Dispositifs de conversion dans les systèmes électriques

L'énergie électrique est générée dans les centrales électriques et distribuée principalement sous forme de courant alternatif avec une fréquence d'alimentation. Un grand nombre cependant consommateurs d'électricité dans l'industrie nécessite d'autres types d'électricité pour son alimentation.

Nécessaire le plus souvent :

• DC (bains électrochimiques et d'électrolyse, entraînement électrique à courant continu, appareils électriques de transport et de levage, appareils de soudage électriques);

• courant alternatif fréquence non industrielle (chauffage par induction, variateur de fréquence à vitesse variable).

À cet égard, il devient nécessaire de transformer le courant alternatif en courant continu (redressé) ou lors de la conversion du courant alternatif d'une fréquence en courant alternatif d'une autre fréquence. Dans les systèmes de transmission d'énergie électrique, dans un entraînement à courant continu à thyristors, il est nécessaire de convertir le courant continu en courant alternatif (inversion de courant) au point de consommation.

Ces exemples ne couvrent pas tous les cas où la conversion d'énergie électrique d'un type à un autre est nécessaire.Plus d'un tiers de toute l'électricité produite est convertie en un autre type d'énergie, c'est pourquoi le progrès technique est largement lié au développement réussi des dispositifs de conversion (converting equipment).

Classification des dispositifs de conversion technologique

Les principaux types de dispositifs de conversion

La part des appareils technologiques de conversion dans le bilan énergétique du pays occupe une place non négligeable. Les avantages des convertisseurs à semi-conducteurs, par rapport aux autres types de convertisseurs, sont indéniables. Les principaux avantages sont les suivants :

— Les convertisseurs à semi-conducteurs ont des caractéristiques de régulation et d'énergie élevées ;

— avoir des dimensions et un poids réduits ;

— fonctionnement simple et fiable ;

— assurer la commutation sans contact des courants dans les circuits d'alimentation.

Grâce à ces avantages, les convertisseurs à semi-conducteurs sont largement utilisés : métallurgie non ferreuse, industrie chimique, transports ferroviaires et urbains, métallurgie ferreuse, construction mécanique, énergie et autres industries.

Nous donnerons des définitions des principaux types de dispositifs de conversion.

Redresseur C'est un dispositif de conversion de tension alternative en tension continue (U ~ → U =).

Un onduleur est appelé un dispositif de conversion de tension continue en tension alternative (U = → U ~).

Un convertisseur de fréquence sert à convertir une tension alternative d'une fréquence en une tension alternative d'une autre fréquence (Uf1→Uf2).

Un convertisseur de tension alternative (régulateur) est conçu pour modifier (réguler) la tension fournie à la charge, c'est-à-dire convertit la tension alternative d'une quantité en tension alternative d'une autre quantité (U1 ~ → U2 ~).

Voici les types de dispositifs de conversion de technologie les plus largement utilisés... Il existe un certain nombre de dispositifs de conversion conçus pour convertir (réguler) l'amplitude du courant continu, le nombre de phases du convertisseur, la forme de la courbe de tension, etc.

Brèves caractéristiques des dispositifs de conversion de base d'élément

Tous les dispositifs de conversion, conçus à des fins différentes, ont un principe de fonctionnement commun, qui est basé sur l'activation et la désactivation périodiques des électrovannes. Actuellement, les dispositifs semi-conducteurs sont utilisés comme électrovannes. Les diodes les plus utilisées, thyristors, triac et transistors de puissancefonctionne en mode clé.

1. Diodes Représentent les éléments à deux électrodes d'un circuit électrique à conductivité unilatérale. La conductance d'une diode dépend de la polarité de la tension appliquée. Généralement, les diodes sont divisées en diodes de faible puissance (courant moyen admissible Ia ≤ 1A), diodes de puissance moyenne (ajoutant Ia = 1 - 10A) et diodes de forte puissance (ajoutant Ia ≥ 10A). Selon leur objectif, les diodes sont divisées en basse fréquence (fadd ≤ 500 Hz) et haute fréquence (fdop> 500 Hz).

Les principaux paramètres des diodes de redressement sont le courant redressé moyen le plus élevé, Ia addition, A, et la tension inverse la plus élevée, Ubmax, B, qui peuvent être appliquées à la diode pendant une longue période sans risque de perturber son fonctionnement.

Dans les convertisseurs de puissance moyenne et élevée, appliquez des diodes puissantes (à avalanche). Ces diodes ont des caractéristiques spécifiques car elles fonctionnent à des courants élevés et des tensions inverses élevées, ce qui entraîne une libération de puissance importante dans la jonction p-n.Des méthodes de refroidissement efficaces doivent donc être fournies ici.

Une autre caractéristique des diodes de puissance est la nécessité de se protéger contre les surtensions à court terme résultant de chutes de charge soudaines, de commutations et de modes d'urgence.

La protection de la diode d'alimentation contre les surtensions consiste en la transmission d'une éventuelle panne électrique p-n - une transition des surfaces vers le volume. Dans ce cas, le claquage a un caractère d'avalanche, et les diodes sont appelées avalanche. De telles diodes sont capables de faire passer un courant inverse suffisamment important sans surchauffer les zones locales.

Lors du développement de circuits de dispositifs convertisseurs, il peut être nécessaire d'obtenir un courant redressé dépassant la valeur maximale admissible d'une seule diode. Dans ce cas, la connexion en parallèle de diodes du même type est utilisée avec l'adoption de mesures pour égaliser les courants constants des appareils inclus dans le groupe. Pour augmenter la tension inverse totale admissible, une connexion en série de diodes est utilisée. Dans le même temps, des mesures sont fournies pour exclure la répartition inégale de la tension inverse.

La principale caractéristique des diodes semi-conductrices est la caractéristique courant-tension (VAC). La structure semi-conductrice et le symbole de diode sont illustrés à la Fig. 1, a, b. La branche inverse de la caractéristique courant-tension de la diode est illustrée à la Fig. 1, c (courbe 1 — I — V caractéristique d'une diode à avalanche, courbe 2 — I — V caractéristique d'une diode conventionnelle).

Riz. 1 — Symbole et branche inverse de la caractéristique courant-tension de la diode.

Thyristors C'est un dispositif semi-conducteur à quatre couches avec deux états stables : un état de faible conductivité (thyristor fermé) et de haute conductivité (thyristor ouvert). Le passage d'un état stable à un autre est dû à l'action de facteurs externes. Le plus souvent, pour déverrouiller un thyristor, celui-ci est affecté par la tension (courant) ou la lumière (photothyristors).

Distinguer les thyristors à diode (dynistors) et l'électrode de commande des thyristors à triode. Ces derniers sont divisés en un seul niveau et deux niveaux.

Dans les thyristors à simple effet, seule l'opération de blocage du thyristor est effectuée sur le circuit de gâchette. Le thyristor passe à l'état ouvert avec une tension d'anode positive et la présence d'une impulsion de commande sur l'électrode de commande. Par conséquent, la principale caractéristique distinctive du thyristor est la possibilité d'un retard arbitraire au moment de son amorçage en présence d'une tension directe sur celui-ci. Le verrouillage d'un thyristor à simple opération (ainsi qu'un dinistor) s'effectue en changeant la polarité de la tension anode-cathode.

Les thyristors à double service permettent au circuit de commande de déverrouiller et de verrouiller le thyristor. Le verrouillage est effectué en appliquant une impulsion de commande de polarité inverse à l'électrode de commande.

Il convient de noter que l'industrie produit des thyristors à simple effet pour des courants admissibles de milliers d'ampères et des tensions admissibles d'une unité de kilovolts. Les thyristors à double effet existants ont des courants admissibles nettement inférieurs à ceux à simple effet (unités et dizaines d'ampères) et des tensions admissibles inférieures. De tels thyristors sont utilisés dans les équipements de relais et dans les dispositifs convertisseurs de faible puissance.

En figue.La figure 2 montre la désignation conventionnelle du thyristor, le schéma de la structure semi-conductrice et la caractéristique courant-tension du thyristor. Les lettres A, K, UE désignent respectivement les sorties de l'élément de commande d'anode, de cathode et de thyristor.

Les principaux paramètres qui déterminent le choix d'un thyristor et son fonctionnement dans le circuit convertisseur sont : le courant direct admissible, Ia additif, A ; tension directe admissible à l'état fermé, Ua max, V, tension inverse admissible, Ubmax, V.

La tension directe maximale du thyristor, compte tenu des capacités de fonctionnement du circuit convertisseur, ne doit pas dépasser la tension de fonctionnement recommandée.

Riz. 2 — Symbole du thyristor, schéma de la structure du semi-conducteur et caractéristique courant-tension du thyristor

Un paramètre important est le courant de maintien du thyristor à l'état ouvert, Isp, A, est le courant direct minimum, à des valeurs inférieures dont le thyristor s'éteint; paramètre nécessaire pour calculer la charge minimale admissible du convertisseur.

Autres types de dispositifs de conversion

Les triacs (thyristors symétriques) conduisent le courant dans les deux sens. La structure semi-conductrice d'un triac contient cinq couches semi-conductrices et a une configuration plus complexe que le thyristor. L'utilisation d'une combinaison de couches p et n crée une structure semi-conductrice dans laquelle, à différentes polarités de tension, les conditions correspondant à la branche directe de la caractéristique courant-tension du thyristor sont remplies.

Transistors bipolairesfonctionne en mode clé.Contrairement au thyristor bi-opérationnel dans le circuit principal du transistor, il est nécessaire de maintenir un signal de commande pendant tout l'état passant de l'interrupteur. Un commutateur entièrement contrôlable peut être réalisé avec un transistor bipolaire.

doctorat Kolyada L.I.