Tipuri de conversie a energiei electrice

Un număr mare de aparate de uz casnic și instalații industriale din activitatea lor sunt alimentate de energie electrica de diferite tipuri. Este creat de multitudine EMF și surse de curent.

Grupurile electrogene produc curent monofazat sau trifazat la frecvență industrială, în timp ce sursele chimice produc curent continuu. În același timp, în practică, adesea apar situații când un tip de energie electrică nu este suficient pentru funcționarea anumitor dispozitive și este necesar să se realizeze conversia acestuia.

În acest scop, industria produce un număr mare de dispozitive electrice care funcționează cu diferiți parametri ai energiei electrice, transformându-le de la un tip la altul cu tensiuni, frecvență, număr de faze și forme de undă diferite. În funcție de funcțiile pe care le îndeplinesc, acestea sunt împărțite în dispozitive de conversie:

• simplu;

• cu capacitatea de a regla semnalul de ieșire;

• înzestrat cu capacitatea de stabilizare.

Metode de clasificare

După natura operațiunilor efectuate, convertoarele sunt împărțite în dispozitive:

• stând în picioare

• inversarea uneia sau mai multor etape;

• modificări ale frecvenței semnalului;

• conversia numărului de faze ale sistemului electric;

• schimbarea tipului de tensiune.

Conform metodelor de control ale algoritmilor emergenti, convertoarele reglabile funcționează la:

• principiul pulsului utilizat în circuitele DC;

• metoda de fază utilizată în circuitele oscilatoare armonice.

Este posibil ca cele mai simple modele de convertoare să nu fie echipate cu o funcție de control.

Toate dispozitivele de conversie pot folosi unul dintre următoarele tipuri de circuite:

• trotuar;

• zero;

• cu sau fără transformator;

• cu una, două, trei sau mai multe faze.

Dispozitive de corectare

Aceasta este cea mai comună și veche clasă de convertoare care vă permit să obțineți curent continuu rectificat sau stabilizat de la o frecvență sinusoidală alternativă, de obicei industrială.

Exponate rare

Dispozitive de putere redusă

Cu doar câteva decenii în urmă, structurile cu seleniu și dispozitivele pe bază de vid erau încă folosite în inginerie radio și dispozitive electronice.

Astfel de dispozitive se bazează pe principiul corecției curentului dintr-un singur element al unei plăci cu seleniu. Au fost asamblate secvenţial într-o singură structură prin adaptoare de montare. Cu cât este mai mare tensiunea necesară pentru corecție, cu atât mai multe astfel de elemente sunt utilizate. Nu erau foarte puternici și puteau rezista la o sarcină de câteva zeci de miliamperi.

A fost creat un vid în carcasa de sticlă sigilată a redresorelor lămpii. Adăpostește electrozi: un anod și un catod cu filament, care asigură fluxul radiației termoionice.

Astfel de lămpi au furnizat curent continuu pentru diferite circuite de receptoare radio și televizoare până la sfârșitul secolului trecut.

Ignitron-urile sunt dispozitive puternice

În dispozitivele industriale, dispozitivele anod-catod cu ioni de mercur care funcționează pe principiul încărcării cu arc controlat au fost utilizate pe scară largă în trecut. Au fost folosite acolo unde era necesar să se opereze o sarcină de curent continuu cu o putere de sute de amperi la o tensiune redresată de până la cinci kilovolți inclusiv.

Fluxul de electroni a fost folosit pentru fluxul de curent de la catod la anod. Este creat de o descărcare de arc cauzată în una sau mai multe zone ale catodului, numite puncte catodice luminoase. Ele se formează atunci când arcul auxiliar este pornit de electrodul de aprindere până când arcul principal se aprinde.

Pentru aceasta, au fost create impulsuri de scurtă durată de câteva milisecunde cu o putere de curent de până la zeci de amperi. Schimbarea formei și a puterii impulsurilor a făcut posibilă controlul funcționării aprindetorului.

Acest design oferă un suport bun de tensiune în timpul redresării și o eficiență destul de ridicată. Dar complexitatea tehnică a designului și dificultățile în funcționare au dus la respingerea utilizării acestuia.

Dispozitive semiconductoare

Diode

Lucrarea lor se bazează pe principiul conducerii curentului într-o singură direcție datorită proprietăților joncțiunii p-n formate prin contactele dintre materialele semiconductoare sau metal și semiconductor.

Diodele trec curentul doar într-o anumită direcție și, atunci când o armonică sinusoidală alternativă trece prin ele, întrerup o jumătate de undă și, prin urmare, sunt utilizate pe scară largă ca redresoare.

Diodele moderne sunt produse într-o gamă foarte largă și sunt dotate cu diverse caracteristici tehnice.

tiristoare

Tiristorul folosește patru straturi conductoare care formează o structură semiconductoare mai complexă decât o diodă cu trei joncțiuni p-n conectate în serie J1, J2, J3. Contactele cu stratul exterior «p» și «n» sunt folosite ca anod și catod, iar cu stratul interior ca electrod de control al UE, care este folosit pentru a comuta tiristorul în acțiune și pentru a efectua reglarea.

Redresarea unei armonici sinusoidale se realizează pe același principiu ca și pentru o diodă semiconductoare. Dar pentru ca tiristorul să funcționeze, este necesar să se țină cont de o anumită caracteristică - structura tranzițiilor sale interne trebuie să fie deschisă pentru trecerea sarcinilor electrice și nu închisă.

Acest lucru se realizează prin trecerea unui curent cu o anumită polaritate prin electrodul de comandă. Fotografia de mai jos arată modalitățile de deschidere a tiristorului folosit simultan pentru a regla cantitatea de curent transmisă în momente diferite.

Când curentul este aplicat prin RE în momentul trecerii sinusoidei prin valoarea zero, se creează o valoare maximă, care scade treptat în punctele «1», «2», «3».

În acest fel, curentul este reglat împreună cu reglarea tiristorului. Triac-urile și MOSFET-urile de putere și/sau AGBT-urile din circuitele de putere funcționează într-un mod similar. Dar nu îndeplinesc funcția de a corecta curentul, trecându-l în ambele sensuri. Prin urmare, schemele lor de control utilizează un algoritm suplimentar de întrerupere a impulsurilor.

Convertoare DC/DC

Aceste modele fac opusul redresoarelor. Ele sunt utilizate pentru a genera curent sinusoidal alternativ din curent continuu obținut din surse de curent chimic.

O dezvoltare rară

De la sfârșitul secolului al XIX-lea, structurile de mașini electrice au fost folosite pentru a transforma tensiunea continuă în tensiune alternativă. Acestea constau dintr-un motor electric de curent continuu care este alimentat de o baterie sau un pachet de baterii și un generator de curent alternativ a cărui armătură este rotită de acționarea motorului.

În unele dispozitive, înfășurarea generatorului a fost înfășurată direct pe rotorul comun al motorului. Această metodă nu numai că schimbă forma semnalului, ci și, de regulă, crește amplitudinea sau frecvența tensiunii.

Dacă trei înfășurări situate la 120 de grade sunt înfășurate pe armătura generatorului, atunci cu ajutorul acestuia se obține o tensiune trifazată simetrică echivalentă.

Umformatoarele au fost utilizate pe scară largă până în anii 1970 pentru lămpi radio, echipamente pentru troleibuze, tramvaie, locomotive electrice înainte de introducerea în masă a elementelor semiconductoare.

Convertoare cu invertor

Principiul de funcționare

Ca bază de considerare, luăm circuitul de testare a tiristoarelor KU202 dintr-o baterie și un bec.

Un contact normal închis al butonului SA1 și o lampă cu filament de putere mică sunt încorporate în circuit pentru a furniza potențialul pozitiv al bateriei către anod. Electrodul de control este conectat printr-un limitator de curent și un contact deschis al butonului SA2. Catodul este ferm conectat la negativul bateriei.

Dacă la momentul t1 apăsați butonul SA2, curentul va curge către catod prin circuitul electrodului de control, care va deschide tiristorul și se va aprinde lampa inclusă în ramura anodului. Datorită caracteristicilor de design ale acestui tiristor, acesta va continua să ardă chiar și atunci când contactul SA2 este deschis.

Acum, la momentul t2 apăsăm butonul SA1.Circuitul de alimentare al anodului se va opri și lumina se va stinge din cauza faptului că fluxul de curent prin acesta se oprește.

Graficul imaginii prezentate arată că un curent continuu a trecut prin intervalul de timp t1 ÷ t2. Dacă comutați butoanele foarte repede, atunci vă puteți forma puls dreptunghiular cu semn pozitiv. În mod similar, puteți crea un impuls negativ. În acest scop, este suficient să schimbați ușor circuitul pentru a permite curentului să circule în direcția opusă.

O secvență de două impulsuri cu valori pozitive și negative creează o formă de undă numită undă pătrată în inginerie electrică. Forma sa dreptunghiulară seamănă aproximativ cu o undă sinusoidală cu două semi-unde de semne opuse.

Dacă în schema luată în considerare înlocuim butoanele SA1 și SA2 cu contacte relee sau comutatoare cu tranzistori și le comutăm conform unui anumit algoritm, atunci va fi posibil să se creeze automat un curent în formă de meandru și să-l ajusteze la o anumită frecvență, sarcină. ciclu, punct. O astfel de comutare este controlată de un circuit electronic de control special.

Schema bloc a secțiunii de alimentare

Ca exemplu, luați în considerare cel mai simplu sistem primar al unui invertor în punte.

Aici, în loc de tiristor, comutatoarele cu tranzistori de câmp special selectate se ocupă de formarea unui impuls dreptunghiular. Rezistența la sarcină Rn este inclusă în diagonala punții acestora. Electrozii de alimentare ai fiecărui tranzistor „sursă” și „drain” sunt conectați opus cu diode de șunt, iar contactele de ieșire ale circuitului de control sunt conectate la „poarta”.

Datorită funcționării automate a semnalelor de control, la sarcină sunt transmise impulsuri de tensiune de durată și semn diferit. Secvența și caracteristicile lor sunt adaptate parametrilor optimi ai semnalului de ieșire.

Sub acțiunea tensiunilor aplicate asupra rezistenței diagonale, ținând cont de procesele tranzitorii, apare un curent, a cărui formă este deja mai apropiată de o sinusoidă decât de cea a unui meandre.

Dificultăți în implementarea tehnică

Pentru buna funcționare a circuitului de putere al invertoarelor, este necesar să se asigure funcționarea fiabilă a sistemului de control, care se bazează pe comutatoare de comutare. Sunt dotate cu proprietăți conducătoare bilaterale și sunt formate din tranzistoare de șunt prin conectarea diodelor inverse.

Pentru a regla amplitudinea tensiunii de ieșire, este cel mai des folosit Principiul de modulare a lățimii impulsului prin selectarea zonei pulsului fiecărei semi-unde prin metoda de control al duratei acesteia. Pe lângă această metodă, există dispozitive care funcționează cu conversie puls-amplitudine.

În procesul de formare a circuitelor tensiunii de ieșire, are loc o încălcare a simetriei semi-undelor, care afectează negativ funcționarea sarcinilor inductive. Acest lucru este cel mai vizibil la transformatoare.

În timpul funcționării sistemului de control, este setat un algoritm pentru generarea cheilor circuitului de alimentare, care include trei etape:

1. drept;

2. scurtcircuit;

3. invers.

În sarcină, sunt posibili nu numai curenții pulsatori, ci și curenți care își schimbă direcția, care creează perturbări suplimentare la bornele sursei.

Design tipic

Dintre numeroasele soluții tehnologice diferite utilizate pentru crearea invertoarelor, sunt comune trei scheme, luate în considerare din punctul de vedere al gradului de creștere a complexității:

1. punte fără transformator;

2. cu borna neutră a transformatorului;

3. punte cu transformator.

Forme de undă de ieșire

Invertoarele sunt proiectate pentru a furniza tensiune:

• dreptunghiular;

• trapez;

• semnale alternante trepte;

• sinusoide.

Convertoare de fază

Industria produce motoare electrice pentru a funcționa în condiții specifice de funcționare, ținând cont de puterea din anumite tipuri de surse. Cu toate acestea, în practică, apar situații când, din diverse motive, este necesară conectarea unui motor asincron trifazat la o rețea monofazată. În acest scop au fost dezvoltate diverse circuite și dispozitive electrice.

Tehnologii consumatoare de energie

Statorul unui motor asincron trifazat include trei înfășurări care sunt înfășurate într-un anumit mod, situate la 120 de grade una de cealaltă, fiecare dintre acestea, atunci când i se aplică curentul fazei sale de tensiune, creează propriul său câmp magnetic rotativ. Direcția curenților este aleasă astfel încât fluxurile lor magnetice să se completeze reciproc, oferind acțiune reciprocă pentru rotația rotorului.

Când există o singură fază a tensiunii de alimentare pentru un astfel de motor, devine necesar să se formeze trei circuite de curent din acesta, fiecare dintre acestea fiind, de asemenea, deplasat cu 120 de grade. În caz contrar, rotația nu va funcționa sau va fi defectă.

În inginerie electrică, există două moduri simple de a roti vectorul curent în raport cu tensiunea prin conectarea la:

1. sarcină inductivă când curentul începe să întârzie tensiunea cu 90 de grade;

2.Abilitatea de a crea un conductor de curent de 90 de grade.

Fotografia de mai sus arată că dintr-o fază a tensiunii Ua puteți obține un curent deplasat la un unghi nu cu 120, ci doar cu 90 de grade înainte sau înapoi. În plus, acest lucru va necesita, de asemenea, selectarea capacităților nominale ale condensatorului și șocului pentru a produce un mod de funcționare acceptabil al motorului.

În soluțiile practice ale unor astfel de scheme, ele se opresc cel mai adesea la metoda condensatorului fără utilizarea rezistențelor inductive. În acest scop, tensiunea fazei de alimentare a fost aplicată unei bobine fără nicio transformare, iar celeilalte, deplasată de condensatori. Rezultatul a fost un cuplu acceptabil pentru motor.

Dar pentru a întoarce rotorul, a fost necesar să se creeze un cuplu suplimentar prin conectarea celei de-a treia înfășurări prin condensatori de pornire. Este imposibil să le folosiți pentru funcționare constantă din cauza formării de curenți mari în circuitul de pornire, care creează rapid o încălzire crescută. Prin urmare, acest circuit a fost pornit pentru scurt timp pentru a câștiga momentul de inerție al rotației rotorului.

Astfel de scheme au fost mai ușor de implementat datorită simplei forme de bănci de condensatoare cu valori specificate din elemente individuale disponibile. Cu toate acestea, sufocarea a trebuit să fie calculată și înfășurată independent, ceea ce este dificil de făcut nu numai acasă.

Cu toate acestea, cele mai bune condiții pentru funcționarea motorului au fost create cu conexiunea complexă a condensatorului și șocul în diferite faze, cu selectarea direcțiilor curenților din înfășurări și utilizarea rezistențelor de suprimare a curentului. Cu această metodă, pierderea puterii motorului a fost de până la 30%.Cu toate acestea, modelele unor astfel de convertoare nu sunt profitabile din punct de vedere economic, deoarece consumă mai multă energie electrică pentru funcționare decât motorul în sine.

Circuitul de pornire a condensatorului consumă, de asemenea, o rată crescută de energie electrică, dar într-o măsură mai mică. În plus, motorul conectat la circuitul său este capabil să genereze putere puțin peste 50% din cea care este creată cu o sursă normală de alimentare trifazată.

Din cauza dificultăților de conectare a unui motor trifazat la un circuit de alimentare monofazat și a pierderilor mari de putere electrică și de ieșire, astfel de convertoare și-au demonstrat eficiența scăzută, deși continuă să funcționeze în instalații individuale și mașini de tăiat metal.

Dispozitive cu invertor

Elementele semiconductoare au făcut posibilă crearea unor convertoare de fază mai raționale produse pe bază industrială. Proiectele lor sunt de obicei concepute pentru a funcționa în circuite trifazate, dar pot fi proiectate să funcționeze cu un număr mare de șiruri situate în unghiuri diferite.

Când convertoarele sunt alimentate de o fază, se efectuează următoarea secvență de operații tehnologice:

1. rectificarea tensiunii monofazate printr-un nod de diodă;

2. netezirea undelor din circuitul de stabilizare;

3. conversia tensiunii continue în trifazată prin metoda inversării.

În acest caz, circuitul de alimentare poate consta din trei părți monofazate care funcționează autonom, așa cum sa discutat mai devreme, sau una comună, asamblată, de exemplu, conform unui sistem autonom de conversie a invertorului trifazat folosind un conductor comun neutru.

Aici, fiecare sarcină de fază operează propriile perechi de elemente semiconductoare, care sunt controlate de un sistem de control comun. Ele creează curenți sinusoidali în fazele rezistențelor Ra, Rb, Rc, care sunt conectate la circuitul comun de alimentare prin firul neutru. Se adaugă vectorii curenti de la fiecare încărcare.

Calitatea aproximării semnalului de ieșire la o formă de undă sinusoidală pură depinde de designul general și de complexitatea circuitului utilizat.

Convertoare de frecvență

Pe baza invertoarelor au fost create dispozitive care permit modificarea frecvenței oscilațiilor sinusoidale într-o gamă largă. În acest scop, energia electrică de 50 de herți furnizată acestora suferă următoarele modificări:

• stând în picioare

• stabilizare;

• conversie de tensiune de înaltă frecvență.

Lucrarea se bazează pe aceleași principii ale proiectelor anterioare, cu excepția faptului că sistemul de control bazat pe plăci cu microprocesor generează o tensiune de ieșire cu o frecvență crescută de zeci de kiloherți la ieșirea convertorului.

Conversia frecvenței bazată pe dispozitive automate vă permite să reglați optim funcționarea motoarelor electrice în momentul pornirii, opririi și inversării și este convenabil să schimbați viteza rotorului. În același timp, impactul nociv al tranzitorilor în rețeaua de alimentare externă este redus drastic.

Citiți mai multe despre el aici: Convertor de frecvență - tipuri, principiu de funcționare, scheme de conectare

Sudarea invertoarelor

Scopul principal al acestor convertoare de tensiune este de a menține arderea stabilă a arcului și de a controla ușor toate caracteristicile acestuia, inclusiv aprinderea.

În acest scop, în proiectarea invertorului sunt incluse mai multe blocuri, care efectuează execuția secvențială:

• corectarea tensiunii trifazate sau monofazate;

• stabilizarea parametrilor prin filtre;

• inversarea semnalelor de înaltă frecvență de la tensiunea de curent continuu stabilizată;

• conversia la / h tensiune cu un transformator coborâtor pentru a crește valoarea curentului de sudare;

• reglarea secundară a tensiunii de ieșire pentru formarea arcului de sudură.

Datorită utilizării conversiei semnalului de înaltă frecvență, dimensiunile transformatorului de sudură sunt mult reduse și se economisesc materiale pentru întreaga structură. Sudarea invertoarelor au mari avantaje în exploatare în comparație cu omologii lor electromecanici.

Transformatoare: convertoare de tensiune

În inginerie electrică și energie, transformatoarele care funcționează pe principiul electromagnetic sunt încă utilizate pe scară largă pentru a modifica amplitudinea semnalului de tensiune.

Au două sau mai multe bobine și circuit magnetic, prin care se transmite energia magnetică pentru a converti tensiunea de intrare într-o tensiune de ieșire de amplitudine modificată.