Jenis penukaran tenaga elektrik

Sebilangan besar perkakas rumah dan pemasangan industri dalam kerja mereka dikuasakan oleh tenaga elektrik daripada pelbagai jenis. Ia dicipta oleh ramai orang EMF dan sumber semasa.

Set penjana menghasilkan arus satu fasa atau tiga fasa pada frekuensi industri, manakala sumber kimia menghasilkan arus terus. Pada masa yang sama, dalam amalan, situasi sering timbul apabila satu jenis elektrik tidak mencukupi untuk operasi peranti tertentu dan perlu untuk menjalankan penukarannya.

Untuk tujuan ini, industri menghasilkan sejumlah besar peranti elektrik yang berfungsi dengan parameter tenaga elektrik yang berbeza, menukarnya daripada satu jenis kepada yang lain dengan voltan, kekerapan, bilangan fasa dan bentuk gelombang yang berbeza. Mengikut fungsi yang mereka lakukan, ia dibahagikan kepada peranti penukaran:

• mudah;

• dengan keupayaan untuk melaraskan isyarat keluaran;

• dikurniakan keupayaan untuk menstabilkan.

Kaedah pengelasan

Mengikut sifat operasi yang dilakukan, penukar dibahagikan kepada peranti:

• berdiri

• pembalikan satu atau lebih peringkat;

• perubahan dalam kekerapan isyarat;

• penukaran bilangan fasa sistem elektrik;

• menukar jenis voltan.

Mengikut kaedah kawalan algoritma baru muncul, penukar boleh laras berfungsi pada:

• prinsip nadi yang digunakan dalam litar DC;

• kaedah fasa yang digunakan dalam litar pengayun harmonik.

Reka bentuk penukar yang paling mudah mungkin tidak dilengkapi dengan fungsi kawalan.

Semua peranti penukaran boleh menggunakan salah satu daripada jenis litar berikut:

• turapan;

• sifar;

• dengan atau tanpa pengubah;

• dengan satu, dua, tiga atau lebih fasa.

Peranti pembetulan

Ini ialah kelas penukar yang paling biasa dan lama yang membolehkan anda mendapatkan arus terus dibetulkan atau distabilkan daripada sinusoidal berselang-seli, biasanya frekuensi industri.

Pameran yang jarang berlaku

Peranti kuasa rendah

Hanya beberapa dekad yang lalu, struktur selenium dan peranti berasaskan vakum masih digunakan dalam kejuruteraan radio dan peranti elektronik.

Peranti sedemikian adalah berdasarkan prinsip pembetulan semasa dari satu elemen plat selenium. Mereka dipasang secara berurutan menjadi satu struktur dengan memasang penyesuai. Semakin tinggi voltan yang diperlukan untuk pembetulan, semakin banyak elemen sedemikian digunakan. Mereka tidak begitu kuat dan boleh menahan beban beberapa puluh miliamp.

Vakum telah dicipta dalam perumah kaca tertutup penerus lampu. Ia menempatkan elektrod: anod dan katod dengan filamen, yang memastikan aliran sinaran termionik.

Lampu sedemikian menyediakan kuasa arus terus untuk pelbagai litar penerima radio dan televisyen sehingga akhir abad yang lalu.

Ignitron adalah peranti berkuasa

Dalam peranti industri, peranti ion merkuri katod anod yang beroperasi pada prinsip cas arka terkawal telah digunakan secara meluas pada masa lalu. Ia digunakan di mana ia perlu untuk mengendalikan beban DC dengan kekuatan ratusan ampere pada voltan diperbetulkan sehingga dan termasuk lima kilovolt.

Aliran elektron digunakan untuk aliran arus dari katod ke anod. Ia dicipta oleh pelepasan arka yang disebabkan pada satu atau lebih kawasan katod, dipanggil bintik katod bercahaya. Mereka terbentuk apabila arka tambahan dihidupkan oleh elektrod pencucuhan sehingga arka utama menyala.

Untuk ini, denyutan jangka pendek beberapa milisaat dengan kekuatan semasa sehingga berpuluh-puluh ampere telah dicipta. Mengubah bentuk dan kekuatan denyutan memungkinkan untuk mengawal operasi penyala.

Reka bentuk ini memberikan sokongan voltan yang baik semasa pembetulan dan kecekapan yang agak tinggi. Tetapi kerumitan teknikal reka bentuk dan kesukaran dalam operasi menyebabkan penolakan penggunaannya.

Peranti semikonduktor

Diod

Kerja mereka adalah berdasarkan prinsip pengaliran arus dalam satu arah kerana sifat-sifat simpang p-n yang dibentuk oleh sentuhan antara bahan semikonduktor atau logam dan semikonduktor.

Diod hanya menghantar arus dalam arah tertentu, dan apabila harmonik sinusoidal berselang-seli melaluinya, ia memotong satu separuh gelombang dan oleh itu digunakan secara meluas sebagai penerus.

Diod moden dihasilkan dalam julat yang sangat luas dan dikurniakan pelbagai ciri teknikal.

Thyristor

Thyristor menggunakan empat lapisan konduktif yang membentuk struktur semikonduktor yang lebih kompleks daripada diod dengan tiga simpang p-n bersambung siri J1, J2, J3. Sentuhan dengan lapisan luar «p» dan «n» digunakan sebagai anod dan katod, dan dengan lapisan dalam sebagai elektrod kawalan UE, yang digunakan untuk menukar thyristor ke dalam tindakan dan melaksanakan peraturan.

Pembetulan harmonik sinusoidal dijalankan mengikut prinsip yang sama seperti untuk diod semikonduktor. Tetapi agar thyristor berfungsi, perlu mengambil kira ciri tertentu - struktur peralihan dalamannya mesti terbuka untuk laluan cas elektrik, dan tidak ditutup.

Ini dilakukan dengan menghantar arus kekutuban tertentu melalui elektrod pemacu. Foto di bawah menunjukkan cara untuk membuka thyristor yang digunakan secara serentak untuk melaraskan jumlah arus yang dilalui pada masa yang berbeza.

Apabila arus digunakan melalui RE pada saat melepasi sinusoid melalui nilai sifar, nilai maksimum dicipta, yang secara beransur-ansur berkurangan pada titik «1», «2», «3».

Dengan cara ini, arus diselaraskan bersama dengan peraturan thyristor. Triac dan MOSFET kuasa dan/atau AGBT dalam litar kuasa berfungsi dengan cara yang sama. Tetapi mereka tidak melaksanakan fungsi membetulkan arus, melewatinya dalam kedua-dua arah. Oleh itu, skim kawalan mereka menggunakan algoritma gangguan nadi tambahan.

Penukar DC / DC

Reka bentuk ini melakukan yang bertentangan dengan penerus. Ia digunakan untuk menjana arus sinusoidal ulang alik daripada arus terus yang diperoleh daripada sumber arus kimia.

Satu perkembangan yang jarang berlaku

Sejak akhir abad ke-19, struktur mesin elektrik telah digunakan untuk menukar voltan terus kepada voltan ulang-alik. Ia terdiri daripada motor elektrik arus terus yang dikuasakan oleh bateri atau pek bateri dan penjana AC yang angkernya diputar oleh pemacu motor.

Dalam sesetengah peranti, penggulungan penjana dililit terus pada pemutar biasa motor. Kaedah ini bukan sahaja mengubah bentuk isyarat, tetapi juga, sebagai peraturan, meningkatkan amplitud atau kekerapan voltan.

Sekiranya tiga belitan yang terletak pada 120 darjah dililit pada angker penjana, maka dengan bantuannya voltan tiga fasa simetri yang setara diperolehi.

Umformers digunakan secara meluas sehingga tahun 1970-an untuk lampu radio, peralatan untuk bas troli, trem, lokomotif elektrik sebelum pengenalan besar-besaran unsur semikonduktor.

Penukar penyongsang

Prinsip operasi

Sebagai asas pertimbangan, kami mengambil litar ujian thyristor KU202 daripada bateri dan mentol lampu.

Sentuhan butang SA1 yang biasanya tertutup dan lampu filamen kuasa rendah dibina ke dalam litar untuk membekalkan potensi positif bateri ke anod. Elektrod kawalan disambungkan melalui pengehad arus dan sesentuh terbuka butang SA2. Katod disambungkan dengan kukuh kepada negatif bateri.

Jika pada masa t1 anda menekan butang SA2, arus akan mengalir ke katod melalui litar elektrod kawalan, yang akan membuka thyristor dan lampu yang termasuk dalam cawangan anod akan menyala. Disebabkan oleh ciri reka bentuk thyristor ini, ia akan terus terbakar walaupun apabila contact SA2 dibuka.

Sekarang pada masa t2 kita tekan butang SA1.Litar bekalan anod akan dimatikan dan lampu akan padam disebabkan oleh fakta bahawa aliran arus melaluinya berhenti.

Graf gambar yang dibentangkan menunjukkan bahawa arus terus melalui selang masa t1 ÷ t2. Jika anda menukar butang dengan cepat, maka anda boleh membentuk nadi segi empat tepat dengan tanda positif. Begitu juga, anda boleh mencipta dorongan negatif. Untuk tujuan ini, cukup untuk menukar sedikit litar untuk membolehkan arus mengalir ke arah yang bertentangan.

Urutan dua denyutan dengan nilai positif dan negatif menghasilkan bentuk gelombang yang dipanggil gelombang persegi dalam kejuruteraan elektrik. Bentuk segi empat tepatnya kira-kira menyerupai gelombang sinus dengan dua separuh gelombang tanda bertentangan.

Jika dalam skema yang dipertimbangkan kita menggantikan butang SA1 dan SA2 dengan kenalan geganti atau suis transistor dan menukarnya mengikut algoritma tertentu, maka ia akan menjadi mungkin untuk mencipta arus berbentuk liku-liku secara automatik dan menyesuaikannya dengan frekuensi tertentu, tugas. kitaran, tempoh. Pensuisan sedemikian dikawal oleh litar kawalan elektronik khas.

Gambar rajah blok bahagian bekalan kuasa

Sebagai contoh, pertimbangkan sistem utama termudah bagi penyongsang jambatan.

Di sini, bukannya thyristor, suis transistor medan yang dipilih khas berurusan dengan pembentukan nadi segi empat tepat. Rintangan beban Rn termasuk dalam pepenjuru jambatan mereka. Elektrod bekalan setiap transistor «sumber» dan «parit» disambungkan secara bertentangan dengan diod shunt, dan sesentuh output litar kawalan disambungkan ke «pintu».

Disebabkan oleh operasi automatik isyarat kawalan, denyutan voltan dengan tempoh dan tanda yang berbeza dikeluarkan kepada beban. Urutan dan ciri mereka disesuaikan dengan parameter optimum isyarat keluaran.

Di bawah tindakan voltan yang digunakan pada rintangan pepenjuru, dengan mengambil kira proses sementara, arus timbul, bentuknya sudah lebih dekat dengan sinusoid daripada berliku.

Kesukaran dalam pelaksanaan teknikal

Untuk berfungsi dengan baik litar kuasa penyongsang, adalah perlu untuk memastikan operasi sistem kawalan yang boleh dipercayai, yang berdasarkan suis pensuisan. Mereka dikurniakan dengan sifat konduktor dua hala dan dibentuk oleh transistor shunting dengan menyambungkan diod terbalik.

Untuk melaraskan amplitud voltan keluaran, ia paling kerap digunakan prinsip modulasi lebar nadi dengan memilih kawasan nadi setiap separuh gelombang dengan kaedah mengawal tempohnya. Sebagai tambahan kepada kaedah ini, terdapat peranti yang berfungsi dengan penukaran amplitud nadi.

Dalam proses membentuk litar voltan keluaran, pelanggaran simetri separuh gelombang berlaku, yang menjejaskan operasi beban induktif. Ini paling ketara dengan transformer.

Semasa operasi sistem kawalan, algoritma ditetapkan untuk menjana kunci litar kuasa, yang merangkumi tiga peringkat:

1. lurus;

2. litar pintas;

3. sebaliknya.

Dalam beban, bukan sahaja arus berdenyut mungkin, tetapi juga arus berubah arah, yang menimbulkan gangguan tambahan pada terminal sumber.

Reka bentuk tipikal

Di antara banyak penyelesaian teknologi berbeza yang digunakan untuk mencipta penyongsang, tiga skema adalah biasa, dipertimbangkan dari sudut pandangan tahap peningkatan kerumitan:

1. jambatan tanpa pengubah;

2. dengan terminal neutral pengubah;

3. jambatan dengan transformer.

Bentuk gelombang keluaran

Penyongsang direka untuk membekalkan voltan:

• segi empat tepat;

• trapezoid;

• isyarat bergantian melangkah;

• sinusoid.

Penukar fasa

Industri menghasilkan motor elektrik untuk beroperasi di bawah keadaan operasi tertentu, dengan mengambil kira kuasa daripada jenis sumber tertentu. Walau bagaimanapun, dalam amalan, situasi timbul apabila, atas pelbagai sebab, adalah perlu untuk menyambungkan motor tak segerak tiga fasa ke rangkaian fasa tunggal. Pelbagai litar dan peranti elektrik telah dibangunkan untuk tujuan ini.

Teknologi intensif tenaga

Pemegun motor tak segerak tiga fasa termasuk tiga belitan yang dililit dengan cara tertentu, terletak 120 darjah antara satu sama lain, setiap satunya, apabila arus fasa voltannya digunakan padanya, mencipta medan magnet berputar sendiri. Arah arus dipilih supaya fluks magnetnya saling melengkapi, memberikan tindakan bersama untuk putaran pemutar.

Apabila hanya terdapat satu fasa voltan bekalan untuk motor sedemikian, ia menjadi perlu untuk membentuk tiga litar arus daripadanya, setiap satunya juga dialihkan sebanyak 120 darjah. Jika tidak, putaran tidak akan berfungsi atau akan rosak.

Dalam kejuruteraan elektrik, terdapat dua cara mudah untuk memutarkan vektor semasa berbanding voltan dengan menyambung kepada:

1. beban induktif apabila arus mula ketinggalan voltan sebanyak 90 darjah;

2.Keupayaan untuk mencipta konduktor semasa 90 darjah.

Foto di atas menunjukkan bahawa dari satu fasa voltan Ua anda boleh mendapatkan arus yang dialihkan pada sudut bukan 120, tetapi hanya dengan 90 darjah ke hadapan atau ke belakang. Di samping itu, ini juga memerlukan pemilihan kapasitor dan kadaran pencekik untuk menghasilkan mod pengendalian motor yang boleh diterima.

Dalam penyelesaian praktikal skema sedemikian, mereka paling kerap berhenti pada kaedah kapasitor tanpa menggunakan rintangan induktif. Untuk tujuan ini, voltan fasa bekalan digunakan pada satu gegelung tanpa sebarang transformasi, dan kepada yang lain, dialihkan oleh kapasitor. Hasilnya adalah tork yang boleh diterima untuk enjin.

Tetapi untuk menghidupkan pemutar, adalah perlu untuk mencipta tork tambahan dengan menyambungkan belitan ketiga melalui kapasitor permulaan. Tidak mustahil untuk menggunakannya untuk operasi berterusan kerana pembentukan arus besar dalam litar permulaan, yang dengan cepat mencipta peningkatan pemanasan. Oleh itu, litar ini dihidupkan sebentar untuk mendapatkan momen inersia putaran pemutar.

Skim sedemikian lebih mudah dilaksanakan kerana pembentukan mudah bank kapasitor dengan nilai tertentu daripada unsur-unsur yang tersedia secara individu. Walau bagaimanapun, tercekik terpaksa dikira dan luka secara bebas, yang sukar dilakukan bukan sahaja di rumah.

Walau bagaimanapun, keadaan terbaik untuk operasi motor dicipta dengan sambungan kompleks kapasitor dan tercekik dalam fasa yang berbeza dengan pemilihan arah arus dalam belitan dan penggunaan perintang penekan arus. Dengan kaedah ini, kehilangan kuasa enjin adalah sehingga 30%.Walau bagaimanapun, reka bentuk penukar sedemikian tidak menguntungkan dari segi ekonomi, kerana mereka menggunakan lebih banyak elektrik untuk operasi daripada enjin itu sendiri.

Litar permulaan kapasitor juga menggunakan kadar elektrik yang meningkat, tetapi pada tahap yang lebih rendah. Di samping itu, motor yang disambungkan ke litarnya mampu menjana kuasa lebih daripada 50% daripada yang dihasilkan dengan bekalan tiga fasa biasa.

Disebabkan oleh kesukaran menyambungkan motor tiga fasa ke litar bekalan satu fasa dan kehilangan besar kuasa elektrik dan keluaran, penukar tersebut telah menunjukkan kecekapannya yang rendah, walaupun ia terus berfungsi dalam pemasangan individu dan mesin pemotong logam.

Peranti penyongsang

Unsur semikonduktor memungkinkan untuk mencipta penukar fasa yang lebih rasional yang dihasilkan secara industri. Reka bentuk mereka biasanya direka untuk beroperasi dalam litar tiga fasa, tetapi mereka boleh direka bentuk untuk beroperasi dengan sejumlah besar rentetan yang terletak pada sudut yang berbeza.

Apabila penukar dikuasakan oleh satu fasa, urutan operasi teknologi berikut dilakukan:

1. pembetulan voltan fasa tunggal oleh nod diod;

2. melicinkan gelombang daripada litar penstabilan;

3. penukaran voltan terus kepada tiga fasa disebabkan kaedah penyongsangan.

Dalam kes ini, litar bekalan boleh terdiri daripada tiga bahagian fasa tunggal yang berfungsi secara autonomi, seperti yang dibincangkan sebelum ini, atau satu yang biasa, dipasang, sebagai contoh, mengikut sistem penukaran penyongsang tiga fasa autonomi menggunakan konduktor biasa neutral.

Di sini, setiap beban fasa mengendalikan pasangan elemen semikonduktornya sendiri, yang dikawal oleh sistem kawalan biasa. Mereka mencipta arus sinusoidal dalam fasa rintangan Ra, Rb, Rc, yang disambungkan ke litar bekalan biasa melalui wayar neutral. Ia menambah vektor semasa dari setiap beban.

Kualiti penghampiran isyarat keluaran kepada bentuk gelombang sinus tulen bergantung kepada reka bentuk keseluruhan dan kerumitan litar yang digunakan.

Penukar frekuensi

Berdasarkan penyongsang, peranti telah dicipta yang membolehkan menukar frekuensi ayunan sinusoidal dalam julat yang luas. Untuk tujuan ini, elektrik 50 hertz yang dibekalkan kepada mereka mengalami perubahan berikut:

• berdiri

• penstabilan;

• penukaran voltan frekuensi tinggi.

Kerja ini adalah berdasarkan prinsip yang sama bagi projek sebelumnya, kecuali sistem kawalan berdasarkan papan mikropemproses menjana voltan keluaran dengan frekuensi meningkat puluhan kilohertz pada output penukar.

Penukaran frekuensi berdasarkan peranti automatik membolehkan anda melaraskan operasi motor elektrik secara optimum pada masa memulakan, berhenti dan membalikkan, dan ia adalah mudah untuk menukar kelajuan pemutar. Pada masa yang sama, kesan berbahaya daripada transien dalam rangkaian kuasa luaran berkurangan secara mendadak.

Baca lebih lanjut mengenainya di sini: Penukar frekuensi - jenis, prinsip operasi, skema sambungan

Penyongsang kimpalan

Tujuan utama penukar voltan ini adalah untuk mengekalkan pembakaran arka yang stabil dan kawalan mudah semua cirinya, termasuk pencucuhan.

Untuk tujuan ini, beberapa blok dimasukkan ke dalam reka bentuk penyongsang, yang melakukan pelaksanaan berurutan:

• pembetulan voltan tiga fasa atau fasa tunggal;

• penstabilan parameter melalui penapis;

• penyongsangan isyarat frekuensi tinggi daripada voltan DC yang stabil;

• penukaran kepada / h voltan oleh pengubah injak turun untuk meningkatkan nilai arus kimpalan;

• pelarasan sekunder voltan keluaran untuk pembentukan arka kimpalan.

Oleh kerana penggunaan penukaran isyarat frekuensi tinggi, dimensi pengubah kimpalan dikurangkan dengan banyak dan bahan disimpan untuk keseluruhan struktur. Penyongsang kimpalan mempunyai kelebihan yang besar dalam operasi berbanding rakan elektromekanikal mereka.

Transformer: penukar voltan

Dalam kejuruteraan elektrik dan tenaga, transformer yang beroperasi pada prinsip elektromagnet masih digunakan secara meluas untuk menukar amplitud isyarat voltan.

Mereka mempunyai dua atau lebih gegelung dan litar magnetik, yang melaluinya tenaga magnet dihantar untuk menukar voltan masukan kepada voltan keluaran amplitud yang diubah.