Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Статистические преобразователи электрической энергии. Измерение неэлектрических величин электроприборами

СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И СХЕМЫ СТАТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Род тока, уровни напряжения, предусмотренные для основных потребителей электроэнергии, не всегда бывают пригодны для отдельных приемников либо по техническим причинам, либо по ус­ловиям безопасности. Иногда появляется необходимость применять на судах преобразователи электрической энергии с целью изме­нения параметров напряжения, рода тока, частоты сети, числа фаз.

Согласно Правилам Регистра в этих случаях могут быть использованы электромашинные преобразователи переменного и постоянного тока или статические преобразователи и магнитные усилители.

К статическим преобразователям относятся:

— электронные преобразователи;

— неуправляемые и управляемые полупроводниковые выпрямители.

По роду применяемых в полупроводниковых выпрямителях химических элементов они носят название кремниевых, германиевых, селеновых, меднозакисных и др. Механизм проводимости в принципе одинаков.

Полупроводники имеют небольшое количество свободно пере­мещающихся электронов, отделившихся от атомов, — электронов проводимости — и атомов, потерявших по одному электрону (ионов) и называемых «дырками».

При введении в полупроводник некоторых примесей можно по­лучить большее количество свободных электронов по сравнению, с количеством дырок, и наоборот. В первом случае говорят, что это полупроводник п — негативной, отрицательной проводимости, во втором р —позитивной, положительной проводимости.

Если подвести внешнее напряжение к двум находящимся в контакте пластинам (рис. 8.1), из которых одна с отрицательной п проводимостью, а другая с положительной р проводимостью (диод), то возникает следующий физический процесс. При соединении полупроводника типа р с положительным полюсом источника тока (рис. 8.1,а) положительные заряды (дырки) в полупроводнике типа р перемещаются в сторону отрицательного потенциала. Навстречу им из полупро­водника типа п возникает поток электронов, вследствие чего через р—n-переход пойдет ток. Если изменить полярность (рис. 8.1,6), то электроны и дырки будут удаляться от пограничного слоя, а р—n-переход будет заперт и со­противление его значительно возрастет. Явление односторонней проводимости лежит в основе принципа действия диода при преобразовании переменного тока в выпрямленный.

clip_image002 clip_image004

Рис.8.1. Принцип работы полу­проводникового диода.

 

Полупроводниковый диод благодаря односторонней проводимости

р—n - перехода является нелинейным элементом. Его вольт-амперная характеристика имеет две ветви: прямого и обратного тока (рис. 8.2). У идеального диода (рис. 8.2, а) сопротивление прямому току равно нулю, а обратному—бесконечности, падение напряжения при прямом токе равно нулю, обратный ток равен нулю. В реальном диоде (рис. 8.2,6) сопротивление прямому току Rпр<< Rоб. . прямой ток Iпр>>Iобр.

clip_image006

Рис.8.2. Вольт-амперные характеристики диодов:

а — идеальная; б — реальная

В настоящее время в маломощных выпрямительных устройствах (ВУ) применяют следующие типы неуправляемых диодов: кремниевые, германиевые, селеновые а также управляемые диоды—тиристоры.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой, образующей три p- n-перехода, включенных последовательно. Тиристоры имеют два основных вывода: анод и катод, которые образуют основную цепь тока тиристора. Тиристор пропускает ток только тогда, когда на управляющий электрод тиристора подается сигнал (импульс) определенной полярности от специальной управляющей цепи. Отечественная промышленность выпускает тиристор на токи от десятков миллиампер до сотен ампер при напряжении до сотен вольт. Большой вклад в развитие полупроводников выпрямительной техники внесли советские ученые А. Ф. Иоффе, В. П. Вологдин, А. Н. Ларионов и другие.

Часто приходится прибегать к параллельному и последовательному включению диодов. Если заданный ток нагрузки больше допустимого тока диода, то диоды соединяются параллельно (рис. 8.3 ,а), при этом прямое падение напряжения Uпр. на них будет одинаковым, а прямые токи и из-за различия вольт-амперных характеристик диодов могут быть различными. Чтобы уменьшить неравномерность распределения токов между одинаковыми диодами, последовательно с каждым из них включают резистор Rд сопротивление которого в 5…10 раз больше прямого Rпр. сопротивления диода.

clip_image008

Рис. 8.3. Способы соединения полупроводниковых диодов:

а — параллельное; б — последовательное

При этом вольт – амперные характеристики диодов будут иметь меньшую крутизну, а различия в их прямых токах уменьшатся. Недостаток такого способа выравнивания токов диодов — значительные потери мощности добавочных резисторах. Если в схемах выпрямления обратное допустимое напряжение диода Uобр.доп меньше максимального приложенного напряжения к нему, то диоды включают последовательно (рис. 8.2, 6). Так как вольт-амперные характеристики одинаковых диодов имеют разброс по обратной ветви, то обратные сопротивления последовательно включенных диодов различны. Из-за этого обратное напряжение между диодами распределяется неравномерно, что может привести к перенапряжению на одном из диодов и его пробою. Для выравнивания обратных напряжений на диодах их шунтируют резисторами Rш, сопротивление которых в несколько раз меньше обратного сопротивления диодов.

Применение тех или иных диодов зависит от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам.

Выбор типов диодов производится при сопоставлении их по следующим основным параметрам:

- максимальное предельно допустимое значение тока диода в прямом направлении;

- среднее значение тока диода в прямом направлении;

- предельно допустимое обратное напряжение;

- сопротивление диода в прямом направлении (внутреннее сопротивление);

- сопротивление диода в обратном направлении;

- коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного тока;

- срок службы диода;

Выпрямительное устройство обычно состоит из одного или нескольких диодов, трансформатора, согласующего напряжение на входе выпрямителя с напряжением сети, сглаживающего фильтра. В некоторых случаях на выходе выпрямительного устройства включается стабилизатор, который поддерживает неизменным среднее значение выпрямленного напряжения при изменении тока нагрузки и колебаниях напряжения сети.

Основными показателями, характеризующими работу выпрямительных устройств, являются величины выпрямленных напряжений и токов, КПД, соотношение между переменными и постоянными составляющими выпрямленных напряжений и токов, предельно допустимая температура окружающей среды.