da polaridade da tensão aplicada. Geralmente, os diodos são divididos em diodos de baixa potência (corrente média permitida Ia ≤ 1A), diodos de média potência (somando Ia = 1 — 10A) e diodos de alta potência (somando Ia ≥ 10A). De acordo com sua finalidade, os diodos são divididos em baixa frequência (fadd ≤ 500 Hz) e alta frequência (fdop> 500 Hz).

Os principais parâmetros dos diodos retificadores são a maior corrente retificada média, adição Ia, A, e a maior tensão reversa, Ubmax, B, que pode ser aplicada ao diodo por um longo tempo sem perigo de perturbar sua operação.

Em conversores de média e alta potência Aplique diodos potentes (avalanche). Esses diodos têm algumas características específicas, pois operam em altas correntes e altas tensões reversas, resultando em liberação significativa de energia na junção p-n.Métodos de resfriamento tão eficazes devem ser fornecidos aqui.

Outra característica dos diodos de potência é a necessidade de proteger contra sobretensões de curto prazo decorrentes de quedas repentinas de carga, comutação e modos de emergência.

A proteção do diodo da fonte de alimentação contra sobretensão consiste na transferência de uma possível falha elétrica p-n - uma transição das áreas de superfície para o volume. Nesse caso, a quebra tem um caráter de avalanche e os diodos são chamados de avalanche. Esses diodos são capazes de passar uma corrente reversa suficientemente grande sem superaquecer as áreas locais.

Ao desenvolver circuitos de dispositivos conversores, pode ser necessário obter uma corrente retificada que exceda o valor máximo permitido de um único diodo. Neste caso, utiliza-se a ligação em paralelo de diodos do mesmo tipo com a adoção de medidas para equalizar as correntes constantes dos dispositivos incluídos no grupo. Para aumentar a tensão reversa total permitida, é usada a conexão em série de diodos. Ao mesmo tempo, são fornecidas medidas para excluir a distribuição desigual da tensão reversa.

A principal característica dos diodos semicondutores é a característica corrente-tensão (VAC). A estrutura do semicondutor e o símbolo do diodo são mostrados na Fig. 1, a, b. O ramo reverso da característica corrente-tensão do diodo é mostrado na Fig. 1, c (curva 1 — I — V característica de um diodo de avalanche, curva 2 — I — V característica de um diodo convencional).

Arroz. 1 — Símbolo e ramo inverso da característica corrente-tensão do diodo.

Tiristores É um dispositivo semicondutor de quatro camadas com dois estados estáveis: um estado de baixa condutividade (tiristor fechado) e alta condutividade (tiristor aberto). A transição de um estado estável para outro se deve à ação de fatores externos. Na maioria das vezes, para desbloquear um tiristor, ele é afetado pela tensão (corrente) ou luz (fototiristores).

Distinguir tiristores de diodo (dynistors) e eletrodo de controle de tiristores de triodo. Os últimos são divididos em nível único e dois níveis.

Nos tiristores de ação simples, apenas a operação de desligamento do tiristor é realizada no circuito do gate. O tiristor entra no estado aberto com uma tensão de ânodo positiva e a presença de um pulso de controle no eletrodo de controle. Portanto, a principal característica distintiva do tiristor é a possibilidade de atraso arbitrário no momento de seu disparo na presença de uma tensão direta nele. O bloqueio de um tiristor de operação única (assim como de um dinistor) é realizado alterando a polaridade da tensão ânodo-cátodo.

Os tiristores de serviço duplo permitem que o circuito de controle desbloqueie e bloqueie o tiristor. O travamento é realizado pela aplicação de um pulso de controle de polaridade reversa ao eletrodo de controle.

Deve-se notar que a indústria produz tiristores de ação simples para correntes permitidas de milhares de amperes e tensões permitidas de uma unidade de quilovolts. Os tiristores de dupla ação existentes têm correntes permitidas significativamente mais baixas do que os de ação simples (unidades e dezenas de amperes) e tensões permitidas mais baixas. Esses tiristores são usados ​​em equipamentos de relé e em dispositivos conversores de baixa potência.

Na fig.2 mostra a designação convencional do tiristor, o esquema da estrutura do semicondutor e a característica corrente-tensão do tiristor. As letras A, K, UE denotam respectivamente as saídas do elemento de controle do ânodo, cátodo e tiristor.

Os principais parâmetros que determinam a escolha de um tiristor e sua operação no circuito conversor são: corrente direta admissível, Ia aditivo, A; tensão direta permitida no estado fechado, Ua max, V, tensão reversa permitida, Ubmax, V.

A tensão direta máxima do tiristor, levando em consideração as capacidades operacionais do circuito conversor, não deve exceder a tensão operacional recomendada.

Arroz. 2 — Símbolo do tiristor, diagrama da estrutura do semicondutor e característica corrente-tensão do tiristor

Um parâmetro importante é a corrente de retenção do tiristor no estado aberto, Isp, A, é a corrente direta mínima, em valores mais baixos dos quais o tiristor desliga; parâmetro necessário para calcular a carga mínima admissível do conversor.

Outros tipos de dispositivos de conversão

Triacs (tiristores simétricos) conduzem corrente em ambas as direções. A estrutura semicondutora de um triac contém cinco camadas semicondutoras e tem uma configuração mais complexa do que o tiristor. Usando uma combinação de camadas p e n, crie uma estrutura semicondutora na qual, em diferentes polaridades de tensão, as condições correspondentes ao ramo direto da característica corrente-tensão do tiristor são atendidas.

transistores bipolaresfunciona no modo chave.Ao contrário do tiristor bioperacional no circuito principal do transistor, é necessário manter um sinal de controle durante todo o estado de condução da chave. Um interruptor totalmente controlável pode ser realizado com um transistor bipolar.

doutorado Kolyada L.I.