§ 2.6. Статические преобразователи электрической энергии

Все необходимые на судах преобразования электрической энергии могут быть обеспечены трансформаторами и электронными устройствами, в которых в отличие от электромеханических преобразователей преобразование энергии осуществляется без использования вращающихся машин и других подвижных элемен­тов. Отсюда название таких преобразователей — статические преобразователи.

Статические электронные преобразователи строятся на электро­вакуумных, ионных и полупроводниковых элементах. На судах преимущественное применение получили полупроводниковые пре­образователи.

Основными элементами полупроводниковых преобразователей являются полупроводниковые вентили — диоды и тиристоры. Силовые кремниевые вентили, выпускаемые отечественной про­мышленностью, обеспечивают весьма высокие параметры по току и напряжению: величины тока — до единиц килоампер (ударный ток до 10—20 кА), величины напряжения — до единиц киловольт. Рабочие параметры вентилей остаются стабильными при темпера­турах до 125—140 °С. Это позволяет строить статические преобразо­ватели на мощности от долей ватта до тысяч киловатт, что вполне перекрывает существующие на судах потребности в преобразова­ниях электрической энергии.

Выпрямители однофазного тока применяются только в установ­ках малой мощности (до единиц киловатт); схема с нулевым выво­дом (рис. 2.15, б) используется, например, в системах катодной защиты корпуса судна; мостовая схема (рис. 2.15, б) — в системах возбуждения электрических машин, в электроприводе постоянного тока.

Более широкое применение на судах получили выпрямители трехфазного тока (табл. 2.7), имеющие высокие технико-экономи­ческие показатели. Преимущественное распространение имеет мостовая схема (рис. 2.15, г), отличающаяся наилучшим использо­ванием трансформатора Тр и вентилей V. В установках с низким выходным напряжением и большим током предпочтение отдается шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 2.15, д). Низкое содержание высших гармоник потребляемых тока и напря­жения и малый уровень пульсаций выходного напряжения обес­печивает более сложная двенадцатифазная схема (рис. 2.15, ё). На рис. 2.15 представлены схемы неуправляемых выпрямителей. Схемы управляемых выпрямителей имеют совершенно аналогич­ную структуру, но в них вместо неуправляемых вентилей (диодов) используются управляемые вентили (тиристоры). За счет измене­ния угла включения тиристоров а, обеспечиваемого специальным блоком управления, осуществляется управление величиной выход­ного напряжения выпрямителя (рис. 2.16). В управляемых выпря­мителях может также обеспечиваться стабилизация выходного напряжения (в условиях непостоянства питающего напряжения и изменения нагрузки выпрямителя), ограничение выходного тока в определенных пределах и реверсирование (изменение знака) выходного напряжения.

Помимо основных элементов или блоков — трансформатора / и блока вентилей 2, осуществляющих основную функцию преобра­зования напряжения, и блока управления 4 в случае управляемого выпрямителя, выпрямительное устройство может содержать допол­нительные блоки (рис. 2.17). Так, для уменьшения пульсаций выходного напряжения служит сглаживающий фильтр 3. Защита выпрямителя в аварийных режимах обеспечивается блоком защиты и сигнализации 5.

Классификация инверторов и схема автономного инвертора, получившая распространение на судах, представлены на рис. 2.18.

Амплитуда и частота выходного напряжения инвертора, ведо­мого сетью, определяются источником переменного тока (сетью), совместно с которым данный инвертор работает на общую нагрузку переменного тока. Такие инверторы находят применение в вало-генераторных установках, системах аварийного питания, вентиль­ных электроприводах.

Более широкое применение на судах получили автономные инверторы, прежде всего в составе преобразователей частоты в ре­гулируемых приводах переменного тока. Автономный инвертор не связан с сетью переменного тока, и его параметры (амплитуда и частота) могут быть произвольными, в частности может обеспе­чиваться изменение выходных парамет ов инвертора по требуе­мому закону. Достоинством схемы автономного инвертора, пред­ставленной на рис. 2.18, б, является ее способность устойчиво работать в широком диапазоне изменения частоты и нагрузки. Кроме того, емкость конденсаторов С1—С6, служащих для вы­ключения тиристоров, меньше, чем в других схемах.

Инверторы помимо основного инвертирующего блока / обычно содержат и другие блоки (рис. 2.19). Управление режимами ра­боты инвертора осуществляется блоком управления 2. Для улуч­шения качества напряжения на выходе инвертора служит фильтр 4. Защита схемы обеспечивается блоком защиты 3.

Различают два вида преобразователей частоты: с промежуточ­ным звеном постоянного тока и непосредственные. Преобразова­тели с промежуточным звеном постоянного тока (рис. 2.20) пред­ставляют собой последовательное соединение выпрямителя 1 и инвертора 2. Выпрямитель и инвертор могут быть как неуправ­ляемыми, так и управляемыми. В последнем случае может обеспе­чиваться регулирование в широком диапазоне частоты и ампли­туды выходного напряжения преобразователя.

В непосредственном преобразователе частоты функции выпрям­ления и инвертирования реализуются в едином полупроводнико­вом блоке. Обладая лучшими массогабаритными показателями и более высоким КПД, эти преобразователи значительно уступают преобразователям с промежуточным звеном постоянного тока в диапазоне регулирования выходных параметров.

В СЭЭС широко используются трансформаторы, являющиеся статическими электромагнитными преобразователями напряжения одного уровня в напряжение другого уровня при постоянстве частоты. На судах используются однофазные и трехфазные транс­форматоры с номинальной частотой 50 или 400 Гц. Диапазон значений основных параметров трансформаторов наиболее рас­пространенных судовых типов показан в табл. 2.8.