Врсте конверзије електричне енергије

Огроман број кућних апарата и индустријских инсталација у свом раду се напаја електрична енергија различитих типова. Ствара га мноштво ЕМФ и струјни извори.

Генераторски сетови производе једнофазну или трофазну струју индустријске фреквенције, док хемијски извори производе једносмерну струју. Истовремено, у пракси се често јављају ситуације када једна врста електричне енергије није довољна за рад одређених уређаја и потребно је извршити њену конверзију.

У ту сврху индустрија производи велики број електричних уређаја који раде са различитим параметрима електричне енергије, претварајући их из једне врсте у другу са различитим напонима, фреквенцијом, бројем фаза и таласним облицима. Према функцијама које обављају, деле се на уређаје за конверзију:

• једноставно;

• са могућношћу подешавања излазног сигнала;

• обдарен способношћу стабилизације.

Методе класификације

По природи извршених операција, претварачи су подељени на уређаје:

• стојећи

• преокрет једне или више фаза;

• промене фреквенције сигнала;

• конверзија броја фаза електричног система;

• промена типа напона.

Према контролним методама нових алгоритама, подесиви претварачи раде на:

• принцип импулса који се користи у ДЦ колима;

• фазни метод који се користи у колу хармонијских осцилатора.

Најједноставнији дизајни претварача можда нису опремљени контролном функцијом.

Сви уређаји за конверзију могу да користе један од следећих типова кола:

• тротоар;

• нула;

• са или без трансформатора;

• са једном, две, три или више фаза.

Корективни уређаји

Ово је најчешћа и стара класа претварача који вам омогућавају да добијете исправљену или стабилизовану једносмерну струју са наизменичне синусоидне, обично индустријске фреквенције.

Ретки експонати

Уређаји мале снаге

Пре само неколико деценија, селенске структуре и уређаји на бази вакуума су се још увек користили у радиотехници и електронским уређајима.

Такви уређаји се заснивају на принципу корекције струје из једног елемента селенске плоче. Они су узастопно састављени у једну структуру монтажним адаптерима. Што је већи напон потребан за корекцију, то се више таквих елемената користи. Нису били веома моћни и могли су да издрже оптерећење од неколико десетина милиампера.

Створен је вакуум у затвореном стакленом кућишту исправљача лампи. У њему се налазе електроде: анода и катода са филаментом, које обезбеђују проток термоионског зрачења.

Такве лампе су до краја прошлог века обезбеђивале једносмерну струју за разна кола радио пријемника и телевизора.

Игнитрони су моћни уређаји

У индустријским уређајима, у прошлости су се широко користили анодно-катодни уређаји са живиним јонима који раде на принципу контролисаног наелектрисања лука. Коришћени су тамо где је било потребно управљати једносмерним оптерећењем снаге од стотине ампера на исправљеном напону до укључујући пет киловолти.

Проток електрона је коришћен за проток струје од катоде до аноде. Настаје лучним пражњењем изазваним у једној или више области катоде, које се називају светлеће катодне мрље. Настају када се помоћни лук укључи од стране електроде за паљење док се главни лук не упали.

За ово су створени краткотрајни импулси од неколико милисекунди са јачином струје до десетина ампера. Промена облика и јачине импулса омогућила је контролу рада упаљача.

Овај дизајн обезбеђује добру подршку напона током исправљања и прилично високу ефикасност. Али техничка сложеност дизајна и потешкоће у раду довели су до одбијања његове употребе.

Полупроводнички уређаји

Диодес

Њихов рад се заснива на принципу провођења струје у једном правцу због особина п-н споја формираног контактима између полупроводничких материјала или метала и полупроводника.

Диоде само пропуштају струју у одређеном правцу, а када кроз њих прође наизменични синусоидни хармоник, оне прекидају један полуталас и стога се широко користе као исправљачи.

Модерне диоде се производе у веома широком распону и обдарене су различитим техничким карактеристикама.

тиристори

Тиристор користи четири проводна слоја који формирају сложенију полупроводничку структуру од диоде са три серијски повезана п-н споја Ј1, Ј2, Ј3. Контакти са спољним слојем «п» и «н» се користе као анода и катода, а са унутрашњим слојем као контролна електрода УЕ, која служи за пребацивање тиристора у радњу и вршење регулације.

Исправљање синусоидног хармоника се врши на истом принципу као и за полупроводничку диоду. Али да би тиристор радио, потребно је узети у обзир одређену карактеристику — структура његових унутрашњих прелаза мора бити отворена за пролаз електричних набоја, а не затворена.

Ово се постиже пропуштањем струје одређеног поларитета кроз погонску електроду. Фотографија испод приказује начине отварања тиристора који се истовремено користи за подешавање количине струје која пролази у различитим временима.

Када се струја примени кроз РЕ у тренутку проласка синусоиде кроз нулту вредност, ствара се максимална вредност која се постепено смањује у тачкама «1», «2», «3».

На овај начин се струја подешава заједно са тиристорском регулацијом. Тријаци и енергетски МОСФЕТ-ови и/или АГБТ-ови у струјним колима раде на сличан начин. Али они не обављају функцију исправљања струје, пролазећи је у оба смера. Због тога њихове шеме управљања користе додатни алгоритам прекида импулса.

ДЦ / ДЦ претварачи

Ови дизајни раде супротно од исправљача. Користе се за генерисање наизменичне синусоидне струје из једносмерне струје добијене из хемијских извора струје.

Редак развој

Од касног 19. века, структуре електричних машина су коришћене за претварање једносмерног у наизменични напон. Састоје се од електромотора једносмерне струје који се напаја батеријом или батеријским пакетом и генератора наизменичне струје чија се арматура ротира моторним погоном.

У неким уређајима, намотај генератора је био намотан директно на заједнички ротор мотора. Овај метод не само да мења облик сигнала, већ и, по правилу, повећава амплитуду или фреквенцију напона.

Ако се на арматуру генератора намотају три намотаја која се налазе под углом од 120 степени, онда се уз његову помоћ добија еквивалентни симетрични трофазни напон.

Умформери су били широко коришћени до 1970-их за радио лампе, опрему за тролејбусе, трамваје, електричне локомотиве пре масовног увођења полупроводничких елемената.

Инвертерски претварачи

Принцип рада

Као основу за разматрање, узимамо тестно коло тиристора КУ202 из батерије и сијалице.

Нормално затворени контакт дугмета СА1 и лампа са жарном нити мале снаге уграђени су у коло за снабдевање позитивног потенцијала батерије аноди. Контролна електрода је повезана преко граничника струје и отвореног контакта дугмета СА2. Катода је чврсто повезана са минусом батерије.

Ако у тренутку т1 притиснете дугме СА2, струја ће тећи до катоде кроз коло контролне електроде, која ће отворити тиристор и лампица укључена у анодну грану ће се упалити. Због карактеристика дизајна овог тиристора, он ће наставити да гори чак и када је контакт СА2 отворен.

Сада у тренутку т2 притиснемо дугме СА1.Круг напајања аноде ће се искључити и светло ће се угасити због чињенице да се проток струје кроз њега зауставља.

График приказане слике показује да је једносмерна струја прошла кроз временски интервал т1 ÷ т2. Ако брзо пребаците дугмад, онда можете формирати правоугаони пулс са позитивним предзнаком. Слично томе, можете створити негативан импулс. У ту сврху, довољно је мало променити коло како би се омогућило да струја тече у супротном смеру.

Низ од два импулса са позитивним и негативним вредностима ствара таласни облик који се у електротехници назива квадратни талас. Његов правоугаони облик отприлике подсећа на синусни талас са два полуталаса супротних предзнака.

Ако у шеми која се разматра заменимо дугмад СА1 и СА2 релејним контактима или транзисторским прекидачима и пребацимо их према одређеном алгоритму, тада ће бити могуће аутоматски креирати струју у облику меандра и прилагодити је одређеној фреквенцији, дужности циклус, тачка. Такво пребацивање контролише посебан електронски контролни круг.

Блок шема секције за напајање

Као пример, размотрите најједноставнији примарни систем мосног претварача.

Овде се, уместо тиристора, формирањем правоугаоног импулса баве посебно одабрани транзисторски прекидачи поља. Отпор оптерећења Рн је укључен у дијагоналу њиховог моста. Напајајуће електроде сваког транзистора «извор» и «одвод» су наспрамно повезане са шант диодама, а излазни контакти контролног кола су повезани са «капијом».

Због аутоматског рада управљачких сигнала, на оптерећење се излазе импулси напона различитог трајања и знака. Њихов редослед и карактеристике су прилагођене оптималним параметрима излазног сигнала.

Под дејством примењених напона на дијагонални отпор, узимајући у обзир прелазне процесе, настаје струја чији је облик већ ближи синусоиди него меандру.

Потешкоће у техничкој имплементацији

За добро функционисање струјног кола инвертера потребно је обезбедити поуздан рад управљачког система који се заснива на прекидачима. Они су обдарени билатералним проводним својствима и формирају се ранжирањем транзистора повезивањем реверзних диода.

За подешавање амплитуде излазног напона најчешће се користи принцип модулације ширине импулса одабиром пулсне области сваког полуталаса методом контроле његовог трајања. Поред ове методе, постоје уређаји који раде са конверзијом импулса-амплитуде.

У процесу формирања кола излазног напона долази до кршења симетрије полуталаса, што негативно утиче на рад индуктивних оптерећења. Ово је најуочљивије код трансформатора.

Током рада контролног система, поставља се алгоритам за генерисање кључева струјног кола, који укључује три фазе:

1. равно;

2. кратки спој;

3. обрнуто.

У оптерећењу су могуће не само пулсирајуће струје, већ и струје које се мењају у правцу, што ствара додатне сметње на терминалима извора.

Типичан дизајн

Међу многим различитим технолошким решењима која се користе за креирање претварача, уобичајене су три шеме, које се разматрају са становишта степена повећања сложености:

1. мост без трансформатора;

2. са неутралним терминалом трансформатора;

3. мост са трансформатором.

Излазни таласни облици

Инвертори су дизајнирани за напајање напоном:

• правоугаони;

• трапезоид;

• степенасти наизменични сигнали;

• синусоиди.

Фазни претварачи

Индустрија производи електромоторе за рад у специфичним условима рада, узимајући у обзир снагу из одређених врста извора. Међутим, у пракси се јављају ситуације када је из различитих разлога потребно прикључити трофазни асинхрони мотор на једнофазну мрежу. У ту сврху развијена су различита електрична кола и уређаји.

Енергетски интензивне технологије

Статор трофазног асинхроног мотора укључује три намотаја која су намотана на одређени начин, смештена 120 степени један од другог, од којих сваки, када се на њега примени струја његове напонске фазе, ствара сопствено ротационо магнетно поље. Правац струја је изабран тако да се њихови магнетни токови међусобно допуњују, обезбеђујући међусобно деловање за ротацију ротора.

Када постоји само једна фаза напона напајања за такав мотор, постаје неопходно да се из њега формирају три струјна кола, од којих је сваки такође померен за 120 степени. У супротном, ротација неће радити или ће бити неисправна.

У електротехници, постоје два једноставна начина за ротацију вектора струје у односу на напон повезивањем на:

1. индуктивно оптерећење када струја почне да заостаје за напоном за 90 степени;

2.Способност стварања струјног проводника од 90 степени.

Горња фотографија показује да из једне фазе напона Уа можете добити струју померену под углом не за 120, већ само за 90 степени напред или назад. Поред тога, ово ће такође захтевати избор капацитета кондензатора и пригушнице да би се произвео прихватљив режим рада мотора.

У практичним решењима оваквих шема најчешће се заустављају на кондензаторској методи без употребе индуктивних отпора. У ту сврху је напон фазе напајања примењен на један калем без икаквих трансформација, а на други, померен кондензаторима. Резултат је био прихватљив обртни момент за мотор.

Али да би се ротор окренуо, било је потребно створити додатни обртни момент повезивањем трећег намотаја кроз почетне кондензаторе. Немогуће их је користити за стални рад због формирања великих струја у почетном колу, које брзо стварају повећано загревање. Због тога је ово коло укључено на кратко да би се добио момент инерције ротације ротора.

Такве шеме је било лакше имплементирати због једноставног формирања кондензаторских батерија одређених вредности од појединачних доступних елемената. Међутим, пригушнице су морале бити израчунате и намотане независно, што је тешко учинити не само код куће.

Међутим, најбољи услови за рад мотора створени су сложеним повезивањем кондензатора и пригушнице у различитим фазама са избором праваца струја у намотајима и употребом отпорника који потискују струју. Овом методом губитак снаге мотора износио је и до 30%.Међутим, дизајн таквих претварача није економски исплатив, јер троше више електричне енергије за рад од самог мотора.

Почетни круг кондензатора такође троши повећану количину електричне енергије, али у мањој мери. Поред тога, мотор повезан на његово коло може да генерише снагу нешто више од 50% оне која се ствара нормалним трофазним напајањем.

Због потешкоћа у повезивању трофазног мотора на једнофазно напајање и великих губитака електричне и излазне снаге, овакви претварачи су показали своју ниску ефикасност, иако и даље раде у појединачним инсталацијама и машинама за сечење метала.

Инвертерски уређаји

Полупроводнички елементи омогућили су стварање рационалнијих фазних претварача произведених на индустријској основи. Њихови дизајни су обично дизајнирани да раде у трофазним колима, али могу бити дизајнирани да раде са великим бројем жица које се налазе под различитим угловима.

Када се претварачи напајају из једне фазе, врши се следећи редослед технолошких операција:

1. исправљање једнофазног напона диодним чвором;

2. изглађивање таласа из стабилизационог кола;

3. претварање једносмерног напона у трофазни због инверзијске методе.

У овом случају, струјни круг се може састојати од три једнофазна дела која раде аутономно, као што је раније дискутовано, или једног заједничког, састављеног, на пример, у складу са аутономним трофазним инвертерским системом конверзије помоћу неутралног заједничког проводника.

Овде, свако фазно оптерећење управља сопственим паровима полупроводничких елемената, који су контролисани заједничким контролним системом. Они стварају синусоидне струје у фазама отпора Ра, Рб, Рц, који су преко неутралне жице прикључени на заједничко коло напајања. Додаје тренутне векторе из сваког оптерећења.

Квалитет апроксимације излазног сигнала чистом синусном облику зависи од укупног дизајна и сложености коришћеног кола.

Претварачи фреквенције

На бази претварача створени су уређаји који омогућавају промену фреквенције синусних осцилација у широком опсегу. У ту сврху, струја од 50 херца која им се испоручује пролази кроз следеће промене:

• стојећи

• стабилизација;

• високофреквентна конверзија напона.

Рад се заснива на истим принципима претходних пројеката, само што управљачки систем на бази микропроцесорских плоча генерише излазни напон са повећаном фреквенцијом од десетина килохерца на излазу претварача.

Конверзија фреквенције на бази аутоматских уређаја омогућава вам да оптимално прилагодите рад електромотора у тренутку покретања, заустављања и кретања уназад, а погодно је и мењање брзине ротора. Истовремено, штетан утицај прелазних појава у спољној електроенергетској мрежи је нагло смањен.

Прочитајте више о томе овде: Претварач фреквенције - врсте, принцип рада, шеме повезивања

Инвертори за заваривање

Основна намена ових претварача напона је одржавање стабилног сагоревања лука и лака контрола свих његових карактеристика, укључујући паљење.

У ту сврху, неколико блокова је укључено у дизајн претварача, који обављају секвенцијално извршење:

• корекција трофазног или једнофазног напона;

• стабилизација параметара кроз филтере;

• инверзија високофреквентних сигнала из стабилизованог једносмерног напона;

• претварање у / х напона помоћу трансформатора за смањење вредности за повећање вредности струје заваривања;

• секундарно подешавање излазног напона за формирање лука за заваривање.

Због употребе високофреквентне конверзије сигнала, димензије трансформатора за заваривање су знатно смањене и материјали се штеде за целу конструкцију. Инвертори за заваривање имају велике предности у раду у односу на своје електромеханичке колеге.

Трансформатори: претварачи напона

У електротехници и енергетици за промену амплитуде напонског сигнала и даље се највише користе трансформатори који раде на електромагнетном принципу.

Имају два или више намотаја и магнетно коло, кроз који се преноси магнетна енергија за претварање улазног напона у излазни напон измењене амплитуде.