Az elektromos energia átalakítás fajtái

A munkájuk során rengeteg háztartási készüléket és ipari létesítményt táplálnak elektromos energia különböző típusú. A sokaság hozza létre EMF és áramforrások.

A generátorkészletek egy- vagy háromfázisú áramot állítanak elő ipari frekvencián, míg a vegyi források egyenáramot. Ugyanakkor a gyakorlatban gyakran előfordulnak olyan helyzetek, amikor egyfajta villamos energia nem elegendő bizonyos készülékek működéséhez, és ennek átalakítását kell elvégezni.

Ebből a célból az ipar nagyszámú elektromos készüléket gyárt, amelyek különböző villamosenergia-paraméterekkel dolgoznak, és átalakítják azokat egyik típusból a másikba, eltérő feszültséggel, frekvenciával, fázisszámmal és hullámformával. Az általuk ellátott funkciók szerint konverziós eszközökre oszthatók:

• egyszerű;

• a kimeneti jel beállításának lehetőségével;

• stabilizáló képességgel ruházták fel.

Osztályozási módszerek

Az elvégzett műveletek jellege szerint a konvertereket eszközökre osztják:

• állva

• egy vagy több szakasz megfordítása;

• a jel frekvenciájának változásai;

• az elektromos rendszer fázisszámának átalakítása;

• a feszültség típusának megváltoztatása.

A kialakulóban lévő algoritmusok vezérlési módszerei szerint az állítható konverterek a következőkön működnek:

• az egyenáramú áramkörökben használt impulzuselv;

• harmonikus oszcillátor áramkörökben használt fázismódszer.

Előfordulhat, hogy a legegyszerűbb átalakítók nem rendelkeznek vezérlési funkcióval.

Minden átalakító eszköz használhatja a következő áramkörtípusok egyikét:

• járda;

• nulla;

• transzformátorral vagy anélkül;

• egy, két, három vagy több fázissal.

Javító eszközök

Ez a konverterek legelterjedtebb és legrégebbi osztálya, amely lehetővé teszi, hogy egyenirányított vagy stabilizált egyenáramot kapjon váltakozó szinuszos, általában ipari frekvenciáról.

Ritka kiállítási tárgyak

Kis teljesítményű készülékek

Csak néhány évtizeddel ezelőtt a szelénszerkezeteket és a vákuumalapú eszközöket még használták a rádiótechnikában és az elektronikai eszközökben.

Az ilyen eszközök a szelénlemez egyetlen eleméből történő áramkorrekció elvén alapulnak. Sorozatosan egyetlen szerkezetté állították össze őket rögzítő adapterekkel. Minél nagyobb a korrekcióhoz szükséges feszültség, annál több ilyen elemet használnak. Nem voltak túl erősek, és több tíz milliamperes terhelést is elbírtak.

A lámpa egyenirányítók zárt üvegházában vákuum keletkezett. Elektródák vannak benne: egy anód és egy izzószálas katód, amelyek biztosítják a termikus sugárzás áramlását.

Az ilyen lámpák a múlt század végéig egyenáramot biztosítottak a rádióvevők és televíziók különféle áramkörei számára.

Az Ignitronok erős eszközök

Ipari eszközökben korábban széles körben alkalmazták a szabályozott ívtöltés elvén működő anód-katódos higanyion eszközöket. Ott használták őket, ahol több száz amper erősségű egyenáramú terhelést kellett működtetni öt kilovoltig terjedő egyenirányított feszültség mellett.

Az elektronáramlást a katódtól az anódig terjedő áram áramlására használták. A katód egy vagy több területén, úgynevezett világító katódfoltokban keletkező ívkisülés hozza létre. Akkor jönnek létre, amikor a segédívet a gyújtóelektróda bekapcsolja, amíg a főív be nem gyullad.

Ehhez rövid távú, néhány milliszekundumos impulzusokat hoztak létre, amelyek áramerőssége akár több tíz amper is lehet. Az impulzusok alakjának és erősségének megváltoztatása lehetővé tette a gyújtó működésének szabályozását.

Ez a kialakítás jó feszültségtámogatást biztosít az egyenirányítás során és meglehetősen nagy hatékonyságot. De a tervezés műszaki összetettsége és a működési nehézségek a használat elutasításához vezettek.

Félvezető eszközök

Diódák

Munkájuk az egyirányú áramvezetés elvén alapul, a félvezető anyagok vagy a fém és a félvezető érintkezéséből kialakított p-n átmenet tulajdonságai miatt.

A diódák csak egy bizonyos irányba vezetik az áramot, és amikor egy váltakozó szinuszos harmonikus halad át rajtuk, levágnak egy félhullámot, ezért széles körben használják egyenirányítóként.

A modern diódákat nagyon széles választékban gyártják, és különféle műszaki jellemzőkkel rendelkeznek.

Tirisztorok

A tirisztor négy vezetőréteget használ, amelyek bonyolultabb félvezető szerkezetet alkotnak, mint egy dióda, három sorba kötött p-n átmenettel, J1, J2, J3. A „p” és „n” külső réteg érintkezőit anódként és katódként, a belső réteget pedig az UE vezérlőelektródájaként használják, amely a tirisztor működésbe hozására és a szabályozás végrehajtására szolgál.

A szinuszos harmonikus egyenirányítása ugyanazon az elven történik, mint a félvezető diódák esetében. De ahhoz, hogy a tirisztor működjön, figyelembe kell venni egy bizonyos jellemzőt - a belső átmenetek szerkezetének nyitottnak kell lennie az elektromos töltések áthaladásához, és nem zártnak kell lennie.

Ez úgy történik, hogy egy bizonyos polaritású áramot vezetnek át a meghajtóelektródán. Az alábbi kép bemutatja a tirisztor kinyitásának módjait, amelyek egyidejűleg a különböző időpontokban áthaladó áram mennyiségének beállítására szolgálnak.

Amikor az áramot az RE-n keresztül vezetjük át abban a pillanatban, amikor a szinuszos áthalad a nulla értéken, egy maximális érték jön létre, amely fokozatosan csökken az «1», «2», «3» pontokon.

Ily módon az áramerősség a tirisztoros szabályozással együtt kerül beállításra. A tápáramkörökben található triacok és teljesítmény MOSFET-ek és/vagy AGBT-k hasonló módon működnek. De nem végzik el az áram korrekciójának funkcióját, mindkét irányban átadják azt. Ezért vezérlési sémáik további impulzusmegszakítási algoritmust használnak.

DC / DC átalakítók

Ezek a kialakítások az egyenirányítók ellentétei. Váltakozó szinuszos áram előállítására szolgálnak kémiai áramforrásokból nyert egyenáramból.

Ritka fejlemény

A 19. század vége óta elektromos gépszerkezeteket használnak az egyenfeszültség váltófeszültséggé alakítására. Egyenáramú villanymotorból állnak, amelyet akkumulátor vagy akkumulátorcsomag hajt meg, és egy AC generátorból, amelynek armatúráját a motorhajtás forgatja.

Egyes készülékekben a generátor tekercsét közvetlenül a motor közös forgórészére tekercselték. Ez a módszer nemcsak a jel alakját változtatja meg, hanem általában növeli a feszültség amplitúdóját vagy frekvenciáját is.

Ha három, 120 fokos szögben elhelyezkedő tekercset tekercselünk a generátor armatúrájára, akkor ezzel egyenértékű szimmetrikus háromfázisú feszültséget kapunk.

Az Umformereket az 1970-es évekig széles körben használták rádiólámpákhoz, trolibuszok, villamosok, elektromos mozdonyok felszereléséhez, a félvezető elemek tömeges bevezetése előtt.

Inverter átalakítók

Működési elve

A mérlegelés alapjául a KU202 tirisztor tesztáramkört vesszük egy akkumulátorból és egy izzóból.

Az SA1 gomb alaphelyzetben zárt érintkezője és egy kis teljesítményű izzólámpa van beépítve az áramkörbe, hogy az akkumulátor pozitív potenciálját az anódhoz táplálják. A vezérlőelektróda áramkorlátozón és az SA2 gomb nyitott érintkezőjén keresztül csatlakozik. A katód szorosan csatlakozik az akkumulátor negatívjához.

Ha t1 időpontban megnyomja az SA2 gombot, az áram a vezérlő elektróda áramkörén keresztül a katódra folyik, ami kinyitja a tirisztort és kigyullad az anódágban lévő lámpa. A tirisztor tervezési jellemzőinek köszönhetően akkor is ég, ha az SA2 érintkező nyitva van.

Most t2 időpontban megnyomjuk az SA1 gombot.Az anód tápáramköre kikapcsol, és a lámpa kialszik, mivel az áram áramlása leáll.

A bemutatott kép grafikonja azt mutatja, hogy a t1 ÷ t2 időintervallumon egyenáram haladt át. Ha nagyon gyorsan váltogatja a gombokat, akkor formázhat téglalap alakú impulzus pozitív előjellel. Hasonlóképpen negatív impulzust is létrehozhat. Ebből a célból elegendő az áramkört kissé megváltoztatni, hogy az áram az ellenkező irányba folyhasson.

Két pozitív és negatív értékkel rendelkező impulzus sorozata az elektrotechnikában négyszöghullámnak nevezett hullámformát hoz létre. Téglalap alakú formája nagyjából egy szinuszos hullámra hasonlít, két ellentétes előjelű félhullámmal.

Ha a vizsgált sémában az SA1 és SA2 gombokat reléérintkezőkre vagy tranzisztoros kapcsolókra cseréljük, és egy bizonyos algoritmus szerint kapcsoljuk őket, akkor lehetőség nyílik arra, hogy automatikusan meander alakú áramot hozzunk létre és állítsunk be egy bizonyos frekvenciára, teljesítményre. ciklus, időszak. Az ilyen kapcsolást egy speciális elektronikus vezérlőáramkör vezérli.

A tápegység blokkvázlata

Példaként tekintsük a hídinverter legegyszerűbb elsődleges rendszerét.

Itt tirisztor helyett speciálisan kiválasztott mezőtranzisztoros kapcsolók foglalkoznak téglalap alakú impulzus kialakításával. Az Rn terhelési ellenállást a hídjuk átlója tartalmazza. Az egyes tranzisztorok "forrás" és "lefolyó" tápelektródái ellentétes irányban söntdiódákkal, a vezérlőáramkör kimeneti érintkezői pedig a "kapuval" vannak összekötve.

A vezérlőjelek automatikus működése miatt különböző időtartamú és előjelű feszültségimpulzusok kerülnek a terhelésre. Sorrendjük és jellemzőik a kimeneti jel optimális paramétereihez vannak szabva.

Az átlós ellenállásra alkalmazott feszültségek hatására, figyelembe véve a tranziens folyamatokat, áram keletkezik, amelynek alakja már közelebb van a szinuszhoz, mint a meanderhez.

Technikai megvalósítási nehézségek

Az inverterek tápáramkörének jó működéséhez biztosítani kell a kapcsolókapcsolókon alapuló vezérlőrendszer megbízható működését. Kétoldali vezető tulajdonságokkal rendelkeznek, és a tranzisztorok tolatásával alakítják ki fordított diódák csatlakoztatásával.

A kimeneti feszültség amplitúdójának beállításához leggyakrabban ezt használják impulzusszélesség moduláció elve az egyes félhullámok impulzusterületének kiválasztásával az időtartam szabályozásának módszerével. Ezen a módszeren kívül vannak olyan eszközök, amelyek impulzus-amplitúdó konverzióval működnek.

A kimeneti feszültség áramköreinek kialakítása során a félhullámok szimmetriájának megsértése következik be, ami hátrányosan befolyásolja az induktív terhelések működését. Ez leginkább a transzformátoroknál figyelhető meg.

A vezérlőrendszer működése során egy algoritmust állítanak be az áramkör kulcsainak generálására, amely három szakaszból áll:

1. egyenes;

2. rövidzárlat;

3. fordítva.

A terhelésben nem csak pulzáló áramok lehetségesek, hanem irányváltozó áramok is, amelyek további zavarokat okoznak a forráskapcsokon.

Tipikus kialakítás

Az inverterek létrehozásához használt sokféle technológiai megoldás között három séma általános, a bonyolultság növekedési foka szempontjából:

1. híd transzformátor nélkül;

2. a transzformátor nullapólusával;

3. híd transzformátorral.

Kimeneti hullámformák

Az invertereket feszültség ellátására tervezték:

• négyszögletes;

• trapéz alakú;

• lépcsőzetes váltakozó jelek;

• szinuszoidok.

Fázisátalakítók

Az ipar elektromos motorokat gyárt, amelyek meghatározott működési feltételek mellett működnek, figyelembe véve a bizonyos típusú forrásokból származó energiát. A gyakorlatban azonban előfordulnak olyan helyzetek, amikor különböző okokból háromfázisú aszinkron motort kell csatlakoztatni egyfázisú hálózathoz. Erre a célra különféle elektromos áramköröket és eszközöket fejlesztettek ki.

Energiaigényes technológiák

A háromfázisú aszinkron motor állórésze három, egymástól 120 fokra elhelyezkedő, meghatározott módon tekercselt tekercset tartalmaz, amelyek mindegyike, amikor feszültségfázisának áramát rákapcsolják, saját forgó mágneses teret hoz létre. Az áramok irányát úgy választják meg, hogy mágneses fluxusaik kiegészítsék egymást, kölcsönösen hatva a forgórész forgására.

Ha egy ilyen motor tápfeszültségének csak egy fázisa van, akkor három áramkört kell kialakítani belőle, amelyek mindegyike szintén 120 fokkal eltolódik. Ellenkező esetben a forgatás nem fog működni vagy hibás lesz.

Az elektrotechnikában két egyszerű módja van az áramvektor feszültséghez viszonyított elforgatásának, ehhez csatlakoztatva:

1. induktív terhelés, amikor az áram 90 fokkal kezd lemaradni a feszültségtől;

2.Lehetőség 90 fokos áramvezető létrehozására.

A fenti képen látható, hogy az Ua feszültség egyik fázisából nem 120-kal, hanem csak 90 fokkal előre vagy hátrafelé szögben eltolt áramot kaphat. Ezenkívül ehhez a kondenzátor és a fojtó névleges értékeinek kiválasztására is szükség van, hogy elfogadható motor üzemmódot hozzon létre.

Az ilyen sémák gyakorlati megoldásaiban leggyakrabban a kondenzátoros módszernél állnak meg induktív ellenállások használata nélkül. Ebből a célból a tápfázis feszültségét az egyik tekercsre mindenféle átalakítás nélkül, a másikra pedig kondenzátorokkal eltolva vezették. Az eredmény a motor számára elfogadható nyomaték volt.

De a forgórész elfordításához további nyomatékot kellett létrehozni a harmadik tekercs indítókondenzátorokon keresztül történő csatlakoztatásával. Lehetetlen őket állandó működésre használni, mivel az indítókörben nagy áramok keletkeznek, amelyek gyorsan növelik a fűtést. Ezért ezt az áramkört rövid időre bekapcsolták, hogy megszerezzék a forgórész forgásának tehetetlenségi nyomatékát.

Az ilyen sémákat könnyebb volt megvalósítani, mivel az egyes rendelkezésre álló elemekből meghatározott értékű kondenzátor bankokat egyszerűen kialakítottak. A fojtókat azonban önállóan kellett kiszámítani és feltekerni, amit nem csak otthon nehéz megtenni.

A motor működésének legjobb feltételeit azonban a kondenzátor és a fojtótekercs különböző fázisokban történő komplex bekötése teremtette meg a tekercsekben lévő áramok irányának megválasztásával és az áramelnyomó ellenállások alkalmazásával. Ezzel a módszerrel a motor teljesítményvesztesége akár 30% is volt.Az ilyen konverterek kialakítása azonban gazdaságilag nem jövedelmező, mivel több áramot fogyasztanak a működéshez, mint maga a motor.

A kondenzátor indítóáramköre szintén megnövekedett villamos energiát fogyaszt, de kisebb mértékben. Ráadásul az áramkörébe kapcsolt motor a normál háromfázisú betáplálással előállított teljesítmény valamivel több mint 50%-át képes előállítani.

A háromfázisú motor egyfázisú tápáramkörhöz való csatlakoztatásának nehézségei, valamint az elektromos és kimeneti teljesítmény nagy veszteségei miatt az ilyen konverterek alacsony hatékonyságot mutattak, bár továbbra is működnek egyedi berendezésekben és fémvágó gépekben.

Inverteres készülékek

A félvezető elemek racionálisabb, ipari alapon gyártott fázisátalakítók létrehozását tették lehetővé. Kialakításukat általában háromfázisú áramkörökben való működésre tervezték, de úgy is kialakíthatók, hogy nagyszámú, különböző szögben elhelyezett húrral működjenek.

Amikor a konvertereket egy fázis táplálja, a következő technológiai műveletsor kerül végrehajtásra:

1. egyfázisú feszültség egyenirányítása diódacsomóponttal;

2. a stabilizáló kör hullámainak simítása;

3. egyenfeszültség átalakítása háromfázisúvá az inverziós módszer miatt.

Ebben az esetben a tápáramkör állhat három önállóan működő egyfázisú részből, amint azt korábban tárgyaltuk, vagy egy közösből, például egy autonóm háromfázisú inverter átalakító rendszer szerint, nulla közös vezetővel.

Itt minden fázisterhelés saját félvezető elempárt működtet, amelyeket közös vezérlőrendszer vezérel. Szinuszos áramokat hoznak létre az Ra, Rb, Rc ellenállások fázisaiban, amelyek a nulla vezetéken keresztül kapcsolódnak a közös tápáramkörhöz. Minden terhelésből hozzáadja az aktuális vektorokat.

A kimenő jelnek a tiszta szinuszos hullám alakhoz való közelítésének minősége az alkalmazott áramkör általános felépítésétől és összetettségétől függ.

Frekvenciaváltók

Az inverterek alapján olyan eszközöket hoztak létre, amelyek lehetővé teszik a szinuszos rezgések frekvenciájának széles tartományban történő megváltoztatását. Ebből a célból a számukra szolgáltatott 50 hertzes villamos energia a következő változásokon megy keresztül:

• állva

• stabilizáció;

• nagyfrekvenciás feszültség átalakítás.

A munka a korábbi projektek elvein alapul, azzal a különbséggel, hogy a mikroprocesszoros kártyákra épülő vezérlőrendszer több tíz kilohertcel megnövelt frekvenciájú kimeneti feszültséget állít elő az átalakító kimenetén.

Az automata eszközökön alapuló frekvenciaátalakítás lehetővé teszi az elektromos motorok működésének optimális beállítását indításkor, leállításkor és hátramenetkor, és kényelmes a forgórész fordulatszámának változtatása. Ugyanakkor a tranziensek káros hatása a külső áramhálózatban jelentősen csökken.

Bővebben itt olvashat róla: Frekvenciaváltó - típusok, működési elv, csatlakozási sémák

Hegesztő inverterek

Ezeknek a feszültségátalakítóknak a fő célja a stabil ívégés fenntartása és minden jellemzőjének könnyű vezérlése, beleértve a gyújtást is.

Ebből a célból az inverter tervezésében több blokkot is tartalmaznak, amelyek szekvenciális végrehajtást hajtanak végre:

• háromfázisú vagy egyfázisú feszültség korrekciója;

• paraméterek stabilizálása szűrőkön keresztül;

• a nagyfrekvenciás jelek inverziója stabilizált egyenfeszültségről;

• átalakítás / h feszültségre lecsökkentő transzformátorral a hegesztőáram értékének növelése érdekében;

• a kimeneti feszültség másodlagos beállítása hegesztési ív kialakításához.

A nagyfrekvenciás jelátalakításnak köszönhetően a hegesztőtranszformátor méretei nagymértékben lecsökkennek, és a teljes szerkezethez anyagmegtakarítás érhető el. Hegesztő inverterek nagy előnyökkel rendelkeznek az elektromechanikus társaikhoz képest.

Transzformátorok: feszültségátalakítók

Az elektrotechnikában és az energetikában még mindig az elektromágneses elven működő transzformátorokat használják a legszélesebb körben a feszültségjel amplitúdójának megváltoztatására.

Két vagy több tekercsük van és mágneses áramkör, amelyen keresztül mágneses energiát továbbítanak, hogy a bemeneti feszültséget megváltozott amplitúdójú kimeneti feszültséggé alakítsák.