Soorten conversie van elektrische energie

Een groot aantal huishoudelijke apparaten en industriële installaties worden in hun werk aangedreven door elektrische energie van verschillende soorten. Het is gemaakt door de massa EMF en huidige bronnen.

Generatorsets produceren eenfasige of driefasige stroom op industriële frequentie, terwijl chemische bronnen gelijkstroom produceren. Tegelijkertijd doen zich in de praktijk vaak situaties voor waarin één type elektriciteit niet voldoende is voor de werking van bepaalde apparaten en het noodzakelijk is om de conversie uit te voeren.

Voor dit doel produceert de industrie een groot aantal elektrische apparaten die werken met verschillende parameters van elektrische energie, waarbij ze van het ene type naar het andere worden omgezet met verschillende spanningen, frequenties, aantal fasen en golfvormen. Volgens de functies die ze uitvoeren, zijn ze onderverdeeld in conversieapparaten:

• eenvoudig;

• met de mogelijkheid om het uitgangssignaal aan te passen;

• begiftigd met het vermogen om te stabiliseren.

Classificatie methoden

Door de aard van de uitgevoerde bewerkingen zijn converters onderverdeeld in apparaten:

• opstaan

• omkering van een of meer fasen;

• veranderingen in signaalfrequentie;

• conversie van het aantal fasen van het elektrische systeem;

• het veranderen van het spanningstype.

Volgens de besturingsmethoden van de opkomende algoritmen werken instelbare converters aan:

• het pulsprincipe dat wordt gebruikt in gelijkstroomcircuits;

• fasemethode gebruikt in harmonische oscillatorcircuits.

De eenvoudigste omvormerontwerpen zijn mogelijk niet uitgerust met een besturingsfunctie.

Alle conversieapparaten kunnen een van de volgende circuittypen gebruiken:

• stoep;

• nul;

• met of zonder transformator;

• met één, twee, drie of meer fasen.

Corrigerende apparaten

Dit is de meest voorkomende en oude klasse converters waarmee u gelijkgerichte of gestabiliseerde gelijkstroom kunt krijgen van een wisselende sinusvormige, meestal industriële frequentie.

Zeldzame exposities

Apparaten met laag vermogen

Slechts een paar decennia geleden werden seleniumstructuren en op vacuüm gebaseerde apparaten nog gebruikt in radiotechniek en elektronische apparaten.

Dergelijke apparaten zijn gebaseerd op het principe van stroomcorrectie van een enkel element van een seleniumplaat. Ze werden opeenvolgend tot een enkele structuur geassembleerd door adapters te monteren. Hoe hoger de spanning die nodig is voor correctie, hoe meer van dergelijke elementen worden gebruikt. Ze waren niet erg krachtig en konden een belasting van enkele tientallen milliampères weerstaan.

In de gesloten glazen behuizing van de lampgelijkrichters ontstond een vacuüm. Het herbergt elektroden: een anode en een kathode met een gloeidraad, die zorgen voor de stroom van thermische straling.

Dergelijke lampen leverden tot het einde van de vorige eeuw gelijkstroom voor verschillende circuits van radio-ontvangers en televisies.

Ignitrons zijn krachtige apparaten

In industriële apparaten zijn anode-kathodekwikionenapparaten die werken volgens het principe van gecontroleerde booglading in het verleden op grote schaal gebruikt. Ze werden daar ingezet waar het nodig was om een ​​gelijkstroombelasting met een sterkte van honderden ampères te laten werken bij een gelijkgerichte spanning tot en met vijf kilovolt.

Elektronenstroom werd gebruikt voor de stroom van de kathode naar de anode. Het wordt veroorzaakt door een boogontlading die wordt veroorzaakt in een of meer delen van de kathode, lichtgevende kathodevlekken genoemd. Ze worden gevormd wanneer de hulpboog wordt ingeschakeld door de ontstekingselektrode totdat de hoofdboog ontsteekt.

Hiervoor werden kortstondige pulsen van enkele milliseconden met een stroomsterkte tot tientallen ampères gecreëerd. Door de vorm en sterkte van de pulsen te veranderen, kon de werking van de ontsteker worden geregeld.

Dit ontwerp biedt een goede spanningsondersteuning tijdens rectificatie en een redelijk hoog rendement. Maar de technische complexiteit van het ontwerp en de moeilijkheden bij het gebruik leidden tot de afwijzing van het gebruik ervan.

Halfgeleider apparaten

dioden

Hun werk is gebaseerd op het principe van stroomgeleiding in één richting vanwege de eigenschappen van de pn-overgang die wordt gevormd door contacten tussen halfgeleidermaterialen of metaal en halfgeleider.

Diodes laten stroom alleen in een bepaalde richting door, en wanneer er een alternerende sinusvormige harmonische doorheen gaat, snijden ze een halve golf af en worden daarom veel gebruikt als gelijkrichters.

Moderne diodes worden in een zeer breed assortiment geproduceerd en hebben verschillende technische kenmerken.

Thyristoren

De thyristor gebruikt vier geleidende lagen die een complexere halfgeleiderstructuur vormen dan een diode met drie in serie geschakelde pn-overgangen J1, J2, J3. De contacten met de buitenste laag «p» en «n» worden gebruikt als anode en kathode, en met de binnenste laag als stuurelektrode van de UE, die wordt gebruikt om de thyristor in werking te stellen en te regelen.

De gelijkrichting van een sinusvormige harmonische wordt uitgevoerd volgens hetzelfde principe als voor een halfgeleiderdiode. Maar om de thyristor te laten werken, is het noodzakelijk om rekening te houden met een bepaald kenmerk: de structuur van zijn interne overgangen moet open zijn voor de doorgang van elektrische ladingen en niet gesloten.

Dit wordt gedaan door een stroom van een bepaalde polariteit door de aandrijfelektrode te laten gaan. De onderstaande foto toont de manieren om de thyristor te openen die tegelijkertijd wordt gebruikt om de hoeveelheid stroom die op verschillende tijdstippen wordt doorgegeven aan te passen.

Wanneer de stroom door RE wordt aangelegd op het moment dat de sinusoïde door de nulwaarde gaat, wordt een maximale waarde gecreëerd, die geleidelijk afneemt op de punten «1», «2», «3».

Op deze manier wordt de stroom samen met de thyristorregeling aangepast. Triacs en vermogens-MOSFET's en/of AGBT's in vermogenscircuits werken op een vergelijkbare manier. Maar ze hebben niet de functie om de stroom te corrigeren en in beide richtingen door te geven. Daarom gebruiken hun besturingsschema's een extra pulsonderbrekingsalgoritme.

DC/DC-omvormers

Deze ontwerpen doen het tegenovergestelde van gelijkrichters. Ze worden gebruikt om wisselstroom op te wekken uit gelijkstroom die wordt verkregen uit chemische stroombronnen.

Een zeldzame ontwikkeling

Sinds het einde van de 19e eeuw worden elektrische machineconstructies gebruikt om gelijkspanning om te zetten in wisselspanning. Ze bestaan ​​uit een gelijkstroom-elektromotor die wordt aangedreven door een batterij of batterijpakket en een wisselstroomgenerator waarvan het anker wordt rondgedraaid door de motoraandrijving.

Bij sommige apparaten werd de generatorwikkeling direct op de gemeenschappelijke rotor van de motor gewikkeld. Deze methode verandert niet alleen de vorm van het signaal, maar verhoogt in de regel ook de amplitude of frequentie van de spanning.

Als drie wikkelingen op 120 graden op het anker van de generator worden gewikkeld, wordt met zijn hulp een equivalente symmetrische driefasige spanning verkregen.

Umformers werden tot de jaren zeventig veel gebruikt voor radiolampen, apparatuur voor trolleybussen, trams, elektrische locomotieven voordat halfgeleiderelementen massaal werden geïntroduceerd.

Inverter omvormers

Operatie principe

Als overweging nemen we het KU202 thyristortestcircuit van een batterij en een gloeilamp.

Een normaal gesloten contact van de SA1-knop en een gloeidraadlamp met laag vermogen zijn in het circuit ingebouwd om het positieve potentiaal van de batterij aan de anode te leveren. De stuurelektrode is aangesloten via een stroombegrenzer en een open contact van de SA2-knop. De kathode is stevig verbonden met de min van de batterij.

Als u op tijdstip t1 op de knop SA2 drukt, zal de stroom naar de kathode vloeien via het circuit van de stuurelektrode, waardoor de thyristor wordt geopend en de lamp in de anodetak gaat branden. Vanwege de ontwerpkenmerken van deze thyristor zal deze blijven branden, zelfs als contact SA2 open is.

Nu drukken we op tijdstip t2 op knop SA1.Het voedingscircuit van de anode wordt uitgeschakeld en het lampje gaat uit omdat de stroom er doorheen stopt.

De grafiek van de gepresenteerde afbeelding laat zien dat er een gelijkstroom door het tijdsinterval t1 ÷ t2 ging. Als je heel snel van knoppen wisselt, dan kun je vormen rechthoekige puls met een positief teken. Op dezelfde manier kun je een negatieve impuls creëren. Voor dit doel volstaat het om het circuit iets te veranderen om de stroom in de tegenovergestelde richting te laten stromen.

Een reeks van twee pulsen met positieve en negatieve waarden creëert een golfvorm die in de elektrotechniek een blokgolf wordt genoemd. De rechthoekige vorm lijkt ruwweg op een sinusgolf met twee halve golven met tegengestelde tekens.

Als we in het beschouwde schema de knoppen SA1 en SA2 vervangen door relaiscontacten of transistorschakelaars en ze schakelen volgens een bepaald algoritme, dan is het mogelijk om automatisch een meandervormige stroom te creëren en aan te passen aan een bepaalde frequentie, duty cyclus, periode. Een dergelijke schakeling wordt geregeld door een speciaal elektronisch regelcircuit.

Blokschema van het voedingsgedeelte

Beschouw als voorbeeld het eenvoudigste primaire systeem van een brugomvormer.

Hier zorgen in plaats van een thyristor speciaal geselecteerde veldtransistorschakelaars voor de vorming van een rechthoekige puls. De belastingsweerstand Rn is opgenomen in de diagonaal van hun brug. De voedingselektroden van elke transistor «source» en «drain» zijn tegengesteld verbonden met shuntdiodes en de uitgangscontacten van het stuurcircuit zijn verbonden met de «gate».

Door de automatische werking van de stuursignalen worden spanningspulsen van verschillende duur en teken naar de belasting gestuurd. Hun volgorde en kenmerken zijn afgestemd op de optimale parameters van het uitgangssignaal.

Onder invloed van de aangelegde spanningen op de diagonale weerstand, rekening houdend met de voorbijgaande processen, ontstaat er een stroom waarvan de vorm al dichter bij een sinusoïde ligt dan die van een meander.

Moeilijkheden bij de technische implementatie

Voor een goede werking van het stroomcircuit van de omvormers is het noodzakelijk om te zorgen voor een betrouwbare werking van het besturingssysteem, dat is gebaseerd op schakelschakelaars. Ze zijn begiftigd met bilateraal geleidende eigenschappen en worden gevormd door transistors te shunten door omgekeerde diodes te verbinden.

Om de amplitude van de uitgangsspanning aan te passen, wordt deze het vaakst gebruikt pulsbreedtemodulatie principe door het pulsgebied van elke halve golf te selecteren door de duur ervan te regelen. Naast deze methode zijn er apparaten die werken met pulsamplitudeconversie.

Tijdens het vormen van de circuits van de uitgangsspanning treedt een schending van de symmetrie van de halve golven op, wat de werking van inductieve belastingen nadelig beïnvloedt. Dit is het meest merkbaar bij transformatoren.

Tijdens de werking van het besturingssysteem wordt een algoritme ingesteld voor het genereren van de sleutels van het stroomcircuit, dat drie fasen omvat:

1. recht;

2. kortsluiting;

3. omgekeerd.

In de belasting zijn niet alleen pulserende stromen mogelijk, maar ook van richting veranderende stromen, die extra storingen aan de bronklemmen veroorzaken.

Typisch ontwerp

Onder de vele verschillende technologische oplossingen die worden gebruikt om omvormers te maken, zijn drie schema's gebruikelijk, beschouwd vanuit het oogpunt van toenemende complexiteit:

1. brug zonder transformator;

2. met de neutrale aansluiting van de transformator;

3. brug met transformator.

Uitgang golfvormen

Omvormers zijn ontworpen om spanning te leveren:

• rechthoekig;

• trapezium;

• getrapte wisselsignalen;

• sinusoïden.

Fase-omvormers

De industrie produceert elektromotoren om onder specifieke bedrijfsomstandigheden te werken, rekening houdend met het vermogen van bepaalde soorten bronnen. In de praktijk doen zich echter situaties voor waarin het om verschillende redenen noodzakelijk is om een ​​driefasige asynchrone motor aan te sluiten op een enkelfasig netwerk. Hiervoor zijn verschillende elektrische schakelingen en apparaten ontwikkeld.

Energie-intensieve technologieën

De stator van een driefasige asynchrone motor bevat drie wikkelingen die op een bepaalde manier zijn gewikkeld, 120 graden van elkaar verwijderd, en die elk, wanneer de stroom van zijn spanningsfase erop wordt toegepast, zijn eigen roterende magnetische veld creëren. De richting van de stromen wordt zo gekozen dat hun magnetische fluxen elkaar aanvullen, waardoor wederzijdse actie wordt geboden voor de rotatie van de rotor.

Wanneer er voor zo'n motor maar één fase van de voedingsspanning is, wordt het noodzakelijk om er drie stroomcircuits van te vormen, die elk ook 120 graden worden verschoven. Anders werkt de rotatie niet of is deze defect.

In de elektrotechniek zijn er twee eenvoudige manieren om de stroomvector ten opzichte van de spanning te roteren door verbinding te maken met:

1. inductieve belasting wanneer de stroom 90 graden achterloopt op de spanning;

2.Mogelijkheid om een ​​stroomgeleider van 90 graden te creëren.

De bovenstaande foto laat zien dat je vanuit één fase van de spanning Ua een stroom kunt krijgen die niet 120, maar slechts 90 graden naar voren of naar achteren is verschoven. Bovendien vereist dit ook het selecteren van de capaciteiten van de condensator en de smoorspoel om een ​​acceptabele motorbedrijfsmodus te produceren.

In de praktische oplossingen van dergelijke schema's stoppen ze meestal bij de condensatormethode zonder het gebruik van inductieve weerstanden. Hiertoe werd de spanning van de voedingsfase zonder transformaties op de ene spoel toegepast en op de andere door condensatoren verschoven. Het resultaat was een acceptabel koppel voor de motor.

Maar om de rotor te laten draaien, was het nodig om een ​​extra koppel te creëren door de derde wikkeling via startcondensatoren aan te sluiten. Het is onmogelijk om ze voor constant gebruik te gebruiken vanwege de vorming van grote stromen in het startcircuit, die snel voor meer verwarming zorgen. Daarom werd deze schakeling kort ingeschakeld om het traagheidsmoment van de rotorrotatie op te vangen.

Dergelijke schema's waren gemakkelijker te implementeren vanwege de eenvoudige vorming van condensatorbanken met gespecificeerde waarden uit individuele beschikbare elementen. De smoorspoelen moesten echter onafhankelijk worden berekend en opgewonden, wat niet alleen thuis moeilijk is.

De beste voorwaarden voor de werking van de motor werden echter gecreëerd met de complexe verbinding van de condensator en de smoorspoel in verschillende fasen met de selectie van de richtingen van de stromen in de wikkelingen en het gebruik van stroomonderdrukkende weerstanden. Met deze methode was het verlies aan motorvermogen tot 30%.De ontwerpen van dergelijke omvormers zijn echter economisch niet winstgevend, omdat ze meer elektriciteit verbruiken voor gebruik dan de motor zelf.

Het startcircuit van de condensator verbruikt ook meer elektriciteit, maar in mindere mate. Bovendien kan de motor die op zijn circuit is aangesloten iets meer dan 50% van het vermogen opwekken dat wordt opgewekt met een normale driefasige voeding.

Vanwege de moeilijkheden bij het aansluiten van een driefasige motor op een enkelfasig voedingscircuit en de grote verliezen aan elektrisch en uitgangsvermogen, hebben dergelijke omvormers hun lage efficiëntie getoond, hoewel ze blijven werken in individuele installaties en metaalsnijmachines.

Omvormer apparaten

Halfgeleiderelementen maakten het mogelijk om meer rationele faseomvormers te creëren die op industriële basis werden geproduceerd. Hun ontwerpen zijn meestal ontworpen om te werken in driefasige circuits, maar ze kunnen worden ontworpen om te werken met een groot aantal snaren die zich onder verschillende hoeken bevinden.

Wanneer de converters door één fase worden gevoed, wordt de volgende reeks technologische bewerkingen uitgevoerd:

1. gelijkrichting van eenfasige spanning door een diodeknooppunt;

2. afvlakking van de golven van het stabilisatiecircuit;

3. omzetting van gelijkspanning naar driefasig door de inversiemethode.

In dit geval kan het voedingscircuit bestaan ​​uit drie enkelfasige delen die autonoom werken, zoals eerder besproken, of één gemeenschappelijke, bijvoorbeeld samengesteld volgens een autonoom driefasig inverter-conversiesysteem dat gebruik maakt van een neutrale gemeenschappelijke geleider.

Hier bedient elke fasebelasting zijn eigen paren halfgeleiderelementen, die worden bestuurd door een gemeenschappelijk besturingssysteem. Ze creëren sinusvormige stromen in de fasen van de weerstanden Ra, Rb, Rc, die via de neutrale draad zijn verbonden met het gemeenschappelijke voedingscircuit. Het voegt de huidige vectoren van elke belasting toe.

De kwaliteit van de benadering van het uitgangssignaal tot een zuivere sinusgolfvorm hangt af van het algehele ontwerp en de complexiteit van de gebruikte schakeling.

Frequentieomvormers

Op basis van omvormers zijn apparaten gemaakt waarmee de frequentie van sinusoïdale oscillaties in een breed bereik kan worden gewijzigd. Daartoe ondergaat de aan hen geleverde 50 hertz-elektriciteit de volgende wijzigingen:

• opstaan

• stabilisatie;

• hoogfrequente spanningsomzetting.

Het werk is gebaseerd op dezelfde principes van de vorige projecten, behalve dat het besturingssysteem op basis van microprocessorkaarten een uitgangsspanning genereert met een verhoogde frequentie van tientallen kilohertz aan de uitgang van de omzetter.

Frequentieconversie op basis van automatische apparaten stelt u in staat om de werking van elektromotoren optimaal aan te passen op het moment van starten, stoppen en omkeren, en het is handig om de snelheid van de rotor te wijzigen. Tegelijkertijd wordt de schadelijke impact van transiënten in het externe stroomnetwerk sterk verminderd.

Lees er hier meer over: Frequentieomvormer - typen, werkingsprincipe, verbindingsschema's

Lasinverters

Het belangrijkste doel van deze spanningsomvormers is het handhaven van een stabiele boogverbranding en gemakkelijke regeling van al zijn kenmerken, inclusief ontsteking.

Voor dit doel zijn er verschillende blokken opgenomen in het ontwerp van de omvormer, die sequentiële uitvoering uitvoeren:

• correctie van driefasige of enkelfasige spanning;

• stabilisatie van parameters door middel van filters;

• omkering van hoogfrequente signalen van gestabiliseerde gelijkspanning;

• conversie naar / h spanning door een step-down transformator om de waarde van de lasstroom te verhogen;

• secundaire aanpassing van uitgangsspanning voor lasboogvorming.

Door het gebruik van hoogfrequente signaalconversie worden de afmetingen van de lastransformator sterk verkleind en wordt materiaal bespaard voor de gehele constructie. Lasinverters hebben grote voordelen in vergelijking met hun elektromechanische tegenhangers.

Transformatoren: spanningsomzetters

In de elektrotechniek en energie worden transformatoren die werken volgens het elektromagnetische principe nog steeds het meest gebruikt om de amplitude van het spanningssignaal te veranderen.

Ze hebben twee of meer spoelen en magnetisch circuit, waardoor magnetische energie wordt overgedragen om de ingangsspanning om te zetten in een uitgangsspanning met gewijzigde amplitude.