Преобразовательная техника

Преобразовательная техника, раздел электротехники, предметом которого является разработка способов и средств преобразования электрической энергии; совокупность соответствующих преобразовательных устройств. Устройства П. т. изменяют величины переменных напряжения и тока (трансформаторы), преобразуют переменный ток в постоянный или пульсирующий однонаправленный (выпрямители), постоянный или пульсирующий однонаправленный ток в переменный (инверторы), переменный ток одной частоты в переменный ток другой частоты (преобразователи частоты), изменяют число фаз переменного тока (расщепитель фаз), изменяют величину постоянного напряжения (регуляторы и преобразователи постоянного напряжения). К устройствам П. т. относят также бесконтактные коммутационные аппараты (см. Коммутатор).

  В зависимости от вида основных элементов силовых цепей преобразовательных устройств последние подразделяют на электромашинные и статические (электромагнитные и вентильные). К электромашинным преобразовательным устройствам относят трансформаторы и электромашинные преобразователи частоты. Трансформаторы применяют в цепях переменного тока везде, где необходимо повысить или понизить напряжение, согласовать выход одной системы со входом другой, ввести гальваническую развязку электрических цепей и т.д. Электромашинные преобразователи (главным образом двигатель-генераторные агрегаты) применяют преимущественно в автономных системах электроснабжения и в некоторых промышленных электроприводах. Электромагнитные преобразователи применяются редко, преимущественно в качестве делителей и умножителей частоты. Вентильные преобразовательные устройства (ВПУ), основной элемент которых — вентиль электрический, имеют малую инерционность, высокий кпд(коэффициент полезного действия), хорошие эксплуатационные характеристики, малые массу и габариты, что и обусловило их широкое применение. В высоковольтных ВПУ малой и средней мощности применяют электронные (электровакуумные) вентили. Ионные вентили (газоразрядные и ртутные) устанавливают в ВПУ с резко переменной нагрузкой, в импульсных и специальных ВПУ. Полупроводниковые (ПП) вентили (транзисторы, полупроводниковые диоды и тиристоры) благодаря компактности, мгновенной готовности к работе, высокому кпд(коэффициент полезного действия), простоте управления и большому сроку службы к середине 70-х гг. 20 в. практически полностью вытеснили др. вентили в ВПУ массового применения. В низковольтных ВПУ малой и средней мощности (~ 10²—10³ вт) используют транзисторы, работающие в ключевом режиме; в ВПУ большой мощности (~ 10⁵—10⁸ вт) применяют силовые ПП диоды и тиристоры. В состав ВПУ, кроме вентилей с охладителями, входят трансформаторы, система управления вентилями, устройства защиты от сверхтоков и перенапряжений, ограничители скорости нарастания напряжения и тока в силовых цепях, коммутирующие устройства, сглаживающие фильтры.

  По режиму рабочего процесса различают ВПУ с естественной и искусственной (принудительной) коммутацией. Естественная коммутация может быть реализована в ВПУ как с управляемыми, так и с неуправляемыми вентилями. Искусственная коммутация осуществляется, как правило, в ВПУ с управляемыми вентилями. В ВПУ обоих видов вентиль переводится в состояние высокой проводимости (отпирается) управляющим сигналом при наличии соответствующих потенциалов на его силовых электродах. В состояние низкой проводимости вентиль переводится (запирается) либо в результате снижения напряжения источника питания (в ВПУ с естественной коммутацией), либо дополнительным воздействием коммутирующего устройства (в ВПУ с искусственной коммутацией).

  Схема простейшего ВПУ — выпрямителя— показана на рис. 1, а. Изменяя момент отпирания управляемого вентиля, соединённого последовательно с нагрузкой, можно менять среднее значение приложенного к нагрузке выпрямленного напряжения (фазовое регулирование, рис. 1, б). Изменяя частоту подачи управляющих импульсов, также можно менять среднее значение выпрямленного напряжения (импульсное регулирование, рис. 1, б). В ВПУ с естественной коммутацией вентиль запирается тогда, когда протекающий через него ток уменьшается до нуля. В ВПУ с искусственной коммутацией вентиль может быть заперт коммутирующим устройством в любой момент времени (кривая изменения напряжения на нагрузке изображена на рис. 1, г). В выпрямителях такой способ управления режимом работы вентиля по сравнению с фазовым регулированием позволяет повысить коэффициент мощности на входе ВПУ. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения обычно используют сглаживающие фильтры на выходе ВПУ. С этой же целью применяют несколько включенных параллельно ВПУ, питаемых переменными напряжениями, сдвинутыми друг относительно друга по фазе.

  В ВПУ — преобразователе частоты (рис. 2, а), подавая управляющие импульсы попеременно на вентили B₁ и B₂ (для положительной полуволны тока нагрузки) и B₃, B₄ (для отрицательной полуволны тока нагрузки) с частотой, более низкой, чем частота питающей сети, можно получить (при естественной коммутации) напряжение, идеализированная форма которого показана на рис. 2, б. В ВПУ с искусственной коммутацией можно получить переменное напряжение, частота которого может быть выше частоты питающей сети (рис. 2, в) и ограничивается лишь динамическими свойствами вентилей. Для изменения среднего значения выходного напряжения и в этом случае применяется фазовое или импульсное регулирование.

  Включая ВПУ в цепь постоянного тока и изменяя с помощью искусственной коммутации продолжительность отпертого и запертого состояний силового вентиля (рис. 3, а), можно менять среднее напряжение на нагрузке методом широтно-импульсного (рис. 3, б) или частотно-импульсного (рис. 3, в) регулирования. Посредством соединения двух ВПУ можно осуществлять преобразование постоянного тока в переменный (инвертирование).

  В СССР и за рубежом ВПУ применяют практически во всех областях электроэнергетики. В электропередачах постоянного тока с напряжением 500 кв и более используют выпрямители и инверторы на ртутных и ПП вентилях мощностью по 100 Мва и выше. Мощность ПП выпрямителей для питания электролизных ванн достигает 100 Мва. В электроприводах прокатных станов и блюмингов ещё встречаются ртутные выпрямители мощностью до 30 Мва, но с начала 70-х гг. их всё чаще заменяют ПП выпрямителями. На электрифицированном ж.-д.(железнодорожный) транспорте применяют выпрямительные и выпрямительно-инверторные установки мощностью до 10 Мва на подвижном составе и до 15 Мва на тяговых подстанциях. В электроприводах металлорежущих станков и текстильных машин используют ПП выпрямители и преобразователи частоты мощностью от 10 ква до 10 Мва. Для питания индукционных электрических печей применяют ПП преобразователи частоты мощностью до 1 Мва. В тихоходных электроприводах шахтных мельниц используют ртутные и ПП преобразователи частоты мощностью 10—15 Мва причём ртутные также постепенно вытесняются ПП.

  Лит.: Ривкин Г. А., Преобразовательные устройства, М., 1970; Чиженко И. М., Руденко В. С., Сенько В. И., Основы преобразовательной техники, М., 1974.

  Ю. М. Иньков, А. А. Сакович.

Рис. 1. Схема полупроводникового вентильного выпрямителя (а) и диаграммы его напряжений (б, в, г): U_c — напряжение сети; U_н — напряжение на нагрузке; U_cp — среднее значение выпрямленного напряжения; ВПУ — вентильное преобразовательное устройство; В — управляемый вентиль; УИК — устройство искусственной коммутации; R_н — нагрузка.

Рис. 3. Схема полупроводникового вентильного регулятора постоянного тока (а) и диаграммы его напряжений (б, в): Т — интервалы следования управляющих импульсов (на отпирание вентиля); t — продолжительность открытого состояния вентиля; остальные обозначения те же, что и на рис.(рисунок) 1.

Рис. 2. Схема полупроводникового вентильного преобразователя частоты (а) и диаграммы его напряжений (б, в): T₁ — период напряжения сети; Т₂, Т — период напряжения на нагрузке; остальные обозначения те же, что и на рис.(рисунок) 1.