Elektroenerģijas pārveidošanas veidi

Milzīgs skaits sadzīves tehnikas un rūpniecisko iekārtu savā darbā tiek darbinātas ar elektriskā enerģija dažādu veidu. To rada milzums EMF un strāvas avoti.

Ģeneratoru komplekti ražo vienfāzes vai trīsfāžu strāvu rūpnieciskā frekvencē, bet ķīmiskie avoti rada līdzstrāvu. Tajā pašā laikā praksē nereti rodas situācijas, kad atsevišķu ierīču darbībai nepietiek ar viena veida elektroenerģiju un ir nepieciešams veikt tās pārveidi.

Šim nolūkam nozarē tiek ražots liels skaits elektrisko ierīču, kas strādā ar dažādiem elektroenerģijas parametriem, pārveidojot tās no viena veida citā ar dažādu spriegumu, frekvenci, fāžu skaitu un viļņu formām. Atkarībā no veiktajām funkcijām tie ir sadalīti pārveidošanas ierīcēs:

• vienkāršs;

• ar iespēju pielāgot izejas signālu;

• apveltīts ar spēju stabilizēties.

Klasifikācijas metodes

Pēc veikto darbību veida pārveidotājus iedala ierīcēs:

• stāvus

• viena vai vairāku posmu maiņa;

• signāla frekvences izmaiņas;

• elektriskās sistēmas fāžu skaita pārveidošana;

• sprieguma veida maiņa.

Saskaņā ar jauno algoritmu vadības metodēm regulējamie pārveidotāji darbojas:

• līdzstrāvas ķēdēs izmantotais impulsa princips;

• fāzes metode, ko izmanto harmonisko oscilatoru ķēdēs.

Vienkāršākās pārveidotāju konstrukcijas var nebūt aprīkotas ar vadības funkciju.

Visās pārveidošanas ierīcēs var izmantot vienu no šiem ķēdes veidiem:

• bruģis;

• nulle;

• ar vai bez transformatora;

• ar vienu, divām, trim vai vairāk fāzēm.

Koriģējošās ierīces

Šī ir visizplatītākā un vecākā pārveidotāju klase, kas ļauj iegūt rektificētu vai stabilizētu līdzstrāvu no mainīgas sinusoidālās, parasti rūpnieciskās frekvences.

Reti eksponāti

Mazjaudas ierīces

Tikai pirms dažām desmitgadēm selēna struktūras un vakuuma ierīces joprojām tika izmantotas radiotehnikā un elektroniskajās ierīcēs.

Šādas ierīces ir balstītas uz strāvas korekcijas principu no viena selēna plāksnes elementa. Tie tika secīgi samontēti vienā konstrukcijā, uzstādot adapterus. Jo lielāks ir korekcijai nepieciešamais spriegums, jo vairāk tiek izmantoti šādi elementi. Tie nebija īpaši jaudīgi un varēja izturēt vairāku desmitu miliampēru slodzi.

Spuldžu taisngriežu noslēgtajā stikla korpusā tika izveidots vakuums. Tajā atrodas elektrodi: anods un katods ar kvēldiegu, kas nodrošina termiskā starojuma plūsmu.

Šādas lampas līdz pagājušā gadsimta beigām nodrošināja līdzstrāvas jaudu dažādām radio uztvērēju un televizoru shēmām.

Ignitroni ir spēcīgas ierīces

Rūpnieciskajās ierīcēs agrāk plaši tika izmantotas anoda katoda dzīvsudraba jonu ierīces, kas darbojas pēc kontrolēta loka lādiņa principa. Tos izmantoja tur, kur bija nepieciešams darbināt līdzstrāvas slodzi ar spēku simtiem ampēru ar rektificētu spriegumu līdz pieciem kilovoltiem ieskaitot.

Elektronu plūsma tika izmantota strāvas plūsmai no katoda uz anodu. To rada loka izlāde, ko izraisa vienā vai vairākās katoda zonās, ko sauc par gaismas katoda plankumiem. Tie veidojas, kad ar aizdedzes elektrodu ieslēdz palīgloku, līdz aizdegas galvenais loks.

Šim nolūkam tika izveidoti īslaicīgi dažu milisekundu impulsi ar strāvas stiprumu līdz pat desmitiem ampēru. Impulsu formas un stipruma maiņa ļāva kontrolēt aizdedzes darbību.

Šis dizains nodrošina labu sprieguma atbalstu taisnošanas laikā un diezgan augstu efektivitāti. Taču dizaina tehniskā sarežģītība un ekspluatācijas grūtības noveda pie tā izmantošanas noraidīšanas.

Pusvadītāju ierīces

Diodes

Viņu darbs ir balstīts uz strāvas vadīšanas principu vienā virzienā, pateicoties p-n savienojuma īpašībām, ko veido kontakti starp pusvadītāju materiāliem vai metālu un pusvadītāju.

Diodes laiž strāvu tikai noteiktā virzienā, un, kad caur tām iet mainīga sinusoidāla harmonika, tās nogriež vienu pusviļņu un tāpēc tiek plaši izmantotas kā taisngrieži.

Mūsdienu diodes tiek ražotas ļoti plašā sortimentā un ir apveltītas ar dažādiem tehniskajiem parametriem.

Tiristori

Tiristors izmanto četrus vadošus slāņus, kas veido sarežģītāku pusvadītāju struktūru nekā diode ar trim sērijveidā savienotiem p-n savienojumiem J1, J2, J3. Kontakti ar ārējo slāni "p" un "n" tiek izmantoti kā anods un katods, bet ar iekšējo slāni - kā UE vadības elektrods, ko izmanto, lai iedarbinātu tiristoru un veiktu regulēšanu.

Sinusoidālās harmonikas iztaisnošana tiek veikta pēc tāda paša principa kā pusvadītāju diodei. Bet, lai tiristors darbotos, ir jāņem vērā noteikta īpašība - tā iekšējo pāreju struktūrai jābūt atvērtai elektrisko lādiņu pārejai, nevis slēgtai.

To veic, izlaižot noteiktas polaritātes strāvu caur virzošo elektrodu. Zemāk esošajā fotoattēlā parādīti tiristoru atvēršanas veidi, kas tiek izmantoti vienlaikus, lai pielāgotu dažādos laikos nodotās strāvas daudzumu.

Pievadot strāvu caur RE brīdī, kad sinusoīds tiek izvadīts caur nulles vērtību, tiek izveidota maksimālā vērtība, kas pakāpeniski samazinās punktos «1», «2», «3».

Tādā veidā strāva tiek regulēta kopā ar tiristora regulēšanu. Triacs un jaudas MOSFET un/vai AGBT strāvas ķēdēs darbojas līdzīgi. Bet tie neveic strāvas korekcijas funkciju, nododot to abos virzienos. Tāpēc to vadības shēmās tiek izmantots papildu impulsu pārtraukšanas algoritms.

Līdzstrāvas / līdzstrāvas pārveidotāji

Šie dizaini darbojas pretēji taisngriežiem. Tos izmanto, lai radītu maiņstrāvu sinusoidālo strāvu no līdzstrāvas, kas iegūta no ķīmiskiem strāvas avotiem.

Reta attīstība

Kopš 19. gadsimta beigām elektrisko mašīnu konstrukcijas ir izmantotas, lai pārveidotu tiešo spriegumu maiņspriegumā. Tie sastāv no līdzstrāvas elektromotora, ko darbina akumulators vai akumulatora bloks, un maiņstrāvas ģeneratora, kura armatūru rotē motora piedziņa.

Dažās ierīcēs ģeneratora tinums tika uztīts tieši uz motora kopējā rotora. Šī metode ne tikai maina signāla formu, bet arī, kā likums, palielina sprieguma amplitūdu vai frekvenci.

Ja uz ģeneratora armatūras tiek uztīti trīs tinumi, kas atrodas 120 grādos, tad ar tā palīdzību tiek iegūts līdzvērtīgs simetrisks trīsfāzu spriegums.

Umformers tika plaši izmantots līdz 70. gadiem radiolampām, trolejbusu, tramvaju, elektrisko lokomotīvju aprīkojumam pirms pusvadītāju elementu masveida ieviešanas.

Invertora pārveidotāji

Darbības princips

Kā pamatu apsvēršanai mēs ņemam tiristoru KU202 testa ķēdi no akumulatora un spuldzes.

Parasti aizvērts SA1 pogas kontakts un mazjaudas kvēlspuldze ir iebūvēti ķēdē, lai piegādātu akumulatora pozitīvo potenciālu anodam. Vadības elektrods ir savienots caur strāvas ierobežotāju un SA2 pogas atvērtu kontaktu. Katods ir stingri savienots ar akumulatora negatīvo.

Ja brīdī t1 nospiežat pogu SA2, strāva caur vadības elektroda ķēdi plūdīs uz katodu, kas atvērs tiristoru un iedegsies anoda atzarā iekļautā lampiņa. Šī tiristora konstrukcijas īpatnību dēļ tas turpinās degt pat tad, ja kontakts SA2 ir atvērts.

Tagad laikā t2 mēs nospiežam pogu SA1.Anoda barošanas ķēde izslēgsies un gaisma nodzisīs tāpēc, ka strāvas plūsma caur to apstājas.

Parādītā attēla grafiks parāda, ka līdzstrāva šķērsoja laika intervālu t1 ÷ t2. Ja ļoti ātri pārslēdzat pogas, tad varat veidot taisnstūrveida impulss ar pozitīvu zīmi. Tāpat jūs varat radīt negatīvu impulsu. Šim nolūkam ir pietiekami nedaudz mainīt ķēdi, lai strāva varētu plūst pretējā virzienā.

Divu impulsu secība ar pozitīvām un negatīvām vērtībām rada viļņu formu, ko elektrotehnikā sauc par kvadrātveida vilni. Tā taisnstūra forma aptuveni atgādina sinusoidālu vilni ar diviem pretēju zīmju pusviļņiem.

Ja aplūkojamajā shēmā pogas SA1 un SA2 nomainīsim pret releju kontaktiem vai tranzistoru slēdžiem un pārslēdzam tos pēc noteikta algoritma, tad varēs automātiski izveidot meanderveida strāvu un noregulēt to uz noteiktu frekvenci, pienākumu. cikls, periods. Šādu pārslēgšanu kontrolē īpaša elektroniskā vadības ķēde.

Strāvas padeves sadaļas blokshēma

Kā piemēru apsveriet vienkāršāko tilta invertora primāro sistēmu.

Šeit tiristora vietā speciāli izvēlēti lauka tranzistora slēdži nodarbojas ar taisnstūra impulsa veidošanos. Slodzes pretestība Rn ir iekļauta to tilta diagonālē. Katra tranzistora "avota" un "izplūdes" barošanas elektrodi ir pretēji savienoti ar šunta diodēm, un vadības ķēdes izejas kontakti ir savienoti ar "vārtiem".

Pateicoties vadības signālu automātiskai darbībai, slodzei tiek izvadīti dažāda ilguma un zīmes sprieguma impulsi. To secība un raksturlielumi ir pielāgoti izejas signāla optimālajiem parametriem.

Pielietoto spriegumu iedarbībā uz diagonālo pretestību, ņemot vērā pārejošos procesus, rodas strāva, kuras forma jau ir tuvāk sinusoīdam nekā meanderam.

Grūtības tehniskajā īstenošanā

Lai labi darbotos invertoru strāvas ķēde, ir jānodrošina uzticama vadības sistēmas darbība, kuras pamatā ir pārslēgšanas slēdži. Tie ir apveltīti ar divpusējām vadošām īpašībām un tiek veidoti, manevrējot tranzistorus, savienojot reversās diodes.

Lai pielāgotu izejas sprieguma amplitūdu, to visbiežāk izmanto impulsa platuma modulācijas princips izvēloties katra pusviļņa pulsa laukumu ar tā ilguma kontroles metodi. Papildus šai metodei ir ierīces, kas darbojas ar impulsa amplitūdas pārveidošanu.

Izejas sprieguma ķēžu veidošanas procesā notiek pusviļņu simetrijas pārkāpums, kas negatīvi ietekmē induktīvo slodžu darbību. Visvairāk tas ir pamanāms ar transformatoriem.

Vadības sistēmas darbības laikā tiek iestatīts algoritms strāvas ķēdes atslēgu ģenerēšanai, kas ietver trīs posmus:

1. taisns;

2. īssavienojums;

3. otrādi.

Slodzē ir iespējamas ne tikai pulsējošas strāvas, bet arī virzienā mainīgas strāvas, kas rada papildu traucējumus avota spailēs.

Tipisks dizains

Starp daudzajiem dažādajiem tehnoloģiskajiem risinājumiem, ko izmanto invertoru izveidei, ir izplatītas trīs shēmas, kas tiek ņemtas vērā no sarežģītības pieauguma pakāpes:

1. tilts bez transformatora;

2. ar transformatora neitrālo spaili;

3. tilts ar transformatoru.

Izejas viļņu formas

Invertori ir paredzēti sprieguma padevei:

• taisnstūrveida;

• trapecveida;

• pakāpeniski mainīgi signāli;

• sinusoīdi.

Fāzes pārveidotāji

Rūpniecība ražo elektromotorus, kas darbojas īpašos darbības apstākļos, ņemot vērā jaudu no noteikta veida avotiem. Tomēr praksē rodas situācijas, kad dažādu iemeslu dēļ ir nepieciešams trīsfāzu asinhrono motoru savienot ar vienfāzes tīklu. Šim nolūkam ir izstrādātas dažādas elektriskās ķēdes un ierīces.

Energoietilpīgas tehnoloģijas

Trīsfāzu asinhronā motora stators ietver trīs noteiktā veidā uztītus tinumus, kas atrodas 120 grādu leņķī viens no otra, un katrs no tiem, pieliekot tam sprieguma fāzes strāvu, rada savu rotējošo magnētisko lauku. Strāvu virziens ir izvēlēts tā, lai to magnētiskās plūsmas papildinātu viena otru, nodrošinot savstarpēju darbību rotora rotācijai.

Ja šādam motoram ir tikai viena barošanas sprieguma fāze, no tā ir jāizveido trīs strāvas ķēdes, no kurām katra tiek arī nobīdīta par 120 grādiem. Pretējā gadījumā rotācija nedarbosies vai būs bojāta.

Elektrotehnikā ir divi vienkārši veidi, kā pagriezt strāvas vektoru attiecībā pret spriegumu, pievienojot:

1. induktīvā slodze, kad strāva sāk atpalikt no sprieguma par 90 grādiem;

2.Iespēja izveidot 90 grādu strāvas vadītāju.

Iepriekš redzamajā fotoattēlā redzams, ka no vienas sprieguma Ua fāzes jūs varat iegūt strāvu, kas novirzīta leņķī nevis par 120, bet tikai par 90 grādiem uz priekšu vai atpakaļ. Turklāt, lai nodrošinātu pieņemamu motora darbības režīmu, būs jāizvēlas kondensators un droseles nominālie rādītāji.

Šādu shēmu praktiskajos risinājumos tie visbiežāk apstājas pie kondensatora metodes, neizmantojot induktīvās pretestības. Šim nolūkam barošanas fāzes spriegums tika pielikts vienai spolei bez pārveidojumiem, bet otrai, pārbīdīta ar kondensatoriem. Rezultāts bija dzinējam pieņemams griezes moments.

Bet, lai pagrieztu rotoru, bija nepieciešams izveidot papildu griezes momentu, savienojot trešo tinumu caur palaišanas kondensatoriem. Tos nav iespējams izmantot pastāvīgai darbībai, jo palaišanas ķēdē veidojas lielas strāvas, kas ātri rada palielinātu apkuri. Tāpēc šī ķēde tika uz īsu brīdi ieslēgta, lai iegūtu rotora griešanās inerces momentu.

Šādas shēmas bija vieglāk īstenot, jo no atsevišķiem pieejamajiem elementiem tika vienkārši izveidotas noteiktas vērtības kondensatoru bankas. Taču droseles bija jārēķina un jātīta patstāvīgi, ko grūti izdarīt ne tikai mājās.

Tomēr vislabākie apstākļi motora darbībai tika radīti ar kondensatora un droseles komplekso savienojumu dažādās fāzēs, izvēloties strāvu virzienus tinumos un izmantojot strāvu slāpējošus rezistorus. Izmantojot šo metodi, dzinēja jaudas zudums bija līdz 30%.Tomēr šādu pārveidotāju konstrukcijas nav ekonomiski izdevīgas, jo tās darbībai patērē vairāk elektroenerģijas nekā pats dzinējs.

Kondensatora palaišanas ķēde arī patērē palielinātu elektroenerģijas ātrumu, bet mazākā mērā. Turklāt motors, kas pievienots tā ķēdei, spēj ģenerēt tikai nedaudz vairāk par 50% no jaudas, kas tiek radīta ar parasto trīsfāzu barošanu.

Sakarā ar grūtībām savienot trīsfāzu motoru ar vienfāzes barošanas ķēdi un lielajiem elektriskās un izejas jaudas zudumiem, šādi pārveidotāji ir parādījuši savu zemo efektivitāti, lai gan tie turpina strādāt atsevišķās iekārtās un metāla griešanas mašīnās.

Invertora ierīces

Pusvadītāju elementi ļāva izveidot racionālākus fāzes pārveidotājus, kas ražoti rūpnieciski. To konstrukcijas parasti ir paredzētas darbam trīsfāzu ķēdēs, taču tās var būt paredzētas darbam ar lielu skaitu virkņu, kas atrodas dažādos leņķos.

Kad pārveidotājus darbina viena fāze, tiek veikta šāda tehnoloģisko darbību secība:

1. vienfāzes sprieguma taisnošana ar diodes mezglu;

2. stabilizācijas ķēdes viļņu izlīdzināšana;

3. līdzstrāvas sprieguma pārveidošana par trīsfāzu inversijas metodes dēļ.

Šajā gadījumā barošanas ķēde var sastāvēt no trim vienfāzes daļām, kas darbojas autonomi, kā minēts iepriekš, vai no vienas kopīgas, kas ir samontēta, piemēram, saskaņā ar autonomu trīsfāzu invertora pārveidošanas sistēmu, izmantojot neitrālu kopējo vadītāju.

Šeit katra fāzes slodze darbojas ar saviem pusvadītāju elementu pāriem, kurus kontrolē kopēja vadības sistēma. Tie rada sinusoidālās strāvas pretestību Ra, Rb, Rc fāzēs, kuras caur neitrālo vadu ir savienotas ar kopējo barošanas ķēdi. Tas pievieno pašreizējos vektorus no katras slodzes.

Izejas signāla aproksimācijas kvalitāte tīrai sinusoidālajai viļņa formai ir atkarīga no izmantotās shēmas kopējās konstrukcijas un sarežģītības.

Frekvences pārveidotāji

Uz invertoru bāzes ir izveidotas ierīces, kas ļauj mainīt sinusoidālo svārstību frekvenci plašā diapazonā. Šim nolūkam viņiem piegādātajā 50 hercu elektroenerģijā tiek veiktas šādas izmaiņas:

• stāvus

• stabilizācija;

• augstfrekvences sprieguma pārveidošana.

Darba pamatā ir tie paši iepriekšējo projektu principi, izņemot to, ka uz mikroprocesoru platēm balstīta vadības sistēma pie pārveidotāja izejas ģenerē izejas spriegumu ar paaugstinātu frekvenci desmitiem kilohercu.

Frekvences pārveidošana, kuras pamatā ir automātiskās ierīces, ļauj optimāli pielāgot elektromotoru darbību iedarbināšanas, apstāšanās un atpakaļgaitas brīdī, un ir ērti mainīt rotora ātrumu. Tajā pašā laikā tiek strauji samazināta pāreju kaitīgā ietekme ārējā elektrotīklā.

Vairāk par to lasiet šeit: Frekvences pārveidotājs - veidi, darbības princips, pieslēguma shēmas

Metināšanas invertori

Šo sprieguma pārveidotāju galvenais mērķis ir uzturēt stabilu loka degšanu un vieglu visu tā īpašību, ieskaitot aizdedzi, kontroli.

Šim nolūkam invertora konstrukcijā ir iekļauti vairāki bloki, kas veic secīgu izpildi:

• trīsfāžu vai vienfāzes sprieguma korekcija;

• parametru stabilizācija caur filtriem;

• augstfrekvences signālu inversija no stabilizēta līdzstrāvas sprieguma;

• pārveidošana uz / h spriegumu ar pazeminošu transformatoru, lai palielinātu metināšanas strāvas vērtību;

• sekundārā izejas sprieguma regulēšana metināšanas loka veidošanai.

Pateicoties augstfrekvences signāla pārveidošanai, tiek ievērojami samazināti metināšanas transformatora izmēri un tiek ietaupīti materiāli visai konstrukcijai. Metināšanas invertori ir lielas priekšrocības darbībā salīdzinājumā ar to elektromehāniskajiem kolēģiem.

Transformatori: sprieguma pārveidotāji

Elektrotehnikā un enerģētikā sprieguma signāla amplitūdas maiņai joprojām visplašāk izmanto transformatorus, kas darbojas pēc elektromagnētiskā principa.

Viņiem ir divas vai vairākas spoles un magnētiskā ķēde, caur kuru tiek pārraidīta magnētiskā enerģija, lai pārveidotu ieejas spriegumu izejas spriegumā ar mainītu amplitūdu.