Sähköenergian muuntamisen tyypit

Valtava määrä kodinkoneita ja teollisuuslaitteistoja työssään saa virtansa sähköenergiaa eri tyyppisiä. Se on monien luoma EMF ja virtalähteet.

Generaattorisarjat tuottavat yksi- tai kolmivaiheista virtaa teollisella taajuudella, kun taas kemialliset lähteet tuottavat tasavirtaa. Samaan aikaan käytännössä tulee usein tilanteita, joissa yksi sähkötyyppi ei riitä tiettyjen laitteiden toimintaan ja sen muuntaminen on tarpeen.

Tätä tarkoitusta varten teollisuus tuottaa suuren määrän sähkölaitteita, jotka toimivat erilaisten sähköenergian parametrien kanssa muuntaen ne tyypistä toiseen eri jännitteillä, taajuudella, vaiheiden lukumäärällä ja aaltomuodoilla. Niiden suorittamien toimintojen mukaan ne jaetaan muunnoslaitteisiin:

• yksinkertainen;

• mahdollisuus säätää lähtösignaalia;

• jolla on kyky stabiloida.

Luokittelumenetelmät

Suoritettujen toimintojen luonteen mukaan muuntimet jaetaan laitteisiin:

• seisomaan

• yhden tai useamman vaiheen kääntäminen;

• signaalin taajuuden muutokset;

• sähköjärjestelmän vaiheiden lukumäärän muuntaminen;

• jännitteen tyypin vaihtaminen.

Kehittyvien algoritmien ohjausmenetelmien mukaan säädettävät muuntimet toimivat:

• DC-piireissä käytetty pulssiperiaate;

• vaihemenetelmä, jota käytetään harmonisissa oskillaattoripiireissä.

Yksinkertaisimmat muuntajamallit eivät välttämättä ole varustettu ohjaustoiminnolla.

Kaikki muunnoslaitteet voivat käyttää yhtä seuraavista piirityypeistä:

• jalkakäytävä;

• nolla;

• muuntajan kanssa tai ilman;

• yhdellä, kahdella, kolmella tai useammalla vaiheella.

Korjaavat laitteet

Tämä on yleisin ja vanhin muuntajaluokka, jonka avulla voit saada tasasuuntaista tai stabiloitua tasavirtaa vaihtuvasta sinimuotoisesta, yleensä teollisuustaajuudesta.

Harvinaisia ​​näyttelyitä

Pienitehoiset laitteet

Vielä muutama vuosikymmen sitten seleenirakenteita ja tyhjiöpohjaisia ​​laitteita käytettiin radiotekniikassa ja elektroniikkalaitteissa.

Tällaiset laitteet perustuvat virrankorjauksen periaatteeseen seleenilevyn yhdestä elementistä. Ne koottiin peräkkäin yhdeksi rakenteeksi asentamalla sovittimia. Mitä korkeampi korjaukseen vaadittava jännite, sitä enemmän tällaisia ​​elementtejä käytetään. Ne eivät olleet kovin tehokkaita ja kestivät useiden kymmenien milliampeerien kuormituksen.

Lampun tasasuuntaajien suljettuun lasikoteloon syntyi tyhjiö. Siinä on elektrodit: anodi ja katodi, jossa on filamentti, jotka varmistavat termionisen säteilyn virtauksen.

Tällaiset lamput tarjosivat tasavirtaa radiovastaanottimien ja televisioiden eri piireille viime vuosisadan loppuun asti.

Ignitronit ovat tehokkaita laitteita

Teollisissa laitteissa anodi-katodi-elohopeaionilaitteita, jotka toimivat säädellyllä kaarivarausperiaatteella, on aiemmin käytetty laajalti. Niitä käytettiin silloin, kun oli tarpeen käyttää satojen ampeerien DC-kuormaa tasasuuntaisella jännitteellä, joka oli enintään viisi kilovolttia.

Elektronivirtaa käytettiin virtaamaan katodilta anodille. Se syntyy valokaaripurkauksesta, joka aiheutuu katodin yhdelle tai useammalle alueelle, joita kutsutaan valoisiksi katodipisteiksi. Ne muodostuvat, kun apukaari sytytetään sytytyselektrodilla, kunnes pääkaari syttyy.

Tätä varten luotiin lyhytaikaisia ​​muutaman millisekunnin pulsseja, joiden virranvoimakkuus oli jopa kymmeniä ampeeria. Pulssien muodon ja voimakkuuden muuttaminen mahdollisti sytyttimen toiminnan ohjauksen.

Tämä rakenne tarjoaa hyvän jännitetuen tasasuuntauksen aikana ja melko korkean hyötysuhteen. Mutta suunnittelun tekninen monimutkaisuus ja käytön vaikeudet johtivat sen käytön hylkäämiseen.

Puolijohdelaitteet

Diodit

Heidän työnsä perustuu puolijohdemateriaalien tai metallin ja puolijohteen välisten kontaktien muodostaman p-n-liitoksen ominaisuuksien periaatteeseen virran johtuminen yhteen suuntaan.

Diodit kuljettavat virtaa vain tiettyyn suuntaan, ja kun vaihtuva siniaalto kulkee niiden läpi, ne katkaisevat yhden puoliaallon ja ovat siksi laajalti käytössä tasasuuntaajina.

Nykyaikaisia ​​diodeja valmistetaan erittäin laajalla valikoimalla ja niillä on erilaisia ​​teknisiä ominaisuuksia.

Tyristorit

Tyristori käyttää neljää johtavaa kerrosta, jotka muodostavat monimutkaisemman puolijohderakenteen kuin diodi, jossa on kolme sarjaan kytkettyä p-n-liitosta J1, J2, J3. Koskettimia ulkokerroksen «p» ja «n» kanssa käytetään anodina ja katodina ja sisäkerroksen kanssa UE:n ohjauselektrodia, jota käytetään kytkemään tyristori toimintaan ja suorittamaan säätöä.

Siniaaltoharmonisen tasasuuntaus suoritetaan samalla periaatteella kuin puolijohdediodilla. Mutta jotta tyristori toimisi, on otettava huomioon tietty ominaisuus - sen sisäisten siirtymien rakenteen on oltava avoin sähkövarausten kulkua varten, eikä se ole suljettu.

Tämä tehdään johtamalla tietyn napaisuuden omaava virta käyttöelektrodin läpi. Alla oleva kuva näyttää tapoja avata tyristori, jota käytetään samanaikaisesti säätämään eri aikoina kulkevan virran määrää.

Kun virtaa syötetään RE:n kautta sillä hetkellä, kun siniaalto kulkee nolla-arvon läpi, syntyy maksimiarvo, joka pienenee vähitellen pisteissä «1», «2», «3».

Tällä tavalla virtaa säädetään yhdessä tyristorisäädön kanssa. Triacit ja teho-MOSFETit ja/tai AGBT:t tehopiireissä toimivat samalla tavalla. Mutta ne eivät suorita virran korjaustoimintoa, ohjaavat sen molempiin suuntiin. Siksi niiden ohjausjärjestelmät käyttävät ylimääräistä pulssikeskeytysalgoritmia.

DC/DC-muuntimet

Nämä mallit tekevät päinvastoin kuin tasasuuntaajat. Niitä käytetään tuottamaan sinimuotoista vaihtovirtaa kemiallisista virtalähteistä saadusta tasavirrasta.

Harvinainen kehitys

1800-luvun lopulta lähtien sähkökonerakenteita on käytetty muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi. Ne koostuvat tasavirtasähkömoottorista, joka saa virtaa akusta tai akkupaketista, ja AC-generaattorista, jonka ankkuria pyörittää moottorikäyttö.

Joissakin laitteissa generaattorin käämitys oli kääritty suoraan moottorin yhteiseen roottoriin. Tämä menetelmä ei vain muuta signaalin muotoa, vaan myös yleensä lisää jännitteen amplitudia tai taajuutta.

Jos generaattorin ankkuriin kääritään kolme 120 asteen kulmassa olevaa käämiä, niin sen avulla saadaan vastaava symmetrinen kolmivaihejännite.

Umformeja käytettiin laajalti 1970-luvulle asti radiolampuissa, johdinautojen, raitiovaunujen ja sähkövetureiden laitteissa ennen puolijohdeelementtien massakäyttöä.

Invertterimuuntimet

Toimintaperiaate

Harkinnan perustana otamme KU202-tyristoritestipiirin akusta ja hehkulampusta.

Normaalisti suljettu SA1-painikkeen kosketin ja pienitehoinen hehkulamppu on rakennettu piiriin syöttämään akun positiivisen potentiaalin anodille. Ohjauselektrodi on kytketty virranrajoittimen ja SA2-painikkeen avoimen koskettimen kautta. Katodi on kytketty tiukasti akun miinukseen.

Jos painat hetkellä t1 painiketta SA2, virta kulkee katodille ohjauselektrodin piirin kautta, mikä avaa tyristorin ja anodin haaraan kuuluva lamppu syttyy. Tämän tyristorin suunnitteluominaisuuksien ansiosta se palaa edelleen, vaikka kosketin SA2 on auki.

Nyt hetkellä t2 painamme painiketta SA1.Anodin syöttöpiiri sammuu ja valo sammuu, koska virran virtaus sen läpi pysähtyy.

Esitetyn kuvan kaavio osoittaa, että tasavirta kulki aikavälin t1 ÷ t2 läpi. Jos vaihdat painikkeita hyvin nopeasti, voit muodostaa suorakaiteen muotoinen pulssi positiivisella merkillä. Samalla tavalla voit luoda negatiivisen impulssin. Tätä tarkoitusta varten riittää, että piiriä muutetaan hieman, jotta virta pääsee kulkemaan vastakkaiseen suuntaan.

Kahden pulssin sarja positiivisilla ja negatiivisilla arvoilla luo aaltomuodon, jota kutsutaan sähkötekniikassa neliöaaltoksi. Sen suorakaiteen muotoinen muoto muistuttaa karkeasti siniaaltoa, jossa on kaksi vastakkaisen merkkien puoliaaltoa.

Jos tarkasteltavassa kaaviossa korvaamme painikkeet SA1 ja SA2 relekoskettimilla tai transistorikytkimillä ja kytkemme ne tietyn algoritmin mukaan, on mahdollista luoda automaattisesti meander-muotoinen virta ja säätää se tietylle taajuudelle, teholle. sykli, jakso. Tällaista kytkentää ohjataan erityisellä elektronisella ohjauspiirillä.

Virtalähdeosan lohkokaavio

Harkitse esimerkkinä siltainvertterin yksinkertaisinta ensiöjärjestelmää.

Tässä tyristorin sijaan erityisesti valitut kenttätransistorikytkimet käsittelevät suorakaiteen muotoisen pulssin muodostamista. Kuormitusvastus Rn sisältyy niiden sillan diagonaaliin. Jokaisen transistorin «lähde» ja «tyhjennys» syöttöelektrodit on kytketty vastakkaisesti shunttidiodilla ja ohjauspiirin lähtökoskettimet on kytketty «porttiin».

Ohjaussignaalien automaattisen toiminnan ansiosta kuormaan lähetetään eripituisia ja -merkkisiä jännitepulsseja. Niiden järjestys ja ominaisuudet on räätälöity lähtösignaalin optimaalisten parametrien mukaan.

Käytettyjen jännitteiden vaikutuksesta diagonaalivastukseen, ohimenevät prosessit huomioon ottaen, syntyy virta, jonka muoto on jo lähempänä sinimuotoa kuin meanderin muotoa.

Vaikeuksia teknisessä toteutuksessa

Taajuusmuuttajien tehopiirin hyvän toiminnan kannalta on tarpeen varmistaa kytkentäkytkimiin perustuvan ohjausjärjestelmän luotettava toiminta. Niillä on kahdenväliset johtamisominaisuudet ja ne muodostetaan vaihtamalla transistoreja yhdistämällä käänteisiä diodeja.

Sitä käytetään useimmiten lähtöjännitteen amplitudin säätämiseen pulssinleveyden modulaatioperiaate valitsemalla kunkin puoliaallon pulssialueen sen kestoa säätelemällä. Tämän menetelmän lisäksi on laitteita, jotka toimivat pulssi-amplitudimuunnolla.

Lähtöjännitteen piirien muodostusprosessissa tapahtuu puoliaaltojen symmetrian rikkominen, mikä vaikuttaa haitallisesti induktiivisten kuormien toimintaan. Tämä näkyy parhaiten muuntajilla.

Ohjausjärjestelmän toiminnan aikana asetetaan algoritmi tehopiirin avainten generoimiseksi, joka sisältää kolme vaihetta:

1. suora;

2. oikosulku;

3. päinvastoin.

Kuormassa eivät ole mahdollisia vain sykkivät virrat, vaan myös suunnassa muuttuvat virrat, jotka aiheuttavat lisähäiriöitä lähdeliittimissä.

Tyypillinen muotoilu

Invertterien luomiseen käytettävien monien erilaisten teknisten ratkaisujen joukossa on kolme yleistä järjestelmää, joita tarkastellaan monimutkaisuuden lisääntymisen kannalta:

1. silta ilman muuntajaa;

2. muuntajan nollaliittimellä;

3. silta muuntajalla.

Lähtöaaltomuodot

Invertterit on suunniteltu syöttämään jännitettä:

• suorakulmainen;

• puolisuunnikkaan muotoinen;

• porrastetut vuorottelevat signaalit;

• sinusoidit.

Vaiheenmuuntimet

Teollisuus tuottaa sähkömoottoreita toimimaan tietyissä käyttöolosuhteissa ottaen huomioon tietyntyyppisistä lähteistä saatavan tehon. Käytännössä kuitenkin syntyy tilanteita, joissa eri syistä joudutaan kytkemään kolmivaiheinen asynkroninen moottori yksivaiheiseen verkkoon. Tätä tarkoitusta varten on kehitetty erilaisia ​​sähköpiirejä ja laitteita.

Energiaintensiiviset tekniikat

Kolmivaiheisen asynkronisen moottorin staattori sisältää kolme tietyllä tavalla kierrettyä käämiä, jotka sijaitsevat 120 astetta toisistaan, joista jokainen, kun siihen kohdistetaan jännitevaiheen virta, muodostaa oman pyörivän magneettikentän. Virtojen suunta valitaan siten, että niiden magneettivuot täydentävät toisiaan ja saavat aikaan keskinäisen toiminnan roottorin pyörimiselle.

Kun tällaisen moottorin syöttöjännitteessä on vain yksi vaihe, siitä on tarpeen muodostaa kolme virtapiiriä, joista jokainen on myös siirtynyt 120 astetta. Muuten kierto ei toimi tai on viallinen.

Sähkötekniikassa on kaksi yksinkertaista tapaa kiertää virtavektoria suhteessa jännitteeseen kytkemällä:

1. induktiivinen kuorma, kun virta alkaa viivästää jännitettä 90 astetta;

2.Mahdollisuus luoda 90 asteen virtajohdin.

Yllä oleva kuva osoittaa, että jännitteen Ua yhdestä vaiheesta saat virran siirtymään kulmassa ei 120, vaan vain 90 astetta eteenpäin tai taaksepäin. Lisäksi tämä edellyttää myös kondensaattorin ja kuristimen nimellisarvojen valitsemista hyväksyttävän moottorin toimintatilan aikaansaamiseksi.

Tällaisten järjestelmien käytännön ratkaisuissa ne pysähtyvät useimmiten kondensaattorimenetelmään käyttämättä induktiivisia vastuksia. Tätä tarkoitusta varten syöttövaiheen jännite johdettiin yhteen kelaan ilman muutoksia ja toiseen kondensaattoreiden avulla siirrettynä. Tuloksena oli moottorille hyväksyttävä vääntömomentti.

Mutta roottorin kääntämiseksi oli tarpeen luoda lisävääntömomentti kytkemällä kolmas käämi käynnistyskondensaattorien kautta. Niitä on mahdotonta käyttää jatkuvaan käyttöön, koska käynnistyspiirissä muodostuu suuria virtoja, jotka lisäävät nopeasti kuumenemista. Siksi tämä piiri kytkettiin hetkeksi päälle roottorin pyörimishitausmomentin saavuttamiseksi.

Tällaisia ​​järjestelmiä oli helpompi toteuttaa, koska yksittäisistä saatavilla olevista elementeistä muodostettiin yksinkertaisia ​​​​määritettyjen arvojen kondensaattoripankkeja. Kuristimet piti kuitenkin laskea ja kääriä itsenäisesti, mikä on vaikeaa tehdä paitsi kotona.

Parhaat olosuhteet moottorin toiminnalle luotiin kuitenkin kondensaattorin ja kuristimen monimutkaisella kytkennällä eri vaiheissa käämien virtojen suunnan valinnalla ja virtaa vaimentavien vastusten käytöllä. Tällä menetelmällä moottorin tehon menetys oli jopa 30 %.Tällaisten muuntimien suunnittelu ei kuitenkaan ole taloudellisesti kannattavaa, koska ne kuluttavat enemmän sähköä toimintaan kuin itse moottori.

Kondensaattorin käynnistyspiiri kuluttaa myös enemmän sähköä, mutta vähemmän. Lisäksi sen piiriin kytketty moottori pystyy tuottamaan hieman yli 50 % normaalilla kolmivaihesyötöllä syntyvästä tehosta.

Kolmivaiheisen moottorin liittämisessä yksivaiheiseen syöttöpiiriin ja suurista sähkö- ja lähtötehohäviöistä johtuen tällaiset muuntimet ovat osoittaneet alhaisen hyötysuhteensa, vaikka ne toimivat edelleen yksittäisissä asennuksissa ja metallinleikkauskoneissa.

Invertterilaitteet

Puolijohdeelementit mahdollistivat teollisesti valmistettujen rationaalisempien vaihemuuntajien luomisen. Niiden mallit on yleensä suunniteltu toimimaan kolmivaiheisissa piireissä, mutta ne voidaan suunnitella toimimaan suurella määrällä eri kulmissa olevia jonoja.

Kun muuntimet saavat virtaa yhdestä vaiheesta, suoritetaan seuraava teknisten toimintojen sarja:

1. yksivaiheisen jännitteen tasasuuntaus diodisolmulla;

2. stabilointipiirin aaltojen tasoitus;

3. tasajännitteen muuntaminen kolmivaiheiseksi inversiomenetelmän ansiosta.

Tässä tapauksessa syöttöpiiri voi koostua kolmesta itsenäisesti toimivasta yksivaiheisesta osasta, kuten aiemmin on kerrottu, tai yhdestä yhteisestä osasta, joka on koottu esimerkiksi autonomisen kolmivaiheisen invertterimuunnosjärjestelmän mukaan nollayhteisjohtimella.

Tässä jokainen vaihekuorma käyttää omia puolijohdeelementtipariaan, joita ohjataan yhteisellä ohjausjärjestelmällä. Ne luovat sinimuotoisia virtoja vastusten Ra, Rb, Rc vaiheissa, jotka on kytketty yhteiseen syöttöpiiriin nollajohtimen kautta. Se lisää virtavektorit jokaisesta kuormasta.

Lähtösignaalin puhtaan siniaallon muotoon lähentämisen laatu riippuu käytetyn piirin yleisestä rakenteesta ja monimutkaisuudesta.

Taajuusmuuntimet

Invertterien pohjalta on luotu laitteita, jotka mahdollistavat sinivärähtelyn taajuuden muuttamisen laajalla alueella. Tätä tarkoitusta varten niille toimitettavaan 50 hertsin sähköön tehdään seuraavat muutokset:

• seisomaan

• vakauttaminen;

• suurtaajuinen jännitteen muunnos.

Työ perustuu samoihin periaatteisiin kuin aikaisemmissakin projekteissa, paitsi että mikroprosessorilevyihin perustuva ohjausjärjestelmä tuottaa muuntimen lähtöön kymmeniä kilohertsejä korotetun lähtöjännitteen.

Automaattisiin laitteisiin perustuva taajuudenmuunnos mahdollistaa sähkömoottoreiden toiminnan optimaalisen säätämisen käynnistyksen, pysäytyksen ja peruutuksen aikana, ja roottorin nopeutta on kätevä muuttaa. Samalla ulkoisen sähköverkon transienttien haitallinen vaikutus vähenee jyrkästi.

Lue aiheesta lisää täältä: Taajuusmuuttaja - tyypit, toimintaperiaate, kytkentäkaaviot

Hitsausinvertterit

Näiden jännitemuuntajien päätarkoitus on ylläpitää vakaa valokaaren palaminen ja kaikkien sen ominaisuuksien, mukaan lukien sytytys, helppo hallinta.

Tätä tarkoitusta varten invertterin suunnittelussa on useita lohkoja, jotka suorittavat peräkkäisen suorituksen:

• kolmivaiheisen tai yksivaiheisen jännitteen korjaus;

• parametrien stabilointi suodattimien kautta;

• korkeataajuisten signaalien inversio stabiloidusta tasajännitteestä;

• muuntaminen / h -jännitteeksi alennusmuuntajalla hitsausvirran arvon lisäämiseksi;

• toissijainen lähtöjännitteen säätö hitsauskaaren muodostusta varten.

Korkeataajuisen signaalin muuntamisen ansiosta hitsausmuuntajan mitat pienenevät huomattavasti ja materiaalit säästyy koko rakenteeseen. Hitsausinvertterit niillä on suuria etuja käytössä sähkömekaanisiin vastineisiinsa verrattuna.

Muuntajat: jännitemuuntimet

Sähkötekniikassa ja energiassa sähkömagneettisella periaatteella toimivia muuntajia käytetään edelleen yleisimmin jännitesignaalin amplitudin muuttamiseksi.

Niissä on kaksi tai useampia keloja ja magneettinen piiri, jonka kautta magneettista energiaa siirretään tulojännitteen muuntamiseksi amplitudiltaan muuttuneeksi lähtöjännitteeksi.