Elektros energijos konvertavimo rūšys

Daugybė buitinių prietaisų ir pramoninių įrenginių jų darbe yra maitinami elektros energija skirtingų tipų. Jį sukuria daugybė EMF ir srovės šaltiniai.

Generatoriai gamina vienfazę arba trifazę srovę pramoniniu dažniu, o cheminiai šaltiniai gamina nuolatinę srovę. Tuo pačiu praktikoje dažnai pasitaiko situacijų, kai vienos rūšies elektros energijos neužtenka tam tikriems prietaisams veikti ir reikia atlikti jos konversiją.

Šiam tikslui pramonė gamina daugybę elektros prietaisų, kurie dirba su skirtingais elektros energijos parametrais, paverčiant juos iš vieno tipo į kitą su skirtinga įtampa, dažniu, fazių skaičiumi ir bangų formomis. Pagal atliekamas funkcijas jie skirstomi į konvertavimo įrenginius:

• paprastas;

• su galimybe reguliuoti išėjimo signalą;

• apdovanotas gebėjimu stabilizuotis.

Klasifikavimo metodai

Pagal atliekamų operacijų pobūdį keitikliai skirstomi į įrenginius:

• atsistojus

• vienos ar kelių etapų apvertimas;

• signalo dažnio pokyčiai;

• elektros sistemos fazių skaičiaus perskaičiavimas;

• keičiant įtampos tipą.

Pagal naujų algoritmų valdymo metodus reguliuojami keitikliai veikia:

• nuolatinės srovės grandinėse naudojamas impulsų principas;

• fazinis metodas, naudojamas harmoninių generatorių grandinėse.

Paprasčiausių keitiklių konstrukcijose gali nebūti valdymo funkcijos.

Visi konvertavimo įrenginiai gali naudoti vieną iš šių grandinių tipų:

• šaligatvis;

• nulis;

• su transformatoriumi arba be jo;

• su viena, dviem, trimis ar daugiau fazių.

Korekciniai prietaisai

Tai labiausiai paplitusi ir seniausia keitiklių klasė, leidžianti gauti ištaisytą arba stabilizuotą nuolatinę srovę iš kintamo sinusinio, dažniausiai pramoninio dažnio.

Reti eksponatai

Mažos galios įrenginiai

Tik prieš kelis dešimtmečius seleno konstrukcijos ir vakuuminiai prietaisai vis dar buvo naudojami radijo inžinerijoje ir elektroniniuose prietaisuose.

Tokie prietaisai yra pagrįsti srovės korekcijos principu iš vieno seleno plokštės elemento. Jie buvo nuosekliai surenkami į vieną struktūrą, pritvirtinant adapterius. Kuo didesnė įtampa reikalinga korekcijai, tuo daugiau tokių elementų naudojama. Jie nebuvo labai galingi ir atlaikė kelių dešimčių miliamperų apkrovą.

Lempos lygintuvų sandariame stikliniame korpuse buvo sukurtas vakuumas. Jame yra elektrodai: anodas ir katodas su kaitinimo siūlu, kurie užtikrina termojoninės spinduliuotės srautą.

Tokios lempos iki praėjusio amžiaus pabaigos tiekė nuolatinę srovę įvairioms radijo imtuvų ir televizorių grandinėms.

Ignitronai yra galingi prietaisai

Pramoniniuose įrenginiuose anodiniai katodiniai gyvsidabrio jonų įrenginiai, veikiantys valdomo lanko įkrovimo principu, anksčiau buvo plačiai naudojami. Jie buvo naudojami ten, kur reikėjo veikti šimtų amperų nuolatinės srovės apkrovą esant ištaisytai įtampai iki penkių kilovoltų imtinai.

Elektronų srautas buvo naudojamas srovės srautui nuo katodo iki anodo. Jį sukuria lankinis išlydis, atsirandantis vienoje ar keliose katodo srityse, vadinamose šviečiančiomis katodo dėmėmis. Jie susidaro, kai uždegimo elektrodu įjungiamas pagalbinis lankas, kol užsidega pagrindinis lankas.

Tam buvo sukurti trumpalaikiai kelių milisekundžių impulsai, kurių srovės stiprumas siekė iki dešimčių amperų. Pakeitus impulsų formą ir stiprumą, buvo galima valdyti uždegiklio veikimą.

Ši konstrukcija užtikrina gerą įtampos palaikymą ištaisymo metu ir gana didelį efektyvumą. Tačiau dėl techninio dizaino sudėtingumo ir eksploatavimo sunkumų jo naudojimas buvo atmestas.

Puslaidininkiniai įtaisai

Diodai

Jų darbas grindžiamas srovės laidumo viena kryptimi principu dėl puslaidininkinių medžiagų arba metalo ir puslaidininkio kontaktų suformuotos p-n sandūros savybių.

Diodai praleidžia srovę tik tam tikra kryptimi, o kai per juos praeina kintamoji sinusoidinė harmonika, jie nukerta vieną pusbangę, todėl plačiai naudojami kaip lygintuvai.

Šiuolaikiniai diodai gaminami labai plačiu asortimentu ir pasižymi įvairiomis techninėmis charakteristikomis.

Tiristoriai

Tiristorius naudoja keturis laidžius sluoksnius, kurie sudaro sudėtingesnę puslaidininkio struktūrą nei diodas su trimis nuosekliai sujungtomis p-n jungtimis J1, J2, J3. Kontaktai su išoriniu sluoksniu "p" ir "n" naudojami kaip anodas ir katodas, o vidinis sluoksnis - kaip UE valdymo elektrodas, kuris naudojamas tiristoriaus įjungimui ir reguliavimui.

Sinusinės harmonikos ištaisymas atliekamas tuo pačiu principu kaip ir puslaidininkinis diodas. Tačiau norint, kad tiristorius veiktų, reikia atsižvelgti į tam tikrą charakteristiką - jo vidinių perėjimų struktūra turi būti atvira elektros krūviams praeiti, o ne uždara.

Tai atliekama tam tikro poliškumo srovę praleidžiant per varantįjį elektrodą. Žemiau esančioje nuotraukoje parodyti tiristoriaus atidarymo būdai, naudojami vienu metu, norint reguliuoti skirtingu metu praleistos srovės kiekį.

Kai srovė teka per RE tuo momentu, kai sinusoidas praeina per nulinę reikšmę, sukuriama maksimali vertė, kuri palaipsniui mažėja taškuose «1», «2», «3».

Tokiu būdu srovė reguliuojama kartu su tiristoriaus reguliavimu. Triacai ir galios MOSFET ir (arba) AGBT maitinimo grandinėse veikia panašiai. Bet jie neatlieka srovės ištaisymo funkcijos, perduodant ją abiem kryptimis. Todėl jų valdymo schemose naudojamas papildomas impulsų pertraukimo algoritmas.

DC / DC keitikliai

Šios konstrukcijos veikia priešingai nei lygintuvai. Jie naudojami generuoti kintamąją sinusoidinę srovę iš nuolatinės srovės, gaunamos iš cheminių srovės šaltinių.

Retas vystymasis

Nuo XIX amžiaus pabaigos elektros mašinų konstrukcijos buvo naudojamos nuolatinei įtampai paversti kintamąja įtampa. Jie susideda iš nuolatinės srovės elektros variklio, kurį maitina akumuliatorius arba akumuliatorių blokas, ir kintamosios srovės generatoriaus, kurio armatūra sukasi variklio pavara.

Kai kuriuose įrenginiuose generatoriaus apvija buvo suvyniota tiesiai ant bendro variklio rotoriaus. Šis metodas ne tik pakeičia signalo formą, bet ir, kaip taisyklė, padidina įtampos amplitudę arba dažnį.

Jei ant generatoriaus armatūros suvyniotos trys apvijos, esančios 120 laipsnių kampu, tada su jo pagalba gaunama lygiavertė simetriška trifazė įtampa.

Umformeriai buvo plačiai naudojami iki aštuntojo dešimtmečio radijo lempoms, troleibusų, tramvajų, elektrinių lokomotyvų įrangai, kol masiškai buvo naudojami puslaidininkiniai elementai.

Inverteriniai keitikliai

Veikimo principas

Atsižvelgdami į tai, mes paimame KU202 tiristoriaus bandymo grandinę iš akumuliatoriaus ir lemputės.

Paprastai uždaras SA1 mygtuko kontaktas ir mažos galios kaitrinė lempa yra įmontuoti į grandinę, kad būtų tiekiamas teigiamas akumuliatoriaus potencialas į anodą. Valdymo elektrodas yra prijungtas per srovės ribotuvą ir atvirą SA2 mygtuko kontaktą. Katodas yra tvirtai prijungtas prie neigiamo akumuliatoriaus.

Jei momentu t1 paspausite mygtuką SA2, srovė tekės į katodą per valdymo elektrodo grandinę, kuri atidarys tiristorių ir užsidegs anodo šakoje esanti lemputė. Dėl šio tiristoriaus konstrukcijos ypatybių jis degs net tada, kai kontaktas SA2 yra atidarytas.

Dabar t2 metu paspaudžiame mygtuką SA1.Anodo maitinimo grandinė išsijungs ir lemputė užges dėl to, kad srovė per ją nutrūks.

Pateikto paveikslo grafikas rodo, kad nuolatinė srovė praėjo per laiko intervalą t1 ÷ t2. Jei labai greitai perjungsite mygtukus, galėsite formuoti stačiakampis pulsas su teigiamu ženklu. Panašiai galite sukurti neigiamą impulsą. Šiuo tikslu pakanka šiek tiek pakeisti grandinę, kad srovė tekėtų priešinga kryptimi.

Dviejų impulsų seka su teigiamomis ir neigiamomis reikšmėmis sukuria bangos formą, vadinamą kvadratine banga elektrotechnikoje. Jo stačiakampė forma maždaug primena sinusinę bangą su dviem priešingų ženklų pusbangėmis.

Jeigu nagrinėjamoje schemoje mygtukus SA1 ir SA2 pakeisime reliniais kontaktais arba tranzistoriniais jungikliais ir juos perjungsime pagal tam tikrą algoritmą, tuomet bus galima automatiškai sukurti meandro formos srovę ir pritaikyti ją prie tam tikro dažnio, darbo. ciklas, laikotarpis. Toks perjungimas valdomas specialia elektronine valdymo grandine.

Maitinimo skyriaus blokinė schema

Kaip pavyzdį apsvarstykite paprasčiausią pirminę tiltinio keitiklio sistemą.

Čia vietoj tiristoriaus specialiai parinkti lauko tranzistoriniai jungikliai susidoroja su stačiakampio impulso formavimu. Apkrovos varža Rn yra įtraukta į jų tilto įstrižainę. Kiekvieno tranzistoriaus „šaltinis“ ir „nutekėjimas“ tiekimo elektrodai yra priešingai sujungti su šunto diodais, o valdymo grandinės išėjimo kontaktai yra prijungti prie „vartų“.

Dėl automatinio valdymo signalų veikimo į apkrovą išvedami skirtingos trukmės ir ženklo įtampos impulsai. Jų seka ir charakteristikos yra pritaikytos optimaliems išėjimo signalo parametrams.

Veikiant įstrižainės varžai taikomoms įtampoms, atsižvelgiant į pereinamuosius procesus, atsiranda srovė, kurios forma jau yra arčiau sinusoidės nei meandros.

Techninio įgyvendinimo sunkumai

Kad keitiklių maitinimo grandinė gerai veiktų, būtina užtikrinti patikimą valdymo sistemos, pagrįstos perjungimo jungikliais, veikimą. Jie pasižymi dvišalėmis laidumo savybėmis ir yra formuojami manevruojant tranzistorius, jungiant atvirkštinius diodus.

Dažniausiai naudojama išėjimo įtampos amplitudės reguliavimui impulsų pločio moduliavimo principas pasirenkant kiekvienos pusės bangos impulso plotą jo trukmės valdymo būdu. Be šio metodo, yra įrenginių, kurie veikia su impulsų amplitudės konvertavimu.

Formuojant išėjimo įtampos grandines, pažeidžiama pusinių bangų simetrija, o tai neigiamai veikia indukcinių apkrovų veikimą. Tai labiausiai pastebima naudojant transformatorius.

Valdymo sistemos veikimo metu nustatomas maitinimo grandinės raktų generavimo algoritmas, kurį sudaro trys etapai:

1. tiesus;

2. trumpasis jungimas;

3. atvirkščiai.

Apkrovoje galimos ne tik pulsuojančios, bet ir kryptį kintančios srovės, kurios sukuria papildomus trikdžius šaltinio gnybtuose.

Tipiškas dizainas

Tarp daugelio skirtingų technologinių sprendimų, naudojamų kuriant keitiklius, bendros trys schemos, atsižvelgiant į sudėtingumo padidėjimo laipsnį:

1. tiltas be transformatoriaus;

2. su neutraliu transformatoriaus gnybtu;

3. tiltelis su transformatoriumi.

Išvesties bangos formos

Inverteriai skirti tiekti įtampą:

• stačiakampis;

• trapecijos formos;

• pakopiniai kintamieji signalai;

• sinusoidės.

Fazių keitikliai

Pramonė gamina elektros variklius, kad jie veiktų tam tikromis eksploatavimo sąlygomis, atsižvelgiant į tam tikrų tipų šaltinių energiją. Tačiau praktikoje pasitaiko situacijų, kai dėl įvairių priežasčių reikia trifazį asinchroninį variklį prijungti prie vienfazio tinklo. Tam buvo sukurtos įvairios elektros grandinės ir prietaisai.

Energijai imlios technologijos

Trifazio asinchroninio variklio statoriuje yra trys tam tikru būdu suvyniotos apvijos, esančios 120 laipsnių viena nuo kitos, kurių kiekviena, kai į ją patenka įtampos fazės srovė, sukuria savo besisukančią magnetinį lauką. Srovių kryptis parenkama taip, kad jų magnetiniai srautai papildytų vienas kitą, užtikrindami abipusį poveikį rotoriaus sukimuisi.

Kai tokiam varikliui yra tik viena maitinimo įtampos fazė, iš jo reikia sudaryti tris srovės grandines, kurių kiekviena taip pat pasislenka 120 laipsnių. Priešingu atveju sukimasis neveiks arba bus sugedęs.

Elektros inžinerijoje yra du paprasti būdai, kaip pasukti srovės vektorių, palyginti su įtampa, prijungiant prie:

1. indukcinė apkrova, kai srovė pradeda atsilikti nuo įtampos 90 laipsnių;

2.Galimybė sukurti 90 laipsnių srovės laidininką.

Aukščiau pateiktoje nuotraukoje parodyta, kad iš vienos įtampos Ua fazės galite gauti srovę, nukreiptą kampu ne 120, o tik 90 laipsnių į priekį arba atgal. Be to, norint sukurti priimtiną variklio veikimo režimą, reikės pasirinkti kondensatorių ir droselio nominalus.

Praktiniuose tokių schemų sprendimuose jie dažniausiai sustoja ties kondensatoriaus metodu, nenaudojant indukcinių varžų. Šiuo tikslu į vieną ritę be jokių transformacijų buvo padėta maitinimo fazės įtampa, o į kitą – perstumiama kondensatoriais. Rezultatas buvo priimtinas variklio sukimo momentas.

Bet norint pasukti rotorių, reikėjo sukurti papildomą sukimo momentą, prijungiant trečiąją apviją per paleidimo kondensatorius. Neįmanoma jų naudoti nuolatiniam darbui, nes paleidimo grandinėje susidaro didelės srovės, kurios greitai padidina šildymą. Todėl ši grandinė buvo trumpam įjungta, kad būtų įgytas rotoriaus sukimosi inercijos momentas.

Tokias schemas buvo lengviau įgyvendinti, nes iš atskirų turimų elementų buvo paprasčiausiai suformuoti tam tikrų verčių kondensatorių bankai. Tačiau droselius teko skaičiuoti ir vynioti savarankiškai, o tai sunku padaryti ne tik namuose.

Tačiau geriausios sąlygos varikliui veikti buvo sukurtos sudėtingai sujungus kondensatorių ir droselį skirtingose ​​fazėse, parenkant srovių kryptis apvijose ir naudojant srovę slopinančius rezistorius. Taikant šį metodą, variklio galios praradimas siekė iki 30%.Tačiau tokių keitiklių konstrukcijos nėra ekonomiškai pelningos, nes jie sunaudoja daugiau elektros energijos nei pats variklis.

Kondensatoriaus paleidimo grandinė taip pat sunaudoja padidintą elektros energijos kiekį, bet mažiau. Be to, variklis, prijungtas prie jo grandinės, gali generuoti šiek tiek daugiau nei 50% galios, kuri sukuriama naudojant įprastą trifazio maitinimo šaltinį.

Dėl sunkumų prijungiant trifazį variklį prie vienfazės maitinimo grandinės ir didelių elektros ir išėjimo galios nuostolių, tokie keitikliai parodė mažą efektyvumą, nors ir toliau dirba atskiruose įrenginiuose ir metalo pjovimo staklėse.

Inverteriniai įrenginiai

Puslaidininkiniai elementai leido sukurti racionalesnius fazių keitiklius, gaminamus pramoniniu pagrindu. Jų konstrukcijos paprastai yra skirtos veikti trifazėse grandinėse, tačiau jos gali būti suprojektuotos taip, kad veiktų su daugybe stygų, esančių skirtingais kampais.

Kai keitikliai maitinami viena faze, atliekama tokia technologinių operacijų seka:

1. vienfazės įtampos ištaisymas diodiniu mazgu;

2. stabilizavimo grandinės bangų išlyginimas;

3. nuolatinės įtampos pavertimas trifaze dėl inversijos metodo.

Šiuo atveju maitinimo grandinė gali būti sudaryta iš trijų vienfazių dalių, veikiančių autonomiškai, kaip buvo aptarta anksčiau, arba iš vienos bendros, surinktos, pavyzdžiui, pagal autonominę trifazio keitiklio konvertavimo sistemą, naudojant nulinį bendrą laidininką.

Čia kiekviena fazinė apkrova veikia savo puslaidininkinių elementų poromis, kurias valdo bendra valdymo sistema. Jie sukuria sinusines sroves varžų Ra, Rb, Rc fazėse, kurios per nulinį laidą yra prijungtos prie bendros maitinimo grandinės. Ji prideda srovės vektorius iš kiekvienos apkrovos.

Išvesties signalo aproksimavimo grynosios sinusinės bangos forma kokybė priklauso nuo bendros naudojamos grandinės konstrukcijos ir sudėtingumo.

Dažnio keitikliai

Inverterių pagrindu sukurti įrenginiai, leidžiantys plačiame diapazone keisti sinusinių virpesių dažnį. Šiuo tikslu jiems patiekiama 50 hercų elektros energija keičiami:

• atsistojus

• stabilizavimas;

• aukšto dažnio įtampos konvertavimas.

Darbas grindžiamas tais pačiais ankstesnių projektų principais, išskyrus tai, kad valdymo sistema, pagrįsta mikroprocesorinėmis plokštėmis, keitiklio išėjime generuoja išėjimo įtampą, kurios dažnis yra padidintas dešimčių kilohercų.

Dažnio keitimas, pagrįstas automatiniais įrenginiais, leidžia optimaliai reguliuoti elektros variklių darbą užvedimo, stabdymo ir atbulinės eigos metu, patogu keisti rotoriaus greitį. Tuo pačiu metu smarkiai sumažėja žalingas pereinamųjų procesų poveikis išoriniame elektros tinkle.

Daugiau apie tai skaitykite čia: Dažnio keitiklis - tipai, veikimo principas, prijungimo schemos

Suvirinimo inverteriai

Pagrindinis šių įtampos keitiklių tikslas yra išlaikyti stabilų lanko degimą ir lengvai valdyti visas jo charakteristikas, įskaitant uždegimą.

Šiuo tikslu į keitiklio konstrukciją įtraukti keli blokai, kurie atlieka nuoseklų vykdymą:

• trifazės arba vienfazės įtampos korekcija;

• parametrų stabilizavimas per filtrus;

• aukšto dažnio signalų inversija iš stabilizuotos nuolatinės srovės įtampos;

• konvertavimas į / h įtampą sumažintu transformatoriumi, siekiant padidinti suvirinimo srovės vertę;

• antrinis išėjimo įtampos reguliavimas suvirinimo lanko formavimui.

Naudojant aukšto dažnio signalo konvertavimą, suvirinimo transformatoriaus matmenys labai sumažėja ir sutaupoma medžiagų visai konstrukcijai. Suvirinimo inverteriai turi didelių pranašumų, palyginti su jų elektromechaniniais analogais.

Transformatoriai: įtampos keitikliai

Elektrotechnikoje ir energetikoje vis dar plačiausiai naudojami transformatoriai, veikiantys elektromagnetiniu principu, keisti įtampos signalo amplitudę.

Jie turi dvi ar daugiau ritinių ir magnetinė grandinė, per kurią perduodama magnetinė energija, kad įėjimo įtampa būtų paversta pakeistos amplitudės išėjimo įtampa.