Typer af elektrisk energikonvertering

Et stort antal husholdningsapparater og industrielle installationer i deres arbejde er drevet af elektrisk energi af forskellige typer. Det er skabt af mangfoldighed EMF og strømkilder.

Generatorsæt producerer enfaset eller trefaset strøm ved industriel frekvens, mens kemiske kilder producerer jævnstrøm. Samtidig opstår der i praksis ofte situationer, når en type elektricitet ikke er nok til driften af ​​visse enheder, og det er nødvendigt at udføre dens konvertering.

Til dette formål producerer industrien et stort antal elektriske enheder, der arbejder med forskellige parametre for elektrisk energi, og konverterer dem fra en type til en anden med forskellige spændinger, frekvens, antal faser og bølgeformer. I henhold til de funktioner, de udfører, er de opdelt i konverteringsenheder:

• enkel;

• med evnen til at justere udgangssignalet;

• udstyret med evnen til at stabilisere.

Klassificeringsmetoder

Af arten af ​​de udførte operationer er konvertere opdelt i enheder:

• stående

• vending af et eller flere stadier;

• ændringer i signalfrekvens;

• konvertering af antallet af faser af det elektriske system;

• ændring af spændingstypen.

I henhold til kontrolmetoderne for de nye algoritmer arbejder justerbare konvertere på:

• pulsprincippet, der anvendes i DC-kredsløb;

• fasemetode anvendt i harmoniske oscillatorkredsløb.

De enkleste konverterdesigns er muligvis ikke udstyret med en kontrolfunktion.

Alle konverteringsenheder kan bruge en af ​​følgende kredsløbstyper:

• fortov;

• nul;

• med eller uden transformer;

• med en, to, tre eller flere faser.

Korrigerende anordninger

Dette er den mest almindelige og gamle klasse af omformere, der giver dig mulighed for at få ensrettet eller stabiliseret jævnstrøm fra en vekslende sinusformet, normalt industriel frekvens.

Sjældne udstillinger

Enheder med lav effekt

For kun et par årtier siden blev selenstrukturer og vakuumbaserede enheder stadig brugt i radioteknik og elektroniske enheder.

Sådanne enheder er baseret på princippet om strømkorrektion fra et enkelt element i en selenplade. De blev sekventielt samlet til en enkelt struktur ved at montere adaptere. Jo højere spænding, der kræves til korrektion, jo flere sådanne elementer bruges. De var ikke særlig kraftige og kunne modstå en belastning på flere titusvis af milliampere.

Der blev skabt et vakuum i det forseglede glashus til lampens ensrettere. Det rummer elektroder: en anode og en katode med en filament, som sikrer strømmen af ​​termionisk stråling.

Sådanne lamper gav jævnstrøm til forskellige kredsløb af radiomodtagere og fjernsyn indtil slutningen af ​​forrige århundrede.

Ignitroner er kraftfulde enheder

I industrielle anordninger har anode-katode kviksølvionanordninger, der opererer efter princippet om kontrolleret lysbueladning, været udbredt i fortiden. De blev brugt, hvor det var nødvendigt at drive en jævnstrømsbelastning med en styrke på hundredvis af ampere ved en ensrettet spænding op til og med fem kilovolt.

Elektronstrøm blev brugt til strømstrøm fra katoden til anoden. Det er skabt af en bueudladning forårsaget i et eller flere områder af katoden, kaldet lysende katodepunkter. De dannes, når hjælpebuen tændes af tændelektroden, indtil hovedbuen antændes.

Til dette blev der skabt kortvarige impulser på nogle få millisekunder med en strømstyrke på op til snesevis af ampere. Ændring af formen og styrken af ​​pulserne gjorde det muligt at styre tændingsfunktionen.

Dette design giver god spændingsunderstøttelse under ensretning og ret høj effektivitet. Men den tekniske kompleksitet af designet og vanskeligheder i drift førte til afvisningen af ​​dets brug.

Halvlederenheder

dioder

Deres arbejde er baseret på princippet om strømledning i en retning på grund af egenskaberne af p-n-krydset dannet af kontakter mellem halvledermaterialer eller metal og halvleder.

Dioder sender kun strøm i en bestemt retning, og når en vekslende sinusformet harmonisk passerer gennem dem, afskærer de én halvbølge og er derfor meget brugt som ensrettere.

Moderne dioder produceres i et meget bredt udvalg og er udstyret med forskellige tekniske egenskaber.

Thyristorer

Tyristoren bruger fire ledende lag, der danner en mere kompleks halvlederstruktur end en diode med tre serieforbundne p-n-forbindelser J1, J2, J3. Kontakterne med det ydre lag «p» og «n» bruges som anode og katode, og med det indre lag som styreelektroden for UE, som bruges til at sætte tyristoren i gang og udføre regulering.

Ensretningen af ​​en sinusformet harmonisk udføres efter samme princip som for en halvlederdiode. Men for at tyristoren skal fungere, er det nødvendigt at tage højde for en vis egenskab - strukturen af ​​dens indre overgange skal være åben for passage af elektriske ladninger og ikke lukket.

Dette gøres ved at føre en strøm af en vis polaritet gennem drivelektroden. Billedet nedenfor viser måderne til at åbne tyristoren, der bruges samtidigt for at justere mængden af ​​strøm, der passerer på forskellige tidspunkter.

Når strømmen påføres gennem RE i det øjeblik, sinusoiden passerer gennem nulværdien, skabes en maksimal værdi, som gradvist aftager ved punkterne «1», «2», «3».

På denne måde justeres strømmen sammen med tyristorreguleringen. Triacs og power MOSFET'er og/eller AGBT'er i strømkredsløb fungerer på lignende måde. Men de udfører ikke funktionen med at korrigere strømmen og passerer den i begge retninger. Derfor bruger deres kontrolskemaer en ekstra pulsafbrydelsesalgoritme.

DC / DC konvertere

Disse designs gør det modsatte af ensrettere. De bruges til at generere sinusformet vekselstrøm fra jævnstrøm opnået fra kemiske strømkilder.

En sjælden udvikling

Siden slutningen af ​​det 19. århundrede er elektriske maskinstrukturer blevet brugt til at omdanne jævnspænding til vekselspænding. De består af en jævnstrøms elektrisk motor, som drives af et batteri eller en batteripakke og en AC-generator, hvis anker drejes af motordrevet.

I nogle enheder blev generatorviklingen viklet direkte på motorens fælles rotor. Denne metode ændrer ikke kun signalets form, men øger som regel også spændingens amplitude eller frekvens.

Hvis tre viklinger placeret ved 120 grader er viklet på generatorens anker, opnås med dens hjælp en tilsvarende symmetrisk trefasespænding.

Umformere blev meget brugt indtil 1970'erne til radiolamper, udstyr til trolleybusser, sporvogne, elektriske lokomotiver før masseintroduktionen af ​​halvlederelementer.

Inverter omformere

Driftsprincip

Som udgangspunkt for overvejelse tager vi KU202 tyristor testkredsløbet fra et batteri og en pære.

En normalt lukket kontakt på SA1-knappen og en laveffekt glødelampe er indbygget i kredsløbet for at levere batteriets positive potentiale til anoden. Styreelektroden er forbundet via en strømbegrænser og en åben kontakt på SA2-knappen. Katoden er fast forbundet med batteriets minus.

Hvis du på tidspunktet t1 trykker på knappen SA2, vil strømmen løbe til katoden gennem kontrolelektrodens kredsløb, som åbner tyristoren og lampen, der indgår i anodegrenen, vil lyse op. På grund af denne tyristors designfunktioner vil den fortsætte med at brænde, selv når kontakt SA2 er åben.

Nu på tidspunktet t2 trykker vi på knappen SA1.Anodens forsyningskredsløb vil slukke, og lyset vil gå ud på grund af det faktum, at strømstrømmen gennem den stopper.

Grafen for det præsenterede billede viser, at en jævnstrøm gik gennem tidsintervallet t1 ÷ t2. Hvis du skifter knapperne meget hurtigt, så kan du danne rektangulær puls med et positivt fortegn. På samme måde kan du skabe en negativ impuls. Til dette formål er det nok at ændre kredsløbet lidt for at lade strømmen strømme i den modsatte retning.

En sekvens af to impulser med positive og negative værdier skaber en bølgeform kaldet en firkantbølge i elektroteknik. Dens rektangulære form ligner nogenlunde en sinusbølge med to halvbølger med modsatte fortegn.

Hvis vi i den betragtede ordning erstatter knapperne SA1 og SA2 med relækontakter eller transistorkontakter og skifter dem i henhold til en bestemt algoritme, så vil det være muligt automatisk at oprette en bugtende strøm og justere den til en bestemt frekvens, pligt cyklus, punktum. Sådan omskiftning styres af et specielt elektronisk styrekredsløb.

Blokdiagram over strømforsyningssektionen

Som et eksempel kan du overveje det enkleste primære system af en bro-inverter.

Her, i stedet for en tyristor, beskæftiger særligt udvalgte felttransistoromskiftere sig med dannelsen af ​​en rektangulær impuls. Belastningsmodstanden Rn er inkluderet i diagonalen af ​​deres bro. Forsyningselektroderne til hver transistor «source» og «drain» er modsat forbundet med shuntdioder, og udgangskontakterne på styrekredsløbet er forbundet med «gate».

På grund af den automatiske drift af styresignalerne udsendes spændingsimpulser af forskellig varighed og fortegn til belastningen. Deres rækkefølge og karakteristika er skræddersyet til de optimale parametre for udgangssignalet.

Under påvirkning af de påførte spændinger på den diagonale modstand, under hensyntagen til de transiente processer, opstår der en strøm, hvis form allerede er tættere på en sinusoid end en meander.

Vanskeligheder ved teknisk implementering

For en god funktion af inverternes strømkredsløb er det nødvendigt at sikre pålidelig drift af styresystemet, som er baseret på omskifterkontakter. De er udstyret med bilaterale ledende egenskaber og er dannet ved at shunte transistorer ved at forbinde omvendte dioder.

For at justere amplituden af ​​udgangsspændingen bruges den oftest pulsbreddemodulationsprincip ved at vælge pulsområdet for hver halvbølge ved hjælp af metoden til at styre dens varighed. Ud over denne metode er der enheder, der arbejder med puls-amplitudekonvertering.

I processen med at danne udgangsspændingens kredsløb opstår der en krænkelse af halvbølgernes symmetri, hvilket negativt påvirker driften af ​​induktive belastninger. Dette er mest mærkbart med transformere.

Under driften af ​​kontrolsystemet indstilles en algoritme til generering af nøglerne til strømkredsløbet, som omfatter tre trin:

1. lige;

2. kortslutning;

3. omvendt.

I belastningen er ikke kun pulserende strømme mulige, men også strømændringer i retning, hvilket skaber yderligere forstyrrelser ved kildeterminalerne.

Typisk design

Blandt de mange forskellige teknologiske løsninger, der bruges til at skabe invertere, er tre skemaer almindelige, betragtet ud fra et synspunkt om graden af ​​stigning i kompleksitet:

1. bro uden transformer;

2. med transformatorens neutrale terminal;

3. bro med transformer.

Output bølgeformer

Invertere er designet til at levere spænding:

• rektangulær;

• trapez;

• trinvise vekslende signaler;

• sinusoider.

Faseomformere

Industrien producerer elektriske motorer til at fungere under specifikke driftsforhold under hensyntagen til strøm fra visse typer kilder. Men i praksis opstår der situationer, hvor det af forskellige årsager er nødvendigt at tilslutte en trefaset asynkronmotor til et enfaset netværk. Forskellige elektriske kredsløb og enheder er blevet udviklet til dette formål.

Energikrævende teknologier

Statoren til en trefaset asynkronmotor inkluderer tre viklinger, der er viklet på en bestemt måde, placeret 120 grader fra hinanden, som hver, når strømmen af ​​dens spændingsfase påføres den, skaber sit eget roterende magnetfelt. Strømmenes retning er valgt således, at deres magnetiske fluxer komplementerer hinanden, hvilket giver gensidig handling for rotorens rotation.

Når der kun er en fase af forsyningsspændingen til en sådan motor, bliver det nødvendigt at danne tre strømkredsløb fra den, som hver også er forskudt med 120 grader. Ellers vil rotationen ikke fungere eller være defekt.

I elektroteknik er der to enkle måder at rotere strømvektoren i forhold til spændingen ved at forbinde til:

1. Induktiv belastning, når strømmen begynder at forsinke spændingen med 90 grader;

2.Mulighed for at skabe en strømleder på 90 grader.

Ovenstående billede viser, at fra en fase af spændingen Ua kan du få en strøm forskudt i en vinkel ikke med 120, men kun med 90 grader fremad eller bagud. Derudover vil dette også kræve valg af kondensator og choker for at producere en acceptabel motordriftstilstand.

I de praktiske løsninger af sådanne ordninger stopper de oftest ved kondensatormetoden uden brug af induktive modstande. Til dette formål blev forsyningsfasens spænding påført den ene spole uden nogen transformationer og til den anden forskudt af kondensatorer. Resultatet var et acceptabelt drejningsmoment for motoren.

Men for at dreje rotoren var det nødvendigt at skabe et ekstra drejningsmoment ved at forbinde den tredje vikling gennem startkondensatorer. Det er umuligt at bruge dem til konstant drift på grund af dannelsen af ​​store strømme i startkredsløbet, som hurtigt skaber øget opvarmning. Derfor blev dette kredsløb kortvarigt tændt for at opnå inertimomentet for rotorrotationen.

Sådanne ordninger var lettere at implementere på grund af den enkle dannelse af kondensatorbanker med specificerede værdier fra individuelle tilgængelige elementer. Kvælerne skulle dog beregnes og vikles uafhængigt, hvilket er svært at gøre ikke kun derhjemme.

Imidlertid blev de bedste betingelser for driften af ​​motoren skabt med den komplekse forbindelse af kondensatoren og chokeren i forskellige faser med valg af retningerne af strømmene i viklingerne og brugen af ​​strømundertrykkende modstande. Med denne metode var tabet af motorkraft op til 30 %.Imidlertid er design af sådanne omformere ikke økonomisk rentable, da de bruger mere elektricitet til drift end selve motoren.

Kondensatorstartkredsløbet bruger også en øget strømhastighed, men i mindre grad. Derudover er motoren, der er tilsluttet dens kredsløb, i stand til at generere strøm lidt over 50 % af den, der skabes med en normal trefaset forsyning.

På grund af vanskelighederne ved at forbinde en trefaset motor til et enfaset forsyningskredsløb og de store tab af elektrisk og udgangseffekt, har sådanne omformere vist deres lave effektivitet, selvom de fortsætter med at arbejde i individuelle installationer og metalskæringsmaskiner.

Inverter enheder

Halvlederelementer gjorde det muligt at skabe mere rationelle fasekonvertere produceret på industriel basis. Deres design er normalt designet til at fungere i trefasede kredsløb, men de kan designes til at fungere med et stort antal strenge placeret i forskellige vinkler.

Når omformerne er drevet af en fase, udføres følgende sekvens af teknologiske operationer:

1. ensretning af enfaset spænding ved hjælp af en diode node;

2. udjævning af bølgerne fra stabiliseringskredsløbet;

3. konvertering af jævnspænding til trefaset på grund af inversionsmetoden.

I dette tilfælde kan forsyningskredsløbet bestå af tre enfasede dele, der arbejder autonomt, som diskuteret tidligere, eller en fælles, samlet, for eksempel i henhold til et autonomt trefaset inverterkonverteringssystem ved hjælp af en neutral fællesleder.

Her driver hver fasebelastning sine egne par af halvlederelementer, som styres af et fælles styresystem. De skaber sinusformede strømme i faserne af modstandene Ra, Rb, Rc, som er forbundet til det fælles forsyningskredsløb gennem den neutrale ledning. Den tilføjer de aktuelle vektorer fra hver belastning.

Kvaliteten af ​​tilnærmelsen af ​​udgangssignalet til en ren sinusbølgeform afhænger af det overordnede design og kompleksiteten af ​​det anvendte kredsløb.

Frekvensomformere

På basis af invertere er der blevet skabt enheder, der gør det muligt at ændre frekvensen af ​​sinusformede svingninger i et bredt område. Til dette formål gennemgår den 50 hertz elektricitet, der leveres til dem, følgende ændringer:

• stående

• stabilisering;

• højfrekvent spændingskonvertering.

Arbejdet er baseret på de samme principper fra de tidligere projekter, bortset fra at styresystemet baseret på mikroprocessorkort genererer en udgangsspænding med en øget frekvens på ti kilohertz ved udgangen af ​​konverteren.

Frekvenskonvertering baseret på automatiske enheder giver dig mulighed for optimalt at justere driften af ​​elektriske motorer på tidspunktet for start, stop og vending, og det er praktisk at ændre rotorens hastighed. Samtidig er den skadelige påvirkning af transienter i det eksterne strømnetværk kraftigt reduceret.

Læs mere om det her: Frekvensomformer - typer, driftsprincip, tilslutningsskemaer

Svejse invertere

Hovedformålet med disse spændingsomformere er at opretholde en stabil lysbueforbrænding og nem kontrol over alle dens egenskaber, inklusive tænding.

Til dette formål er flere blokke inkluderet i inverterens design, som udfører sekventiel udførelse:

• korrektion af trefaset eller enkeltfaset spænding;

• stabilisering af parametre gennem filtre;

• inversion af højfrekvente signaler fra stabiliseret jævnspænding;

• konvertering til / h spænding ved hjælp af en step-down transformer for at øge værdien af ​​svejsestrømmen;

• sekundær justering af udgangsspænding for svejsebuedannelse.

På grund af brugen af ​​højfrekvent signalkonvertering reduceres dimensionerne af svejsetransformatoren kraftigt, og der spares materialer til hele strukturen. Svejse invertere har store fordele i drift i forhold til deres elektromekaniske modstykker.

Transformere: spændingsomformere

Inden for elektroteknik og energi er transformatorer, der fungerer efter det elektromagnetiske princip, stadig mest brugt til at ændre amplituden af ​​spændingssignalet.

De har to eller flere spoler og magnetisk kredsløb, hvorigennem magnetisk energi transmitteres for at konvertere indgangsspændingen til en udgangsspænding med ændret amplitude.