أجهزة المحول في أنظمة الطاقة

يتم توليد الطاقة الكهربائية في محطات توليد الطاقة ويتم توزيعها بشكل أساسي على شكل تيار متردد بتردد إمداد. على الرغم من وجود عدد كبير مستهلكي الكهرباء تتطلب الصناعة أنواعًا أخرى من الكهرباء لإمدادها بالطاقة.

غالبًا ما تكون مطلوبة:

• العاصمة (الحمامات الكهروكيميائية والتحليل الكهربائي ، المحرك الكهربائي بالتيار المباشر ، أجهزة النقل والرفع الكهربائية ، أجهزة اللحام الكهربائي) ؛

• التيار المتناوب تردد غير صناعي (التدفئة التعريفي، محرك AC متغير السرعة).

في هذا الصدد ، يصبح من الضروري تحويل التيار المتردد إلى تيار مباشر (مصحح) أو عند تحويل التيار المتردد لتردد واحد إلى تيار متناوب لتردد آخر. في أنظمة نقل الطاقة الكهربائية ، في محرك الثايرستور DC ، هناك حاجة لتحويل التيار المباشر إلى تيار متردد (انعكاس التيار) عند نقطة الاستهلاك.

لا تغطي هذه الأمثلة جميع الحالات التي تتطلب تحويل الطاقة الكهربائية من نوع إلى آخر.يتم تحويل أكثر من ثلث الكهرباء المنتجة إلى نوع آخر من الطاقة ، ولهذا السبب يرتبط التقدم التقني إلى حد كبير بالتطوير الناجح لأجهزة التحويل (تحويل المعدات).

تصنيف أجهزة تحويل التكنولوجيا

الأنواع الرئيسية لأجهزة التحويل

تحتل حصة تحويل الأجهزة التكنولوجية في ميزان الطاقة بالدولة مكانًا مهمًا. مزايا محولات أشباه الموصلات ، مقارنة بأنواع المحولات الأخرى ، لا يمكن إنكارها. المزايا الرئيسية هي ما يلي:

- تتميز محولات أشباه الموصلات بالتنظيم العالي وخصائص الطاقة ؛

- لها أبعاد ووزن صغير ؛

- عملية بسيطة وموثوقة ؛

- توفير تبديل بدون تلامس للتيارات في دوائر إمداد الطاقة.

بفضل هذه المزايا ، يتم استخدام محولات أشباه الموصلات على نطاق واسع: المعادن غير الحديدية ، الصناعة الكيميائية ، السكك الحديدية والنقل الحضري ، المعادن الحديدية ، الهندسة الميكانيكية ، الطاقة وغيرها من الصناعات.

سنقدم تعريفات للأنواع الرئيسية لأجهزة التحويل.

المعدل هو جهاز لتحويل جهد التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر (U ~ → U =).

يسمى العاكس جهازًا لتحويل الجهد المباشر إلى جهد متناوب (U = → U ~).

يعمل محول التردد على تحويل الجهد المتناوب لتردد واحد إلى جهد متناوب لتردد آخر (Uf1 → Uf2).

تم تصميم محول جهد التيار المتردد (منظم) لتغيير (تنظيم) الجهد المقدم للحمل ، أي يحول جهد التيار المتردد لكمية واحدة إلى جهد تيار متردد بكمية أخرى (U1 ~ → U2 ~).

فيما يلي أكثر أنواع أجهزة تحويل التكنولوجيا استخدامًا ... هناك عدد من أجهزة التحويل المصممة لتحويل (تنظيم) حجم التيار المباشر ، وعدد مراحل المحول ، وشكل منحنى الجهد ، إلخ.

خصائص موجزة لأجهزة تحويل قاعدة العنصر

جميع أجهزة التحويل ، المصممة لأغراض مختلفة ، لها مبدأ تشغيل مشترك ، والذي يعتمد على التشغيل الدوري وإيقاف تشغيل الصمامات الكهربائية. حاليًا ، تُستخدم أجهزة أشباه الموصلات كصمامات كهربائية. الثنائيات الأكثر استخداما ، الثايرستورو triacs و الترانزستورات السلطةيعمل في الوضع الرئيسي.

1. الثنائيات تمثل عنصرين من قطبين لدائرة كهربائية ذات توصيل أحادي الجانب. يعتمد توصيل الصمام الثنائي على قطبية الجهد المطبق. بشكل عام ، تنقسم الثنائيات إلى ثنائيات منخفضة الطاقة (متوسط ​​التيار المسموح به Ia ≤ 1A) ، وثنائيات متوسطة الطاقة (إضافة Ia = 1-10A) وثنائيات عالية الطاقة (إضافة Ia ≥ 10A). وفقًا للغرض منها ، تنقسم الثنائيات إلى تردد منخفض (fadd ≤ 500 هرتز) وتردد عالي (fdop> 500 هرتز).

المعلمات الرئيسية لثنائيات المعدل هي أعلى متوسط ​​للتيار المعدل ، إضافة Ia ، A ، وأعلى جهد عكسي ، Ubmax ، B ، والتي يمكن تطبيقها على الصمام الثنائي لفترة طويلة دون التعرض لخطر الإخلال بتشغيله.

في محولات الطاقة المتوسطة والعالية ، استخدم الثنائيات القوية (الانهيار الجليدي). تتميز هذه الثنائيات ببعض الخصائص المحددة لأنها تعمل في التيارات العالية والجهد العكسي العالي ، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة كبير في تقاطع pn.لذلك يجب توفير طرق تبريد فعالة هنا.

ميزة أخرى لثنائيات الطاقة هي الحاجة إلى الحماية من الجهد الزائد على المدى القصير الناتج عن انخفاض الحمل المفاجئ والتبديل و أوضاع الطوارئ.

تتمثل حماية الصمام الثنائي لإمداد الطاقة من الجهد الزائد في نقل الانهيار الكهربائي المحتمل p-n - الانتقال من مناطق السطح إلى الجزء الأكبر. في هذه الحالة ، يكون للانهيار طابع انهيار جليدي ، وتسمى الثنائيات الانهيار الجليدي. هذه الثنائيات قادرة على تمرير تيار عكسي كبير بما فيه الكفاية دون ارتفاع درجة حرارة المناطق المحلية.

عند تطوير دارات أجهزة المحول ، قد يكون من الضروري الحصول على تيار مصحح يتجاوز القيمة القصوى المسموح بها للديود الفردي. في هذه الحالة ، يتم استخدام الاتصال المتوازي للديودات من نفس النوع مع اعتماد تدابير لمعادلة التيارات الثابتة للأجهزة المدرجة في المجموعة. لزيادة إجمالي الجهد العكسي المسموح به ، يتم استخدام سلسلة توصيل الثنائيات. في الوقت نفسه ، يتم توفير تدابير لاستبعاد التوزيع غير المتكافئ للجهد العكسي.

السمة الرئيسية لثنائيات أشباه الموصلات هي خاصية الجهد الحالي (VAC). يتم عرض بنية أشباه الموصلات ورمز الصمام الثنائي في الشكل. 1 ، أ ، ب. يظهر الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي للديود في الشكل. 1 ، c (المنحنى 1 - I - V المميز لصمام ثنائي الانهيار ، المنحنى 2 - I - V المميز للديود التقليدي).

أرز. 1 - الرمز والفرع العكسي لخاصية الجهد الكهربائي للديود.

الثايرستور عبارة عن جهاز أشباه موصلات من أربع طبقات مع حالتين مستقرتين: حالة الموصلية المنخفضة (مغلق الثايرستور) والموصلية العالية (الثايرستور مفتوح). يرجع الانتقال من حالة مستقرة إلى أخرى إلى تأثير العوامل الخارجية. في أغلب الأحيان ، لإلغاء قفل الثايرستور ، فإنه يتأثر بالجهد (التيار) أو الضوء (الفوتوثيرستور).

التمييز بين الثايرستور الصمام الثنائي (الدينستورات) وقطب التحكم الثلاثي الثايرستور. هذا الأخير مقسم إلى مستوى واحد ومستويين.

في الثايرستور أحادي الفعل ، يتم إجراء عملية إيقاف تشغيل الثايرستور فقط على دائرة البوابة. يذهب الثايرستور إلى الحالة المفتوحة بجهد موجب للأنود ووجود نبضة تحكم على قطب التحكم. لذلك ، فإن السمة المميزة الرئيسية للثايرستور هي إمكانية التأخير التعسفي في وقت إطلاقه في وجود جهد أمامي عليه. يتم إجراء قفل الثايرستور أحادي العملية (بالإضافة إلى الدينيستور) عن طريق تغيير قطبية جهد القطب السالب.

يسمح الثايرستور ثنائي المهام لدائرة التحكم بفتح الثايرستور وقفله. يتم إجراء القفل عن طريق تطبيق نبضة تحكم ذات قطبية عكسية على قطب التحكم.

وتجدر الإشارة إلى أن الصناعة تنتج الثايرستور أحادي الفعل للتيارات المسموح بها لآلاف الأمبيرات والجهود المسموح بها لوحدة الكيلوفولت. تحتوي الثايرستور الحالي مزدوج الفعل على تيارات مسموح بها أقل بكثير من التيارات أحادية الفعل (وحدات وعشرات الأمبيرات) وانخفاض الفولتية المسموح بها. تستخدم هذه الثايرستور في معدات الترحيل وفي أجهزة المحولات منخفضة الطاقة.

في التين.يوضح الشكل 2 التعيين التقليدي للثايرستور والتخطيطي لهيكل أشباه الموصلات وخاصية الجهد الحالي للثايرستور. تشير الأحرف A و K و UE على التوالي إلى مخرجات عنصر التحكم في الأنود والكاثود والثايرستور.

المعلمات الرئيسية التي تحدد اختيار الثايرستور وتشغيله في دائرة المحول هي: التيار الأمامي المسموح به ، المضاف Ia ، A ؛ الجهد الأمامي المسموح به في الحالة المغلقة ، Ua max ، V ، الجهد العكسي المسموح به ، Ubmax ، V.

يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى للجهد الأمامي للثايرستور ، مع مراعاة قدرات التشغيل لدائرة المحول ، جهد التشغيل الموصى به.

أرز. 2 - رمز الثايرستور ، مخطط هيكل أشباه الموصلات وخاصية جهد التيار الثايرستور

المعلمة المهمة هي تيار عقد الثايرستور في الحالة المفتوحة ، Isp ، A ، هو الحد الأدنى للتيار الأمامي ، عند القيم المنخفضة التي ينطفئ فيها الثايرستور ؛ المعلمة اللازمة لحساب الحد الأدنى للحمل المسموح به للمحول.

أنواع أخرى من أجهزة التحويل

يقوم الترياس (الثايرستور المتماثل) بتوصيل التيار في كلا الاتجاهين. يحتوي هيكل أشباه الموصلات في التيرستورات على خمس طبقات من أشباه الموصلات ولها تكوين أكثر تعقيدًا من الثايرستور. يؤدي استخدام مزيج من طبقات p و n إلى إنشاء بنية شبه موصلة يتم فيها ، في أقطاب جهد مختلفة ، استيفاء الشروط المقابلة للفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي للثايرستور.

الترانزستورات ثنائية القطبيعمل في الوضع الرئيسي.على عكس الثايرستور ثنائي التشغيل في الدائرة الرئيسية للترانزستور ، من الضروري الحفاظ على إشارة تحكم طوال حالة التوصيل الكاملة للمفتاح. يمكن تحقيق مفتاح يمكن التحكم فيه بالكامل باستخدام ترانزستور ثنائي القطب.

دكتوراه. Kolyada L.I.