Typer elektrisk energikonvertering

Et stort antall husholdningsapparater og industrielle installasjoner i deres arbeid er drevet av elektrisk energi av forskjellige typer. Det er skapt av mange EMF og strømkilder.

Generatorsett produserer enfase- eller trefasestrøm ved industriell frekvens, mens kjemiske kilder produserer likestrøm. Samtidig oppstår det i praksis ofte situasjoner når en type elektrisitet ikke er nok for driften av visse enheter, og det er nødvendig å utføre konverteringen.

For dette formålet produserer industrien et stort antall elektriske enheter som arbeider med forskjellige parametere for elektrisk energi, og konverterer dem fra en type til en annen med forskjellige spenninger, frekvens, antall faser og bølgeformer. I henhold til funksjonene de utfører, er de delt inn i konverteringsenheter:

• enkel;

• med muligheten til å justere utgangssignalet;

• utstyrt med evnen til å stabilisere seg.

Klassifiseringsmetoder

Av arten av operasjonene som utføres, er omformere delt inn i enheter:

• stå opp

• reversering av ett eller flere stadier;

• endringer i signalfrekvens;

• konvertering av antall faser av det elektriske systemet;

• endring av spenningstype.

I henhold til kontrollmetodene til de nye algoritmene fungerer justerbare omformere på:

• pulsprinsippet som brukes i DC-kretser;

• fasemetode som brukes i harmoniske oscillatorkretser.

De enkleste omformerdesignene er kanskje ikke utstyrt med en kontrollfunksjon.

Alle konverteringsenheter kan bruke en av følgende kretstyper:

• fortau;

• null;

• med eller uten transformator;

• med en, to, tre eller flere faser.

Korrigerende enheter

Dette er den vanligste og gamle klassen av omformere som lar deg få likerettet eller stabilisert likestrøm fra en vekslende sinusformet, vanligvis industriell frekvens.

Sjeldne utstillinger

Enheter med lav effekt

For bare noen tiår siden ble selenstrukturer og vakuumbaserte enheter fortsatt brukt i radioteknikk og elektroniske enheter.

Slike enheter er basert på prinsippet om strømkorreksjon fra et enkelt element i en selenplate. De ble sekvensielt satt sammen til en enkelt struktur ved å montere adaptere. Jo høyere spenning som kreves for korreksjon, jo flere slike elementer brukes. De var ikke særlig kraftige og tålte en belastning på flere titalls milliampere.

Det ble skapt et vakuum i det forseglede glasshuset til lampelikeretterne. Den rommer elektroder: en anode og en katode med en filament, som sikrer strømmen av termionisk stråling.

Slike lamper ga likestrøm for forskjellige kretser av radiomottakere og fjernsyn frem til slutten av forrige århundre.

Ignitroner er kraftige enheter

I industrielle enheter har anode-katode kvikksølvion-enheter som opererer etter prinsippet om kontrollert lysbueladning blitt mye brukt i det siste. De ble brukt der det var nødvendig å drive en DC-last med en styrke på hundrevis av ampere ved en likerettet spenning opp til og med fem kilovolt.

Elektronstrøm ble brukt for strømføring fra katoden til anoden. Det skapes av en bueutladning forårsaket i ett eller flere områder av katoden, kalt lysende katodeflekker. De dannes når hjelpebuen slås på av tenningselektroden til hovedbuen tenner.

For dette ble det laget kortvarige pulser på noen få millisekunder med en strømstyrke på opptil titalls ampere. Endring av form og styrke på pulsene gjorde det mulig å kontrollere driften av tenneren.

Denne utformingen gir god spenningsstøtte under retting og ganske høy effektivitet. Men den tekniske kompleksiteten til designet og vanskelighetene i drift førte til avvisning av bruken.

Halvlederenheter

Dioder

Deres arbeid er basert på prinsippet om strømledning i en retning på grunn av egenskapene til p-n-krysset dannet av kontakter mellom halvledermaterialer eller metall og halvleder.

Dioder passerer bare strøm i en bestemt retning, og når en vekslende sinusformet harmonisk passerer gjennom dem, avskjærer de en halvbølge og er derfor mye brukt som likerettere.

Moderne dioder produseres i et veldig bredt spekter og er utstyrt med forskjellige tekniske egenskaper.

Tyristorer

Tyristoren bruker fire ledende lag som danner en mer kompleks halvlederstruktur enn en diode med tre seriekoblede p-n-kryss J1, J2, J3. Kontaktene med det ytre laget «p» og «n» brukes som anode og katode, og med det indre laget som kontrollelektroden til UE, som brukes til å slå tyristoren i gang og utføre regulering.

Rettifiseringen av en sinusformet harmonisk utføres på samme prinsipp som for en halvlederdiode. Men for at tyristoren skal fungere, er det nødvendig å ta hensyn til en viss karakteristikk - strukturen til dens indre overganger må være åpen for passasje av elektriske ladninger, og ikke lukket.

Dette gjøres ved å føre en strøm av en viss polaritet gjennom drivelektroden. Bildet nedenfor viser måtene å åpne tyristoren som brukes samtidig for å justere mengden strøm som passerer til forskjellige tider.

Når strømmen påføres gjennom RE i øyeblikket for å føre sinusoiden gjennom nullverdien, opprettes en maksimal verdi, som gradvis avtar ved punktene «1», «2», «3».

På denne måten justeres strømmen sammen med tyristorreguleringen. Triac- og strøm-MOSFET-er og/eller AGBT-er i strømkretser fungerer på lignende måte. Men de utfører ikke funksjonen til å korrigere strømmen, passerer den i begge retninger. Derfor bruker deres kontrollskjemaer en ekstra pulsavbruddsalgoritme.

DC / DC omformere

Disse designene gjør det motsatte av likerettere. De brukes til å generere sinusformet vekselstrøm fra likestrøm hentet fra kjemiske strømkilder.

En sjelden utvikling

Siden slutten av 1800-tallet har elektriske maskinstrukturer blitt brukt til å konvertere likespenning til vekselspenning. De består av en likestrøms elektrisk motor som drives av et batteri eller batteripakke og en AC-generator hvis anker roteres av motordrevet.

I noen enheter ble generatorviklingen viklet direkte på den vanlige rotoren til motoren. Denne metoden endrer ikke bare formen på signalet, men øker som regel også amplituden eller frekvensen til spenningen.

Hvis tre viklinger plassert ved 120 grader er viklet på ankeret til generatoren, oppnås med dens hjelp en ekvivalent symmetrisk trefasespenning.

Umformers ble mye brukt frem til 1970-tallet for radiolamper, utstyr for trolleybusser, trikker, elektriske lokomotiver før masseintroduksjonen av halvlederelementer.

Inverter omformere

Driftsprinsipp

Som grunnlag for vurdering tar vi KU202 tyristor testkrets fra et batteri og en lyspære.

En normalt lukket kontakt på SA1-knappen og en laveffekt glødelampe er innebygd i kretsen for å levere det positive potensialet til batteriet til anoden. Styreelektroden er koblet til via en strømbegrenser og en åpen kontakt på SA2-knappen. Katoden er godt koblet til batteriets negative.

Hvis du på tidspunktet t1 trykker på knappen SA2, vil strømmen flyte til katoden gjennom kretsen til kontrollelektroden, som vil åpne tyristoren og lampen som er inkludert i anodegrenen vil lyse opp. På grunn av designfunksjonene til denne tyristoren vil den fortsette å brenne selv når kontakt SA2 er åpen.

Nå på tidspunkt t2 trykker vi på knappen SA1.Forsyningskretsen til anoden vil slå seg av og lyset vil gå ut på grunn av det faktum at strømmen av strøm gjennom den stopper.

Grafen til det presenterte bildet viser at en likestrøm gikk gjennom tidsintervallet t1 ÷ t2. Hvis du bytter knappene veldig raskt, kan du danne rektangulær puls med positivt fortegn. På samme måte kan du skape en negativ impuls. For dette formålet er det nok å endre kretsen litt for å la strømmen flyte i motsatt retning.

En sekvens av to pulser med positive og negative verdier skaper en bølgeform som kalles en firkantbølge i elektroteknikk. Dens rektangulære form ligner omtrent en sinusbølge med to halvbølger med motsatte fortegn.

Hvis vi i ordningen under vurdering erstatter knappene SA1 og SA2 med relékontakter eller transistorbrytere og bytter dem i henhold til en viss algoritme, vil det være mulig å automatisk lage en meanderformet strøm og justere den til en viss frekvens, plikt syklus, punktum. Slik svitsjing styres av en spesiell elektronisk kontrollkrets.

Blokkskjema over strømforsyningsseksjonen

Som et eksempel, vurder det enkleste primærsystemet til en broomformer.

Her, i stedet for en tyristor, håndterer spesielt utvalgte felttransistorbrytere dannelsen av en rektangulær puls. Lastmotstanden Rn er inkludert i diagonalen til broen deres. Tilførselselektrodene til hver transistor «source» og «drain» er motsatt forbundet med shuntdioder, og utgangskontaktene til kontrollkretsen er koblet til «gate».

På grunn av den automatiske driften av styresignalene, sendes spenningspulser av forskjellig varighet og fortegn ut til lasten. Deres sekvens og egenskaper er skreddersydd til de optimale parameterne for utgangssignalet.

Under påvirkning av de påførte spenningene på den diagonale motstanden, under hensyntagen til de transiente prosessene, oppstår en strøm, hvis form allerede er nærmere en sinusoid enn en meander.

Vanskeligheter med teknisk gjennomføring

For god funksjon av strømkretsen til omformerne, er det nødvendig å sikre pålitelig drift av kontrollsystemet, som er basert på brytere. De er utstyrt med bilaterale ledende egenskaper og dannes ved å shuntere transistorer ved å koble til reversdioder.

For å justere amplituden til utgangsspenningen, brukes den oftest pulsbreddemodulasjonsprinsipp ved å velge pulsområdet til hver halvbølge ved å kontrollere varigheten. I tillegg til denne metoden finnes det enheter som jobber med puls-amplitudekonvertering.

I prosessen med å danne kretsene til utgangsspenningen, oppstår et brudd på symmetrien til halvbølgene, noe som påvirker driften av induktive belastninger negativt. Dette er mest merkbart med transformatorer.

Under driften av kontrollsystemet settes en algoritme for å generere nøklene til strømkretsen, som inkluderer tre trinn:

1. rett;

2. kortslutning;

3. omvendt.

I lasten er ikke bare pulserende strømmer mulig, men også strømmer som endrer retning, noe som skaper ytterligere forstyrrelser ved kildeterminalene.

Typisk design

Blant de mange forskjellige teknologiske løsningene som brukes til å lage vekselrettere, er tre ordninger vanlige, sett fra synspunktet om graden av økning i kompleksitet:

1. bro uten transformator;

2. med den nøytrale terminalen til transformatoren;

3. bro med transformator.

Utgangsbølgeformer

Invertere er designet for å levere spenning:

• rektangulær;

• trapes;

• trinnvise vekslende signaler;

• sinusoider.

Faseomformere

Industrien produserer elektriske motorer for å operere under spesifikke driftsforhold, og tar hensyn til strøm fra visse typer kilder. Men i praksis oppstår det situasjoner når det av ulike årsaker er nødvendig å koble en trefaset asynkronmotor til et enfaset nettverk. Ulike elektriske kretser og enheter er utviklet for dette formålet.

Energikrevende teknologier

Statoren til en trefaset asynkronmotor inkluderer tre viklinger som er viklet på en bestemt måte, plassert 120 grader fra hverandre, som hver, når strømmen av spenningsfasen påføres den, skaper sitt eget roterende magnetfelt. Strømmenes retning er valgt slik at deres magnetiske flukser utfyller hverandre, og gir gjensidig handling for rotasjonen av rotoren.

Når det bare er en fase av forsyningsspenningen for en slik motor, blir det nødvendig å danne tre strømkretser fra den, som hver også er forskjøvet med 120 grader. Ellers vil ikke rotasjonen fungere eller være defekt.

I elektroteknikk er det to enkle måter å rotere strømvektoren i forhold til spenningen ved å koble til:

1. induktiv belastning når strømmen begynner å forsinke spenningen med 90 grader;

2.Evne til å lage en strømleder på 90 grader.

Bildet ovenfor viser at fra en fase av spenningen Ua kan du få en strøm forskjøvet i en vinkel ikke med 120, men bare 90 grader fremover eller bakover. I tillegg vil dette også kreve valg av kondensator- og chokeklassifisering for å gi en akseptabel motordriftsmodus.

I de praktiske løsningene til slike ordninger stopper de oftest ved kondensatormetoden uten bruk av induktive motstander. For dette formålet ble spenningen til forsyningsfasen påført en spole uten noen transformasjoner, og til den andre forskjøvet av kondensatorer. Resultatet var akseptabelt dreiemoment for motoren.

Men for å snu rotoren var det nødvendig å skape et ekstra dreiemoment ved å koble den tredje viklingen gjennom startkondensatorer. Det er umulig å bruke dem til konstant drift på grunn av dannelsen av store strømmer i startkretsen, som raskt skaper økt oppvarming. Derfor ble denne kretsen slått på kort for å få treghetsmomentet til rotorrotasjonen.

Slike ordninger var lettere å implementere på grunn av den enkle dannelsen av kondensatorbanker med spesifiserte verdier fra individuelle tilgjengelige elementer. Imidlertid måtte chokene beregnes og vikles uavhengig, noe som er vanskelig å gjøre ikke bare hjemme.

Imidlertid ble de beste forholdene for driften av motoren skapt med den komplekse tilkoblingen av kondensatoren og choken i forskjellige faser med valg av retningene til strømmene i viklingene og bruken av strømundertrykkende motstander. Med denne metoden var tapet av motorkraft opptil 30 %.Imidlertid er designene til slike omformere ikke økonomisk lønnsomme, siden de bruker mer strøm til drift enn selve motoren.

Kondensatorstartkretsen bruker også en økt strømhastighet, men i mindre grad. I tillegg er motoren koblet til sin krets i stand til å generere strøm i overkant av 50 % av det som skapes med en normal trefaseforsyning.

På grunn av vanskelighetene med å koble en trefasemotor til en enfaset forsyningskrets og de store tapene av elektrisk og utgangseffekt, har slike omformere vist sin lave effektivitet, selv om de fortsetter å fungere i individuelle installasjoner og metallskjæremaskiner.

Inverter enheter

Halvlederelementer gjorde det mulig å lage mer rasjonelle faseomformere produsert på industriell basis. Designene deres er vanligvis designet for å fungere i trefasekretser, men de kan designes for å fungere med et stort antall strenger plassert i forskjellige vinkler.

Når omformerne drives av én fase, utføres følgende sekvens av teknologiske operasjoner:

1. likeretting av enfasespenning med en diode node;

2. utjevning av bølgene fra stabiliseringskretsen;

3. konvertering av likespenning til trefase på grunn av inversjonsmetoden.

I dette tilfellet kan forsyningskretsen bestå av tre enfasede deler som fungerer autonomt, som diskutert tidligere, eller en felles, satt sammen for eksempel i henhold til et autonomt trefaset omformerkonverteringssystem ved bruk av en nøytral fellesleder.

Her driver hver faselast sine egne par med halvlederelementer, som styres av et felles kontrollsystem. De skaper sinusformede strømmer i fasene til motstandene Ra, Rb, Rc, som er koblet til den felles forsyningskretsen gjennom den nøytrale ledningen. Den legger til gjeldende vektorer fra hver last.

Kvaliteten på tilnærmingen av utgangssignalet til en ren sinusbølgeform avhenger av den generelle utformingen og kompleksiteten til kretsen som brukes.

Frekvensomformere

På grunnlag av omformere er det laget enheter som gjør det mulig å endre frekvensen av sinusformede oscillasjoner i et bredt spekter. For dette formålet gjennomgår 50 hertz-elektrisiteten som leveres til dem følgende endringer:

• stå opp

• stabilisering;

• høyfrekvent spenningskonvertering.

Arbeidet er basert på de samme prinsippene fra de tidligere prosjektene, bortsett fra at kontrollsystemet basert på mikroprosessorkort genererer en utgangsspenning med en økt frekvens på titalls kilohertz ved utgangen til omformeren.

Frekvenskonvertering basert på automatiske enheter lar deg optimalt justere driften av elektriske motorer ved start, stopp og reversering, og det er praktisk å endre hastigheten på rotoren. Samtidig reduseres den skadelige påvirkningen av transienter i det eksterne kraftnettet kraftig.

Les mer om det her: Frekvensomformer - typer, driftsprinsipp, tilkoblingsskjemaer

Sveisevekselrettere

Hovedformålet med disse spenningsomformerne er å opprettholde stabil lysbuebrenning og enkel kontroll over alle dens egenskaper, inkludert tenning.

For dette formålet er flere blokker inkludert i utformingen av omformeren, som utfører sekvensiell utførelse:

• korrigering av trefase eller enfase spenning;

• stabilisering av parametere gjennom filtre;

• inversjon av høyfrekvente signaler fra stabilisert likespenning;

• konvertering til / h spenning med en nedtrappingstransformator for å øke verdien av sveisestrømmen;

• sekundær justering av utgangsspenning for sveisebuedannelse.

På grunn av bruken av høyfrekvent signalkonvertering er dimensjonene til sveisetransformatoren kraftig redusert og materialer spart for hele strukturen. Sveisevekselrettere har store fordeler i drift sammenlignet med sine elektromekaniske motstykker.

Transformatorer: spenningsomformere

I elektroteknikk og energi er transformatorer som opererer etter det elektromagnetiske prinsippet fortsatt mest brukt for å endre amplituden til spenningssignalet.

De har to eller flere spoler og magnetisk krets, gjennom hvilken magnetisk energi overføres for å konvertere inngangsspenningen til en utgangsspenning med endret amplitude.