Преобразовательная техніка

Преобразовательная техніка , розділ електротехніки, предметом якого є розробка способів і засобів перетворення електричної енергії; сукупність відповідних преобразовательних пристроїв. Пристрою П. т. змінюють величини змінних напруги і струму ( трансформатори ) , перетворять змінний струм в постійний або пульсуючий однонаправлений ( випрямлячі ) , постійний або пульсуючий однонаправлений струм в змінний ( інвертори ) , змінний струм однієї частоти в змінний струм іншої частоти ( перетворювачі частоти ), змінюють число фаз змінного струму ( расщепітель фаз ) , змінюють величину постійної напруги (регулювальники і перетворювачі постійної напруги). До пристроїв П. т. відносять також безконтактні комутаційні апарати (див. Комутатор ) .

  Залежно від вигляду основних елементів силових ланцюгів преобразовательних пристроїв останні підрозділяють на електромашинних і статичних (електромагнітні і вентильні). До електромашинних преобразовательним пристроїв відносять трансформатори і електромашинні перетворювачі частоти. Трансформатори застосовують в ланцюгах змінного струму скрізь, де необхідно підвищити або знизити напругу, погоджувати вихід однієї системи з входом інший, ввести гальванічну розв'язку електричних ланцюгів і т.д. Електромашинні перетворювачі (головним чином генераторні для двигуна агрегати ) застосовують переважно в автономних системах електропостачання і в деяких промислових електроприводах . Електромагнітні перетворювачі застосовуються рідко, переважно як дільники і помножувачі частоти. Вентильні преобразовательниє пристрої (ВПУ), основний елемент яких — вентиль електричний, мають малу інерційність, високий ккд(коефіцієнт корисної дії), хороші експлуатаційні характеристики, малі масу і габарити, що і зумовило їх широке вживання. У високовольтних ВПУ малої і середньої потужності застосовують електронні (електровакуумні) вентилі. Іонні вентилі (газорозрядні і ртутні) встановлюють у ВПУ з різко змінним навантаженням, в імпульсних і спеціальних ВПУ. Напівпровідникові (ПП) вентилі ( транзистори, напівпровідникові діоди і тиристори ) завдяки компактності, миттєвій готовності до роботи, високому ккд(коефіцієнт корисної дії), простоті управління і великому терміну служби до середини 70-х рр. 20 ст практично повністю витіснили ін. вентилі у ВПУ масового вживання. У низьковольтних ВПУ малої і середньої потужності (~ 10 ² —10 ³ Вт ) використовують транзистори, що працюють в ключовому режимі; у ВПУ великої потужності (~ 10 ⁵ —10 ⁸ Вт ) застосовують силові діоди і тиристори ПП. До складу ВПУ, окрім вентилів з охолоджувачами, входять трансформатори система управління вентилями, пристрої захисту від надструмів і перенапружень, обмежувачі швидкості наростання напруги і струму в силових ланцюгах, що комутують пристрої, що згладжують фільтри.

  По режиму робочого процесу розрізняють ВПУ з природною і штучною (примусовою) комутацією . Природна комутація може бути реалізована у ВПУ як з керованими, так і з некерованими вентилями. Штучна комутація здійснюється, як правило, у ВПУ з керованими вентилями. У ВПУ обох видів вентиль переводиться в стан високої провідності (відмикається) сигналом, що управляє, за наявності відповідних потенціалів на його силових електродах. У стан низької провідності вентиль переводиться (закривається) або в результаті зниження напруги джерела живлення (у ВПУ з природною комутацією), або додатковою дією комутуючого пристрою (у ВПУ з штучною комутацією).

  Схема простого ВПУ — випрямітеля— показана на мал. 1, а . Змінюючи момент відмикання керованого вентиля, сполученого послідовно з навантаженням, можна міняти середнє значення прикладеної до навантаження випрямленої напруги (фазове регулювання, мал. 1, би ). Змінюючи частоту подачі імпульсів, що управляють, також можна міняти середнє значення випрямленої напруги (імпульсне регулювання, мал. 1, би ). У ВПУ з природною комутацією вентиль закривається тоді, коли струм, що протікає через нього, зменшується до нуля. У ВПУ з штучною комутацією вентиль може бути замкнутий комутуючим пристроєм у будь-який момент часу (крива зміни напруги на навантаженні змальована на мал. 1, г ). У випрямлячах такий спосіб управління режимом роботи вентиля в порівнянні з фазовим регулюванням дозволяє підвищити коефіцієнт потужності на вході ВПУ. Для зменшення пульсацій випрямленої напруги зазвичай використовують згладжуючі фільтри на виході ВПУ. З цією ж метою застосовують декілька включених паралельно ВПУ, що живляться змінною напругою, зрушеною один відносно одного по фазі.

  У ВПУ — перетворювачі частоти ( мал. 2, а ) , подаючи імпульси, що управляють, поперемінно на вентилі B ₁ і B ₂ (для позитивної півхвилі струму навантаження) і B ₃ , B ₄ (для негативної півхвилі струму навантаження) з частотою, нижчою, ніж частота живлячої мережі, можна отримати (при природній комутації) напругу, форма якої, що ідеалізується, показана на мал. 2, би . У ВПУ з штучною комутацією можна отримати змінна напруга, частота якої може бути вище за частоту живлячої мережі ( мал. 2, в ) і обмежується лише динамічними властивостями вентилів. Для зміни середнього значення вихідної напруги і в цьому випадку застосовується фазове або імпульсне регулювання.

  Включая ВПУ в ланцюг постійного струму і змінюючи за допомогою штучної комутації тривалість відімкненого і замкнутого станів силового вентиля ( мал. 3 а ), можна міняти середню напругу на навантаженні методом широко-імпульсного ( мал. 3, би ) або частотно-імпульсного ( мал. 3, в ) регулювання. За допомогою з'єднання два ВПУ можна здійснювати перетворення постійного струму в змінний (інвертування).

  В СРСР і за кордоном ВПУ застосовують практично у всіх областях електроенергетики. У електропередачах постійного струму з напругою 500 кв і більш використовують випрямлячі і інвертори на ртутних і ПП вентилях потужністю по 100 Мва і вище. Потужність ПП випрямлячів для живлення електролізних ванн досягає 100 Мва. В електроприводах прокатних станів і блюмінгів ще зустрічаються ртутні випрямлячі потужністю до 30 Мва, але з початку 70-х рр. їх все частіше замінюють ПП випрямлячами. На електрифікованому ж.-д.(железнодорожний) транспорті застосовують випрямні і випрямітельно-інверторниє установки потужністю до 10 Мва на рухливому складі і до 15 Мва на тягових підстанціях . В електроприводах металоріжучих верстатів і текстильних машин використовують ПП випрямлячі і перетворювачі частоти потужністю від 10 ква до 10 Мва. Для живлення індукційних електричних печей застосовують ПП перетворювачі частоти потужністю до 1 Мва. У тихохідних електроприводах шахтних млинів використовують ртутні і ПП перетворювачі частоти потужністю 10—15 Мва причому ртутні також поступово витісняються Пп.

  Літ.: Рівкин Р. А., Преобразовательниє пристрої, М., 1970; Чиженко І. М., Руденко Ст С., Сенько Ст І., Основи преобразовательной техніки, М., 1974.

  Ю. М. Іньков, А. А. Саковіч.

Мал. 1. Схема напівпровідникового вентильного випрямляча (а) і діаграми його напруги (б, в, г): U _з — напруга мережі; U _н — напруга на навантаженні; U _cp — середнє значення випрямленої напруги; ВПУ — вентильний преобразовательноє пристрій; У — керований вентиль; УЇК — пристрій штучної комутації; R _н — навантаження.

Мал. 3. Схема напівпровідникового вентильного регулювальника постійного струму (а) і діаграми його напруги (б, в): Т — інтервали дотримання імпульсів, що управляють (на відмикання вентиля); t — тривалість відкритого стану вентиля; останні позначення ті ж, що і на мал.(малюнок) 1.

Мал. 2. Схема напівпровідникового вентильного перетворювача частоти (а) і діаграми його напруги (б, в): T ₁ — період напруги мережі; Т ₂ , Т — період напруги на навантаженні; останні позначення ті ж, що і на мал.(малюнок) 1.