Статические преобразователи электроэнергии на судне

В судовых условиях возникает необходимость в следующих видах преобразования: выпрямление — преобразование одно-или трехфазного переменного тока в постоянный ток;

• инвертирование—преобразование постоянного тока в одно- или трехфазный ток фиксированной или меняющейся частоты;
• преобразование частоты — преобразование одно- или трехфазного тока заданной частоты соответственно в одно- или трехфазный ток другой, фиксированной или меняющейся, частоты;
• преобразование числа фаз — преобразование одно- или трехфазного тока заданной частоты соответственно в трехфазный или однофазный ток той же частоты.

В настоящее время наибольшее распространение на судах, вследствие явных преимуществ, получили полупроводниковые преобразователи.

Получение односторонней проводимости полупроводников достигается соединением кристаллов с донорной и акцепторной примесями. В кристаллах с донорной примесью образуются «лишние» свободные электроны и он обладает отрицательной (n — негативной) проводимостью, а в кристаллах с акцепторной примесью в результате «захвата» электронов атомами акцептора образуются дырки и он обладает положительной (p - позитивной) проводимостью. 

При подключении полупроводника типа р к положительному полюсу источника тока (рис. 1, а) положительные заряды (дырки) перемещаются в сторону отрицательного потенциала. Навстречу им из полупроводника типа n перемещаются электроны, вследствие чего через р—n переход потечет ток. Если изменить полярность (рис. 1, б), то электроны и дырки будут удаляться от пограничного слоя, р—n переход будет заперт и сопротивление его значительно возрастет.

Рис. 1. Принцип работы полупроводникового выпрямителя

По числу питающих фаз выпрямители разделяют на однофазные (рис. 2) и многофазные (рис. 3), а по числу полуволн питающего напряжения, поддерживающих ток выпрямителя,— на однополупериодные и двухполупериодные.

Достоинством многофазных схем выпрямления является повышенная частота пульсаций выпрямленного напряжения (при незначительной амплитуде пульсаций).

Рис. 2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме: а — схема (стрелки указывают направление выпрямленного тока); б — график подводимого напряжения и выпрямленного тока при наличии активной нагрузки

В выпрямителях на неуправляемых вентилях (диодах) выходное напряжение можно регулировать, изменяя величину питающего переменного напряжения.

Зависимость величины выпрямленного напряжения от величины питающего переменного напряжения для неуправляемых выпрямителей определяется выражением: U_d = kU₂, где U_d—выпрямленное напряжение; k — коэффициент, зависящий от схемы выпрямления; U₂ — фазное напряжение питающей сети.

Применение управляемых полупроводниковых вентилей (тиристоров, симисторов) в схемах выпрямления позволяет плавно регулировать выходное напряжение постоянного тока от 0 до наибольшего значения U_{d наиб} при неизменной величине питающего переменного напряжения.

Выпускаются тиристоры с номинальным током до 250 А при воздушном принудительном охлаждении и до 500 А при принудительном водяном охлаждении (с обратным напряжением до 1000 В). При необходимости увеличить мощность выпрямителя применяют параллельное и последовательное соединение тиристоров.

Рис. 3. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель: а — схема; б — график подводимого напряжения, выпрямленных напряжения и тока

Схемы управляемых выпрямителей аналогичны схемам с диодами. Так, если в схеме выпрямителя на рис. 3 диоды заменить тиристорами, то получим управляемый выпрямитель (УВ), выходное напряжение которого регулируется по закону: U_da = U_d0cos a = kU₂cos a, где U_da — выпрямленное напряжение при угле управления а; U_d0 — наибольшее выпрямленное напряжение схемы (при а = 0°); k — коэффициент, зависящий от схемы выпрямления; a — угол управления (град).

Из выражения следует, что при углах управления а ≤ 90° происходит выпрямление, при углах управления 90° < a ≤ 180° - инвертирование, т. е. передача энергии цепи постоянного тока в питающую сеть. Для поддержания режима инвертирования необходимо иметь в цепи постоянного тока некоторую э. д. с., полярность которой противоположна выпрямленному току.

Для регулирования выпрямленного напряжения УВ снабжают системой управления незначительной мощности (десятки ватт), задачей которой является выработка и передвижение во времени (относительно напряжения сети) системы включающих импульсов с целью изменения угла регулирования в соответствии с управляющим сигналом.

Тиристор выполняют, как правило, на основе четырехслойной структуры типа n—р—n—р (рис. 4). Средние слои называются соответственно р—n - базами; крайние р—n - эмиттерами. 

Эмиттерные электроды являются силовыми и называются катодом (К) и анодом (А); базовый электрод является управляющим и называется управляющим электродом (УЭ); р—n - переход 1 называется эмиттерным или катодным; переход 2 — коллекторным; переход 3 — эмиттерным или анодным.

Рис. 4. Принцип работы тиристора

В выключенном состоянии (напряжение на УЭ отсутствует) при некотором анодном напряжении Ua четвертый слой (p-эмиттер) ничем себя не проявляет и силовой ток через тиристор не протекает.

Включение управляющего напряжения U_у снижает потенциальный барьер перехода 1 и вызывает инжекцию электронов в p-базу. Избыточная часть электронов появляется в n-базе.

Некомпенсированный объемный заряд неравновесных основных носителей n-базы осуществляет «управление» вторым эмиттером, снижает потенциальный барьер перехода 3 и вызывает тем самым встречную электронам инжекцию дырок из р-эмиттера в n-базу. 

Нерекомбинировавшая часть дырок появляется на р-базе и своим объемным зарядом вызывает вторичную инжекцию электронов. Таким образом, четвертый слой выполняет роль второго эмиттера и оба эмиттера вызывают взаимную вторичную инжекцию. Развивается лавинный процесс увеличения тока через вентиль — в структуре возникает положительная обратная связь по току. Ток в силовой цепи возрастает до значения, определяемого нагрузкой R_н. 

Последующее отключение источника управляющего напряжения U_у не вызывает изменений в процессе протекания тока. Выключить тиристор можно лишь снятием анодного напряжения Uа.

При эксплуатации статических преобразователей электроэнергии необходимо соблюдать определенные правила и нормы. Так, при эксплуатации селеновых выпрямителей нельзя допускать перегрева их элементов, повышения влажности в помещении, где они установлены. Не реже одного раза в три месяца очищать выпрямитель сжатым воздухом от пыли и грязи. После длительного перерыва в работе или установки нового выпрямителя необходимо производить подформовку элементов.

Вышедшие из строя кремниевые вентили (диоды, тиристоры) должны быть заменены вентилями той же группы, причем по падению напряжения устанавливаемый вентиль не должен отличаться от заменяемого более чем на 0,02 В. При всем этом необходимо строго выполнять инструкции завода-изготовителя.