Dispositivos convertidores en sistemas de potencia.

La energía eléctrica se genera en las centrales eléctricas y se distribuye principalmente en forma de corriente alterna con una frecuencia de alimentación. Aunque un gran número consumidores de electricidad en la industria requiere otros tipos de electricidad para su suministro de energía.

Se requiere con mayor frecuencia:

• CORRIENTE CONTINUA. (baños electroquímicos y de electrólisis, accionamiento eléctrico de corriente continua, dispositivos eléctricos de transporte y elevación, dispositivos eléctricos de soldadura);

• corriente alterna frecuencia no industrial (calentamiento por inducción, accionamiento de CA de velocidad variable).

En este sentido, se hace necesario transformar la corriente alterna en corriente continua (rectificada) o cuando se convierte la corriente alterna de una frecuencia en corriente alterna de otra frecuencia. En los sistemas de transmisión de energía eléctrica, en un variador de CC de tiristores, existe la necesidad de convertir la corriente continua en corriente alterna (inversión de corriente) en el punto de consumo.

Estos ejemplos no cubren todos los casos en los que se requiere la conversión de energía eléctrica de un tipo a otro.Más de un tercio de toda la electricidad producida se convierte en otro tipo de energía, por lo que el progreso técnico está relacionado en gran medida con el desarrollo exitoso de dispositivos de conversión (equipos convertidores).

Clasificación de los dispositivos de conversión de tecnología.

Los principales tipos de dispositivos de conversión.

La participación de la conversión de dispositivos tecnológicos en el balance energético del país ocupa un lugar significativo. Las ventajas de los convertidores de semiconductores, en comparación con otros tipos de convertidores, son innegables. Las principales ventajas son las siguientes:

— Los convertidores de semiconductores tienen altas características de regulación y energía;

— tener dimensiones y peso reducidos;

— operación simple y confiable;

— proporcionar conmutación sin contacto de corrientes en circuitos de suministro de energía.

Gracias a estas ventajas, los convertidores de semiconductores se utilizan ampliamente: metalurgia no ferrosa, industria química, transporte ferroviario y urbano, metalurgia ferrosa, ingeniería mecánica, energía y otras industrias.

Daremos definiciones de los principales tipos de dispositivos de conversión.

Rectificador Es un dispositivo para convertir voltaje AC en voltaje DC (U ~ → U =).

Un inversor se llama un dispositivo para convertir voltaje continuo en voltaje alterno (U = → U ~).

Un convertidor de frecuencia sirve para convertir una tensión alterna de una frecuencia en una tensión alterna de otra frecuencia (Uf1→Uf2).

Un convertidor de voltaje de CA (regulador) está diseñado para cambiar (regular) el voltaje suministrado a la carga, es decir, convierte el voltaje de CA de una cantidad en voltaje de CA de otra cantidad (U1 ~ → U2 ~).

Estos son los tipos de dispositivos de conversión de tecnología más utilizados... Hay una serie de dispositivos de conversión diseñados para convertir (regular) la magnitud de la corriente continua, el número de fases del convertidor, la forma de la curva de voltaje, etc.

Breves características de los dispositivos convertidores de base de elementos.

Todos los dispositivos de conversión, diseñados para diferentes propósitos, tienen un principio de funcionamiento común, que se basa en el encendido y apagado periódico de válvulas eléctricas. Actualmente, los dispositivos semiconductores se utilizan como válvulas eléctricas. Los diodos más utilizados, tiristores, triacs y transistores de poderfunciona en modo clave.

1. Diodos Representan elementos de dos electrodos de un circuito eléctrico con conductividad unilateral. La conductancia de un diodo depende de la polaridad del voltaje aplicado. Generalmente, los diodos se dividen en diodos de baja potencia (corriente promedio permisible Ia ≤ 1A), diodos de potencia media (sumando Ia = 1 — 10A) y diodos de alta potencia (añadiendo Ia ≥ 10A). Según su propósito, los diodos se dividen en baja frecuencia (fadd ≤ 500 Hz) y alta frecuencia (fdop> 500 Hz).

Los principales parámetros de los diodos rectificadores son la corriente rectificada media más alta, Ia suma, A, y la tensión inversa más alta, Ubmax, B, que se pueden aplicar al diodo durante mucho tiempo sin peligro de perturbar su funcionamiento.

En convertidores de potencia media y alta Aplicar diodos potentes (avalancha). Estos diodos tienen algunas características específicas, ya que operan a altas corrientes y altos voltajes inversos, lo que resulta en una liberación de energía significativa en la unión p-n.Por lo tanto, se deben proporcionar métodos de enfriamiento efectivos aquí.

Otra característica de los diodos de potencia es la necesidad de protección contra sobretensiones de corta duración derivadas de caídas repentinas de carga, maniobras y modos de emergencia.

La protección del diodo de la fuente de alimentación contra la sobretensión consiste en la transferencia de una posible ruptura eléctrica p-n, una transición de las áreas superficiales a la masa. En este caso, la ruptura tiene un carácter de avalancha, y los diodos se denominan avalancha. Dichos diodos pueden pasar una corriente inversa suficientemente grande sin sobrecalentar áreas locales.

Al desarrollar circuitos de dispositivos convertidores, puede ser necesario obtener una corriente rectificada que exceda el valor máximo permitido de un solo diodo. En este caso, se utiliza la conexión en paralelo de diodos del mismo tipo con la adopción de medidas para igualar las corrientes constantes de los dispositivos incluidos en el grupo. Para aumentar el voltaje inverso total permitido, se utiliza la conexión en serie de diodos. Al mismo tiempo, se proporcionan medidas para excluir la distribución desigual del voltaje inverso.

La principal característica de los diodos semiconductores es la característica corriente-voltaje (VAC). La estructura del semiconductor y el símbolo del diodo se muestran en la Fig. 1, a, b. La rama inversa de la característica corriente-voltaje del diodo se muestra en la Fig. 1, c (curva 1 — I — V característica de un diodo de avalancha, curva 2 — I — V característica de un diodo convencional).

Arroz. 1 — Símbolo y rama inversa de la característica corriente-voltaje del diodo.

Tiristores Es un dispositivo semiconductor de cuatro capas con dos estados estables: un estado de baja conductividad (tiristor cerrado) y de alta conductividad (tiristor abierto). El paso de un estado estable a otro se debe a la acción de factores externos. La mayoría de las veces, para desbloquear un tiristor, se ve afectado por el voltaje (corriente) o la luz (fototiristores).

Distinga los tiristores de diodo (dinistores) y el electrodo de control de los tiristores de triodo. Estos últimos se dividen en de un solo nivel y de dos niveles.

En los tiristores de acción simple, solo se realiza la operación de apagado del tiristor en el circuito de puerta. El tiristor pasa al estado abierto con un voltaje de ánodo positivo y la presencia de un pulso de control en el electrodo de control. Por lo tanto, la principal característica distintiva del tiristor es la posibilidad de un retraso arbitrario en el momento de su disparo en presencia de un voltaje directo. El bloqueo de un tiristor de operación única (así como un dinistor) se lleva a cabo cambiando la polaridad del voltaje de ánodo-cátodo.

Los tiristores de servicio dual permiten que el circuito de control desbloquee y bloquee el tiristor. El bloqueo se realiza aplicando un pulso de control de polaridad inversa al electrodo de control.

Cabe señalar que la industria produce tiristores de acción simple para corrientes permisibles de miles de amperios y voltajes permisibles de una unidad de kilovoltios. Los tiristores de doble acción existentes tienen corrientes permisibles significativamente más bajas que los de acción simple (unidades y decenas de amperios) y voltajes permisibles más bajos. Dichos tiristores se utilizan en equipos de relés y en dispositivos convertidores de baja potencia.

En la Fig.2 muestra la designación convencional del tiristor, el esquema de la estructura del semiconductor y la característica de corriente-voltaje del tiristor. Las letras A, K, UE indican respectivamente las salidas del elemento de control de ánodo, cátodo y tiristor.

Los principales parámetros que determinan la elección de un tiristor y su funcionamiento en el circuito convertidor son: corriente directa admisible, Ia aditiva, A; tensión directa admisible en estado cerrado, Ua máx, V, tensión inversa admisible, Ubmáx, V.

El voltaje directo máximo del tiristor, teniendo en cuenta las capacidades operativas del circuito del convertidor, no debe exceder el voltaje operativo recomendado.

Arroz. 2 — Símbolo del tiristor, diagrama de estructura del semiconductor y característica de corriente-voltaje del tiristor

Un parámetro importante es la corriente de retención del tiristor en estado abierto, Isp, A, es la corriente directa mínima, en valores más bajos de los cuales el tiristor se apaga; parámetro necesario para calcular la carga mínima admisible del convertidor.

Otros tipos de dispositivos de conversión

Los triacs (tiristores simétricos) conducen la corriente en ambas direcciones. La estructura semiconductora de un triac contiene cinco capas semiconductoras y tiene una configuración más compleja que el tiristor. El uso de una combinación de capas p y n crea una estructura semiconductora en la que, con diferentes polaridades de voltaje, se cumplen las condiciones correspondientes a la rama directa de la característica de corriente-voltaje del tiristor.

transistores bipolaresfunciona en modo clave.A diferencia del tiristor bioperacional en el circuito principal del transistor, es necesario mantener una señal de control durante todo el estado de conducción del interruptor. Se puede realizar un interruptor totalmente controlable con un transistor bipolar.

Doctor. Kolyada L. I.