Преобразователи напряжения

Вентильные преобразователи широко применяются для преобразования электрической энергии, вырабатываемой и передаваемой в виде переменного напряжения стандарт­ной частоты f_с = 50 Гц в электрическую энергию другого вида - в постоянный ток или переменный ток с нестандартной (f< f_с или f>f_c) или изменяемой частотой. Почти половина энергии потребляется в преобра­зованном виде, прежде всего в виде постоянного тока. Электропривод постоянного тока, в том числе тяговый электропривод, мощные электротермические и электротех­нологические установки - это наиболее энергоемкие потре­бители постоянного тока. Для их питания ток промышлен­ной частоты преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей.

Растет группа потребителей электроэнергии, которые нуждаются в переменном токе повышенной или пониженной частоты, а нередко требуют использования регулируе­мой частоты (установки часточно-регулируемого электро­привода переменного тока, индукционные установки, мно­гие электротермические и электротехнологические потреби­тели). Для питания таких потребителей применяют различ­ные тиристорные преобразователи частоты.

Таким образом, значительное число потребителей элект­роэнергии большой мощности подключается к промышлен­ной сети через вентильные преобразователи различных ти­пов.

Важной областью при­менения вентильных преобразователей являются линии электропередачи в электрических сетях и системах. В пер­вую очередь речь идет о линиях передач постоянного тока, которые экономически эффективны для передачи энергии на большие расстояния. Такая линия передач на входе со­держит мощный тиристорный выпрямитель, преобразую­щий энергию тока частоты 50 Гц в постоянный ток. На выходе линии устанавливается мощный тиристорный инвер­тор, преобразующий постоянный ток в переменный. Обычно линии передач постоянного тока отдают энергию в системы, которые содержат другие мощные источники переменного тока. Инвертор, работающий на сеть, в которой имеются мощные источники переменного тока, называется ведомым сетью или зависимым инвертором.

Второй областью применения вентильных преобразова­телей в электроэнергетике являются тиристорные источники реактивной мощности, позволяющие вырабатывать и регу­лировать реактивную мощность для компенсации ее де­фицита в энергосистеме.

Третьей областью применения вентильных преобразова­телей в электроэнергетике является использование преобра­зователей для обеспечения работы основного оборудования электростанций, в частности для возбуждения синхронных гидро- или турбогенераторов и компенсаторов (схемы тиристорного возбуждения), для частотного пуска мощных генераторов (например, гидрогенераторов).

Преобразователи нужны также для таких нетрадиционных источников электроэнергии, как солнечные батареи, термохимические генераторы, ге­нераторы, использующие энергию ветра, и т. п.

Инверторы

Это устройства преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. реализуют процесс обратный выпрямлению.

Основными элементами инверторов являются коммутирующие приборы, которые периодически прерывают ток или изменяют его направление.

Классификация инверторов:

1) по принципу коммутации

- ведомые сетью (коммутация тока осуществляется переменным напряжением сети и частота инвертируемого тока соответствует частоте сети)

- автономные (коммутация осуществляется отдельным независимым устройством, поэтому частота инвертируемого тока определяется частотой управляющих импульсов)

2) по роду преобразуемой величины

- инверторы тока (используется дроссель большой индуктивности, за счет чего ток практически не изменяется)

- инверторы напряжения (используется конденсатор большой емкости)

3) по типу коммутируемых приборов

- тиристорные

- транзисторные

В ряде случаев инверторный режим чередуется с выпрямительным, что характерно для электропривода постоянного тока. В режиме двигателя преобразователь работает как выпрямитель, питающий двигатель. При торможении двигатель переходит в режим генератора, а преобразователь становится инвертором, передовая энергию в сеть переменного тока. Инвертор ведомый сетью показ на рис. 90.

Рисунок 90 – Схема инвертора ведомого сетью

Автономный инвертор представлен на рис. 91. Схема управления обеспечивает попеременное открывание пар тиристоров – VS1, VS3 и VS2, VS4, создавая тем самым ток в нагрузке, протекающий в разных направлениях. Частота тока в нагрузке задается схемой управления.

Рисунок 91 – Схема автономного инвертора

Преобразовате­ли частоты как правило состоят из выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный, и автоном­ного инвертора, преобразующего постоянный ток в пере­менный ток повышенной, пониженной или изменяющейся частоты.

В электроприводе частотные преобразователи служат для плавного регулирования скорости асинхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя трехфазного напряжения переменной частоты.

Принцип работы частотного преобразователя или как его часто называют - инвертора: переменное напряжение промышленной сети выпрямляется блоком выпрямительных диодов и фильтруется батареей конденсаторов большой емкости для минимизации пульсаций полученного напряжения. Это напряжение подается на мостовую схему, включающую шесть управляемых IGBT или MOSFET транзисторов с диодами, включенными анти параллельно для защиты транзисторов от пробоя напряжением обратной полярности, возникающем при работе с обмотками двигателя. Кроме того, в схему иногда включают цепь "слива" энергии - транзистор с резистором большой мощности рассеивания. Эту схему используют в режиме торможения, чтобы гасить генерируемое напряжение двигателем и обезопасить конденсаторы от перезарядки и выхода из строя.

Используя специальный алгоритм управления - открывая и закрывая перекрестные пары транзисторов формируют направление и ШИМ напряжение в фазах двигателя и создают необходимую величину и форму тока в фазных обмотках при разных частотах вращения поля.