Повышение технических характеристик электрической передачи переменного тока, страница 6

     Силовые полупроводниковые преобразователи — это элек­тротехнические устройства, предназначенные для преобразова­ния электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида. Для обеспечения возможности регу­лирования электрической энергии переменного тока с высоким КПД возникает необходимость преобразовывать ее в электрическую энергию постоянного тока или переменного тока регулируемой частоты. В еще недавнем прошлом это преобразование осуществлялось с помощью электромеханиче­ских вращающихся преобразователей, а функции регулирования зачастую перекладывались на механические узлы (редукторы, вариаторы, дроссельные заслонки и т. п.), имеющие низкий КПД. Такое устаревшее оборудование находится в эксплуата­ции и в настоящее время.

     Развитие полупроводниковых приборов, которое привело в 60-е годы к появлению на рынке силовых кремниевых диодов и тиристоров, позволило создать силовые полупроводниковые преобразователи, которые являются почти идеальным сред­ством преобразования электрической энергии. Силовые полупроводниковые преобразователи являются ста­тическими, бесконтактными и имеют высокую эффективность, т.к.  преобразование энергии осуществляется в полупроводниковой структуре без механического движения (без износа деталей) и без видимого прерывания цепей (без электрической дуги и износа материала коммутирующего перехода).

     Высокая эффективность полупроводниковых преобразовате­лей обусловлена вольтамперными характеристиками силовых полупроводниковых приборов, которые приближаются к иде­альным характеристикам устройств коммутации, не имеющих потерь. Они обладают высокой электрической проводимостью (малое падение напряжения) в прямом проводящем направле­нии и высоким электрическим сопротивлением (малый ток утечки) в обратном направлении и в закрытом состоянии. При преобразовании электри­ческой энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока происходит экономия энергии на 10 — 40% по сравнению с классическими вращающимися и контактными устройствами. Кроме того, высокая эффективность обеспечива­ет высокую надежность, готовность к работе, быстродействие и качество регулирования. Эти свойства позволяют повысить производительность промышленного оборудования с полупро­водниковыми преобразователями на 30—50%, благодаря чему возникает вторичная экономия энергии, которая обычно гораз­до выше, чем прямая (непосредственная) экономия.

     В то же время устройства силовой электроники в боль­шинстве случаев дороже классических преобразователей и требуют более высокой квалификации обслуживающего персо­нала.

     Схемные решения силовых полупроводниковых преобразова­телей быстро развивались в течение последних двадцати лет и в настоящее время практически стабилизировались. Определен­ный прогресс достигнут в последнее время в схемных решениях управляющих и регулирующих цепей за счет применения микропроцессоров и оптоэлектрических элементов. В силовых цепях начинают применяться запираемые тиристоры, симмет­ричные тиристоры и высокочастотные приборы.

     Что же касается конструктивных решений преобразователей, то они пока далеко не достигли такой ступени развития, как схемные решения. Конструктивные решения преобразователей очень разнородны, неунифицированы и малоэффективны.

Конструкция силовых полупроводниковых преобразователей имеет определенные специфические черты, которые отличают ее от конструкций другого электротехнического и электронного оборудования. Сюда относятся следующие характерные особен­ности:

- большое число очень разнородных элементов;

- относительно малая серийность;

- необходимость согласованности с оборудованием, для кото­рого преобразователи предназначены.

     Полупроводниковые преобразователи состоят из силовых, а также управляющих и регулирующих цепей. Силовые цепи включают в себя электрически соединенные между собой силовые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы и диоды), защитные и коммутационные аппараты, резисторы, конденсаторы, дроссели и трансформаторы, кон­тактные зажимы, а также узлы системы охлаждения, такие, как охладители (радиаторы), вентиляторы, воздуховоды, насосы, теплообменники, фильтры, вентили и т. п. Все это конструктивно объединяется несущим каркасом или шкафом.

     Управляющие и регулирующие цепи, а также цепи контроля состоят из маломощных дискретных и интегральных полупро­водниковых элементов, пассивных элементов, миниатюрных реле, маломощных трансформаторов, переходных контактов, которые чаще всего устанавливаются на платах с печатными соединениями. Платы размещаются в кассетах или закрепляют­ся в преобразователях иными способами. К цепям контроля относятся устройства сигнализации, диагностики, датчики, измерительные приборы и т. п.

     Большое количество очень разнородных элементов является причиной большого разнообразия вариантов схемных решений и конструктивных исполнений силовых полупроводниковых преобразователей. Вследствие этого очень трудно провести простое качественное сравнение отдельных типов преобразова­телей и разместить их в какой-либо ряд по оценке признаков.

     Малая серийность силовых полупроводниковых преобразо­вателей в производстве вызвана тем, что они предназначены для разнообразных электроприводов и агрегатов как источники питания. Также для установок с очень разными значениями мощностей, напряжений, токов, диапазонов регулирования, необходимых динамических показателей и т. п. В большинстве случаев справедливо правило, что чем больше мощность, тем меньше серийность производства. Следовательно, речь идет о широком ассортименте изделий, к чему должны быть приспо­соблены технологическая подготовка и организация производ­ства. Эта характерная черта силовых полупроводниковых преобразователей требует, с одной стороны, высокой степени унификации узлов и деталей, чтобы преобразователи различных типов могли выпускаться на базе относительно небольшого числа универсальных блоков, а с другой стороны — заставляет стремиться к увеличению серийности производства преобразо­вателей путем специализации их разработки и производства, в том числе в международном масштабе.