Vrste pretvorbe električne energije

Ogroman broj kućanskih aparata i industrijskih instalacija u svom radu pokreće električna energija različitih vrsta. Stvara ga mnoštvo EMF i izvori struje.

Generatorski setovi proizvode jednofaznu ili trofaznu struju industrijske frekvencije, dok kemijski izvori proizvode istosmjernu struju. Istodobno, u praksi se često javljaju situacije kada jedna vrsta električne energije nije dovoljna za rad određenih uređaja i potrebno je izvršiti njezinu pretvorbu.

U tu svrhu industrija proizvodi velik broj električnih uređaja koji rade s različitim parametrima električne energije, pretvarajući ih iz jedne vrste u drugu s različitim naponima, frekvencijom, brojem faza i valnim oblicima. Prema funkcijama koje obavljaju dijele se na pretvorničke uređaje:

• jednostavan;

• s mogućnošću podešavanja izlaznog signala;

• obdaren sposobnošću stabilizacije.

Metode klasifikacije

Prema prirodi operacija koje se izvode, pretvarači se dijele na uređaje:

• ustajati

• preokret jedne ili više faza;

• promjene frekvencije signala;

• pretvorba broja faza električnog sustava;

• mijenjanje vrste napona.

Prema kontrolnim metodama algoritama u nastajanju, podesivi pretvarači rade na:

• princip impulsa koji se koristi u istosmjernim krugovima;

• fazna metoda koja se koristi u krugovima harmonijskih oscilatora.

Najjednostavnije izvedbe pretvarača možda neće biti opremljene kontrolnom funkcijom.

Svi uređaji za pretvorbu mogu koristiti jednu od sljedećih vrsta sklopova:

• pločnik;

• nula;

• sa ili bez transformatora;

• s jednom, dvije, tri ili više faza.

Korektivni uređaji

Ovo je najčešća i stara klasa pretvarača koji vam omogućuju da dobijete ispravljenu ili stabiliziranu istosmjernu struju iz izmjenične sinusne, obično industrijske frekvencije.

Rijetki eksponati

Uređaji male snage

Prije samo nekoliko desetljeća selenske strukture i vakuumski uređaji još su se koristili u radiotehnici i elektroničkim uređajima.

Takvi uređaji temelje se na principu korekcije struje iz jednog elementa selenske ploče. Oni su sekvencijalno sastavljeni u jednu strukturu montažom adaptera. Što je veći napon potreban za korekciju, to se više takvih elemenata koristi. Nisu bili jako moćni i mogli su izdržati opterećenje od nekoliko desetaka miliampera.

U zatvorenom staklenom kućištu ispravljača svjetiljki stvorio se vakuum. U njemu su smještene elektrode: anoda i katoda sa žarnom niti, koje osiguravaju protok termoeničkog zračenja.

Takve svjetiljke osiguravale su istosmjernu struju za različite krugove radio prijamnika i televizora sve do kraja prošlog stoljeća.

Ignitroni su moćni uređaji

U industrijskim uređajima, anodno-katodni živini ionski uređaji koji rade na principu kontroliranog naboja luka bili su naširoko korišteni u prošlosti. Korišteni su tamo gdje je bilo potrebno upravljati istosmjernim opterećenjem jačine stotina ampera pri ispravljenom naponu do i uključujući pet kilovolta.

Protok elektrona korišten je za protok struje od katode do anode. Stvara se lučnim pražnjenjem uzrokovanim u jednom ili više područja katode, koje se nazivaju svjetleće katodne mrlje. Nastaju kada se pomoćni luk uključi pomoću elektrode za paljenje dok se ne zapali glavni luk.

Za to su stvoreni kratkotrajni impulsi od nekoliko milisekundi s jakošću struje do desetaka ampera. Promjena oblika i jačine impulsa omogućila je kontrolu rada upaljača.

Ovaj dizajn pruža dobru podršku naponu tijekom ispravljanja i prilično visoku učinkovitost. Ali tehnička složenost dizajna i poteškoće u radu doveli su do odbijanja njegove uporabe.

Poluvodički uređaji

Diode

Njihov rad se temelji na principu provođenja struje u jednom smjeru zbog svojstava p-n spoja koji nastaje kontaktima između poluvodičkih materijala ili metala i poluvodiča.

Diode propuštaju struju samo u određenom smjeru, a kada kroz njih prođe izmjenični sinusoidni harmonik, odsijeku jedan poluval i stoga se široko koriste kao ispravljači.

Moderne diode proizvode se u vrlo širokom rasponu i obdarene su različitim tehničkim karakteristikama.

Tiristori

Tiristor koristi četiri vodljiva sloja koji tvore složeniju strukturu poluvodiča od diode s tri serijski spojena p-n spoja J1, J2, J3. Kontakti s vanjskim slojem «p» i «n» koriste se kao anoda i katoda, a s unutarnjim slojem kao upravljačka elektroda UE, koja služi za uključivanje tiristora i obavljanje regulacije.

Ispravljanje sinusoidnog harmonika provodi se na istom principu kao i za poluvodičku diodu. Ali da bi tiristor radio, potrebno je uzeti u obzir određenu karakteristiku - struktura njegovih unutarnjih prijelaza mora biti otvorena za prolaz električnih naboja, a ne zatvorena.

To se postiže propuštanjem struje određenog polariteta kroz pogonsku elektrodu. Slika ispod prikazuje načine otvaranja tiristora koji se istovremeno koriste za podešavanje količine struje koja prolazi u različito vrijeme.

Kada struja prolazi kroz RE u trenutku prolaska sinusoide kroz nultu vrijednost, stvara se maksimalna vrijednost, koja se postupno smanjuje u točkama «1», «2», «3».

Na taj način se podešava struja uz regulaciju tiristora. Trijaci i energetski MOSFET-ovi i/ili AGBT-ovi u strujnim krugovima rade na sličan način. Ali oni ne obavljaju funkciju ispravljanja struje, prolazeći je u oba smjera. Stoga njihove upravljačke sheme koriste dodatni algoritam prekida impulsa.

DC/DC pretvarači

Ovi dizajni rade suprotno od ispravljača. Koriste se za stvaranje izmjenične sinusne struje iz istosmjerne struje dobivene iz kemijskih izvora struje.

Rijedak razvoj događaja

Od kasnog 19. stoljeća strukture električnih strojeva korištene su za pretvaranje istosmjernog napona u izmjenični napon. Sastoje se od elektromotora istosmjerne struje koji se napaja iz baterije ili baterijskog paketa i generatora izmjenične struje čiju armaturu pokreće motorni pogon.

U nekim je uređajima namot generatora bio namotan izravno na zajednički rotor motora. Ova metoda ne samo da mijenja oblik signala, već također, u pravilu, povećava amplitudu ili frekvenciju napona.

Ako su tri namota smještena na 120 stupnjeva namotana na armaturu generatora, tada se uz njegovu pomoć dobiva ekvivalentni simetrični trofazni napon.

Umformeri su bili naširoko korišteni do 1970-ih za radio lampe, opremu za trolejbuse, tramvaje, električne lokomotive prije masovnog uvođenja poluvodičkih elemenata.

Inverterski pretvarači

Princip rada

Kao osnovu za razmatranje uzimamo ispitni krug tiristora KU202 iz baterije i žarulje.

Normalno zatvoreni kontakt tipke SA1 i žarulja sa žarnom niti male snage ugrađeni su u krug za opskrbu anode pozitivnim potencijalom baterije. Kontrolna elektroda je spojena preko limitatora struje i otvorenog kontakta tipke SA2. Katoda je čvrsto spojena na negativ baterije.

Ako u trenutku t1 pritisnete tipku SA2, struja će teći do katode kroz krug upravljačke elektrode, što će otvoriti tiristor i lampica uključena u anodnu granu će zasvijetliti. Zbog značajki dizajna ovog tiristora, on će nastaviti gorjeti čak i kada je kontakt SA2 otvoren.

Sada u trenutku t2 pritisnemo tipku SA1.Krug napajanja anode će se isključiti i svjetlo će se ugasiti zbog činjenice da protok struje kroz njega prestaje.

Grafikon prikazane slike pokazuje da je istosmjerna struja prošla kroz vremenski interval t1 ÷ t2. Ako vrlo brzo promijenite gumbe, tada možete formirati pravokutni puls s pozitivnim predznakom. Slično tome, možete stvoriti negativan impuls. U tu svrhu dovoljno je malo promijeniti krug kako bi struja tekla u suprotnom smjeru.

Niz od dva impulsa s pozitivnim i negativnim vrijednostima stvara valni oblik koji se u elektrotehnici naziva kvadratni val. Njegov pravokutni oblik otprilike podsjeća na sinusni val s dva poluvala suprotnih predznaka.

Ako u razmatranoj shemi zamijenimo gumbe SA1 i SA2 relejnim kontaktima ili tranzistorskim sklopkama i prebacimo ih prema određenom algoritmu, tada će biti moguće automatski stvoriti struju u obliku meandra i prilagoditi je određenoj frekvenciji, radnoj ciklus, razdoblje. Takvim prebacivanjem upravlja poseban elektronički upravljački krug.

Blok dijagram napojne sekcije

Kao primjer razmotrimo najjednostavniji primarni sustav mosnog pretvarača.

Ovdje se umjesto tiristora formiranjem pravokutnog impulsa bave posebno odabrane sklopke tranzistora polja. Otpor opterećenja Rn uključen je u dijagonalu njihovog mosta. Dovodne elektrode svakog tranzistora «izvor» i «odvod» suprotno su spojene s šant diodama, a izlazni kontakti upravljačkog kruga spojeni su na «vrata».

Zbog automatskog rada upravljačkih signala, naponski impulsi različitog trajanja i predznaka izlaze na potrošač. Njihov redoslijed i karakteristike su prilagođeni optimalnim parametrima izlaznog signala.

Pod djelovanjem primijenjenih napona na dijagonalni otpor, uzimajući u obzir prijelazne procese, nastaje struja čiji je oblik već bliži sinusoidi nego meandru.

Poteškoće u tehničkoj izvedbi

Za dobro funkcioniranje strujnog kruga pretvarača potrebno je osigurati pouzdan rad sustava upravljanja koji se temelji na sklopnim sklopkama. Oni su obdareni bilateralnim vodljivim svojstvima i formirani su ranžiranjem tranzistora spajanjem reverznih dioda.

Za podešavanje amplitude izlaznog napona najčešće se koristi princip modulacije širine impulsa odabirom područja pulsa svakog poluvala metodom kontrole njegovog trajanja. Osim ove metode, postoje uređaji koji rade s pretvorbom amplitude pulsa.

U procesu formiranja krugova izlaznog napona dolazi do kršenja simetrije poluvalova, što nepovoljno utječe na rad induktivnih opterećenja. To je najviše vidljivo kod transformatora.

Tijekom rada upravljačkog sustava postavlja se algoritam za generiranje ključeva strujnog kruga koji uključuje tri faze:

1. ravno;

2. kratki spoj;

3. obrnuto.

U opterećenju su moguće ne samo pulsirajuće struje, već i struje promjenjivog smjera, koje stvaraju dodatne smetnje na stezaljkama izvora.

Tipičan dizajn

Među mnogim različitim tehnološkim rješenjima koja se koriste za stvaranje pretvarača, tri su sheme uobičajene, razmatrane sa stajališta stupnja povećanja složenosti:

1. most bez transformatora;

2. s neutralnim priključkom transformatora;

3. most s transformatorom.

Izlazni valni oblici

Inverteri su dizajnirani za napajanje naponom:

• pravokutan;

• trapez;

• stepenasti izmjenični signali;

• sinusoide.

Fazni pretvarači

Industrija proizvodi elektromotore za rad u određenim radnim uvjetima, uzimajući u obzir snagu iz određenih vrsta izvora. Međutim, u praksi se pojavljuju situacije kada je iz različitih razloga potrebno spojiti trofazni asinkroni motor na jednofaznu mrežu. U tu svrhu razvijeni su različiti električni sklopovi i uređaji.

Energetski intenzivne tehnologije

Stator trofaznog asinkronog motora uključuje tri namota koji su namotani na određeni način, smješteni 120 stupnjeva jedan od drugog, od kojih svaki, kada se na njega nanese struja njegove naponske faze, stvara vlastito rotirajuće magnetsko polje. Smjer struja je odabran tako da se njihovi magnetski tokovi međusobno nadopunjuju, osiguravajući međusobno djelovanje za rotaciju rotora.

Kada postoji samo jedna faza napona napajanja za takav motor, postaje potrebno formirati tri strujna kruga iz njega, od kojih je svaki također pomaknut za 120 stupnjeva. Inače, rotacija neće raditi ili će biti neispravna.

U elektrotehnici postoje dva jednostavna načina za rotiranje vektora struje u odnosu na napon spajanjem na:

1. induktivno opterećenje kada struja počinje zaostajati za naponom za 90 stupnjeva;

2.Sposobnost stvaranja strujnog vodiča od 90 stupnjeva.

Gornja fotografija pokazuje da iz jedne faze napona Ua možete dobiti struju pomaknutu pod kutom ne za 120, već samo za 90 stupnjeva naprijed ili natrag. Osim toga, ovo će također zahtijevati odabir kondenzatora i vrijednosti prigušnice kako bi se proizveo prihvatljiv način rada motora.

U praktičnim rješenjima takvih shema najčešće se zaustavljaju na kondenzatorskoj metodi bez upotrebe induktivnih otpora. U tu svrhu, napon faze napajanja je doveden na jedan svitak bez ikakvih transformacija, a na drugi, pomaknut kondenzatorima. Rezultat je bio prihvatljiv okretni moment za motor.

Ali da bi se rotor okrenuo, bilo je potrebno stvoriti dodatni moment spajanjem trećeg namota kroz startne kondenzatore. Nemoguće ih je koristiti za stalni rad zbog stvaranja velikih struja u krugu pokretanja, koje brzo stvaraju povećano zagrijavanje. Stoga je ovaj krug nakratko uključen kako bi se dobio moment tromosti rotacije rotora.

Takve sheme bilo je lakše implementirati zbog jednostavnog formiranja kondenzatorskih baterija određenih vrijednosti od pojedinačnih dostupnih elemenata. Međutim, prigušnice su se morale izračunati i namotati samostalno, što je teško učiniti ne samo kod kuće.

Međutim, najbolji uvjeti za rad motora stvoreni su složenim povezivanjem kondenzatora i prigušnice u različitim fazama s odabirom smjerova struja u namotima i upotrebom otpornika za potiskivanje struje. Ovom metodom gubitak snage motora bio je do 30%.Međutim, dizajni takvih pretvarača nisu ekonomski isplativi, jer troše više električne energije za rad od samog motora.

Krug za pokretanje kondenzatora također troši povećanu stopu električne energije, ali u manjoj mjeri. Osim toga, motor spojen na njegov krug može generirati snagu nešto više od 50% one koja se stvara normalnim trofaznim napajanjem.

Zbog poteškoća u spajanju trofaznog motora na jednofazni krug napajanja i velikih gubitaka električne i izlazne snage, takvi pretvarači su pokazali svoju nisku učinkovitost, iako nastavljaju raditi u pojedinačnim instalacijama i strojevima za rezanje metala.

Inverterski uređaji

Poluvodički elementi omogućili su stvaranje racionalnijih faznih pretvarača proizvedenih na industrijskoj osnovi. Njihov dizajn je obično dizajniran za rad u trofaznim krugovima, ali oni mogu biti dizajnirani za rad s velikim brojem žica smještenih pod različitim kutovima.

Kada se pretvarači napajaju jednom fazom, izvodi se sljedeći redoslijed tehnoloških operacija:

1. ispravljanje jednofaznog napona diodnim čvorom;

2. izglađivanje valova iz stabilizacijskog kruga;

3. pretvorba istosmjernog napona u trofazni zbog metode inverzije.

U ovom slučaju, opskrbni krug može se sastojati od tri jednofazna dijela koja rade autonomno, kao što je ranije objašnjeno, ili jednog zajedničkog, sastavljenog, na primjer, prema autonomnom trofaznom inverterskom sustavu pretvorbe pomoću neutralnog zajedničkog vodiča.

Ovdje svako fazno opterećenje upravlja vlastitim parovima poluvodičkih elemenata, kojima upravlja zajednički sustav upravljanja. Oni stvaraju sinusne struje u fazama otpora Ra, Rb, Rc, koji su neutralnom žicom spojeni na zajednički krug napajanja. Dodaje vektore struje iz svakog opterećenja.

Kvaliteta aproksimacije izlaznog signala obliku čistog sinusnog vala ovisi o ukupnom dizajnu i složenosti korištenog kruga.

Pretvarači frekvencije

Na temelju pretvarača stvoreni su uređaji koji omogućuju promjenu frekvencije sinusoidnih oscilacija u širokom rasponu. U tu svrhu, električna energija od 50 herca koja im se isporučuje prolazi kroz sljedeće promjene:

• ustajati

• stabilizacija;

• visokofrekventna pretvorba napona.

Rad se temelji na istim principima kao i prethodni projekti, osim što upravljački sustav temeljen na mikroprocesorskim pločama na izlazu pretvarača generira izlazni napon povećane frekvencije desetaka kiloherca.

Pretvorba frekvencije na temelju automatskih uređaja omogućuje vam optimalno podešavanje rada elektromotora u trenutku pokretanja, zaustavljanja i vožnje unazad, a pogodno je mijenjati brzinu rotora. Istodobno se znatno smanjuje štetan utjecaj prijelaznih pojava u vanjskoj elektroenergetskoj mreži.

Više o tome pročitajte ovdje: Frekvencijski pretvarač - vrste, princip rada, sheme spajanja

Inverteri za zavarivanje

Glavna svrha ovih pretvarača napona je održavanje stabilnog gorenja luka i jednostavno upravljanje svim njegovim karakteristikama, uključujući i paljenje.

U tu svrhu, u dizajn pretvarača uključeno je nekoliko blokova koji izvode sekvencijalno izvođenje:

• korekcija trofaznog ili jednofaznog napona;

• stabilizacija parametara kroz filtere;

• inverzija visokofrekventnih signala iz stabiliziranog istosmjernog napona;

• pretvorba u / h napona snižavajućim transformatorom za povećanje vrijednosti struje zavarivanja;

• sekundarno podešavanje izlaznog napona za stvaranje luka zavarivanja.

Zbog korištenja visokofrekventne pretvorbe signala, dimenzije transformatora za zavarivanje su znatno smanjene i uštedjeni su materijali za cijelu konstrukciju. Inverteri za zavarivanje imaju velike prednosti u radu u usporedbi s elektromehaničkim analogama.

Transformatori: pretvarači napona

U elektrotehnici i energetici još uvijek se najviše koriste transformatori koji rade na elektromagnetskom principu za promjenu amplitude naponskog signala.

Imaju dva ili više zavojnica i magnetski krug, kroz koji se prenosi magnetska energija za pretvaranje ulaznog napona u izlazni napon promijenjene amplitude.