Реферат

«Функциональная классификация преобразователей электрической энергии и общая характеристика их основных свойств»

Дисциплина «Силовая электроника»

Преподаватель		Р.Т.Шрейнер
Студент гр. Э – 400301		Раздымахо И.В.

Екатеринбург

Содержание

1. Ведение 3

2. Роль преобразовательной техники в народном хозяйстве 4

3. Общая характеристика функциональных классов

преобразовательной техники 6

3.1. Преобразователи переменного тока в постоянный 7

3.1.1. Без изменения параметров 15

3.1.1. С изменением параметров 34

4.2. Преобразователи постоянного тока в переменный 38

4.2.1. Без изменения параметров 39

4.2.1. С изменением параметров 41

4.3. Кондиционеры электроэнергии 43

5. Список использованных источников 54

Ведение

Электроэнергия в промышленном производстве используется в электроприводе, разнообразными электротехнологическими и осветительными установками.

Соответственно, параметры электроэнергии, необходимые для ее эффективного применения в конкретных случаях, должны быть различны.

Нередко частота переменного напряжения, его величина требуют изменения непосредственно в течение технологического процесса.

В то же время источники электроэнергии – энергосистемы, трансформаторные подстанции обеспечивают потребителей стандартной электроэнергией в виде трехфазного переменного тока частотой 50 Гц и рядом стандартных напряжений от 0,4 до 220 кВ.

Для удовлетворения нужд производства в электроэнергии разных видов и параметров, а также для эффективного управления ее распределением необходимы различные преобразовательные устройства.

Роль преобразовательной техники в народном хозяйстве

В настоящее время существует широко развитая отрасль народного хозяйства — производство силовой преобразовательной техники. Задача отрасли — создание преобразователей электроэнергии, используемых в качестве источников питания самых различных потребителей этой электроэнергии. Таким образом, эти преобразователи, называемые вторичными, служат промежуточным звеном между источником электроэнергии и ее потребителем, позволяя регулировать ток, напряжение и частоту практически в неограниченных пределах.

Научно-технический прогресс во все большей степени выявляет особую роль силовой преобразовательной техники в интенсивном развитии всех других отраслей техники и технологии. Области применений преобразовательной техники непрерывно и быстро расширяются.

У преобразовательных устройств сейчас 120 различных применений в народном хозяйстве. При этом номенклатура преобразователей (без модификаций) насчитывает более 1000 типов. Основными потребителями преобразовательных устройств (около 80%) являются электрический транспорт, металлургическая промышленность, энергетика, строительная индустрия, машиностроение, химия и нефтехимия. Однако, несмотря на высокую рентабельность силовой преобразовательной техники, потребности в ней народного хозяйства удовлетворяются далеко не полностью.

Вместе с тем назрела необходимость создания и промышленного освоения преобразовательных устройств для ряда новых направлений их использования. К ним относятся: высоковольтные преобразователи ЛЭП постоянного тока сверхвысокого напряжения, сооружаемые с целью сверхдальнего транспорта электроэнергии; инверторные устройства промышленных МГД-генераторов и других установок с непосредственным преобразованием тепловой, химической и ядерной энергии в электрическую; преобразователи переменного тока регулируемой частоты для электрошлакового переплава металлов; преобразовательные установки для перспективных видов скоростного транспорта, в том числе на магнитной подвеске; высоковольтные преобразователи для компенсации реактивной энергии ЛЭП переменного тока; устройства для ионного упрочнения деталей трущихся механизмов, инструментов и т. д.

Почти все силовые преобразовательные устройства создаются на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), которые служат основным функциональным элементом этих устройств. Таким образом, силовая полупроводниковая электроника служит элементной базой для вторичных преобразователей. Она превратилась сейчас в крупную подотрасль электротехнической промышленности, которая производит приборы более 160 типов (диоды, тиристоры, симисторы, опто - и фототиристоры и др.) с широким диапазоном параметров.

Огромная потребность ведущих отраслей народного хозяйства в СПП обусловила высокие темпы развития их производства, но, несмотря на это, объем производства СПП отстает от роста потребности в них. Анализ показывает, что к числу дефицитных СПП относятся как выпускаемые в настоящее время, так и новые типы приборов, необходимость в которых обусловлена появлением новых областей применения преобразовательных устройств.

Общая характеристика функциональных классов

преобразовательной техники

Преобразователи электрической энергии подразделяются на:

- Выпрямители

- Инверторы

- Преобразователи частоты и числа фаз

- Преобразователи напряжения

Выпрямитель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический сигнал.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока или переменного в переменный ток с изменением величины напряжения или без и частоты. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде или дискретного сигнала.

Частотный преобразователь — электронное устройство для изменения частоты электрического тока (напряжения).

Преобразователь напряжения – устройство для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. Часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии.

Общая характеристика функциональных классов преобразовательной техники

Преобразователи переменного тока в постоянный

Преобразователем переменного тока в постоянный является выпрямитель.

Выпрямитель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического сигнала в постоянный выходной электрический сигнал.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, апульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Классификация

Рисунок 1 - Ртутный выпрямитель

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

1) По виду переключателя выпрямляемого тока

- механические синхронные с щёточно-коллекторным коммутатором тока

- механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока

- с электронной управляемой коммутацией тока (тиристорные)

- электронные синхронные (транзисторные) — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией

- с электронной пассивной коммутацией тока (диодные)

2) По мощности

- силовые выпрямители

- выпрямители сигналов

3) По степени использования полупериодов переменного напряжения

- однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну

- двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны

- неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны

- полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны

4) По схеме выпрямления

- мостовые

- с умножением напряжения

- трансформаторные

- с гальванической развязкой

- бестрансформаторные

5) По управляемости

- неуправляемые (диодные)

- управляемые (тиристорные)

6) По количеству каналов

- одноканальные

- многоканальные

7) По величине выпрямленного напряжения

- низковольтные (до 100В)

- средневольтовые (от 100 до 1000В)

- высоковольтные (свыше 1000В)

8) По назначению

- сварочный

- для питания микроэлектронной схемы

- для питания ламповых анодных цепей, для гальваники

9) По степени полноты мостов

- полномостовые

- полумостовые

- четвертьмостовые

10) По наличию устройств стабилизации

- стабилизированные

- нестабилизированные

11) По количеству используемых фаз

- Однофазные

- Двухфазные

- Трёхфазные

- Многофазные

12) По типу электронного вентиля

- Полупроводниковые диодные

- Полупроводниковые тиристорные

- Ламповые диодные (кенотронные)

- Газотронные

- Игнитронные

- Электрохимические

13) По управлению выходными параметрами

- Регулируемые

- Нерегулируемые

14) По индикации выходных параметров

- Без индикации

- С индикацией (аналоговой, цифровой)

15) По способу соединения

- Параллельные

- Последовательные

- Параллельно-последовательные

16) По способу объединения

- Раздельные

- Объединённые звёздами

- Объединённые кольцами

17) По частоте выпрямляемого тока

- Низкочастотные

- Среднечастотные

- Высокочас

Применение

Выпрямление электрического тока

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток.

Блоки питания аппаратуры

Применение выпрямителей в блоках питания радио- и электроаппаратуры обусловлено тем, что обычно в системах электроснабжения зданий или транспортных средств (самолётов, поездов) применяется переменный ток, и выходной ток любого электромагнитного трансформатора, применённого для гальванической развязки цепей или для понижения напряжения, всегда переменный, тогда как в большинстве случаев электронные схемы и электродвигатели целевой аппаратуры рассчитаны на питание током постоянного напряжения.

Выпрямители электросиловых установок

- Выпрямители питания главных двигателей постоянного тока автономных транспортных средств и буровых станков.

Как правило, на автономных транспортных средствах (автомобилях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, самолётах) для получения электроэнергии применяют генераторы переменного тока, так как они имеют большую мощность при меньших габаритах и весе, чем генераторы постоянного тока. Но для приводов движителей транспорта обычно применяются двигатели постоянного тока, так как они позволяют простым переключением полюсов питающего тока управлять направлением движения. Это позволяет отказаться от сложных, тяжёлых и ненадёжных коробок переключения передач. Также применяется и для привода бурильных станков буровых вышек.

- Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.

Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.

Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двух полупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении.

Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

- железнодорожной тяги

- городского электротранспорта

- электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)

- питания приводов прокатных станов

- возбуждения генераторов электростанций

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

- Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

- Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали, нанесения металлических покрытий и гальванопластики.

- Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)

- Установки очистки и обессоливания воды

- Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай, троллейбус, электровоз, метро)

- Для несинхронной связи энергосистем переменного тока

- Для дальней передачи электроэнергии постоянным током

Выпрямители высокочастотных колебаний

- в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.

- в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии.

Детектирование высокочастотного сигнала

В простейшем случае детектор амплитудно-модулированного сигнала устроен аналогично выпрямителю. Принцип работы основан на предположении, что частота несущей значительно выше частоты модулирующего сигнала, а коэффициент модуляции меньше единицы. В этом случае сигнал на входе устройства выпрямляется и фильтруется с помощью ФНЧ с частотой среза большей, чем максимальная частота модулирующего сигнала.

Рисунок 2 - Схема АМ детектора на базе однополупериодного выпрямителя

Демодулятор амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала в простейшем случае представляет собой однополупериодный выпрямитель на одном диоде с выходным фильтром из конденсатора и резистора. Соотношение номиналов ёмкости и сопротивления выбирается так, чтобы оптимально сглаживать полупериоды несущей высокой частоты, при превышении амплитуды полупериодов несущей выше напряжения на конденсаторе ёмкость заряжается, при уменьшении амплитуды полупериодов несущей ниже напряжения на конденсаторе ёмкость разряжается, тем самым огибающая восстанавливает модулирующий (низкочастотный) сигнал.

Преобразователи переменного тока в постоянный

без изменения параметров

Преобразователем переменного тока в постоянный без изменения параметров являются диодные выпрямители.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою.

В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Типовые схемы

Двухполупериодный выпрямитель

Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствии нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора — источника переменного тока — принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора — должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой — на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Однофазные выпрямители

- Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Рисунок 3 - Однополупериодный выпрямитель

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто-активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:

• Большая величина пульсаций
• Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
• Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущества:

• Экономия на количестве вентилей.

- Полумост

На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура-Делона-Гренашера».

Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединённых дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой».

- Полный мост (Гретца)

Рисунок 4 - Полный мост

На четырёх диодах, широко известный как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем. Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна то есть вдвое больше, чем в четвертьмостовом.

Наибольшее мгновенное значение напряжения на диодах —

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180°

- Два четвертьмоста параллельно ("двухполупериодный со средней точкой")

Рисунок 5 - Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе

Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.

Рисунок 6 - Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на твёрдотельных диодах.

Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.. В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца, но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой. Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции y=Em*(sin(w*t))².

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно, больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора.

Частота пульсаций равна , где — частота сети.

Дата добавления: 2015-06-04