Области применения постоянного тока. Из всех видов энергии наиболее широкое применение в настоящее время имеет электрическая энергия, так как по сравнению с другими видами энергии (механической, тепловой, ядерной и др.) она обладает важными преимуществами: ее можно передавать на большие расстояния и достаточно просто распределять по потребителям, изменять параметры (значение напряжения, число фаз и пр.) и преобразовывать в механическую, тепловую и другие виды.
Преобладающая часть электрической энергии производится на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях вращающимися электрическими машинами, которые генерируют трехфазное переменное напряжение частотой 50 Гц. Переменный ток находит широчайшее применение на промышленных предприятиях, в сельском хозяйстве и быту.
Однако в ряде важных областей техники нельзя обойтись без постоянного тока, основными потребителями которого являются электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов; установки электрохимического покрытия металлом поверхности другого металла для повышения коррозионной стойкости, твердости и т.д., например никелирование и хромирование железа и пр.; устройства для зарядки аккумуляторных батарей; двигатели постоянного тока на промышленных предприятиях и в электрифицированном транспорте, а также его передают по линиям электропередачи на большие расстояния при высоком напряжении.
В настоящее время все более широкое применение получает переменный ток частотой 400-2500 Гц для питания электроинструмента, высокоскоростных асинхронных двигателей электрошпинделей шлифованных станков и др. Применение повышенной частоты позволяет значительно снизить массу электромагнитных устройств трансформаторов, электродвигателей и др. Указанные факторы обусловливают необходимость преобразования переменного тока в постоянный, изменения частоты тока, а порой приходится преобразовывать постоянный ток в переменный, например при рекуперативном торможении двигателей постоянного тока.
Типы преобразователей электроэнергии. До недавнего времени в качестве преобразователей тока и частоты применялись преимущественно двигатель-генераторы, в которых постоянный ток или переменный ток повышенной частоты получался с помощью генераторов, приводимых во вращение трехфазными двигателями переменного тока (асинхронными или синхронными).
Электромашинное преобразование электрической энергии имеет существенные недостатки: во-первых, двигатель-генераторы имеют значительную массу и габариты; во-вторых, КПД таких установок, определяемый произведением КПД двигателя и генератора, низкий; в-третьих, вращающиеся преобразователи при работе создают акустический шум.
\/ В настоящее время постоянный ток получают, как правило, непосредственным выпрямлением переменного тока с помощью электрических вентилей, которые осуществляют переключения в цепи выпрямителя. Такие преобразователи называются статическими и в отличие от вращающихся не имеют промежуточной ступени механической энергии. Переход от двигатель-генераторов к вентильным преобразователям позволяет заменять вращающиеся машины статическими аппаратами, повышать КПД установки, устранять шум и т.д.
Важной особенностью таких преобразователей является наличие электрической связи между цепями переменного и постоянного тока, а у двигатель-генераторов такой связи нет. Потенциальная связь между нагрузкой и вторичными обмотками трансформатора осуществляется через вентили, образующие выпрямитель. Это обстоятельство является недостатком статических преобразователей.
Типы силовых полупроводниковых вентилей. Основными элементами статических преобразователей являются вентильные приборы — электрические вентили. Первые полупроводниковые вентили — селеновые диоды появились в 30-е годы. Они стали применяться для получения постоянного тока в зарядных устройствах и электролитических установках.
Поворотным пунктом в развитии преобразовательной техники явилось создание в конце 50-х годов мощных неуправляемых германиевых и кремниевых диодов и управляемых кремниевых вентилей -тиристоров. Полупроводниковые вентили имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами электрических вентилей (например, электронных и ионных): постоянная готовность к работе, высокий КПД, широкий диапазон рабочих температур, малые габариты и масса, возможность эксплуатации в любом положении в пространстве и при больших инерционных нагрузках и др. Перечисленные факторы способствовали созданию силовых полупроводниковых преобразователей и широкому их внедрению во все отрасли народного хозяйства нашей страны.
Силовые полупроводниковые приборы по принципу действия подразделяются на три основные группы: силовые неуправляемые вентили — диоды, силовые транзисторы и силовые управляемые вентили — тиристоры. Внутри каждой из групп полупроводниковые приборы классифицируются по назначению и применению — низкочастотные, высокочастотные, быстродействующие, импульсные и др.
