อุปกรณ์แปลงไฟในระบบไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นในโรงไฟฟ้าและจำหน่ายส่วนใหญ่ในรูปของไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่ในการจ่าย เป็นจำนวนมากแม้ว่า ผู้ใช้ไฟฟ้า ในอุตสาหกรรมต้องใช้ไฟฟ้าประเภทอื่นในการจัดหาพลังงาน

ต้องการบ่อยที่สุด:

• กระแสตรง. (อ่างไฟฟ้าเคมีและอิเล็กโทรลิซิส, ไดรฟ์ไฟฟ้ากระแสตรง, อุปกรณ์ขนส่งและยกไฟฟ้า, อุปกรณ์เชื่อมไฟฟ้า);

• กระแสสลับ ความถี่ที่ไม่ใช่อุตสาหกรรม (ความร้อนเหนี่ยวนำ, ไดรฟ์ AC ความเร็วตัวแปร)

ในการเชื่อมต่อนี้จำเป็นต้องเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรง (แก้ไข) หรือเมื่อแปลงกระแสสลับของความถี่หนึ่งเป็นกระแสสลับของความถี่อื่น ในระบบส่งกำลังไฟฟ้า ในไดรฟ์ DC ของไทริสเตอร์ มีความจำเป็นต้องแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับ (กระแสผกผัน) ที่จุดบริโภค

ตัวอย่างเหล่านี้ไม่ครอบคลุมทุกกรณีที่จำเป็นต้องมีการแปลงพลังงานไฟฟ้าจากประเภทหนึ่งไปเป็นอีกประเภทหนึ่งมากกว่าหนึ่งในสามของกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ทั้งหมดถูกแปลงเป็นพลังงานประเภทอื่น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมความก้าวหน้าทางเทคนิคจึงเกี่ยวข้องกับการพัฒนาอุปกรณ์แปลง (อุปกรณ์แปลง) ที่ประสบความสำเร็จเป็นส่วนใหญ่

การจำแนกประเภทของอุปกรณ์การแปลงเทคโนโลยี

ประเภทหลักของอุปกรณ์แปลง

ส่วนแบ่งของการแปลงอุปกรณ์เทคโนโลยีในสมดุลพลังงานของประเทศมีความสำคัญ ข้อดีของคอนเวอร์เตอร์เซมิคอนดักเตอร์เมื่อเทียบกับคอนเวอร์เตอร์ประเภทอื่นเป็นสิ่งที่ไม่อาจปฏิเสธได้ ข้อได้เปรียบหลักมีดังต่อไปนี้:

— ตัวแปลงเซมิคอนดักเตอร์มีลักษณะการควบคุมและพลังงานสูง

— มีขนาดและน้ำหนักน้อย

- ใช้งานง่ายและเชื่อถือได้

— ให้การสลับกระแสแบบไม่สัมผัสในวงจรแหล่งจ่ายไฟ

ด้วยข้อได้เปรียบเหล่านี้ ตัวแปลงเซมิคอนดักเตอร์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย: โลหะวิทยาที่ไม่ใช่เหล็ก, อุตสาหกรรมเคมี, ทางรถไฟและการขนส่งในเมือง, โลหะที่เป็นเหล็ก, วิศวกรรมเครื่องกล, พลังงาน และอุตสาหกรรมอื่นๆ

เราจะให้คำจำกัดความของอุปกรณ์แปลงประเภทหลัก

วงจรเรียงกระแส เป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (U ~ → U =)

อินเวอร์เตอร์เรียกว่าอุปกรณ์สำหรับแปลงแรงดันไฟตรงเป็นแรงดันไฟสลับ (U = → U ~)

ตัวแปลงความถี่ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟสลับของความถี่หนึ่งเป็นแรงดันไฟสลับของความถี่อื่น (Uf1→Uf2)

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (ตัวควบคุม) ได้รับการออกแบบมาเพื่อเปลี่ยน (ควบคุม) แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับโหลด เช่น แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับของปริมาณหนึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับของปริมาณอื่น (U1 ~ → U2 ~)

นี่คือประเภทเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด อุปกรณ์แปลง... มีอุปกรณ์แปลงจำนวนหนึ่งที่ออกแบบมาเพื่อแปลง (ควบคุม) ขนาดของกระแสตรง จำนวนเฟสของตัวแปลง รูปร่างของเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้า ฯลฯ

ลักษณะโดยย่อของอุปกรณ์แปลงฐานธาตุ

อุปกรณ์แปลงทั้งหมดซึ่งออกแบบมาเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกันมีหลักการทำงานทั่วไปซึ่งขึ้นอยู่กับการเปิดและปิดวาล์วไฟฟ้าเป็นระยะ ปัจจุบันมีการใช้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำเป็นวาล์วไฟฟ้า ไดโอดที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ไทริสเตอร์, ไตรแอก และ ทรานซิสเตอร์กำลังทำงานในโหมดคีย์

1. ไดโอด เป็นตัวแทนขององค์ประกอบสองขั้วของวงจรไฟฟ้าที่มีค่าการนำไฟฟ้าด้านเดียว การนำไฟฟ้าของไดโอดขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ โดยทั่วไป ไดโอดจะแบ่งออกเป็นไดโอดพลังงานต่ำ (กระแสเฉลี่ยที่อนุญาต Ia ≤ 1A), ไดโอดกำลังปานกลาง (เพิ่ม Ia = 1 — 10A) และไดโอดกำลังสูง (เพิ่ม Ia ≥ 10A) ตามวัตถุประสงค์ ไดโอดแบ่งออกเป็นความถี่ต่ำ (fadd ≤ 500 Hz) และความถี่สูง (fdop> 500 Hz)

พารามิเตอร์หลักของไดโอดเรียงกระแสคือค่ากระแสเร็กติไฟเออร์เฉลี่ยสูงสุด, การบวก Ia, A และแรงดันย้อนกลับสูงสุด, Ubmax, B ซึ่งสามารถใช้กับไดโอดได้เป็นเวลานานโดยไม่มีอันตรายจากการรบกวนการทำงานของไดโอด

ในตัวแปลงพลังงานปานกลางและสูง ใช้ไดโอดทรงพลัง (หิมะถล่ม) ไดโอดเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะบางอย่างเมื่อทำงานที่กระแสสูงและแรงดันย้อนกลับสูง ส่งผลให้มีการปลดปล่อยพลังงานอย่างมากที่จุดต่อ p-nควรจัดให้มีวิธีการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพที่นี่

คุณสมบัติอีกอย่างของเพาเวอร์ไดโอดคือความต้องการในการป้องกันแรงดันไฟเกินในระยะสั้นที่เกิดจากการโหลดลดลงกะทันหัน การสลับและ โหมดฉุกเฉิน.

การป้องกันไดโอดแหล่งจ่ายไฟจากแรงดันไฟฟ้าเกินประกอบด้วยการถ่ายโอนการพังทลายทางไฟฟ้าที่เป็นไปได้ p-n - การเปลี่ยนจากพื้นที่ผิวเป็นจำนวนมาก ในกรณีนี้ รายละเอียดมีลักษณะของหิมะถล่ม และไดโอดจะเรียกว่าหิมะถล่ม ไดโอดดังกล่าวสามารถผ่านกระแสย้อนกลับได้มากเพียงพอโดยไม่ทำให้บริเวณนั้นร้อนเกินไป

เมื่อพัฒนาวงจรของอุปกรณ์คอนเวอร์เตอร์ อาจจำเป็นต้องได้รับกระแสไฟฟ้าที่แก้ไขเกินค่าสูงสุดของไดโอดตัวเดียวที่อนุญาต ในกรณีนี้การเชื่อมต่อแบบขนานของไดโอดประเภทเดียวกันจะใช้กับการใช้มาตรการเพื่อทำให้กระแสคงที่ของอุปกรณ์ที่รวมอยู่ในกลุ่มเท่ากัน ในการเพิ่มแรงดันย้อนกลับที่อนุญาตทั้งหมด จะใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของไดโอด ในขณะเดียวกันก็มีมาตรการเพื่อไม่รวมการกระจายแรงดันย้อนกลับที่ไม่สม่ำเสมอ

ลักษณะสำคัญของไดโอดเซมิคอนดักเตอร์คือลักษณะกระแส-แรงดัน (VAC) โครงสร้างสารกึ่งตัวนำและสัญลักษณ์ไดโอดแสดงในรูปที่ 1, ก, ข. สาขาย้อนกลับของลักษณะแรงดันปัจจุบันของไดโอดแสดงในรูปที่ 1, c (เส้นโค้ง 1 — I — คุณลักษณะ V ของไดโอดหิมะถล่ม, เส้นโค้ง 2 — I — คุณลักษณะ V ของไดโอดทั่วไป)

ข้าว. 1 — สัญลักษณ์และสาขาผกผันของลักษณะกระแส-แรงดันของไดโอด

ไทริสเตอร์ เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สี่ชั้นที่มีสถานะเสถียรสองสถานะ: สถานะการนำไฟฟ้าต่ำ (ไทริสเตอร์ปิด) และการนำไฟฟ้าสูง (ไทริสเตอร์เปิด) การเปลี่ยนจากสถานะคงที่หนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งเกิดจากการกระทำของปัจจัยภายนอก บ่อยครั้งที่การปลดล็อกไทริสเตอร์จะได้รับผลกระทบจากแรงดัน (กระแส) หรือแสง (โฟโตไทริสเตอร์)

แยกแยะไดโอดไทริสเตอร์ (ไดนิสเตอร์) และอิเล็กโทรดควบคุมไทริสเตอร์ไตรโอด หลังแบ่งออกเป็นระดับเดียวและสองระดับ

ในไทริสเตอร์แบบแอ็คชันเดี่ยว วงจรเกทจะทำเฉพาะการดำเนินการปิดไทริสเตอร์เท่านั้น ไทริสเตอร์เข้าสู่สถานะเปิดด้วยแรงดันแอโนดบวกและการมีพัลส์ควบคุมบนอิเล็กโทรดควบคุม ดังนั้นคุณสมบัติที่แตกต่างที่สำคัญของไทริสเตอร์คือความเป็นไปได้ของการหน่วงเวลาโดยพลการในขณะที่ทำการยิงเมื่อมีแรงดันไปข้างหน้า การล็อคไทริสเตอร์ที่ทำงานเพียงครั้งเดียว (เช่นเดียวกับไดนิสเตอร์) นั้นดำเนินการโดยการเปลี่ยนขั้วของแรงดันแอโนด-แคโทด

ไทริสเตอร์แบบสองหน้าที่ช่วยให้วงจรควบคุมสามารถปลดล็อคและล็อคไทริสเตอร์ได้ การล็อคทำได้โดยใช้พัลส์ควบคุมของการกลับขั้วกับอิเล็กโทรดควบคุม

ควรสังเกตว่าอุตสาหกรรมนี้ผลิตไทริสเตอร์แบบการกระทำครั้งเดียวสำหรับกระแสที่อนุญาตหลายพันแอมแปร์และแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตในหน่วยกิโลโวลต์ ไทริสเตอร์แบบดับเบิ้ลแอคชั่นที่มีอยู่มีกระแสไฟที่อนุญาตต่ำกว่าไทริสเตอร์แบบการกระทำครั้งเดียว (หน่วยและหลายสิบแอมแปร์) และแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตต่ำกว่า ไทริสเตอร์ดังกล่าวใช้ในอุปกรณ์รีเลย์และอุปกรณ์แปลงพลังงานต่ำ

ในรูป2 แสดงการกำหนดแบบดั้งเดิมของไทริสเตอร์ แผนผังของโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ และลักษณะแรงดันกระแสไฟฟ้าของไทริสเตอร์ ตัวอักษร A, K, UE ตามลำดับแสดงถึงเอาต์พุตขององค์ประกอบควบคุมแอโนด แคโทด และไทริสเตอร์

พารามิเตอร์หลักที่กำหนดทางเลือกของไทริสเตอร์และการทำงานของมันในวงจรคอนเวอร์เตอร์คือ: กระแสไปข้างหน้าที่อนุญาต, สารเติมแต่ง Ia, A; แรงดันไปข้างหน้าที่อนุญาตในสถานะปิด, Ua max, V, แรงดันย้อนกลับที่อนุญาต, Ubmax, V.

แรงดันไปข้างหน้าสูงสุดของไทริสเตอร์โดยคำนึงถึงความสามารถในการทำงานของวงจรคอนเวอร์เตอร์ไม่ควรเกินแรงดันใช้งานที่แนะนำ

ข้าว. 2 — สัญลักษณ์ไทริสเตอร์ ไดอะแกรมโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ และคุณลักษณะของกระแส-แรงดันไทริสเตอร์

พารามิเตอร์ที่สำคัญคือกระแสโฮลดิ้งของไทริสเตอร์ในสถานะเปิด, Isp, A, คือกระแสไปข้างหน้าขั้นต่ำที่ค่าต่ำกว่าซึ่งไทริสเตอร์ปิด พารามิเตอร์ที่จำเป็นในการคำนวณโหลดขั้นต่ำที่อนุญาตของตัวแปลง

อุปกรณ์แปลงประเภทอื่นๆ

Triacs (ไทริสเตอร์แบบสมมาตร) นำกระแสทั้งสองทิศทาง โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ของไตรแอกประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์ 5 ชั้น และมีการกำหนดค่าที่ซับซ้อนกว่าไทริสเตอร์ การใช้การรวมกันของ p- และ n-layers สร้างโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งที่ขั้วแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันเงื่อนไขที่สอดคล้องกับสาขาโดยตรงของลักษณะแรงดันปัจจุบันของไทริสเตอร์

ทรานซิสเตอร์สองขั้วทำงานในโหมดคีย์ซึ่งแตกต่างจากไทริสเตอร์แบบไบโอเปอเรชันในวงจรหลักของทรานซิสเตอร์ จำเป็นต้องรักษาสัญญาณควบคุมไว้ตลอดสถานะการนำไฟฟ้าทั้งหมดของสวิตช์ สวิตช์ที่ควบคุมได้อย่างสมบูรณ์สามารถทำได้ด้วยทรานซิสเตอร์สองขั้ว

ปริญญาเอก Kolyada L.I.