Vrste pretvorbe električne energije

Ogromno število gospodinjskih aparatov in industrijskih naprav pri svojem delu poganja električna energija različnih vrst. Ustvarja ga množica EMF in tokovni viri.

Generatorji proizvajajo enofazni ali trifazni tok pri industrijski frekvenci, medtem ko kemični viri proizvajajo enosmerni tok. Hkrati se v praksi pogosto pojavijo situacije, ko ena vrsta električne energije ni dovolj za delovanje določenih naprav in je treba izvesti njeno pretvorbo.

V ta namen industrija proizvaja veliko število električnih naprav, ki delujejo z različnimi parametri električne energije in jih pretvarjajo iz ene vrste v drugo z različnimi napetostmi, frekvenco, številom faz in valovnimi oblikami. Glede na funkcije, ki jih opravljajo, jih delimo na pretvorniške naprave:

• preprosto;

• z možnostjo prilagajanja izhodnega signala;

• obdarjen s sposobnostjo stabilizacije.

Metode razvrščanja

Po naravi opravljenih operacij so pretvorniki razdeljeni na naprave:

• vstati

• preobrat ene ali več stopenj;

• spremembe frekvence signala;

• pretvorba števila faz električnega sistema;

• spreminjanje vrste napetosti.

V skladu z metodami nadzora nastajajočih algoritmov nastavljivi pretvorniki delujejo na:

• impulzni princip, ki se uporablja v enosmernih tokokrogih;

• fazna metoda, ki se uporablja v tokokrogih harmoničnega oscilatorja.

Najenostavnejši modeli pretvornikov morda niso opremljeni s krmilno funkcijo.

Vse naprave za pretvorbo lahko uporabljajo eno od naslednjih vrst vezij:

• pločnik;

• nič;

• s transformatorjem ali brez njega;

• z eno, dvema, tremi ali več fazami.

Korektivne naprave

To je najpogostejši in starejši razred pretvornikov, ki vam omogočajo, da dobite popravljen ali stabiliziran enosmerni tok iz izmenične sinusne, običajno industrijske frekvence.

Redki eksponati

Naprave z nizko porabo energije

Še pred nekaj desetletji so se selenove strukture in vakuumske naprave še uporabljale v radijski tehniki in elektronskih napravah.

Takšne naprave temeljijo na principu korekcije toka iz enega samega elementa selenske plošče. Z montažo adapterjev so bili zaporedno sestavljeni v eno samo strukturo. Višja kot je napetost, potrebna za korekcijo, več takih elementov se uporablja. Niso bili zelo močni in so lahko zdržali obremenitev več deset miliamperov.

V zaprtem steklenem ohišju usmernikov žarnic je nastal vakuum. V njem sta elektrodi: anoda in katoda z žarilno nitko, ki zagotavljata pretok termoelektričnega sevanja.

Takšne svetilke so do konca prejšnjega stoletja zagotavljale enosmerni tok za različne tokokroge radijskih sprejemnikov in televizorjev.

Ignitroni so močne naprave

V industrijskih napravah so se v preteklosti široko uporabljale anodno-katodne živosrebrove ionske naprave, ki delujejo na principu nadzorovanega naboja obloka. Uporabljali so jih tam, kjer je bilo potrebno delovati z enosmernim bremenom z močjo več sto amperov pri usmerjeni napetosti do vključno pet kilovoltov.

Tok elektronov je bil uporabljen za tok od katode do anode. Ustvari ga obločna razelektritev, ki nastane na enem ali več področjih katode, imenovanih svetleče katodne lise. Nastanejo, ko se pomožni oblok vklopi z vžigalno elektrodo, dokler se glavni oblok ne vžge.

Za to so bili ustvarjeni kratkotrajni impulzi nekaj milisekund s trenutno jakostjo do več deset amperov. Spreminjanje oblike in moči impulzov je omogočilo nadzor nad delovanjem vžigalnika.

Ta zasnova zagotavlja dobro napetostno podporo med popravljanjem in dokaj visoko učinkovitost. Toda tehnična zapletenost zasnove in težave pri delovanju so pripeljale do zavrnitve njegove uporabe.

Polprevodniške naprave

Diode

Njihovo delo temelji na principu prevajanja toka v eno smer zaradi lastnosti p-n spoja, ki ga tvorijo stiki med polprevodniškimi materiali ali kovino in polprevodnikom.

Diode prepuščajo tok samo v določeni smeri in ko skozi njih teče izmenični sinusni harmonik, odrežejo en polval in se zato pogosto uporabljajo kot usmerniki.

Sodobne diode se proizvajajo v zelo širokem obsegu in so obdarjene z različnimi tehničnimi lastnostmi.

Tiristorji

Tiristor uporablja štiri prevodne plasti, ki tvorijo kompleksnejšo polprevodniško strukturo kot dioda s tremi zaporedno vezanimi p-n spoji J1, J2, J3. Kontakti z zunanjo plastjo «p» in «n» se uporabljajo kot anoda in katoda, z notranjo plastjo pa kot krmilna elektroda UE, ki se uporablja za vklop tiristorja in izvajanje regulacije.

Usklajevanje sinusnega harmonika poteka po enakem principu kot pri polprevodniški diodi. Toda, da bi tiristor deloval, je treba upoštevati določeno značilnost - struktura njegovih notranjih prehodov mora biti odprta za prehod električnih nabojev in ne zaprta.

To se izvede s prehodom toka določene polarnosti skozi pogonsko elektrodo. Spodnja fotografija prikazuje načine za odpiranje tiristorja, ki se hkrati uporablja za prilagajanje količine toka, ki poteka ob različnih časih.

Ko tok teče skozi RE v trenutku prehoda sinusoide skozi ničelno vrednost, se ustvari največja vrednost, ki se postopoma zmanjšuje v točkah «1», «2», «3».

Na ta način se tok prilagaja skupaj z regulacijo tiristorja. Triaki in močnostni MOSFET-ji in/ali AGBT-ji v močnostnih tokokrogih delujejo na podoben način. Vendar ne opravljajo funkcije popravljanja toka, ki ga prenašajo v obe smeri. Zato njihove krmilne sheme uporabljajo dodaten algoritem prekinitve impulzov.

DC / DC pretvorniki

Ti modeli delujejo nasprotno od usmernikov. Uporabljajo se za ustvarjanje izmeničnega sinusnega toka iz enosmernega toka, pridobljenega iz kemičnih tokovnih virov.

Redek razvoj

Od poznega 19. stoletja se strukture električnih strojev uporabljajo za pretvorbo enosmerne napetosti v izmenično napetost. Sestavljeni so iz enosmernega elektromotorja, ki ga napaja baterija ali baterijski sklop, in AC generatorja, katerega armaturo vrti motorni pogon.

V nekaterih napravah je bilo navitje generatorja navito neposredno na skupni rotor motorja. Ta metoda ne samo spremeni obliko signala, ampak praviloma tudi poveča amplitudo ali frekvenco napetosti.

Če na armaturo generatorja navijemo tri navitja, ki se nahajajo pod kotom 120 stopinj, potem z njegovo pomočjo dobimo enakovredno simetrično trifazno napetost.

Umformerji so bili široko uporabljeni do sedemdesetih let prejšnjega stoletja za radijske svetilke, opremo za trolejbuse, tramvaje, električne lokomotive pred množično uvedbo polprevodniških elementov.

Inverterski pretvorniki

Princip delovanja

Kot osnovo za obravnavo vzamemo testno vezje tiristorja KU202 iz baterije in žarnice.

V tokokrog sta vgrajena normalno zaprt kontakt gumba SA1 in žarnica z žarilno nitko majhne moči, ki napajata pozitivni potencial baterije na anodo. Krmilna elektroda je povezana preko omejevalnika toka in odprtega kontakta tipke SA2. Katoda je trdno povezana z negativom baterije.

Če v času t1 pritisnete tipko SA2, bo tok stekel do katode skozi vezje krmilne elektrode, ki bo odprla tiristor in svetilka, vključena v anodno vejo, bo zasvetila. Zaradi konstrukcijskih značilnosti tega tiristorja bo še naprej gorel, tudi ko je kontakt SA2 odprt.

Zdaj v trenutku t2 pritisnemo gumb SA1.Napajalni tokokrog anode se bo izklopil in lučka bo ugasnila, ker se tok skozi njo ustavi.

Graf predstavljene slike kaže, da je skozi časovni interval t1 ÷ t2 tekel enosmerni tok. Če zelo hitro zamenjate gumbe, lahko oblikujete pravokotni utrip s pozitivnim predznakom. Podobno lahko ustvarite negativen impulz. V ta namen je dovolj, da tokokrog nekoliko spremenimo, da tok teče v nasprotni smeri.

Zaporedje dveh impulzov s pozitivnimi in negativnimi vrednostmi ustvari valovno obliko, ki se v elektrotehniki imenuje kvadratni val. Njegova pravokotna oblika je približno podobna sinusnemu valu z dvema polvalovoma nasprotnih predznakov.

Če v obravnavani shemi zamenjamo gumba SA1 in SA2 z relejnimi kontakti ali tranzistorskimi stikali in jih preklopimo po določenem algoritmu, potem bo mogoče samodejno ustvariti tok v obliki meandra in ga prilagoditi določeni frekvenci, dolžnosti cikel, obdobje. Takšno preklapljanje krmili posebno elektronsko krmilno vezje.

Blokovna shema napajalnega odseka

Kot primer razmislite o najpreprostejšem primarnem sistemu mostičnega pretvornika.

Tukaj se namesto tiristorja s tvorbo pravokotnega impulza ukvarjajo posebej izbrana poljska tranzistorska stikala. Obremenitveni upor Rn je vključen v diagonalo njihovega mostu. Napajalne elektrode vsakega tranzistorja "vir" in "odvod" so nasprotno povezane s shunt diodami, izhodni kontakti krmilnega vezja pa so povezani z "vrati".

Zaradi avtomatskega delovanja krmilnih signalov se na obremenitev oddajajo napetostni impulzi različnega trajanja in predznaka. Njihovo zaporedje in karakteristike so prilagojene optimalnim parametrom izhodnega signala.

Pod delovanjem uporabljenih napetosti na diagonalni upor, ob upoštevanju prehodnih procesov, nastane tok, katerega oblika je že bližje sinusoidu kot meandru.

Težave pri tehnični izvedbi

Za dobro delovanje močnostnega tokokroga razsmernikov je potrebno zagotoviti zanesljivo delovanje krmilnega sistema, ki temelji na stikalnih stikalih. Obdarjeni so z dvostranskimi prevodnimi lastnostmi in jih tvorijo ranžirni tranzistorji s povezovanjem povratnih diod.

Za prilagoditev amplitude izhodne napetosti se najpogosteje uporablja princip modulacije širine impulza z izbiro impulznega območja vsakega polvala z metodo nadzora njegovega trajanja. Poleg te metode obstajajo naprave, ki delujejo s pretvorbo amplitude impulza.

V procesu oblikovanja tokokrogov izhodne napetosti pride do kršitve simetrije pol valov, kar negativno vpliva na delovanje induktivnih bremen. To je najbolj opazno pri transformatorjih.

Med delovanjem krmilnega sistema je nastavljen algoritem za generiranje ključev močnostnega tokokroga, ki vključuje tri stopnje:

1. naravnost;

2. kratek stik;

3. obratno.

V obremenitvi niso možni samo pulzirajoči tokovi, ampak tudi tokovi, ki se spreminjajo v smeri, kar ustvarja dodatne motnje na sponkah vira.

Tipična oblika

Med številnimi različnimi tehnološkimi rešitvami, ki se uporabljajo za ustvarjanje pretvornikov, so tri sheme pogoste, upoštevane z vidika stopnje povečanja kompleksnosti:

1. most brez transformatorja;

2. z nevtralno sponko transformatorja;

3. most s transformatorjem.

Izhodne valovne oblike

Pretvorniki so zasnovani za napajanje:

• pravokoten;

• trapez;

• stopničasti izmenični signali;

• sinusoide.

Fazni pretvorniki

Industrija proizvaja elektromotorje za delovanje v določenih delovnih pogojih, pri čemer upošteva moč iz določenih vrst virov. Vendar pa se v praksi pojavljajo situacije, ko je treba iz različnih razlogov trifazni asinhronski motor priključiti na enofazno omrežje. V ta namen so bila razvita različna električna vezja in naprave.

Energetsko intenzivne tehnologije

Stator trifaznega asinhronega motorja vključuje tri navitja, ki so navita na določen način, ki se nahajajo 120 stopinj drug od drugega, od katerih vsak, ko se nanj nanese tok njegove napetostne faze, ustvari svoje vrtljivo magnetno polje. Smer tokov je izbrana tako, da se njihovi magnetni tokovi dopolnjujejo in zagotavljajo medsebojno delovanje za vrtenje rotorja.

Ko je za tak motor samo ena faza napajalne napetosti, je treba iz nje oblikovati tri tokovna vezja, od katerih je vsako premaknjeno tudi za 120 stopinj. V nasprotnem primeru vrtenje ne bo delovalo ali pa bo okvarjeno.

V elektrotehniki obstajata dva preprosta načina za vrtenje vektorja toka glede na napetost s povezavo na:

1. induktivna obremenitev, ko tok začne zaostajati za napetostjo za 90 stopinj;

2.Sposobnost ustvarjanja tokovnega vodnika 90 stopinj.

Zgornja fotografija prikazuje, da lahko iz ene faze napetosti Ua dobite tok, premaknjen pod kotom ne za 120, ampak samo za 90 stopinj naprej ali nazaj. Poleg tega bo to zahtevalo tudi izbiro moči kondenzatorja in dušilke, da se ustvari sprejemljiv način delovanja motorja.

V praktičnih rešitvah takšnih shem se najpogosteje ustavijo pri kondenzatorski metodi brez uporabe induktivnih uporov. V ta namen je bila napetost napajalne faze na eno tuljavo brez transformacij, na drugo pa premaknjena s kondenzatorji. Rezultat je bil sprejemljiv navor za motor.

Toda za obračanje rotorja je bilo potrebno ustvariti dodaten navor s povezavo tretjega navitja skozi zagonske kondenzatorje. Nemogoče jih je uporabljati za stalno delovanje zaradi nastajanja velikih tokov v zagonskem krogu, ki hitro ustvarijo povečano ogrevanje. Zato smo to vezje za kratek čas vklopili, da pridobimo vztrajnostni moment vrtenja rotorja.

Takšne sheme je bilo lažje izvesti zaradi preprostega oblikovanja kondenzatorskih bank določenih vrednosti iz posameznih razpoložljivih elementov. Vendar pa je bilo treba dušilke izračunati in naviti neodvisno, kar je težko narediti ne le doma.

Vendar so bili najboljši pogoji za delovanje motorja ustvarjeni s kompleksno povezavo kondenzatorja in dušilke v različnih fazah z izbiro smeri tokov v navitjih in uporabo tokovnih uporov. Pri tej metodi je bila izguba moči motorja do 30 %.Vendar pa zasnove takšnih pretvornikov niso ekonomsko donosne, saj za delovanje porabijo več električne energije kot sam motor.

Zagonsko vezje kondenzatorja prav tako porabi povečano količino električne energije, vendar v manjši meri. Poleg tega je motor, priključen na njegovo vezje, sposoben ustvariti nekaj več kot 50 % energije, ki se ustvari z običajnim trifaznim napajanjem.

Zaradi težav pri priključitvi trifaznega motorja na enofazni napajalni tokokrog ter velikih izgub električne in izhodne moči so takšni pretvorniki pokazali nizek izkoristek, čeprav še naprej delujejo v posameznih napeljavah in strojih za rezanje kovin.

Inverterske naprave

Polprevodniški elementi so omogočili ustvarjanje bolj racionalnih faznih pretvornikov, proizvedenih na industrijski osnovi. Njihove zasnove so običajno zasnovane za delovanje v trifaznih tokokrogih, vendar so lahko zasnovane za delovanje z velikim številom nizov, ki se nahajajo pod različnimi koti.

Ko se pretvorniki napajajo z eno fazo, se izvede naslednje zaporedje tehnoloških operacij:

1. popravljanje enofazne napetosti z diodnim vozliščem;

2. glajenje valov iz stabilizacijskega kroga;

3. pretvorba enosmerne napetosti v trifazno zaradi metode inverzije.

V tem primeru je napajalni tokokrog lahko sestavljen iz treh enofaznih delov, ki delujejo avtonomno, kot smo že omenili, ali enega skupnega, sestavljenega, na primer, v skladu s sistemom pretvorbe avtonomnega trifaznega pretvornika z uporabo nevtralnega skupnega vodnika.

Tukaj vsaka fazna obremenitev upravlja svoje pare polprevodniških elementov, ki jih krmili skupni nadzorni sistem. Ustvarjajo sinusne tokove v fazah uporov Ra, Rb, Rc, ki so preko nevtralne žice povezani v skupni napajalni krog. Doda trenutne vektorje iz vsake obremenitve.

Kakovost približka izhodnega signala obliki čistega sinusnega vala je odvisna od celotne zasnove in kompleksnosti uporabljenega vezja.

Frekvenčni pretvorniki

Na osnovi pretvornikov so bile ustvarjene naprave, ki omogočajo spreminjanje frekvence sinusnih nihanj v širokem območju. V ta namen se električna energija 50 hercev, ki jim je dobavljena, podvrže naslednjim spremembam:

• vstati

• stabilizacija;

• visokofrekvenčna pretvorba napetosti.

Delo temelji na enakih principih prejšnjih projektov, le da krmilni sistem na osnovi mikroprocesorskih plošč na izhodu pretvornika generira izhodno napetost s povečano frekvenco več deset kilohercev.

Frekvenčna pretvorba, ki temelji na avtomatskih napravah, vam omogoča optimalno prilagajanje delovanja elektromotorjev v času zagona, zaustavitve in vzvratne vožnje ter priročno spreminjanje hitrosti rotorja. Hkrati se močno zmanjša škodljiv vpliv prehodnih pojavov v zunanjem elektroenergetskem omrežju.

Več o tem preberite tukaj: Frekvenčni pretvornik - vrste, princip delovanja, povezovalne sheme

Varilni inverterji

Glavni namen teh napetostnih pretvornikov je vzdrževanje stabilnega gorenja obloka in enostavno krmiljenje vseh njegovih lastnosti, vključno z vžigom.

V ta namen je v zasnovo pretvornika vključenih več blokov, ki izvajajo zaporedno izvedbo:

• korekcija trifazne ali enofazne napetosti;

• stabilizacija parametrov skozi filtre;

• inverzija visokofrekvenčnih signalov iz stabilizirane enosmerne napetosti;

• pretvorba v / h napetosti s padajočim transformatorjem za povečanje vrednosti varilnega toka;

• sekundarna prilagoditev izhodne napetosti za nastanek varilnega obloka.

Zaradi uporabe visokofrekvenčne pretvorbe signala se dimenzije varilnega transformatorja močno zmanjšajo in prihranijo materiali za celotno konstrukcijo. Varilni inverterji imajo velike prednosti pri delovanju v primerjavi z elektromehanskimi dvojniki.

Transformatorji: napetostni pretvorniki

V elektrotehniki in energetiki se za spreminjanje amplitude napetostnega signala še vedno najbolj uporabljajo transformatorji, ki delujejo na elektromagnetnem principu.

Imajo dve ali več tuljav in magnetno vezje, preko katerega se prenaša magnetna energija za pretvorbo vhodne napetosti v izhodno napetost spremenjene amplitude.