Полупроводниковые преобразователи электрической энергии и их применение.

В настоящее время из всех видов энергии наиболее широкое применение имеет электрическая энергия. По сравнению с другими видами энергии (механической, химической, тепловой и ядерной) электрическая энергия обладает многими важными преимуществами: ее можно передавать на большие расстояния, распределять без особых трудностей, регулировать и преобразовывать. Благодаря этим преимуществам большая часть производимой энергии в процессе передачи различным и многочисленным электроприемникам преобразуется в электрическую.

Известны различные виды получения и потребления электроэнергии. Преобладающая часть электрической энергии производится вращающимися электрическими машинами, генерирующими переменное синусоидальное напряжение с периодом Т продолжительностью 20 или 162/3 мксек. Такая периодичность тока соответствует промышленной частоте 50 гц или 60 гц. Ток частотой 50 гц имеет наибольшее применение в Европе, а частотой 60 гц — в США. Однако переменный ток промышленной частоты не единственный вид электрического тока.

Электроэнергию получают также от различных источников постоянного тока (например, химических батарей, топливных элементов и магнитогидродинамических плазменных генераторов). Эти источники тока дают постоянную по направлению и величине электродвижущую силу (э. д. с.). В настоящее время удельный вес источников постоянного тока в общем объеме применяемых источников весьма мал, но стремительное развитие топливных элементов, а также магнитогидродинамических плазменных генераторов (МГД) в будущем может изменить это соотношение.

Если в области генерирования электроэнергии огромный перевес пока на стороне переменного тока, то в отношении ее потребления картина несколько иная: установки постоянного тока потребляют сейчас около 20—25% всей электроэнергии.

К основным электроприемникам постоянного тока относятся электрохимические устройства (например, устройства для выплавки алюминия, рафинирования меди, выделения хлора и водорода, зарядки аккумуляторов, создания покрытий электрохимическим путем и т. п.), а также двигатели постоянного тока в промышленности и на транспорте. В последнее время постоянный ток все шире используется для передачи энергии по линиям электропередачи на большие расстояния при очень высоком напряжении.

В Западной Европе на железнодорожном транспорте, помимо постоянного тока и тока промышленной частоты, используются токи с частотой 162/3 и 25 гц. За последнее время все более широкое применение получает переменный ток частотой 400 — 1000 гц на различных транспортных средствах. Это связано с тем, что повышение частоты позволяет значительно снизить вес электромагнитных устройств (генераторов, трансформаторов, дросселей, двигателей и т. п.).

Перечисленные факторы обусловливают необходимость в различного рода преобразователях, которые переменный ток преобразуют в постоянный и наоборот, а также изменяют частоту тока. Краткое рассмотрение истории развития преобразователей тока и частоты позволит более полно оценить место новых полупроводниковых преобразователей среди известных ранее преобразователей других видов. На заре развития электротехники в качестве преобразователей тока и частоты использовались преимущественно двигатели-генераторы, в которых требуемый род тока получался с помощью генератора, приводимого во вращение двигателем на имеющемся токе. Однако и такая, казалось бы, простая схема имеет существенные недостатки: во-первых двигатели-генераторы тяжелы и громоздки, так как предполагают необходимость двух электрических машин, рассчитанных каждая на полную мощность преобразователя; во-вторых, к. п. д. подобных двигателей-генераторов низок, да и сам принцип действия — преобразование электрической энергии в механическую с последующим обратным преобразованием в электрическую — нельзя считать рациональным.

Важным шагом вперед в развитии преобразователей явилось создание ионных вентилей (тиратронов, экситронов, игнитронов и т. п.). Благодаря этим приборам впервые появилась возможность создавать статические преобразователи тока и частоты, которые работают без посредства механической энергии. Однако и ионные приборы не лишены недостатков. Хотя вес их меньше веса двигателей-генераторов, по размерам они все же сопоставимы. Кроме того, для ионных приборов необходимы сложное устройство зажигания и охлаждение, а потери энергии в электрической дуге значительно снижают их к. п. д.

Поворотным пунктом в развитии силовых преобразователей явилось создание монокристаллических полупроводниковых выпрямительных элементов (германиевых и кремниевых). Технология изготовления полупроводниковых приборов совершенствовалась очень быстро, и это привело к созданию выпрямительных элементов, превосходящих мощностью в сотни раз первые приборы этого рода. Номинальные токи и напряжения, допустимые для этих полупроводниковых элементов, достигли сотен ампер и вольт. В настоящее время созданы полупроводниковые преобразователи мощностью в сотни и тысячи киловатт. Так, например, мощность современных полупроводниковых выпрямителей для электровозов достигает 4 000—6000 кет, а в электрохимической промышленности используются полупроводниковые выпрямители мощностью даже 45000 кет (100 000 а, 450 в).

Во всем мире суммарная установленная мощность полупроводниковых выпрямителей непрерывно растет. Так, например, в СССР объем установленной мощности полупроводниковых преобразователей за каждый год почти удваивается и, как показывают расчеты экономистов и плановиков, в 1970 г. потребуются полупроводниковые преобразователи суммарной мощностью 20 млн. кет, что составит 80% мощности всех установленных преобразователей тока и частоты.

Однако обычные полупроводниковые выпрямительные элементы не лишены известного недостатка — они не управляемы и поэтому в устройствах, где необходимо сочетать функции преобразования тока с регулированием, приходится устанавливать дополнительные регулировочные аппараты. Для регулирования небольших полупроводниковых преобразователей (мощностью до 10—15 кет) часто используются бесконтактные магнитные элементы (дроссели насыщения, магнитные усилители и т. п.), а в агрегатах большой и средней мощности — электромеханические коммутационные аппараты (различного рода переключатели, контакторы, контроллеры, коммутаторы и т. п.).

Наиболее крупным достижением в развитии преобразовательной техники явилось создание управляемых полупроводниковых вентилей — тиристоров. Можно предполагать, что появление этого элемента даст определенный скачок в развитии всей преобразовательной техники, так как впервые в истории электротехники появится возможность создавать электрические преобразователи тока и регуляторы, не содержащие громоздких электромеханических устройств, тяжелых элементов электромагнитного регулирования и обладающие при этом высоким к. п. д.

Тиристор можно представить в виде неуправляемого диода с последовательно включенным выключателем, который дает возможность включать ток в нужный момент. Прохождение тока через тиристор прекращается, когда величина тока достигает нуля, т. е. для переменного тока — в конце полупериода.

В настоящее время тиристоры все шире применяются не только в различных выпрямителях, инверторах и преобразователях частоты, но зачастую и для непосредственного регулирования эффективного значения переменного и постоянного тока, т. е. используются как трансформаторы переменного и постоянного тока. При этом особенно важна и экономически выгодна возможность импульсного регулирования постоянного тока; до сих пор это осуществлялось почти исключительно при помощи реостатов, в результате чего часть электроэнергии терялась, превращаясь в ненужное или даже вредное тепло. Подобные полупроводниковые преобразователи постоянного тока особенно необходимы в различного рода нестационарных и транспортных устройствах, где единственным источником энергии являются аккумуляторные батареи.

Не менее важное значение имеет возможность замены электромеханических коммутационных аппаратов полупроводниковыми. Такого рода замена особенно важна в устройствах, работающих в химически активной среде, в среде с повышенной либо пониженной температурой или давлением, а также в местах, где электрические устройства подвержены сильным механическим перегрузкам и вибрации. Кроме того, условия применения их на многих транспортных средствах (в частности, на летательных аппаратах) требуют, чтобы электрические преобразователи и регуляторы были по возможности более компактными и легкими. Эти требования в большинстве случаев можно выполнить только применением полупроводниковых элементов.