Druhy premeny elektrickej energie

Obrovské množstvo domácich spotrebičov a priemyselných inštalácií v ich práci je poháňané elektrická energia rôznych typov. Vytvára ho množstvo EMF a prúdové zdroje.

Generátorové agregáty produkujú jednofázový alebo trojfázový prúd pri priemyselnej frekvencii, zatiaľ čo chemické zdroje produkujú jednosmerný prúd. Zároveň v praxi často nastávajú situácie, keď jeden druh elektriny na prevádzku určitých zariadení nestačí a je potrebné vykonať jej premenu.

Na tento účel priemysel vyrába veľké množstvo elektrických zariadení, ktoré pracujú s rôznymi parametrami elektrickej energie, premieňajú ich z jedného typu na druhý s rôznym napätím, frekvenciou, počtom fáz a priebehom. Podľa funkcií, ktoré vykonávajú, sa delia na konverzné zariadenia:

• jednoduchý;

• s možnosťou nastavenia výstupného signálu;

• obdarený schopnosťou stabilizácie.

Klasifikačné metódy

Podľa povahy vykonávaných operácií sa prevodníky delia na zariadenia:

• vstávanie

• obrátenie jedného alebo viacerých stupňov;

• zmeny frekvencie signálu;

• konverzia počtu fáz elektrického systému;

• zmena typu napätia.

Podľa riadiacich metód vznikajúcich algoritmov fungujú nastaviteľné prevodníky na:

• pulzný princíp používaný v jednosmerných obvodoch;

• fázová metóda používaná v obvodoch harmonických oscilátorov.

Najjednoduchšie konštrukcie meničov nemusia byť vybavené riadiacou funkciou.

Všetky konverzné zariadenia môžu používať jeden z nasledujúcich typov obvodov:

• chodník;

• nula;

• s transformátorom alebo bez neho;

• s jednou, dvoma, tromi alebo viacerými fázami.

Korekčné zariadenia

Toto je najbežnejšia a stará trieda meničov, ktoré vám umožňujú získať usmernený alebo stabilizovaný jednosmerný prúd zo striedavej sínusovej, zvyčajne priemyselnej frekvencie.

Vzácne exponáty

Zariadenia s nízkym výkonom

Len pred niekoľkými desaťročiami sa v rádiotechnike a elektronických zariadeniach stále používali selénové štruktúry a zariadenia na báze vákua.

Takéto zariadenia sú založené na princípe korekcie prúdu z jedného prvku selénovej platne. Boli postupne zostavené do jednej konštrukcie montážnymi adaptérmi. Čím vyššie je napätie potrebné na korekciu, tým viac takýchto prvkov sa používa. Neboli príliš výkonné a vydržali zaťaženie niekoľko desiatok miliampérov.

V utesnenom sklenenom kryte usmerňovačov lampy sa vytvorilo vákuum. Sú v ňom umiestnené elektródy: anóda a katóda s vláknom, ktoré zabezpečujú tok termionického žiarenia.

Takéto svietidlá poskytovali jednosmerný prúd pre rôzne obvody rozhlasových prijímačov a televízorov až do konca minulého storočia.

Ignitróny sú výkonné zariadenia

V priemyselných zariadeniach boli v minulosti široko používané anódovo-katódové ortuťové iónové zariadenia pracujúce na princípe riadeného oblúkového náboja. Používali sa tam, kde bolo potrebné prevádzkovať jednosmernú záťaž o sile stoviek ampérov pri usmernenom napätí do piatich kilovoltov vrátane.

Na tok prúdu z katódy na anódu sa použil tok elektrónov. Vytvára sa oblúkovým výbojom spôsobeným v jednej alebo viacerých oblastiach katódy, nazývaných svetelné katódové škvrny. Vznikajú pri zapnutí pomocného oblúka zapaľovacou elektródou, kým sa nezapáli hlavný oblúk.

Na to boli vytvorené krátkodobé impulzy niekoľkých milisekúnd s prúdovou silou až desiatok ampérov. Zmena tvaru a sily impulzov umožnila ovládať činnosť zapaľovača.

Tento dizajn poskytuje dobrú podporu napätia počas usmerňovania a pomerne vysokú účinnosť. Technická zložitosť dizajnu a ťažkosti pri prevádzke však viedli k odmietnutiu jeho použitia.

Polovodičové zariadenia

Diódy

Ich práca je založená na princípe vedenia prúdu v jednom smere vďaka vlastnostiam p-n prechodu tvoreného kontaktmi medzi polovodičovými materiálmi alebo kovom a polovodičom.

Diódy prepúšťajú prúd len v určitom smere a keď nimi prechádza striedavá sínusová harmonická, odrežú jednu polvlnu a preto sa široko používajú ako usmerňovače.

Moderné diódy sa vyrábajú vo veľmi širokom rozsahu a sú vybavené rôznymi technickými vlastnosťami.

Tyristory

Tyristor využíva štyri vodivé vrstvy, ktoré tvoria zložitejšiu polovodičovú štruktúru ako dióda s tromi sériovo zapojenými p-n prechodmi J1, J2, J3. Kontakty s vonkajšou vrstvou «p» a «n» sa používajú ako anóda a katóda a s vnútornou vrstvou ako riadiaca elektróda UE, ktorá sa používa na spínanie tyristora a vykonávanie regulácie.

Usmernenie sínusovej harmonickej prebieha na rovnakom princípe ako u polovodičovej diódy. Aby však tyristor fungoval, je potrebné vziať do úvahy určitú charakteristiku - štruktúra jeho vnútorných prechodov musí byť otvorená pre prechod elektrických nábojov a nie uzavretá.

To sa dosiahne prechodom prúdu určitej polarity cez budiacu elektródu. Nižšie uvedená fotografia ukazuje spôsoby otvorenia tyristora používaného súčasne na nastavenie množstva prúdu prechádzajúceho v rôznych časoch.

Pri privedení prúdu cez RE v momente prechodu sínusoidy cez nulovú hodnotu sa vytvorí maximálna hodnota, ktorá postupne klesá v bodoch «1», «2», «3».

Týmto spôsobom sa upravuje prúd spolu s tyristorovou reguláciou. Triaky a výkonové MOSFETy a/alebo AGBT vo výkonových obvodoch fungujú podobným spôsobom. Nevykonávajú však funkciu korekcie prúdu a prechádzajú ho oboma smermi. Preto ich riadiace schémy používajú dodatočný algoritmus prerušenia impulzov.

DC / DC meniče

Tieto konštrukcie robia opak usmerňovačov. Používajú sa na generovanie striedavého sínusového prúdu z jednosmerného prúdu získaného z chemických zdrojov prúdu.

Vzácny vývoj

Od konca 19. storočia sa konštrukcie elektrických strojov používajú na premenu jednosmerného napätia na striedavé napätie. Pozostávajú z jednosmerného elektrického motora, ktorý je poháňaný batériou alebo batériou a generátora striedavého prúdu, ktorého kotva sa otáča motorovým pohonom.

V niektorých zariadeniach bolo vinutie generátora navinuté priamo na spoločný rotor motora. Táto metóda nielen mení tvar signálu, ale spravidla tiež zvyšuje amplitúdu alebo frekvenciu napätia.

Ak sú na kotve generátora navinuté tri vinutia umiestnené pri 120 stupňoch, potom sa s ich pomocou získa ekvivalentné symetrické trojfázové napätie.

Umformery boli široko používané až do 70. rokov 20. storočia pre rádiové lampy, zariadenia pre trolejbusy, električky, elektrické lokomotívy pred masovým zavedením polovodičových prvkov.

Invertorové meniče

Princíp fungovania

Ako základ pre úvahy berieme testovací obvod tyristora KU202 z batérie a žiarovky.

Normálne uzavretý kontakt tlačidla SA1 a žiarovka s nízkym výkonom sú zabudované v obvode, ktorý dodáva kladný potenciál batérie anóde. Riadiaca elektróda je pripojená cez obmedzovač prúdu a otvorený kontakt tlačidla SA2. Katóda je pevne spojená s negatívom batérie.

Ak v čase t1 stlačíte tlačidlo SA2, obvodom riadiacej elektródy potečie prúd na katódu, čím sa otvorí tyristor a rozsvieti sa lampa v anódovej vetve. Vďaka konštrukčným vlastnostiam tohto tyristora bude horieť, aj keď je kontakt SA2 otvorený.

Teraz v čase t2 stlačíme tlačidlo SA1.Napájací obvod anódy sa vypne a svetlo zhasne v dôsledku toho, že sa zastaví tok prúdu cez ňu.

Graf na prezentovanom obrázku ukazuje, že jednosmerný prúd prešiel časovým intervalom t1 ÷ t2. Ak tlačidlá prepnete veľmi rýchlo, môžete formovať obdĺžnikový impulz s pozitívnym znamienkom. Podobne môžete vytvoriť negatívny impulz. Na tento účel stačí mierne zmeniť obvod, aby prúd mohol prúdiť v opačnom smere.

Sekvencia dvoch impulzov s kladnými a zápornými hodnotami vytvára priebeh, ktorý sa v elektrotechnike nazýva štvorcová vlna. Jeho obdĺžnikový tvar približne pripomína sínusoidu s dvoma polovičnými vlnami opačných znamienok.

Ak v uvažovanej schéme nahradíme tlačidlá SA1 a SA2 reléovými kontaktmi alebo tranzistorovými spínačmi a prepneme ich podľa určitého algoritmu, potom bude možné automaticky vytvoriť meandrovitý prúd a upraviť ho na určitú frekvenciu, výkon. cyklus, bodka. Takéto spínanie je riadené špeciálnym elektronickým riadiacim obvodom.

Bloková schéma napájacej časti

Ako príklad uvažujme najjednoduchší primárny systém mostového invertora.

Tu sa namiesto tyristora zaoberajú tvorbou pravouhlého impulzu špeciálne vybrané tranzistorové spínače poľa. Odolnosť zaťaženia Rn je zahrnutá v uhlopriečke ich mosta. Napájacie elektródy každého „zdroja“ a „odvodu“ tranzistora sú opačne spojené s bočnými diódami a výstupné kontakty riadiaceho obvodu sú pripojené k „bráne“.

Vďaka automatickej prevádzke riadiacich signálov sú do záťaže vyvedené napäťové impulzy rôzneho trvania a znamienka. Ich postupnosť a charakteristiky sú prispôsobené optimálnym parametrom výstupného signálu.

Pôsobením priložených napätí na diagonálny odpor, berúc do úvahy prechodové procesy, vzniká prúd, ktorého tvar je už bližšie k sínusoide ako k meandru.

Ťažkosti pri technickej implementácii

Pre dobré fungovanie silového obvodu meničov je potrebné zabezpečiť spoľahlivú činnosť riadiaceho systému, ktorý je založený na spínacích spínačoch. Sú vybavené obojstrannými vodivými vlastnosťami a sú tvorené bočnými tranzistormi pripojením reverzných diód.

Najčastejšie sa používa na nastavenie amplitúdy výstupného napätia princíp pulznej šírkovej modulácie výberom oblasti impulzu každej polvlny spôsobom ovládania jej trvania. Okrem tejto metódy existujú zariadenia, ktoré pracujú s konverziou pulznej amplitúdy.

V procese vytvárania obvodov výstupného napätia dochádza k porušeniu symetrie polovičných vĺn, čo nepriaznivo ovplyvňuje činnosť indukčných záťaží. To je najpozoruhodnejšie pri transformátoroch.

Počas prevádzky riadiaceho systému je nastavený algoritmus na generovanie kľúčov napájacieho obvodu, ktorý zahŕňa tri stupne:

1. rovný;

2. skrat;

3. naopak.

V záťaži sú možné nielen pulzujúce prúdy, ale aj prúdy meniace sa smer, ktoré vytvárajú dodatočné poruchy na svorkách zdroja.

Typický dizajn

Medzi mnohými rôznymi technologickými riešeniami používanými na vytvorenie invertorov sú bežné tri schémy, ktoré sa posudzujú z hľadiska stupňa zvýšenia zložitosti:

1. mostík bez transformátora;

2. s neutrálnou svorkou transformátora;

3. mostík s transformátorom.

Výstupné krivky

Meniče sú určené na napájanie:

• obdĺžnikový;

• lichobežník;

• stupňovité striedavé signály;

• sínusoidy.

Fázové meniče

Priemysel vyrába elektromotory na prevádzku za špecifických prevádzkových podmienok, pričom sa berie do úvahy energia z určitých typov zdrojov. V praxi však nastávajú situácie, keď je z rôznych dôvodov potrebné pripojiť trojfázový asynchrónny motor do jednofázovej siete. Na tento účel boli vyvinuté rôzne elektrické obvody a zariadenia.

Energeticky náročné technológie

Stator trojfázového asynchrónneho motora obsahuje tri vinutia, ktoré sú navinuté určitým spôsobom, umiestnené od seba 120 stupňov, z ktorých každé, keď je naň privedený prúd jeho napäťovej fázy, vytvára svoje vlastné rotujúce magnetické pole. Smer prúdov je zvolený tak, aby sa ich magnetické toky navzájom dopĺňali, čím sa zabezpečuje vzájomné pôsobenie na otáčanie rotora.

Keď je pre takýto motor iba jedna fáza napájacieho napätia, je potrebné z neho vytvoriť tri prúdové obvody, z ktorých každý je tiež posunutý o 120 stupňov. V opačnom prípade rotácia nebude fungovať alebo bude chybná.

V elektrotechnike existujú dva jednoduché spôsoby, ako otáčať vektor prúdu vzhľadom na napätie pripojením k:

1. indukčná záťaž, keď prúd začne meškať napätie o 90 stupňov;

2.Schopnosť vytvoriť prúdový vodič 90 stupňov.

Vyššie uvedená fotografia ukazuje, že z jednej fázy napätia Ua môžete získať prúd posunutý pod uhlom nie o 120, ale iba o 90 stupňov dopredu alebo dozadu. Okrem toho si to bude vyžadovať aj výber menovitých hodnôt kondenzátora a tlmivky, aby sa vytvoril prijateľný prevádzkový režim motora.

V praktických riešeniach takýchto schém sa najčastejšie zastavujú pri kondenzátorovej metóde bez použitia indukčných odporov. Na tento účel bolo napätie napájacej fázy aplikované na jednu cievku bez akýchkoľvek transformácií a na druhú, posunuté kondenzátormi. Výsledkom bol pre motor prijateľný krútiaci moment.

Aby sa však rotor otočil, bolo potrebné vytvoriť dodatočný krútiaci moment pripojením tretieho vinutia cez štartovacie kondenzátory. Nie je možné ich použiť na stálu prevádzku kvôli tvorbe veľkých prúdov v štartovacom obvode, ktoré rýchlo vytvárajú zvýšené zahrievanie. Preto bol tento obvod krátko zapnutý, aby sa získal moment zotrvačnosti rotácie rotora.

Takéto schémy sa ľahšie implementovali vďaka jednoduchému vytvoreniu kondenzátorových bánk špecifikovaných hodnôt z jednotlivých dostupných prvkov. Tlmivky sa však museli počítať a navíjať samostatne, čo je náročné nielen doma.

Najlepšie podmienky pre činnosť motora sa však vytvorili zložitým zapojením kondenzátora a tlmivky v rôznych fázach s výberom smerov prúdov vo vinutiach a použitím odporov potlačujúcich prúd. Pri tejto metóde bola strata výkonu motora až 30 %.Konštrukcie takýchto meničov však nie sú ekonomicky rentabilné, pretože spotrebujú viac elektriny na prevádzku ako samotný motor.

Štartovací obvod kondenzátora tiež spotrebuje zvýšenú mieru elektriny, ale v menšom rozsahu. Okrem toho je motor pripojený k jeho obvodu schopný generovať výkon o niečo viac ako 50% výkonu, ktorý vzniká pri bežnom trojfázovom napájaní.

Kvôli ťažkostiam pri pripájaní trojfázového motora k jednofázovému napájaciemu obvodu a veľkým stratám elektrického a výstupného výkonu takéto meniče vykazovali nízku účinnosť, aj keď naďalej pracujú v jednotlivých zariadeniach a strojoch na rezanie kovov.

Invertorové zariadenia

Polovodičové prvky umožnili vytvoriť racionálnejšie fázové meniče vyrábané na priemyselnej báze. Ich konštrukcie sú zvyčajne navrhnuté tak, aby fungovali v trojfázových obvodoch, ale môžu byť navrhnuté tak, aby fungovali s veľkým počtom reťazcov umiestnených pod rôznymi uhlami.

Keď sú meniče napájané jednou fázou, vykoná sa nasledujúca postupnosť technologických operácií:

1. usmernenie jednofázového napätia uzlom diódy;

2. vyhladenie vĺn zo stabilizačného obvodu;

3. premena jednosmerného napätia na trojfázové vďaka inverznej metóde.

V tomto prípade môže napájací obvod pozostávať z troch jednofázových častí pracujúcich autonómne, ako bolo uvedené vyššie, alebo jednej spoločnej, zostavenej napríklad podľa autonómneho trojfázového invertorového konverzného systému pomocou neutrálneho spoločného vodiča.

Tu každá fázová záťaž ovláda svoje vlastné páry polovodičových prvkov, ktoré sú riadené spoločným riadiacim systémom. Vytvárajú sínusové prúdy vo fázach odporov Ra, Rb, Rc, ktoré sú cez neutrálny vodič pripojené k spoločnému napájaciemu obvodu. Pridáva aktuálne vektory z každého zaťaženia.

Kvalita priblíženia výstupného signálu k čistému tvaru sínusoidy závisí od celkovej konštrukcie a zložitosti použitého obvodu.

Frekvenčné meniče

Na báze meničov boli vytvorené zariadenia, ktoré umožňujú meniť frekvenciu sínusových kmitov v širokom rozsahu. Za týmto účelom prechádza 50 hertzová elektrina, ktorá sa im dodáva, tieto zmeny:

• vstávanie

• stabilizácia;

• vysokofrekvenčná konverzia napätia.

Práca je založená na rovnakých princípoch ako v predchádzajúcich projektoch s tým rozdielom, že riadiaci systém na báze mikroprocesorových dosiek generuje na výstupe meniča výstupné napätie so zvýšenou frekvenciou desiatok kilohertzov.

Frekvenčná konverzia založená na automatických zariadeniach umožňuje optimálne nastavenie chodu elektromotorov v čase štartovania, zastavenia a reverzácie a je vhodné meniť otáčky rotora. Zároveň sa výrazne zníži škodlivý vplyv prechodových javov vo vonkajšej napájacej sieti.

Prečítajte si o tom viac tu: Frekvenčný menič - typy, princíp činnosti, schémy zapojenia

Zváracie invertory

Hlavným účelom týchto meničov napätia je udržiavať stabilné horenie oblúka a jednoduché ovládanie všetkých jeho charakteristík vrátane zapaľovania.

Na tento účel je v návrhu meniča zahrnutých niekoľko blokov, ktoré vykonávajú sekvenčné vykonávanie:

• korekcia trojfázového alebo jednofázového napätia;

• stabilizácia parametrov cez filtre;

• inverzia vysokofrekvenčných signálov zo stabilizovaného jednosmerného napätia;

• konverzia na / h napätie pomocou zostupného transformátora na zvýšenie hodnoty zváracieho prúdu;

• sekundárne nastavenie výstupného napätia pre tvorbu zváracieho oblúka.

Vďaka použitiu vysokofrekvenčnej konverzie signálu sú rozmery zváracieho transformátora značne zmenšené a šetria sa materiály pre celú konštrukciu. Zváracie invertory majú veľké výhody v prevádzke v porovnaní s ich elektromechanickými náprotivkami.

Transformátory: meniče napätia

V elektrotechnike a energetike sa na zmenu amplitúdy napäťového signálu stále najviac využívajú transformátory pracujúce na elektromagnetickom princípe.

Majú dve alebo viac cievok a magnetický obvod, cez ktorý sa prenáša magnetická energia na premenu vstupného napätia na výstupné napätie so zmenenou amplitúdou.