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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.