Rodzaje przetwarzania energii elektrycznej

Ogromna liczba urządzeń gospodarstwa domowego i instalacji przemysłowych w swojej pracy jest zasilana energia elektryczna różnych typów. Tworzy ją wielość EMF i źródła prądowe.

Agregaty prądotwórcze wytwarzają prąd jednofazowy lub trójfazowy o częstotliwości przemysłowej, podczas gdy źródła chemiczne wytwarzają prąd stały. Jednocześnie w praktyce często dochodzi do sytuacji, gdy jeden rodzaj energii elektrycznej nie wystarcza do działania niektórych urządzeń i konieczne jest przeprowadzenie jej konwersji.

W tym celu przemysł wytwarza dużą liczbę urządzeń elektrycznych, które pracują z różnymi parametrami energii elektrycznej, przekształcając je z jednego typu na inny z różnymi napięciami, częstotliwościami, liczbą faz i przebiegami. Zgodnie z pełnionymi funkcjami są one podzielone na urządzenia do konwersji:

• prosty;

• z możliwością regulacji sygnału wyjściowego;

• obdarzony zdolnością stabilizacji.

Metody klasyfikacji

Ze względu na charakter wykonywanych operacji konwertery dzielą się na urządzenia:

• wstać

• odwrócenie jednego lub więcej etapów;

• zmiany częstotliwości sygnału;

• przeliczanie liczby faz instalacji elektrycznej;

• zmiana rodzaju napięcia.

Zgodnie z metodami sterowania powstającymi algorytmami, regulowane konwertery działają na:

• zasada impulsowa stosowana w obwodach prądu stałego;

• metoda fazowa stosowana w obwodach oscylatora harmonicznego.

Najprostsze konstrukcje przekształtników mogą nie być wyposażone w funkcję sterowania.

Wszystkie urządzenia konwertujące mogą wykorzystywać jeden z następujących typów obwodów:

• chodnik;

• zero;

• z transformatorem lub bez;

• z jedną, dwiema, trzema lub więcej fazami.

Urządzenia korekcyjne

Jest to najpowszechniejsza i najstarsza klasa przetwornic, które pozwalają uzyskać wyprostowany lub stabilizowany prąd stały z przemiennej sinusoidalnej, zwykle przemysłowej częstotliwości.

Rzadkie eksponaty

Urządzenia małej mocy

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu struktury selenowe i urządzenia oparte na próżni były nadal stosowane w radiotechnice i urządzeniach elektronicznych.

Takie urządzenia działają na zasadzie korekcji prądu z pojedynczego elementu płytki selenowej. Zostały one kolejno zmontowane w jedną konstrukcję za pomocą adapterów montażowych. Im wyższe napięcie wymagane do korekcji, tym częściej stosuje się takie elementy. Nie były bardzo mocne i mogły wytrzymać obciążenie kilkudziesięciu miliamperów.

W uszczelnionej szklanej obudowie prostowników do lamp powstała próżnia. Mieści w sobie elektrody: anodę i katodę z żarnikiem, które zapewniają przepływ promieniowania termojonowego.

Takie lampy dostarczały prądu stałego do różnych obwodów odbiorników radiowych i telewizorów do końca ubiegłego wieku.

Ignitrony to potężne urządzenia

W urządzeniach przemysłowych w przeszłości powszechnie stosowano anodowo-katodowe urządzenia rtęciowe działające na zasadzie kontrolowanego ładowania łuku. Stosowano je tam, gdzie konieczne było działanie obciążenia prądu stałego o natężeniu setek amperów przy napięciu wyprostowanym do pięciu kilowoltów włącznie.

Przepływ elektronów wykorzystano do przepływu prądu od katody do anody. Powstaje w wyniku wyładowania łukowego w jednym lub kilku obszarach katody, zwanych świecącymi plamami katodowymi. Powstają, gdy łuk pomocniczy jest włączany przez elektrodę zapłonową, aż do zapalenia się łuku głównego.

W tym celu stworzono krótkotrwałe impulsy trwające kilka milisekund o natężeniu prądu do kilkudziesięciu amperów. Zmiana kształtu i siły impulsów umożliwiała sterowanie pracą zapalnika.

Taka konstrukcja zapewnia dobre wsparcie napięciowe podczas prostowania i dość wysoką sprawność. Jednak złożoność techniczna konstrukcji i trudności w eksploatacji doprowadziły do ​​odrzucenia jej zastosowania.

Urządzenia półprzewodnikowe

Diody

Ich praca opiera się na zasadzie przewodzenia prądu w jednym kierunku ze względu na właściwości złącza p-n, które powstaje w wyniku styku materiałów półprzewodnikowych lub metalu z półprzewodnikiem.

Diody przepuszczają prąd tylko w określonym kierunku, a kiedy przechodzi przez nie naprzemienna sinusoidalna harmoniczna, odcinają jedną półfalę i dlatego są szeroko stosowane jako prostowniki.

Nowoczesne diody produkowane są w bardzo szerokim asortymencie i posiadają różne parametry techniczne.

Tyrystory

Tyrystor wykorzystuje cztery warstwy przewodzące, które tworzą bardziej złożoną strukturę półprzewodnikową niż dioda z trzema połączonymi szeregowo złączami p-n J1, J2, J3. Styki z warstwą zewnętrzną „p” i „n” służą jako anoda i katoda, a warstwa wewnętrzna jako elektroda sterująca UE, która służy do załączania tyrystora i wykonywania regulacji.

Prostowanie harmonicznej sinusoidalnej odbywa się na tej samej zasadzie, co w przypadku diody półprzewodnikowej. Ale aby tyrystor działał, należy wziąć pod uwagę pewną cechę - struktura jego wewnętrznych przejść musi być otwarta na przechodzenie ładunków elektrycznych, a nie zamknięta.

Odbywa się to poprzez przepuszczanie prądu o określonej polaryzacji przez elektrodę napędową. Poniższe zdjęcie pokazuje sposoby otwierania tyrystora używanego jednocześnie w celu dostosowania ilości prądu przepływającego w różnych momentach.

Gdy prąd zostanie przyłożony przez RE w momencie przejścia sinusoidy przez wartość zero, powstaje wartość maksymalna, która stopniowo maleje w punktach „1”, „2”, „3”.

W ten sposób prąd jest regulowany wraz z regulacją tyrystorową. Triaki i tranzystory MOSFET mocy i/lub AGBT w obwodach mocy działają w podobny sposób. Ale nie pełnią funkcji korygowania prądu, przepuszczając go w obu kierunkach. Dlatego ich schematy sterowania wykorzystują dodatkowy algorytm przerwania impulsu.

Przetwornice DC/DC

Te projekty działają odwrotnie niż prostowniki. Służą do generowania przemiennego prądu sinusoidalnego z prądu stałego pozyskiwanego ze źródeł prądu chemicznego.

Rzadki rozwój

Od końca XIX wieku konstrukcje maszyn elektrycznych były używane do przekształcania napięcia stałego na napięcie przemienne. Składają się z silnika elektrycznego prądu stałego, który jest zasilany z akumulatora lub zestawu akumulatorów oraz generatora prądu przemiennego, którego twornik jest obracany przez napęd silnikowy.

W niektórych urządzeniach uzwojenie generatora było nawinięte bezpośrednio na wspólny wirnik silnika. Ta metoda nie tylko zmienia kształt sygnału, ale z reguły zwiększa amplitudę lub częstotliwość napięcia.

Jeśli trzy uzwojenia umieszczone pod kątem 120 stopni zostaną uzwojone na tworniku generatora, wówczas za jego pomocą uzyskuje się równoważne symetryczne napięcie trójfazowe.

Umformery były szeroko stosowane do lat 70. XX wieku w lampach radiowych, wyposażeniu trolejbusów, tramwajów, lokomotyw elektrycznych przed masowym wprowadzeniem elementów półprzewodnikowych.

Przetwornice inwerterowe

Zasada działania

Jako podstawę do rozważenia bierzemy obwód testowy tyrystora KU202 z akumulatora i żarówki.

Normalnie zwarty styk przycisku SA1 i żarówka małej mocy są wbudowane w obwód w celu dostarczenia dodatniego potencjału akumulatora do anody. Elektroda sterująca jest podłączona poprzez ogranicznik prądu i otwarty styk przycisku SA2. Katoda jest mocno połączona z ujemnym biegunem akumulatora.

Jeżeli w chwili t1 naciśniemy przycisk SA2, prąd popłynie do katody przez obwód elektrody sterującej, co spowoduje otwarcie tyrystora i zaświeci się lampka w gałęzi anodowej. Ze względu na cechy konstrukcyjne tego tyrystora będzie on nadal palił się, nawet gdy styk SA2 jest otwarty.

Teraz w czasie t2 wciskamy przycisk SA1.Obwód zasilania anody wyłączy się, a światło zgaśnie, ponieważ przepływ prądu przez nią ustanie.

Z wykresu przedstawionego rysunku wynika, że ​​prąd stały przepływał przez przedział czasu t1 ÷ t2. Jeśli bardzo szybko przełączysz przyciski, możesz uformować puls prostokątny z pozytywnym znakiem. Podobnie możesz stworzyć negatywny impuls. W tym celu wystarczy nieco zmienić obwód, aby prąd płynął w przeciwnym kierunku.

Sekwencja dwóch impulsów o wartościach dodatnich i ujemnych tworzy przebieg zwany w elektrotechnice falą prostokątną. Jego prostokątny kształt z grubsza przypomina sinusoidę z dwiema półfalami o przeciwnych znakach.

Jeśli w rozważanym schemacie zamienimy przyciski SA1 i SA2 na styki przekaźnika lub przełączniki tranzystorowe i przełączymy je zgodnie z pewnym algorytmem, to możliwe będzie automatyczne wytworzenie prądu w kształcie meandra i dostosowanie go do określonej częstotliwości, obciążenia cykl, okres. Takie przełączanie jest kontrolowane przez specjalny elektroniczny obwód sterujący.

Schemat blokowy sekcji zasilania

Jako przykład rozważmy najprostszy układ pierwotny falownika mostkowego.

Tutaj zamiast tyrystora formowaniem prostokątnego impulsu zajmują się specjalnie dobrane przełączniki polowe. Rezystancja obciążenia Rn zawarta jest w przekątnej ich mostka. Elektrody zasilające każdego tranzystora „źródło” i „dren” są przeciwstawnie połączone z diodami bocznikowymi, a styki wyjściowe obwodu sterującego są połączone z „bramką”.

Dzięki automatycznemu działaniu sygnałów sterujących do obciążenia wyprowadzane są impulsy napięciowe o różnym czasie trwania i znaku. Ich kolejność i charakterystyka dopasowywana jest do optymalnych parametrów sygnału wyjściowego.

Pod wpływem przyłożonych napięć na rezystancję diagonalną, biorąc pod uwagę procesy przejściowe, powstaje prąd, którego kształt jest już bardziej zbliżony do sinusoidy niż do meandra.

Trudności w realizacji technicznej

Dla prawidłowego funkcjonowania obwodu zasilania falowników konieczne jest zapewnienie niezawodnej pracy układu sterowania, który oparty jest na przełącznikach. Są one wyposażone w dwustronne właściwości przewodzące i są tworzone przez bocznikowanie tranzystorów poprzez łączenie odwrotnych diod.

Najczęściej stosuje się go do regulacji amplitudy napięcia wyjściowego zasada modulacji szerokości impulsu wybierając obszar impulsu każdej półfali metodą kontrolowania jej czasu trwania. Oprócz tej metody istnieją urządzenia, które działają z konwersją amplitudy impulsu.

W procesie formowania obwodów napięcia wyjściowego dochodzi do naruszenia symetrii półfal, co niekorzystnie wpływa na działanie obciążeń indukcyjnych. Jest to najbardziej zauważalne w przypadku transformatorów.

Podczas pracy układu sterowania ustalany jest algorytm generowania kluczy obwodu mocy, który obejmuje trzy etapy:

1. prosty;

2. zwarcie;

3. odwrotnie.

W obciążeniu możliwe są nie tylko prądy pulsujące, ale także prądy zmieniające kierunek, które powodują dodatkowe zakłócenia na zaciskach źródła.

Typowy projekt

Wśród wielu różnych rozwiązań technologicznych wykorzystywanych do tworzenia falowników wspólne są trzy schematy, rozpatrywane z punktu widzenia stopnia złożoności:

1. mostek bez transformatora;

2. z zaciskiem neutralnym transformatora;

3. mostek z transformatorem.

Przebiegi wyjściowe

Falowniki przeznaczone są do zasilania napięciem:

• prostokątny;

• trapez;

• schodkowe sygnały naprzemienne;

• sinusoidy.

Przetwornice fazowe

Przemysł produkuje silniki elektryczne do pracy w określonych warunkach eksploatacyjnych, uwzględniając moc z określonych rodzajów źródeł. Jednak w praktyce zdarzają się sytuacje, gdy z różnych powodów konieczne jest podłączenie trójfazowego silnika asynchronicznego do sieci jednofazowej. W tym celu opracowano różne obwody elektryczne i urządzenia.

Technologie energochłonne

Stojan trójfazowego silnika asynchronicznego zawiera trzy uzwojenia, które są uzwojone w określony sposób, oddalone od siebie o 120 stopni, z których każde po przyłożeniu do niego prądu fazy napięcia wytwarza własne wirujące pole magnetyczne. Kierunek prądów dobiera się tak, aby ich strumienie magnetyczne wzajemnie się uzupełniały, zapewniając wzajemne oddziaływanie na obrót wirnika.

Gdy dla takiego silnika występuje tylko jedna faza napięcia zasilania, konieczne staje się utworzenie z niej trzech obwodów prądowych, z których każdy jest również przesunięty o 120 stopni. W przeciwnym razie rotacja nie będzie działać lub będzie wadliwa.

W elektrotechnice istnieją dwa proste sposoby obracania wektora prądu względem napięcia poprzez podłączenie do:

1. obciążenie indukcyjne, gdy prąd zaczyna opóźniać się w stosunku do napięcia o 90 stopni;

2.Możliwość stworzenia przewodnika prądu o kącie 90 stopni.

Powyższe zdjęcie pokazuje, że z jednej fazy napięcia Ua można uzyskać prąd przesunięty pod kątem nie o 120, a tylko o 90 stopni do przodu lub do tyłu. Ponadto będzie to również wymagało doboru wartości znamionowych kondensatora i dławika w celu uzyskania akceptowalnego trybu pracy silnika.

W praktycznych rozwiązaniach takich schematów najczęściej zatrzymują się na metodzie kondensatorowej bez użycia rezystancji indukcyjnych. W tym celu napięcie fazy zasilającej podano na jedną cewkę bez żadnych przekształceń, a na drugą, przesuniętą kondensatorami. Rezultatem był akceptowalny moment obrotowy silnika.

Ale aby obrócić wirnik, konieczne było wytworzenie dodatkowego momentu obrotowego poprzez podłączenie trzeciego uzwojenia przez kondensatory rozruchowe. Nie można ich używać do ciągłej pracy ze względu na powstawanie dużych prądów w obwodzie rozruchowym, które szybko powodują zwiększone nagrzewanie. Dlatego obwód ten załączono na krótko, aby uzyskać moment bezwładności obrotu wirnika.

Takie schematy były łatwiejsze do wdrożenia ze względu na proste tworzenie baterii kondensatorów o określonych wartościach z poszczególnych dostępnych elementów. Dławiki trzeba było jednak samodzielnie obliczyć i nakręcić, co jest trudne nie tylko w domu.

Jednak najlepsze warunki pracy silnika stworzono przy kompleksowym połączeniu kondensatora i dławika w różnych fazach z doborem kierunków prądów w uzwojeniach i zastosowaniem rezystorów tłumiących prąd. Dzięki tej metodzie utrata mocy silnika dochodziła do 30%.Jednak projekty takich konwerterów nie są ekonomicznie opłacalne, ponieważ zużywają więcej energii elektrycznej do pracy niż sam silnik.

Obwód rozruchowy kondensatora również zużywa zwiększoną szybkość energii elektrycznej, ale w mniejszym stopniu. Ponadto silnik podłączony do jego obwodu jest w stanie wygenerować moc nieco ponad 50% mocy, która jest wytwarzana przy normalnym zasilaniu trójfazowym.

Ze względu na trudności w podłączeniu silnika trójfazowego do jednofazowego obwodu zasilającego oraz duże straty mocy elektrycznej i wyjściowej, przetwornice takie wykazały swoją niską sprawność, mimo że nadal pracują w indywidualnych instalacjach i maszynach do obróbki skrawaniem metali.

Urządzenia inwerterowe

Elementy półprzewodnikowe umożliwiły stworzenie bardziej racjonalnych przetworników fazowych produkowanych na skalę przemysłową. Ich projekty są zwykle zaprojektowane do pracy w obwodach trójfazowych, ale mogą być zaprojektowane do pracy z dużą liczbą ciągów umieszczonych pod różnymi kątami.

Przy zasilaniu przetwornic z jednej fazy wykonywana jest następująca sekwencja operacji technologicznych:

1. prostowanie napięcia jednofazowego za pomocą węzła diodowego;

2. wygładzenie fal z obwodu stabilizacyjnego;

3. zamiana napięcia stałego na trójfazowe metodą inwersji.

W takim przypadku obwód zasilający może składać się z trzech części jednofazowych pracujących autonomicznie, jak omówiono wcześniej, lub jednej wspólnej, zmontowanej na przykład według autonomicznego trójfazowego układu konwersji falownika z wykorzystaniem wspólnego przewodu neutralnego.

Tutaj każde obciążenie fazowe obsługuje własne pary elementów półprzewodnikowych, które są kontrolowane przez wspólny system sterowania. Wytwarzają one prądy sinusoidalne w fazach o rezystancjach Ra, Rb, Rc, które poprzez przewód neutralny są podłączone do wspólnego obwodu zasilającego. Dodaje aktualne wektory z każdego ładunku.

Jakość przybliżenia sygnału wyjściowego do kształtu czystej fali sinusoidalnej zależy od ogólnej konstrukcji i złożoności zastosowanego obwodu.

Przetwornice częstotliwości

Na bazie falowników stworzono urządzenia pozwalające na zmianę częstotliwości drgań sinusoidalnych w szerokim zakresie. W tym celu dostarczana im energia elektryczna o częstotliwości 50 Hz podlega następującym zmianom:

• wstać

• stabilizacja;

• konwersja napięcia o wysokiej częstotliwości.

Praca opiera się na tych samych zasadach co w poprzednich projektach, z tą różnicą, że układ sterowania oparty na płytkach mikroprocesorowych generuje na wyjściu przetwornicy napięcie wyjściowe o zwiększonej częstotliwości kilkudziesięciu kiloherców.

Przeliczanie częstotliwości oparte na urządzeniach automatycznych pozwala optymalnie dostosować pracę silników elektrycznych w czasie rozruchu, zatrzymania i cofania oraz wygodną zmianę prędkości obrotowej wirnika. Jednocześnie znacznie zmniejsza się szkodliwy wpływ stanów nieustalonych w zewnętrznej sieci energetycznej.

Przeczytaj więcej na ten temat tutaj: Przetwornica częstotliwości - rodzaje, zasada działania, schematy połączeń

Inwertery spawalnicze

Głównym celem tych przetwornic napięcia jest utrzymanie stabilnego spalania łuku oraz łatwe sterowanie wszystkimi jego charakterystykami, w tym zajarzeniem.

W tym celu w projekcie falownika uwzględniono kilka bloków, które wykonują sekwencyjne wykonanie:

• korekcja napięcia trójfazowego lub jednofazowego;

• stabilizacja parametrów poprzez filtry;

• odwracanie sygnałów o wysokiej częstotliwości ze stabilizowanego napięcia stałego;

• konwersja na napięcie / h przez transformator obniżający napięcie w celu zwiększenia wartości prądu spawania;

• wtórna regulacja napięcia wyjściowego do formowania łuku spawalniczego.

Dzięki zastosowaniu konwersji sygnału o wysokiej częstotliwości, wymiary transformatora spawalniczego są znacznie zmniejszone, a materiały zaoszczędzone na całej konstrukcji. Inwertery spawalnicze mają ogromne zalety w działaniu w porównaniu do swoich elektromechanicznych odpowiedników.

Transformatory: przetwornice napięcia

W elektrotechnice i energetyce transformatory działające na zasadzie elektromagnetycznej są nadal najczęściej stosowane do zmiany amplitudy sygnału napięciowego.

Mają dwie lub więcej cewek i obwód magnetyczny, przez który przekazywana jest energia magnetyczna w celu przekształcenia napięcia wejściowego w napięcie wyjściowe o zmienionej amplitudzie.