Typer av elektrisk energiomvandling

Ett stort antal hushållsapparater och industriella installationer i deras arbete drivs av elektrisk energi av olika slag. Det är skapat av mångfald EMF och strömkällor.

Generatoraggregat producerar enfas eller trefasström vid industriell frekvens, medan kemiska källor producerar likström. Samtidigt uppstår i praktiken ofta situationer när en typ av el inte räcker för driften av vissa enheter och det är nödvändigt att utföra dess konvertering.

För detta ändamål producerar industrin ett stort antal elektriska enheter som arbetar med olika parametrar av elektrisk energi, omvandlar dem från en typ till en annan med olika spänningar, frekvens, antal faser och vågformer. Beroende på de funktioner de utför är de uppdelade i konverteringsenheter:

• enkel;

• med möjligheten att justera utsignalen;

• begåvad med förmågan att stabilisera sig.

Klassificeringsmetoder

Genom arten av de utförda operationerna är omvandlare indelade i enheter:

• står upp

• omkastning av ett eller flera steg;

• förändringar i signalfrekvens;

• konvertering av antalet faser i det elektriska systemet;

• ändra spänningstypen.

Enligt styrmetoderna för de framväxande algoritmerna fungerar justerbara omvandlare på:

• pulsprincipen som används i DC-kretsar;

• fasmetod som används i harmoniska oscillatorkretsar.

De enklaste omvandlarkonstruktionerna kanske inte är utrustade med en kontrollfunktion.

Alla konverteringsenheter kan använda en av följande kretstyper:

• trottoar;

• noll;

• med eller utan transformator;

• med en, två, tre eller flera faser.

Korrigerande anordningar

Detta är den vanligaste och gamla klassen av omvandlare som gör att du kan få likriktad eller stabiliserad likström från en alternerande sinusformad, vanligtvis industriell frekvens.

Sällsynta utställningar

Lågeffektenheter

För bara några decennier sedan användes selenstrukturer och vakuumbaserade enheter fortfarande i radioteknik och elektroniska enheter.

Sådana enheter är baserade på principen om strömkorrigering från ett enda element i en selenplatta. De monterades sekventiellt till en enda struktur genom att montera adaptrar. Ju högre spänning som krävs för korrigering, desto fler sådana element används. De var inte särskilt kraftfulla och klarade en belastning på flera tiotals milliampere.

Ett vakuum skapades i lamplikriktarnas förseglade glashus. Den rymmer elektroder: en anod och en katod med en glödtråd, som säkerställer flödet av termionisk strålning.

Sådana lampor gav likström för olika kretsar av radiomottagare och tv-apparater fram till slutet av förra seklet.

Ignitroner är kraftfulla enheter

I industriella anordningar har anod-katod kvicksilverjonanordningar som arbetar enligt principen om kontrollerad ljusbågsladdning använts i stor utsträckning tidigare. De användes där det var nödvändigt att driva en DC-last med en styrka av hundratals ampere vid en likriktad spänning upp till och med fem kilovolt.

Elektronflöde användes för strömflöde från katoden till anoden. Det skapas av en ljusbågsurladdning orsakad i ett eller flera områden av katoden, så kallade lysande katodfläckar. De bildas när hjälpbågen slås på av tändelektroden tills huvudbågen tänds.

För detta skapades kortvariga pulser på några millisekunder med en strömstyrka på upp till tiotals ampere. Att ändra formen och styrkan på pulserna gjorde det möjligt att kontrollera tändarens funktion.

Denna design ger bra spänningsstöd under likriktning och ganska hög verkningsgrad. Men den tekniska komplexiteten i designen och svårigheterna i drift ledde till att den avvisades.

Halvledarenheter

Dioder

Deras arbete är baserat på principen om strömledning i en riktning på grund av egenskaperna hos p-n-övergången som bildas av kontakter mellan halvledarmaterial eller metall och halvledare.

Dioder skickar bara ström i en viss riktning, och när en växelvis sinusformad överton passerar genom dem skär de av en halvvåg och används därför i stor utsträckning som likriktare.

Moderna dioder tillverkas i ett mycket brett sortiment och är utrustade med olika tekniska egenskaper.

Tyristorer

Tyristorn använder fyra ledande lager som bildar en mer komplex halvledarstruktur än en diod med tre seriekopplade p-n-övergångar J1, J2, J3. Kontakterna med det yttre skiktet «p» och «n» används som anod och katod, och med det inre skiktet som styrelektrod för UE, som används för att koppla tyristorn till funktion och utföra reglering.

Likriktningen av en sinusformad överton utförs enligt samma princip som för en halvledardiod. Men för att tyristorn ska fungera är det nödvändigt att ta hänsyn till en viss egenskap - strukturen för dess interna övergångar måste vara öppen för passage av elektriska laddningar och inte stängd.

Detta görs genom att leda en ström av en viss polaritet genom drivelektroden. Bilden nedan visar sätten att öppna tyristorn som används samtidigt för att justera mängden ström som passerar vid olika tidpunkter.

När strömmen appliceras genom RE i det ögonblick då sinusformen passerar genom nollvärdet, skapas ett maximalt värde, som gradvis minskar vid punkterna «1», «2», «3».

På så sätt justeras strömmen tillsammans med tyristorregleringen. Triacs och power MOSFETs och/eller AGBTs i kraftkretsar fungerar på liknande sätt. Men de utför inte funktionen att korrigera strömmen och skickar den i båda riktningarna. Därför använder deras kontrollscheman en extra pulsavbrottsalgoritm.

DC / DC-omvandlare

Dessa konstruktioner gör motsatsen till likriktare. De används för att generera sinusformad växelström från likström erhållen från kemiska strömkällor.

En sällsynt utveckling

Sedan slutet av 1800-talet har elektriska maskinstrukturer använts för att omvandla likspänning till växelspänning. De består av en elektrisk likströmsmotor som drivs av ett batteri eller ett batteripaket och en växelströmsgenerator vars ankare roteras av motordrivningen.

I vissa enheter lindades generatorlindningen direkt på motorns gemensamma rotor. Denna metod ändrar inte bara formen på signalen, utan ökar också som regel amplituden eller frekvensen på spänningen.

Om tre lindningar belägna vid 120 grader lindas på generatorns ankare, erhålls med dess hjälp en ekvivalent symmetrisk trefasspänning.

Umformers användes i stor utsträckning fram till 1970-talet för radiolampor, utrustning för trolleybussar, spårvagnar, elektriska lokomotiv före massintroduktionen av halvledarelement.

Inverter-omvandlare

Funktionsprincip

Som underlag för övervägande tar vi KU202-tyristortestkretsen från ett batteri och en glödlampa.

En normalt stängd kontakt på SA1-knappen och en lågeffektsglödlampa är inbyggd i kretsen för att tillföra batteriets positiva potential till anoden. Styrelektroden är ansluten via en strömbegränsare och en öppen kontakt på SA2-knappen. Katoden är ordentligt ansluten till batteriets minus.

Om du vid tidpunkten t1 trycker på knappen SA2 kommer strömmen att flyta till katoden genom styrelektrodens krets, vilket öppnar tyristorn och lampan som ingår i anodgrenen tänds. På grund av designegenskaperna hos denna tyristor kommer den att fortsätta att brinna även när kontakt SA2 är öppen.

Nu vid tidpunkten t2 trycker vi på knappen SA1.Anodens matningskrets stängs av och ljuset slocknar på grund av att strömflödet genom den stoppar.

Grafen för den presenterade bilden visar att en likström passerade genom tidsintervallet t1 ÷ t2. Om du byter knappar mycket snabbt, kan du bilda rektangulär puls med ett positivt tecken. På samma sätt kan du skapa en negativ impuls. För detta ändamål räcker det att ändra kretsen något för att låta strömmen flyta i motsatt riktning.

En sekvens av två pulser med positiva och negativa värden skapar en vågform som kallas fyrkantvåg inom elektroteknik. Dess rektangulära form liknar ungefär en sinusvåg med två halvvågor med motsatta tecken.

Om vi ​​i det övervägda schemat ersätter knapparna SA1 och SA2 med reläkontakter eller transistoromkopplare och byter dem enligt en viss algoritm, kommer det att vara möjligt att automatiskt skapa en meanderformad ström och justera den till en viss frekvens, plikt cykel, punkt. Sådan omkoppling styrs av en speciell elektronisk styrkrets.

Blockschema över strömförsörjningssektionen

Som ett exempel, betrakta det enklaste primära systemet för en bryggväxelriktare.

Här, istället för en tyristor, hanterar speciellt utvalda fälttransistoromkopplare bildandet av en rektangulär puls. Belastningsmotståndet Rn ingår i diagonalen på deras brygga. Matningselektroderna för varje transistor «source» och «drain» är motsatt anslutna med shuntdioder, och styrkretsens utgångskontakter är anslutna till «gate».

På grund av den automatiska driften av styrsignalerna matas spänningspulser av olika varaktighet och tecken ut till lasten. Deras sekvens och egenskaper är skräddarsydda för de optimala parametrarna för utsignalen.

Under verkan av de applicerade spänningarna på det diagonala motståndet, med hänsyn till de transienta processerna, uppstår en ström, vars form redan är närmare en sinusoid än en meander.

Svårigheter i teknisk implementering

För att växelriktarnas strömkrets ska fungera bra är det nödvändigt att säkerställa tillförlitlig drift av styrsystemet, som är baserat på omkopplare. De är utrustade med bilaterala ledande egenskaper och bildas genom att shunta transistorer genom att ansluta omvända dioder.

För att justera amplituden på utspänningen används den oftast pulsbreddsmodulationsprincip genom att välja pulsarean för varje halvvåg med metoden för att kontrollera dess varaktighet. Utöver denna metod finns det enheter som arbetar med puls-amplitudomvandling.

I processen att bilda kretsarna för utspänningen uppstår en kränkning av halvvågornas symmetri, vilket negativt påverkar driften av induktiva belastningar. Detta märks mest med transformatorer.

Under driften av styrsystemet ställs en algoritm in för att generera nycklarna till strömkretsen, som inkluderar tre steg:

1. rak;

2. kortslutning;

3. vice versa.

I lasten är inte bara pulserande strömmar möjliga, utan också strömändringar i riktning, vilket skapar ytterligare störningar vid källklämmorna.

Typisk design

Bland de många olika tekniska lösningar som används för att skapa växelriktare är tre scheman vanliga, betraktade ur graden av ökad komplexitet:

1. bro utan transformator;

2. med transformatorns nolluttag;

3. bro med transformator.

Utgångsvågformer

Växelriktare är konstruerade för att leverera spänning:

• rektangulär;

• trapetsoid;

• stegade alternerande signaler;

• sinusoider.

Fasomvandlare

Industrin producerar elektriska motorer för att fungera under specifika driftsförhållanden, med hänsyn till ström från vissa typer av källor. Men i praktiken uppstår situationer då det av olika skäl är nödvändigt att ansluta en trefas asynkronmotor till ett enfasnät. Olika elektriska kretsar och anordningar har utvecklats för detta ändamål.

Energikrävande teknik

Statorn för en trefas asynkronmotor inkluderar tre lindningar som är lindade på ett visst sätt, belägna 120 grader från varandra, som var och en, när strömmen i dess spänningsfas appliceras på den, skapar sitt eget roterande magnetfält. Strömmarnas riktning är vald så att deras magnetiska flöden kompletterar varandra, vilket ger ömsesidig verkan för rotorns rotation.

När det bara finns en fas av matningsspänningen för en sådan motor, blir det nödvändigt att bilda tre strömkretsar från den, som var och en också skiftas med 120 grader. Annars kommer rotationen inte att fungera eller vara defekt.

Inom elektroteknik finns det två enkla sätt att rotera strömvektorn i förhållande till spänningen genom att ansluta till:

1. Induktiv belastning när strömmen börjar släpa efter spänningen med 90 grader;

2.Möjlighet att skapa en strömledare på 90 grader.

Bilden ovan visar att från en fas av spänningen Ua kan du få en ström förskjuten i en vinkel inte med 120, utan bara med 90 grader framåt eller bakåt. Dessutom kommer detta också att kräva val av kondensator- och chokeklassificering för att producera ett acceptabelt motordriftsläge.

I de praktiska lösningarna för sådana scheman stannar de oftast vid kondensatormetoden utan användning av induktiva motstånd. För detta ändamål applicerades matningsfasens spänning på en spole utan några transformationer och till den andra skiftades av kondensatorer. Resultatet blev acceptabelt vridmoment för motorn.

Men för att vrida rotorn var det nödvändigt att skapa ett extra vridmoment genom att ansluta den tredje lindningen genom startkondensatorer. Det är omöjligt att använda dem för konstant drift på grund av bildandet av stora strömmar i startkretsen, vilket snabbt skapar ökad uppvärmning. Därför slogs denna krets på kort för att vinna tröghetsmomentet för rotorrotationen.

Sådana system var lättare att implementera på grund av den enkla bildandet av kondensatorbanker med specificerade värden från individuella tillgängliga element. Men strypningarna var tvungna att beräknas och lindas oberoende, vilket är svårt att göra inte bara hemma.

De bästa förutsättningarna för motorns drift skapades dock med den komplexa anslutningen av kondensatorn och choken i olika faser med valet av riktningarna för strömmarna i lindningarna och användningen av strömdämpande motstånd. Med denna metod var förlusten av motoreffekt upp till 30 %.Utformningen av sådana omvandlare är dock inte ekonomiskt lönsam, eftersom de förbrukar mer elektricitet för drift än själva motorn.

Kondensatorns startkrets förbrukar också en ökad elhastighet, men i mindre utsträckning. Dessutom kan motorn som är ansluten till sin krets generera effekt drygt 50 % av den som skapas med en normal trefasförsörjning.

På grund av svårigheterna med att ansluta en trefasmotor till en enfasförsörjningskrets och de stora förlusterna av elektrisk och utgående effekt, har sådana omvandlare visat sin låga effektivitet, även om de fortsätter att arbeta i enskilda installationer och metallskärmaskiner.

Inverterenheter

Halvledarelement gjorde det möjligt att skapa mer rationella fasomvandlare producerade på industriell basis. Deras konstruktioner är vanligtvis utformade för att fungera i trefaskretsar, men de kan utformas för att fungera med ett stort antal strängar placerade i olika vinklar.

När omvandlarna drivs av en fas, utförs följande sekvens av tekniska operationer:

1. likriktning av enfasspänning genom en diodnod;

2. utjämning av vågorna från stabiliseringskretsen;

3. omvandling av likspänning till trefas på grund av inversionsmetoden.

I detta fall kan försörjningskretsen bestå av tre enfasiga delar som arbetar autonomt, som diskuterats tidigare, eller en gemensam, monterad till exempel enligt ett autonomt trefasväxelriktaromvandlingssystem som använder en gemensam neutral ledare.

Här driver varje fasbelastning sina egna par av halvledarelement, som styrs av ett gemensamt styrsystem. De skapar sinusformade strömmar i faserna av motstånden Ra, Rb, Rc, som är anslutna till den gemensamma matningskretsen genom den neutrala ledningen. Den lägger till de aktuella vektorerna från varje belastning.

Kvaliteten på approximationen av utsignalen till en ren sinusvågsform beror på den övergripande designen och komplexiteten hos den använda kretsen.

Frekvensomvandlare

På basis av växelriktare har enheter skapats som gör det möjligt att ändra frekvensen av sinusformade svängningar inom ett brett spektrum. För detta ändamål genomgår den 50 hertz elektricitet som levereras till dem följande förändringar:

• står upp

• stabilisering;

• högfrekvent spänningsomvandling.

Arbetet bygger på samma principer som de tidigare projekten, förutom att styrsystemet baserat på mikroprocessorkort genererar en utspänning med en ökad frekvens på tiotals kilohertz vid omvandlarens utgång.

Frekvensomvandling baserad på automatiska enheter gör att du optimalt kan justera driften av elmotorer vid tidpunkten för start, stopp och reversering, och det är bekvämt att ändra rotorns hastighet. Samtidigt minskar den skadliga effekten av transienter i det externa kraftnätet kraftigt.

Läs mer om det här: Frekvensomvandlare - typer, driftprincip, anslutningsscheman

Svetsning av växelriktare

Huvudsyftet med dessa spänningsomvandlare är att upprätthålla en stabil ljusbågsbränning och enkel kontroll av alla dess egenskaper, inklusive tändning.

För detta ändamål ingår flera block i växelriktarens design, som utför sekventiell exekvering:

• korrigering av trefas eller enfas spänning;

• stabilisering av parametrar genom filter;

• inversion av högfrekventa signaler från stabiliserad DC-spänning;

• omvandling till /h-spänning med en nedtrappningstransformator för att öka värdet på svetsströmmen;

• sekundär justering av utspänningen för svetsbågsbildning.

På grund av användningen av högfrekvent signalomvandling reduceras svetstransformatorns dimensioner kraftigt och material sparas för hela strukturen. Svetsning av växelriktare har stora fördelar i drift jämfört med sina elektromekaniska motsvarigheter.

Transformatorer: spänningsomvandlare

Inom elektroteknik och energi är transformatorer som arbetar enligt den elektromagnetiska principen fortfarande mest använda för att ändra amplituden på spänningssignalen.

De har två eller flera spolar och magnetisk krets, genom vilken magnetisk energi överförs för att omvandla inspänningen till en utspänning med ändrad amplitud.