Видове преобразуване на електрическа енергия

Огромен брой домакински уреди и промишлени инсталации в работата си се захранват от електрическа енергия от различни видове. Той е създаден от множество ЕМП и източници на ток.

Генераторните агрегати произвеждат еднофазен или трифазен ток на промишлена честота, докато химическите източници произвеждат постоянен ток. В същото време на практика често възникват ситуации, когато един вид електричество не е достатъчен за работата на определени устройства и е необходимо да се извърши преобразуването му.

За тази цел индустрията произвежда голям брой електрически устройства, които работят с различни параметри на електрическата енергия, превръщайки ги от един тип в друг с различни напрежения, честота, брой фази и форми на вълни. Според функциите, които изпълняват, те са разделени на устройства за преобразуване:

• прост;

• с възможност за регулиране на изходния сигнал;

• надарен със способността да се стабилизира.

Методи за класификация

По естеството на извършените операции преобразувателите са разделени на устройства:

• изправяне;

• обръщане на един или повече етапи;

• промени в честотата на сигнала;

• преобразуване на броя на фазите на електрическата система;

• промяна на типа напрежение.

Според методите за управление на възникващите алгоритми, регулируемите преобразуватели работят на:

• импулсният принцип, използван в DC вериги;

• фазов метод, използван в хармонични колебателни вериги.

Най -простите конструкции на преобразуватели може да не са снабдени с функция за управление.

Всички устройства за преобразуване могат да използват един от следните типове електрически вериги:

• паваж;

• нула;

• с или без трансформатор;

• с една, две, три или повече фази.

Изправителни устройства

Това е най -често срещаният и стар клас преобразуватели, които ви позволяват да получите изправен или стабилизиран постоянен ток от променлива синусоидална, обикновено индустриална честота.

Редки експонати

Устройства с ниска мощност

Само преди няколко десетилетия селеновите структури и устройствата на вакуумна основа все още се използваха в радиотехниката и електронните устройства.

Такива устройства се основават на принципа на текущо коригиране от един -единствен елемент от селенова плоча. Те бяха последователно сглобени в една структура чрез монтажни адаптери. Колкото по -високо е напрежението, необходимо за коригиране, толкова повече такива елементи се използват. Те не бяха много мощни и издържаха натоварване от няколко десетки милиампера.

В запечатания стъклен корпус на токоизправителите на лампите се създаде вакуум. В него са поместени електроди: анод и катод с нажежаема жичка, които осигуряват потока на термионно излъчване.

Такива лампи осигуряват захранване с постоянен ток за различни схеми на радиоприемници и телевизори до края на миналия век.

Игнитроните са мощни устройства

В промишлените устройства йонни живачни устройства с анод и катод, работещи на принципа на контролиран дъгов заряд, са били широко използвани в миналото. Те са били използвани там, където е било необходимо да се работи с DC товар със сила от стотици ампера при коригирано напрежение до пет киловолта включително.

За потока на тока от катода към анода беше използван електронен поток. Той е създаден от дъгов разряд, причинен в една или повече области на катода, наречени светлинни катодни петна. Те се образуват, когато спомагателната дъга е включена от запалителния електрод, докато основната дъга не се запали.

За това бяха създадени краткотрайни импулси от няколко милисекунди с сила на тока до десетки ампера. Промяната на формата и силата на импулсите направи възможно да се контролира работата на запалителя.

Този дизайн осигурява добра поддръжка на напрежение по време на коригиране и доста висока ефективност. Но техническата сложност на дизайна и трудностите при работа доведоха до отхвърляне на използването му.

Полупроводникови устройства

Диоди

Тяхната работа се основава на принципа на токова проводимост в една посока поради свойствата на p-n прехода, образуван от контакти между полупроводникови материали или метал и полупроводник.

Диодите преминават ток само в определена посока и когато през тях преминава променлива синусоидална хармоника, те прекъсват една полувълна и поради това се използват широко като токоизправители.

Съвременните диоди се произвеждат в много широк диапазон и са надарени с различни технически характеристики.

Тиристори

Тиристорът използва четири проводими слоя, които образуват по-сложна полупроводникова структура от диод с три последователно свързани p-n прехода J1, J2, J3. Контактите с външния слой «p» и «n» се използват като анод и катод, а с вътрешния слой — като управляващ електрод на UE, който се използва за превключване на тиристора в действие и извършване на регулиране.

Изправянето на синусоидален хармоник се извършва по същия принцип, както при полупроводниковия диод. Но за да работи тиристорът, е необходимо да се вземе предвид определена характеристика — структурата на вътрешните му преходи трябва да бъде отворена за преминаване на електрически заряди, а не затворена.

Това става чрез преминаване на ток с определена полярност през задвижващия електрод. Снимката по -долу показва начините за отваряне на тиристора, използвани едновременно за регулиране на количеството ток, преминал в различно време.

Когато токът се прилага през RE в момента на преминаване на синусоидата през нулевата стойност, се създава максимална стойност, която постепенно намалява в точки «1», «2», «3».

По този начин токът се коригира заедно с тиристорната регулация. Триаците и захранващите MOSFET и / или AGBT в силовите вериги работят по подобен начин. Но те не изпълняват функцията за коригиране на тока, преминавайки го в двете посоки. Следователно техните схеми за управление използват допълнителен алгоритъм за прекъсване на импулса.

DC / DC преобразуватели

Тези конструкции изпълняват обратната работа на токоизправителите. Те се използват за генериране на променлив синусоидален ток от постоянен ток, получен от източници на химически ток.

Рядко развитие

От края на 19 век електрическите машинни структури се използват за преобразуване на директно напрежение в променливо напрежение. Те се състоят от електродвигател с постоянен ток, който получава енергия от батерия или набор от батерии, и генератор на променливо напрежение, чиято котва се върти от моторното задвижване.

В някои устройства намотката на генератора беше навита директно върху общия ротор на двигателя. Този метод не само променя формата на сигнала, но и като правило увеличава амплитудата или честотата на напрежението.

Ако върху котвата на генератора се навият три намотки, разположени на 120 градуса, тогава с негова помощ се получава еквивалентно симетрично трифазно напрежение.

Umformers са били широко използвани до 70 -те години за радиолампи, оборудване за тролейбуси, трамваи, електрически локомотиви преди масовото въвеждане на полупроводникови елементи.

Инверторни преобразуватели

Принцип на действие

Като основа за разглеждане вземаме веригата за проверка на тиристора KU202 от батерия и крушка.

Нормално затворен контакт на бутона SA1 и лампа с нажежаема жичка с ниска мощност са вградени във веригата за подаване на положителния потенциал на батерията към анода. Управляващият електрод е свързан чрез ограничител на тока и отворен контакт на бутона SA2. Катодът е здраво свързан с минуса на батерията.

Ако в момент t1 натиснете бутона SA2, токът ще потече към катода през веригата на управляващия електрод, който ще отвори тиристора и лампата, включена в анодния клон, ще светне. Поради конструктивните характеристики на този тиристор, той ще продължи да гори дори когато контактът SA2 е отворен.

Сега в момента t2 натискаме бутона SA1. Захранващата верига на анода ще се изключи и светлината ще изгасне поради факта, че преминаването на ток през него спира.

Графиката на представената картина показва, че постоянен ток премина през времевия интервал t1 ÷ t2. Ако превключвате бутоните много бързо, тогава можете да формирате правоъгълен импулс с положителен знак. По същия начин можете да създадете отрицателен импулс. За тази цел е достатъчно леко да промените веригата, за да позволите на тока да тече в обратна посока.

Последователност от два импулса с положителни и отрицателни стойности създава форма на вълната, наречена квадратна вълна в електротехниката. Правоъгълната му форма прилича приблизително на синусоида с две полувълни с противоположни знаци.

Ако в разглежданата схема заменим бутоните SA1 и SA2 с релейни контакти или транзисторни превключватели и ги превключим според определен алгоритъм, тогава ще бъде възможно автоматично да се създаде ток с форма на меандър и да се регулира до определена честота , работен цикъл, период. Такова превключване се управлява от специална електронна схема за управление.

Блокова диаграма на секцията за захранване

Като пример, помислете за най -простата първична система на мостов инвертор.

Тук вместо тиристор, специално подбрани полеви транзисторни превключватели се занимават с образуването на правоъгълен импулс. Устойчивостта на натоварване Rн е включена в диагонала на техния мост. Захранващите електроди на всеки транзисторен «източник» и «източване» са противоположно свързани с шунтиращи диоди, а изходните контакти на управляващата верига са свързани към «порта».

Поради автоматичната работа на управляващите сигнали към товара се извеждат импулси на напрежение с различна продължителност и знак. Тяхната последователност и характеристики са съобразени с оптималните параметри на изходния сигнал.

Под действието на приложените напрежения върху диагоналното съпротивление, като се вземат предвид преходните процеси, възниква ток, чиято форма вече е по -близка до синусоида от тази на меандър.

Трудности при техническото изпълнение

За доброто функциониране на силовата верига на инверторите е необходимо да се осигури надеждната работа на системата за управление, която се основава на ключове за превключване. Те са надарени с двустранни проводими свойства и се образуват чрез маневрени транзистори чрез свързване на обратни диоди.

За да се регулира амплитудата на изходното напрежение, най -често се използва принцип на модулация на широчината на импулса чрез избор на областта на импулса на всяка полувълна по метода за контролиране на нейната продължителност. В допълнение към този метод има устройства, които работят с импулсно-амплитудно преобразуване.

В процеса на формиране на веригите на изходното напрежение възниква нарушение на симетрията на полувълните, което влияе неблагоприятно върху работата на индуктивните товари. Това е най -забележимо при трансформаторите.

По време на работата на системата за управление се задава алгоритъм за генериране на ключовете на силовата верига, който включва три етапа:

1. прав;

2. късо съединение;

3. обратно.

При натоварването са възможни не само пулсиращи токове, но и токове, променящи се по посока, които създават допълнителни смущения в клемите на източника.

Типичен дизайн

Сред многото различни технологични решения, използвани за създаване на инвертори, са общи три схеми, разглеждани от гледна точка на степента на увеличаване на сложността:

1. мост без трансформатор;

2. с нулева клема на трансформатора;

3. мост с трансформатор.

Изходни вълнови форми

Инверторите са проектирани да подават напрежение:

• правоъгълна;

• трапец;

• стъпаловидни редуващи се сигнали;

• синусоиди.

Фазови преобразуватели

Промишлеността произвежда електрически двигатели за работа при специфични условия на работа, като се взема предвид мощността от определени видове източници. На практика обаче възникват ситуации, когато по различни причини е необходимо да се свърже трифазен асинхронен двигател към еднофазна мрежа. За тази цел са разработени различни електрически вериги и устройства.

Енергоемки технологии

Статорът на трифазен асинхронен двигател включва три намотки, които са навити по определен начин, разположени на 120 градуса един от друг, всяка от които, когато токът на неговата фаза на напрежение се прилага към него, създава собствено въртящо се магнитно поле. Посоката на токовете е избрана така, че техните магнитни потоци се допълват взаимно, осигурявайки взаимно действие за въртенето на ротора.

Когато има само една фаза на захранващото напрежение за такъв двигател, става необходимо да се образуват три токови вериги от него, всяка от които също е изместена със 120 градуса. В противен случай въртенето няма да работи или ще бъде дефектно.

В електротехниката има два прости начина за завъртане на токовия вектор спрямо напрежението чрез свързване към:

1. индуктивен товар, когато токът започне да изостава от напрежението с 90 градуса;

2. Капацитет за създаване на токов проводник от 90 градуса.

Горната снимка показва, че от една фаза на напрежението Ua можете да получите ток, изместен под ъгъл не със 120, а само с 90 градуса напред или назад. Освен това, за това също ще бъде необходимо да се избират номиналите на кондензаторите и дроселите, за да се създаде приемлив режим на работа на двигателя.

В практическите решения на такива схеми те най -често се спират на кондензаторния метод без използването на индуктивни съпротивления. За тази цел напрежението на захранващата фаза беше приложено към едната намотка без никакви трансформации, а към другата, изместена от кондензатори. Резултатът беше приемлив въртящ момент за двигателя.

Но за да се завърти роторът, беше необходимо да се създаде допълнителен въртящ момент чрез свързване на третата намотка чрез стартиращи кондензатори. Невъзможно е да се използват за постоянна работа поради образуването на големи токове в стартовия кръг, които бързо създават повишено нагряване. Следователно тази верига беше включена за кратко, за да спечели инерционния момент на въртенето на ротора.

Такива схеми бяха по -лесни за изпълнение поради простото формиране на кондензаторни банки с определени стойности от отделни налични елементи. Дроселите обаче трябваше да се изчисляват и навиват независимо, което е трудно да се извърши не само у дома.

Най-добрите условия за работата на двигателя обаче бяха създадени със сложното свързване на кондензатора и дросела в различни фази с избора на посоките на токовете в намотките и използването на токопотискащи резистори. При този метод загубата на мощност на двигателя беше до 30%. Конструкциите на такива преобразуватели обаче не са икономически изгодни, тъй като те консумират повече електроенергия за работа от самия двигател.

Стартовата верига на кондензатора също консумира повишена скорост на електроенергия, но в по -малка степен. В допълнение, моторът, свързан към неговата верига, е в състояние да генерира мощност, малко над 50% от тази, която е създадена с нормално трифазно захранване.

Поради трудностите при свързването на трифазен двигател към еднофазна захранваща верига и големите загуби на електрическа и изходна мощност, такива преобразуватели са показали ниската си ефективност, въпреки че продължават да работят в отделни инсталации и металорежещи машини.

Инверторни устройства

Полупроводниковите елементи направиха възможно създаването на по -рационални фазови преобразуватели, произведени на промишлена основа. Техните конструкции обикновено са проектирани да работят в трифазни вериги, но те могат да бъдат проектирани да работят с голям брой струни, разположени в различни ъгли.

Когато преобразувателите се захранват от една фаза, се извършва следната последователност от технологични операции:

1. коригиране на еднофазно напрежение от диоден възел;

2. изглаждане на вълните от стабилизационната верига;

3. преобразуване на директно напрежение в трифазно поради метода на инверсията.

В този случай захранващата верига може да се състои от три еднофазни части, работещи автономно, както беше обсъдено по-рано, или една обща, сглобена, например, според автономна трифазна инверторна система за преобразуване, използваща неутрален общ проводник.

Тук за всяко фазово натоварване работят собствени двойки полупроводникови елементи, които се управляват от обща система за управление. Те създават синусоидални токове във фазите на съпротивленията Ra, Rb, Rc, които са свързани към общата захранваща верига през нулевия проводник. Той добавя векторите на токовете от всяко натоварване.

Качеството на приближаването на изходния сигнал до формата на чиста синусоида зависи от цялостния дизайн и сложността на използваната верига.

Честотни преобразуватели

На базата на инвертори са създадени устройства, които позволяват промяна на честотата на синусоидалните трептения в широк диапазон. За тази цел електроенергията от 50 херца, която им се доставя, претърпява следните промени:

• изправяне;

• стабилизиране;

• преобразуване на високочестотно напрежение.

Работата се основава на същите принципи на предишните проекти, с изключение на това, че системата за управление, базирана на микропроцесорни платки, генерира изходно напрежение с повишена честота от десетки килохерца на изхода на преобразувателя.

Преобразуването на честотата на базата на автоматични устройства ви позволява оптимално да регулирате работата на електродвигателите в моментите на стартиране, спиране и заден ход, както и е удобно да променяте скоростта на ротора. В същото време вредното въздействие на преходните процеси във външната захранваща мрежа рязко намалява.

Прочетете повече за това тук: Честотен преобразувател — видове, принцип на работа, схеми на свързване

Заваръчни инвертори

Основната цел на тези преобразуватели на напрежение е да поддържат стабилно изгаряне на дъгата и лесно управление на всички нейни характеристики, включително запалване.

За тази цел в дизайна на инвертора са включени няколко блока, които извършват последователно изпълнение:

• коригиране на трифазно или еднофазно напрежение;

• стабилизиране на параметрите чрез филтри;

• инверсия на високочестотни сигнали от стабилизирано постоянно напрежение;

• преобразуване в / h напрежение чрез понижаващ трансформатор за увеличаване на стойността на заваръчния ток;

• вторично коригиране на изходното напрежение за образуване на дъга при заваряване.

Поради използването на високочестотно преобразуване на сигнала размерите на заваръчния трансформатор се намаляват значително и се спестяват материали за цялата конструкция. Заваръчни инвертори имат големи предимства в експлоатация в сравнение с техните електромеханични аналози.

Трансформатори: преобразуватели на напрежение

В електротехниката и енергетиката трансформаторите, работещи на електромагнитния принцип, все още се използват най -широко за промяна на амплитудата на сигнала на напрежението.

Те имат две или повече намотки и магнитна верига, чрез който се предава магнитна енергия за преобразуване на входното напрежение в изходно напрежение с променена амплитуда.