Силова електроніка проникла практично в усі галузі промисловості Паливні елементи та інвертори забезпечують наднадійне електропостачання для критичних виробничих процесів У системах електропостачання застосовуються перетворювачі високого постійної напруги в змінну, а також пристрої корекції коефіцієнта потужності, що забезпечують управління рівнями напруг і потужностей Системи управління яскравістю світла ламп розжарювання дозволяють забезпечувати комфортні рівні освітленості Схеми, область найбільшого застосування силової електроніки, використовуються і в насосах водопостачання будинків і міст, і в вентиляторах на електростанціях, і в системах кондиціонування повітря Вони приводять в рух і розкішні круїзні лайнери, і брудні локомотиви вантажних поїздів, застосовуються ще в багатьох інших областях З приходом силової електроніки зявилися нові можливості для точного керування швидкістю і обертовим моментом електродвигунів з одночасним збільшенням їх економічності Використання понижуючих перетворювачів постійної напруги на IGBTтранзісторах в електродугових печах не тільки усунуло проблеми коефіцієнта потужності і мерехтіння, що існували при їх живленні змінним струмом, а й збільшило довговічність електродів Ера силової електроніки настала У цьому розділі ми розглянемо деякі з багатьох програм силової електроніки

Схеми

У попередніх розділах ми вже торкалися тиристорних стартерів і схем управління електродвигунами змінного і постійного струму Зараз ми розглянемо деякі їх застосування, а почнемо з приводу насоса з регулюванням швидкості обертання валу До появи недорогих схем керування двигунами з регулюванням швидкості обертання вала управління потоками рідини в муніципальних водопроводах і на хімічних підприємствах здійснювалося за допомогою дросельних клапанів при постійній швидкості обертання вала насоса При малому потоці насоси працювали неефективно, а втрати енергії йшли на нагрів рідини Якщо забезпечити відповідність швидкості обертання двигуна необхідного обсягу рідини, що перекачується, то будуть виключені непродуктивні втрати Те ж саме справедливо і для насосів в трубопроводах для перекачування рідкого палива потужністю до 10000 л с

Для розділення сумішей рідких речовин застосовуються центрифуги Вони повинні прискорюватися так швидко, як це тільки можливо, і швидко зупинятися після завершення виробничого циклу Ці завдання допомагають вирішувати схеми управління електродвигунів з регулюванням крутного моменту і рекуперацією енергії при гальмуванні У двигунах для ліфтів і інших підйомних машин, а також динамометрів поряд з рекуперацією потрібно плавність розгону і гальмування Безліч двигунів на лініях для виготовлення сталевого прокату і папери можуть працювати з точно підтримуваними синхронними швидкостями, крім того, їх синхронність зберігається при прискоренні і уповільненні обертання

В останніх моделях дизель-електричних локомотивів інвертори змінного струму живлять енергією асинхронні двигуни, встановлені на колісних осях Ці інвертори забезпечують динамічне гальмування, знижує знос гальмівних колодок, а також негайно зменшують крутний момент на буксують колесах, підтримуючи оптимальне тягове зусилля Асинхронні двигуни вже набули поширення на залізних дорогах набагато більше, ніж двигуни постійного струму

Сучасні вентиляційні системи з використанням схем керування двигунами з регулюванням швидкості обертання перестали бути джерелом роздратування, викликають чергу включення і виключення двигунів при автоматичному регулюванні повітряного потоку Більше того, внаслідок усунення частих стартових навантажень зменшився знос елементів вентиляційних систем

Використання схем керування двигунами з регулюванням швидкості для нагнітальних і витяжних вентиляторів в теплових електростанціях набагато дешевше, ніж дросельні способи управління повітряними потоками Потужність двигунів в таких установках досягає 10000 л c, а зекономлена енергія може бути направлена ​​на продаж споживачам

Випробування великих електродвигунів часто проводяться з використанням набору мотор – генератор, який дозволяє енергію, що витрачається на обертання вала двигуна, повертати назад, в живильну мережу Цей прийом не тільки зменшує витрати, але і усуває потребу в механічних гальмівних пристроях Ця конструкція називається динамометр Коли вхідний і вихідний напруги збігаються, двигун можна відчувати при повному навантаженні з «безмоторних» динамометром При цьому застосовується трифазний індуктор, за допомогою електронної схеми управління фазами направляючий енергію, відбирається від випробуваного двигуна тому, в електромережу Зміщенням фаз напруги живлення двигуна щодо напруги мережі, здійснюваного за допомогою електронної схеми управління, можна отримати повний діапазон навантажень двигуна по струму Двигун по суті стає синхронним генератором, повязаним з мережею живлення через свій внутрішній реактанс І ціна, і втрати в реакторі набагато менше, ніж в наборі мотор – генератор, і енергія при випробуваннях споживається тільки на компенсацію втрат в двигуні і реакторі Якщо потрібно узгодити напруги, можна використовувати допоміжний трансформатор Ця конструкція зробила можливими випробування двигуна потужністю 20000 л с при повному навантаженні і споживанні від мережі живлення всього 2500 кВА

Тиристорні стартери часто використовуються замість схем керування двигунами з регулюванням швидкості як дешевий засіб зменшення пускових струмів у великих двигунах змінного струму У вентиляторах і насосах вимоги до моменту обертання при малих швидкостях досить помірні, і пускові струми можна зменшувати наполовину в порівнянні з прямим включенням двигуна в мережу Більш того, пускові струми можна регулювати за лінійним законом, що дозволяє скоординувати включення і виключення конденсаторів, використовуваних для підтримки номінальної напруги в мережі живлення

Інше цікаве застосування тиристорні стартери знаходять для забезпечення короткочасної роботи синхронних і асинхронних двигунів на дуже малих швидкостях, але з великими моментами обертання Ця властивість корисно в роторних випалювальних печах і змішувачах, застосовуваних в цементній промисловості

Скляна промисловість

Вже понад 40 років для виробництва листового скла, скляного посуду і скловолокна використовуються плавильні печі, керовані тиристорами Електричні плавильні печі на відміну від газових зменшують утворення пилу і забезпечують більш точне управління температурою Схеми управління плавильними печами повинні бути сконструйовані так, щоб у вихідному змінному струмі не було ніяких остаточних складових постійного струму, вплив якого викликає розчинення електродів в склі і утворення пухирів через руйнування компонентів скла При виробництві спеціальних сортів скла деякі компанії для усунення пухирів застосовують високочастотні джерела живлення на IGBT-транзисторах При виробництві скловолокна тиристорне управління застосовується не тільки для розплавлення скла, але і для підтримки потрібної температури форсунок, через які видавлюються скляні нитки У цих системах напруга живлення складає до 600 В при струмах до 10 кА

Ливарні заводи

Печі в лініях безперервного розливання сталі мають графітові стрижні, розташовані над жароміцними вагранками, в які заливається розплавлений метал Ці стрижні, нагріваються електрикою, підтримують розплавлене стан металу випромінюваним теплом Схеми управління забезпечують протікання через графітові стрижні такого струму, щоб температура металу була оптимальною для розливу З часом відбувається старіння стрижнів, що супроводжується збільшенням їх опору, і джерело живлення повинен з цієї причини забезпечувати отримання постійної потужності в широкому діапазоні змін опору навантаження Для цієї мети широко застосовуються автотрансформатори з тиристорними перемикачами відводів (Мал 161) Навколишнє середовище на ливарних заводах агресивна до електричного обладнання через електропровідний пилу, що осідає всюди З цієї причини подібні джерела живлення повністю герметизують, а для охолодження використовують рідинні системи

Аналогічні джерела живлення використовуються при відпалі металевих дротів і стрічок При цьому нагрів здійснюється або окремим нагрівачем випромінюючого типу, або пропусканням струму через дріт або стрічку за допомогою роликових електродів В обох системах використовуються тиристорні схеми керування

Рис 161 Схема живлення графітових стрижнів

Електрична дуга і електродугові печі

У цих спеціальних нагрівачах газ продувається через потужну електричну дугу і утворюється перегріта плазма Такі системи застосовуються для відновлення матеріалів з порошкоподібного стану Плазма розплавляє матеріали до того, як вони встигнуть помітно окислитися Потужність джерел живлення в експериментальних установках такого роду досягає 25 МВт А ще створювана електричною дугою плазма застосовується для моделювання умов повернення на землю космічних апаратів

Понижуючі перетворювачі напруги на ЮВТ-транзисторах для дугових печей постійного струму за потужністю досягли рівня 100 МВт Швидкодія ланцюга їх управління становить близько мілісекунди, і вони забезпечують отримання струму дуги, максимально близького до постійного, і підвищення продуктивності всього виробничого процесу (Для регулювання струму в системах живлення дугових печей змінним струмом доводиться змінювати положення електродів, що уповільнює роботу) При використанні систем постійного струму не виникають дратівливі мерехтіння дуги, що працює на змінному струмі, а також знижується знос електродів Більш висока ціна перетворювача напруги постійного струму компенсується винятком із системи живлення вузлів корекції коефіцієнта потужності, та й сам коефіцієнт потужності значно поліпшується Крім того, для живлення понижуючих перетворювачів постійного струму можна використовувати дешевші силові трансформатори, в яких немає необхідності посилювати конструкцію для забезпечення здатності витримувати короткі замикання навантаження, як це потрібно в системах живлення змінним струмом

Джерела живлення для електрохімічної промисловості

У електрохімічних процесах відновлення металів і виробництва хлору потрібні джерела постійного струму дуже великої величини Традиційно дляетого цілей застосовувалися кремнієві випрямні діоди, а для регулювання струму використовувалися автотрансформатори з перемикаються відводами і насичує реактори Понижуючі перетворювачі напруги на IGBT-транзисторах проникли і в цю область силової електроніки До їх достоїнств слід віднести здатність миттєво відключатися при короткому замиканні навантаження і високий коефіцієнт потужності Крім того, ці перетворювачі допускають спільну роботу в паралель, що спрощує їх обслуговування і підвищує надійність Їх конструкція подібна до конструкції перетворювачів для живлення дугових печей До складу системи зазвичай входить силовий маслонаповнений трансформатор і набір трансформаторів з водяним охолодженням для живлення окремих перетворювачів, що забезпечують зрушення фаз Рівні досягається потужності в такій системі не обмежені На Рис 162 наведена типова схема такого джерела живлення з 24-пульсаційним випрямлячем і чотирма знижувальними перетворювачами

Рис 162 Схема живлення електролітичної ванни

Ціклоконвертери

Ці установки являють собою особливий клас схем управління електродвигунами В даний час вони використовуються для перетворення частоти 60 Гц в 25 Гц для лінії електроживлення системи «Амтрак» в залізничному коридорі Нью-Йорк-Бостон Застосовують їх також у корабельних силових установках, що обумовлено можливістю перетворення з їх допомогою напруги постійної частоти, одержуваного від генератора, в напругу змінної частоти для живлення синхронних двигунів приводів гвинтів Як вже було зазначено, ціклоконвертери використовуються на деяких заводах, де внутризаводская мережа має частоту 25 Гц Єдиним серйозним обмеженням на застосування ціклоконвертеров є умова, що вихідна частота повинна бути менше половини вхідний В іншому випадку можлива поява асиметрії вихідного напруги Крім того, ціклоконвертери мають поганий коефіцієнт потужності і великий вміст гармонік і інтермодуляціонних перешкод в струмі споживання На Рис 163 наведена схема трифазного ціклоконвертера Слід зазначити, що три подвійних перетворювача на цій схемі живляться від загальних шин і потрібні ізолюючі трансформатори на виходах Можна здійснювати харчування через ізолюючий трансформатор, тоді ізоляції на виходах не потрібно

Рис 163 Трехфазпий ціклоконвертер

Звязок на наднизьких частотах

Цікаве застосування тиристорні інвертори (Мал 164) знайшли в системі звязку берегової охорони США з підводними човнами на наднизьких частотах (ELF – Extremely Low Frequency) У системі використовується модуляція зрушенням частоти, з типовими значеннями 72 .. 80 Гц, при потужності 600 кВт В якості антени використовувалися диполі із заземленими дальніми кінцями, що перебували від передавальних станцій на відстані від 6 до 12 миль Токи збудження від станцій в північному Вісконсіні та Мічигані поширювалися далеко в землі через погано проводять скелясті грунти Канадського щита Антени працювали як петлі з втратами, а що знаходяться під прямим кутом пари формували навіть деяку спрямованість Повідомлення досягало навіть підводних човнів у глибині Середземного моря, але було потрібно 15 хвилин на прийом тризначною кодової групи Передавачі та приймачі були синхронізовані по фазі за допомогою супутників і атомних годин на підводних човнах Сигнал, що приймається міг перебувати на 40 дБ нижче рівня шумів На жаль, ця цікава система зараз представляє тільки історичний інтерес, так як була виведена з експлуатації в 2004 р

Рис 164 Передавач системи звязку на ceepxHU3KUX4acmomaxELF

Акумулятори енергії на надпровідних магнітах

Акумулятори енергії на надпровідних магнітах (SMES – Superconducting Magnet Energy Storage) є системами запасання енергії для використання при пікових навантаженнях в споживчих мережах, так само як і гідроакумуляторних системи У практичних системах SMES для отримання досить малих втрат потрібно використовувати надпровідні магніти, але криогенні системи недостатньо стійкі для використання в широких масштабах Бути може, високотемпературні надпровідні матеріали дозволять довести ці системи до широкого застосування Експериментальна система SMES працює на лінії «Пасіфік Інтерті »(Pacific Intertie) і додає змінний струм для підвищення меж стабільності гідрогенераторів в Бонневілль Добавка збільшує межа стабільності системи передачі енергії на кілька сот мегават при власному споживанні 12 МВт

Операційний підсилювач на 600 кВт

Для досліджень надпровідних магнітів у Окриджської національної лабораторії знадобився джерело живлення з дуже малими пульсаціями, здатний працювати з позитивним і негативним вихідним напругою до 300 В при струмі 2000 А Ця установка була виконана у вигляді двох однофазних перетворювачів з реакторами циркулюючого струму, так що забезпечувалася можливість плавного управління струмом при переході через нуль (Мал 165) На виході був встановлений четирехполюсний фільтр Чебишева з нерівномірністю 3 дБ в смузі пропускання і ємністю конденсаторів 1 Ф Такий специфічний фільтр був обраний для забезпечення крутого ската амплітудно-частотної характеристики з мінімальними кидками при включенні Амплітуда пульсацій на виході становила 01%, а швидкість перемикання від максимального позитивного напруги до максимального негативного становила 40 мс При зміні управляючого сигналу стрибком струм заряду конденсаторів у фільтрі досягав 4000 А Необхідно відзначити використання діодів для захисту електролітичних конденсаторів при переполюсовке вихідної напруги

Рис 165 ОперационныйустителъпабООкВт

Генератори озону

Комерційне виробництво озону для застосування в деяких галузях промисловості та очищення води здійснюється з використанням тліючого розряду, в якому O2 перетворюється на 03 Цей процес посилюється при високочастотному розряді Джерела живлення для генераторів озону будують на IGBT-транзисторах з робочою частотою 30 кГц і потужністю 150 кВт Для зменшення втрат на транзисторах застосовується їх перемикання при нульових токах До складу джерела живлення входить швидкодіючий тиристорний ключ, службовець для його захисту від утворення дугового розряду і швидкого повернення до нормального роботі

Напівпровідникова промисловість

Кремній для напівпровідникової промисловості роблять шляхом розплавлення піску плазмовою дугою в розрідженій атмосфері У джерелах живлення при цьому використовуються тиристори Потім кремній за допомогою хімічного процесу перетворюють на трихлорсилану з реагентами, що включають тетрахлорид кремнію, водень, діхлорсілан і монохлорсілан, з тим щоб врешті отримати Високочистий газ силан, SiH4 Потім силан подається до поверхні тонкого стрижня з дуже чистого кремнію, який нагрівають майже до температури світіння, пропускаючи через нього електричний струм Управління цим струмом здійснюється від тиристорної схеми На поверхні стрижня силан розкладається, і кремній з нього осідає на стрижні, збільшуючи його діаметр При цьому джерело струму має збільшувати токчерез стрижень і зменшувати напругу, з тим щоб підтримувалася потужність, необхідна для компенсації втрат на випромінювання та охолодження потоком газу

Що виходить в результаті стрижень з полікристалічного кремнію дробиться і переплавляється в графітовому тиглі, причому нагрівання здійснюється струмом від тиристорного джерела живлення Потім за допомогою затравочного кристала кремнію з розплаву повільно витягується монокристаллический кремнієвий стрижень Решта домішки видаляють методом зонної плавки за допомогою індукційної котушки, нагріваючої невелику ділянку стрижня, який поступово переміщують по довжині стрижня Домішки збираються в розплавленої зоні, а потім кінець стрижня з домішками видаляється На заключній стадії процесу стрижень, як ковбасу, нарізають тонкими скибочками, з яких і роблять напівпровідникові прилади

Компенсатори реактивної потужності

Ці пристрої складаються з батарей конденсаторів і індукторів, керованих тиристорами (Мал 166) Якщо струм в індуктори дорівнює нулю, конденсатори працюють як коректори коефіцієнта потужності і збільшують напруга в фідері, до якого вони підключені Якщо індуктори підключені до мережі через тиристори, то індуктивна складова струму зменшує вплив конденсаторів і напруга на виході фідера спадає Компенсатори реактивної потужності дозволяють підтримувати постійну напругу фідера в широкому діапазоні змін навантаження, як це має місце, наприклад, в електродугових печах змінного струму

Рис 166 Компенсатор реактивної потужності і його регулювальна характеристика

Швидкодію системи достатньо для істотного зменшення ефекту мерехтіння напруги в фідері Компенсатори реактивної потужності застосовуються також для керування напругою при зміні навантаження в довгих лініях електропередачі, де вплив ємностей приводить до збільшення імпедансу джерела живлення

Управління індукційним нагрівом

На Рис 167 наведена схема дещо незвичайного застосування тиристорів для управління індукційним нагрівачем, використовуваним в автомобілебудуванні Принцип дії індукційного нагрівача заснований на порушення вихрових струмів в оброблюваному виробі Застосовуються індукційні нагрівачі для поверхневого гарту, оплавлення, відпалу та виконання ряду інших процесів металообробки Для поліпшення коефіцієнта потужності в схему введені конденсатори У процесі роботи ці нагрівачі багато разів на годину включаються і вимикаються

Рис 167 Твердотільний контактор

При використанні механічних контакторів часті включення і виключення викликають швидкий знос контактів через ерозію, та й пускові струми в трансформаторі розвивають значні механічні сили на його обмотках, що сприяють скороченню довговічності трансформатора

Тиристорний контактор був розроблений для того, щоб вирішити обидві ці проблеми Перший тиристор, розрахований на 600 В і 3000 А, включає трансформатор і сполучену з ним навантаження через резистор одиничного номіналу на половину періоду мережевої напруги Другий тиристор з резистором номіналом 02 включається на другу половину періоду, а потім включається пара основних тиристорів, які проводять струм протягом всього циклу нагрівання Два резистора в цій схемі забезпечують плав-

ве наростання струму в обмотці трансформатора, виключаючи при цьому виникнення ударних механічних навантажень в обмотках

Обмеженість періоду роботи тиристорів, включених через резистори, дозволяє застосовувати в цій позиції порівняно малопотужні типи тиристорів

Токамаки

Ця абревіатура виходить з російських слів тороїдальними камера з магнітної котушками конструкції, розробленої в Росії для досліджень термоядерного синтезу Токамак являє собою велику камеру у формі бублика, всередині якої за допомогою магнітного поля утримується плазма Первинне стиск плазми здійснюється за допомогою тороїдальних котушок На них подаються імпульси струму амплітудою кілька сот кілоампер і тривалістю близько секунди, які створюють кругове магнітне поле Для охолодження котушок використовується вода, а в деяких випадках – рідкий азот Ряд допоміжних котушок використовується для збудження і управління плазмою

Автор мав честь брати участь у розробці низки джерел живлення для токамаков Самий останній і великий з них – Алкатор токамак (Alcator C-MOD tokamak) в Массачусетському технологічному інституті – був згаданий раніше Необхідний для створення магнітного поля струм становив 265 кА при постійній напрузі в стаціонарному режимі 900 В Напруга 900 В не забезпечувало потрібних часів наростання і спаду струму, а можливість застосування більшої напруги була обмежена потужністю генератора 225 MBA, який при більшому вихідній напрузі не зміг би забезпечити необхідні 265 кА Вирішена ця проблема була з допомогою автотрансформатора з тиристорним ключем Початок процесу включення струму відбувалося при вхідному змінній напрузі 1500 В, подавати на перетворювач, а потім, із збільшенням струму, воно плавно зменшувалася до 900 В На Рис 168 наведені графіки зміни струму в котушках і струму споживання від генератора в схемах без автотрансформатора і з ним Відзначимо, що час наростання і час спаду в системі з автотрансформатором такі ж, як при живленні перетворювача змінною напругою 1500 В, а струм споживання від генератора такий же, як при напрузі 900 В Таким чином, вдалося забезпечити необхідні час наростання і час спаду струму в котушках без перевантаження генератора

Рис 168 Струм в навантаженні і струм споживання джерела живлення токамака

Перемикач великого числа відводів автотрансформатора

Однією з національних лабораторій знадобився джерело живлення змінним струмом для нагрівачів з широким діапазоном регулювання При цьому використовувати фазовий управління було не можна через створюваних перешкод роботі чутливого підсилювача сигналів термопари На Рис 169 наведено вирішення цієї проблеми У трансформаторі з водяним охолодженням вторинна обмотка була виконана з безліччю відводів, що забезпечували необхідний діапазон напруг, причому кожен відвід був зєднаний зі своєю парою тиристорів Включення потрібної пари тиристорів здійснювалося при переході напруги через нуль, що забезпечувало майже повне відсутність перешкод Насправді відводів було зроблено набагато більше, ніж показано на малюнку

Рис 169 Перемикач великого числа відводів автотрансформатора з комутацією при нульовій напрузі

Джерело: Сукер К Силова електроніка Керівництво розробника – М: Видавничий дім «Додека-ХХI, 2008 – 252 c: Ил (Серія «Силова електроніка»)