Tipus de conversió d'energia elèctrica

Un gran nombre d'electrodomèstics i instal·lacions industrials en el seu treball són alimentats energia elèctrica de diferents tipus. Està creat per multitud EMF i fonts de corrent.

Els grups electrògens produeixen corrent monofàsica o trifàsica a freqüència industrial, mentre que les fonts químiques produeixen corrent continu. Paral·lelament, a la pràctica, sovint es donen situacions en què un tipus d'electricitat no és suficient per al funcionament de determinats dispositius i és necessari realitzar-ne la conversió.

Amb aquesta finalitat, la indústria produeix un gran nombre d'aparells elèctrics que funcionen amb diferents paràmetres d'energia elèctrica, convertint-los d'un tipus a un altre amb diferents tensions, freqüència, nombre de fases i formes d'ona. Segons les funcions que realitzen, es divideixen en dispositius de conversió:

• senzill;

• amb la capacitat d'ajustar el senyal de sortida;

• dotat de la capacitat d'estabilització.

Mètodes de classificació

Per la naturalesa de les operacions realitzades, els convertidors es divideixen en dispositius:

• de peu

• inversió d'una o més etapes;

• canvis en la freqüència del senyal;

• conversió del nombre de fases del sistema elèctric;

• canviant el tipus de tensió.

Segons els mètodes de control dels algorismes emergents, els convertidors ajustables funcionen en:

• el principi de pols utilitzat en circuits de corrent continu;

• mètode de fase utilitzat en circuits d'oscil·lador harmònic.

Els dissenys de convertidors més senzills poden no estar equipats amb una funció de control.

Tots els dispositius de conversió poden utilitzar un dels tipus de circuits següents:

• paviment;

• zero;

• amb o sense transformador;

• amb una, dues, tres o més fases.

Dispositius correctores

Aquesta és la classe de convertidors més comuna i antiga que permet obtenir un corrent continu rectificat o estabilitzat a partir d'una freqüència sinusoïdal alterna, generalment industrial.

Exposicions rares

Dispositius de baixa potència

Fa només unes dècades, les estructures de seleni i els dispositius basats en el buit encara es feien servir en enginyeria de ràdio i dispositius electrònics.

Aquests dispositius es basen en el principi de correcció actual d'un sol element d'una placa de seleni. Es van muntar seqüencialment en una única estructura mitjançant adaptadors de muntatge. Com més gran sigui la tensió necessària per a la correcció, més s'utilitzen aquests elements. No eren molt potents i podien suportar una càrrega de diverses desenes de mil·liampers.

Es va crear un buit a la carcassa de vidre segellada dels rectificadors del llum. Allotja elèctrodes: un ànode i un càtode amb un filament, que asseguren el flux de la radiació termoiònica.

Aquests llums van proporcionar energia de corrent continu per a diversos circuits de receptors de ràdio i televisors fins a finals del segle passat.

Els ignitrons són dispositius potents

En els dispositius industrials, els dispositius d'ions de mercuri ànode-càtode que funcionen amb el principi de càrrega d'arc controlat s'han utilitzat àmpliament en el passat. S'utilitzaven on calia fer funcionar una càrrega de corrent continu amb una força de centenars d'amperes a una tensió rectificada de fins a cinc kilovolts inclosos.

El flux d'electrons es va utilitzar per al flux de corrent des del càtode fins a l'ànode. Es crea per una descàrrega d'arc provocada en una o més zones del càtode, anomenades taques càtodes lluminoses. Es formen quan l'arc auxiliar s'encén per l'elèctrode d'encesa fins que s'encén l'arc principal.

Per a això, es van crear polsos a curt termini d'uns quants mil·lisegons amb una intensitat de corrent de fins a desenes d'amperes. El canvi de la forma i la força dels polsos va permetre controlar el funcionament de l'encesa.

Aquest disseny proporciona un bon suport de tensió durant la rectificació i una eficiència força alta. Però la complexitat tècnica del disseny i les dificultats d'operació van provocar el rebuig del seu ús.

Dispositius semiconductors

Díodes

El seu treball es basa en el principi de conducció de corrent en una direcció a causa de les propietats de la unió p-n formada pels contactes entre materials semiconductors o metall i semiconductors.

Els díodes només fan passar el corrent en una certa direcció i, quan els passa un harmònic sinusoïdal altern, tallen una mitja ona i, per tant, s'utilitzen àmpliament com a rectificadors.

Els díodes moderns es produeixen en una gamma molt àmplia i estan dotats de diverses característiques tècniques.

Tiristors

El tiristor utilitza quatre capes conductores que formen una estructura semiconductora més complexa que un díode amb tres unions p-n connectades en sèrie J1, J2, J3. Els contactes amb la capa exterior «p» i «n» s'utilitzen com a ànode i càtode, i amb la capa interior com a elèctrode de control de la UE, que s'utilitza per posar el tiristor en acció i realitzar la regulació.

La rectificació d'un harmònic sinusoïdal es realitza amb el mateix principi que per a un díode semiconductor. Però perquè el tiristor funcioni, cal tenir en compte una determinada característica: l'estructura de les seves transicions internes ha d'estar oberta per al pas de càrregues elèctriques i no tancada.

Això es fa fent passar un corrent d'una certa polaritat a través de l'elèctrode conductor. La foto següent mostra les maneres d'obrir el tiristor utilitzat simultàniament per ajustar la quantitat de corrent que passa en diferents moments.

Quan s'aplica el corrent a través de RE en el moment de passar la sinusoide pel valor zero, es crea un valor màxim, que disminueix progressivament als punts «1», «2», «3».

D'aquesta manera, el corrent s'ajusta juntament amb la regulació del tiristor. Els triacs i els MOSFET de potència i/o els AGBT dels circuits de potència funcionen de manera similar. Però no fan la funció de corregir el corrent, fent-lo passar en ambdues direccions. Per tant, els seus esquemes de control utilitzen un algorisme d'interrupció de pols addicional.

Convertidors DC/DC

Aquests dissenys fan el contrari dels rectificadors. S'utilitzen per generar corrent sinusoïdal altern a partir del corrent continu obtingut de fonts de corrent químic.

Un desenvolupament rar

Des de finals del segle XIX, les estructures de màquines elèctriques s'han utilitzat per convertir la tensió directa en voltatge alterna. Consten d'un motor elèctric de corrent continu que s'alimenta amb una bateria o un paquet de bateries i un generador de CA l'armadura del qual és girada per l'accionament del motor.

En alguns dispositius, el bobinat del generador s'enrotllava directament al rotor comú del motor. Aquest mètode no només canvia la forma del senyal, sinó que també, per regla general, augmenta l'amplitud o la freqüència de la tensió.

Si tres bobinatges situats a 120 graus s'enrotllen a l'induït del generador, amb la seva ajuda s'obté una tensió trifàsica simètrica equivalent.

Els umformers es van utilitzar àmpliament fins als anys setanta per a làmpades de ràdio, equips per a trolebusos, tramvies, locomotores elèctriques abans de la introducció massiva d'elements semiconductors.

Convertidors inversors

Principi de funcionament

Com a base de consideració, prenem el circuit de prova del tiristor KU202 d'una bateria i una bombeta.

Un contacte normalment tancat del botó SA1 i una làmpada de filament de baixa potència estan integrats al circuit per subministrar el potencial positiu de la bateria a l'ànode. L'elèctrode de control es connecta mitjançant un limitador de corrent i un contacte obert del botó SA2. El càtode està fermament connectat al negatiu de la bateria.

Si en el moment t1 premeu el botó SA2, el corrent fluirà cap al càtode a través del circuit de l'elèctrode de control, que obrirà el tiristor i s'encendrà la làmpada inclosa a la branca de l'ànode. A causa de les característiques de disseny d'aquest tiristor, continuarà cremant fins i tot quan el contacte SA2 estigui obert.

Ara en el temps t2 premem el botó SA1.El circuit d'alimentació de l'ànode s'apagarà i la llum s'apagarà a causa del fet que s'atura el flux de corrent a través d'ell.

El gràfic de la imatge presentada mostra que un corrent continu va passar per l'interval de temps t1 ÷ t2. Si canvieu els botons molt ràpidament, podeu formar pols rectangular amb signe positiu. De la mateixa manera, podeu crear un impuls negatiu. Per a això, n'hi ha prou amb canviar lleugerament el circuit per permetre que el corrent flueixi en sentit contrari.

Una seqüència de dos polsos amb valors positius i negatius crea una forma d'ona anomenada ona quadrada en enginyeria elèctrica. La seva forma rectangular s'assembla aproximadament a una ona sinusoïdal amb dues mitges ones de signes oposats.

Si en l'esquema en consideració substituïm els botons SA1 i SA2 per contactes de relé o interruptors de transistors i els canviem segons un algorisme determinat, llavors serà possible crear automàticament un corrent en forma de meandre i ajustar-lo a una determinada freqüència, deure. cicle, període. Aquest canvi està controlat per un circuit de control electrònic especial.

Diagrama de blocs de la secció d'alimentació

Com a exemple, considereu el sistema primari més simple d'un inversor de pont.

Aquí, en lloc d'un tiristor, els interruptors de transistors de camp especialment seleccionats tracten la formació d'un pols rectangular. La resistència de càrrega Rn està inclosa en la diagonal del seu pont. Els elèctrodes d'alimentació de cada transistor "font" i "drenatge" estan connectats de manera oposada amb díodes de derivació, i els contactes de sortida del circuit de control estan connectats a la "porta".

A causa del funcionament automàtic dels senyals de control, s'emeten polsos de tensió de diferent durada i signe a la càrrega. La seva seqüència i característiques s'adapten als paràmetres òptims del senyal de sortida.

Sota l'acció de les tensions aplicades sobre la resistència diagonal, tenint en compte els processos transitoris, sorgeix un corrent, la forma del qual ja està més propera a una sinusoide que a la d'un meandre.

Dificultats en la implementació tècnica

Per al bon funcionament del circuit d'alimentació dels inversors, cal garantir el funcionament fiable del sistema de control, que es basa en interruptors de commutació. Estan dotats de propietats conductores bilaterals i estan formats per transistors de derivació mitjançant la connexió de díodes inversos.

Per ajustar l'amplitud de la tensió de sortida, s'utilitza més sovint Principi de modulació d'amplada de pols seleccionant l'àrea del pols de cada mitja ona pel mètode de control de la seva durada. A més d'aquest mètode, hi ha dispositius que funcionen amb conversió de pols-amplitud.

En el procés de formació dels circuits de la tensió de sortida, es produeix una violació de la simetria de les mitges ones, que afecta negativament el funcionament de les càrregues inductives. Això es nota més amb els transformadors.

Durant el funcionament del sistema de control, s'estableix un algorisme per generar les claus del circuit de potència, que inclou tres etapes:

1. recte;

2. curtcircuit;

3. viceversa.

A la càrrega, no només són possibles corrents polsants, sinó també corrents que canvien de direcció, que creen pertorbacions addicionals als terminals de la font.

Disseny típic

Entre les múltiples solucions tecnològiques utilitzades per crear inversors, són habituals tres esquemes, considerats des del punt de vista del grau d'augment de complexitat:

1. pont sense transformador;

2. amb el terminal neutre del transformador;

3. pont amb transformador.

Formes d'ona de sortida

Els inversors estan dissenyats per subministrar tensió:

• rectangular;

• trapezi;

• senyals alternatius escalonats;

• sinusoides.

Convertidors de fase

La indústria produeix motors elèctrics per funcionar en condicions de funcionament específiques, tenint en compte la potència de determinats tipus de fonts. Tanmateix, a la pràctica, sorgeixen situacions en què, per diferents motius, cal connectar un motor asíncron trifàsic a una xarxa monofàsica. Amb aquesta finalitat s'han desenvolupat diversos circuits i dispositius elèctrics.

Tecnologies intensives en energia

L'estator d'un motor asíncron trifàsic inclou tres bobinatges que s'enrotllen d'una determinada manera, situats a 120 graus l'un de l'altre, cadascun dels quals, quan s'aplica el corrent de la seva fase de tensió, crea el seu propi camp magnètic giratori. La direcció dels corrents s'escull de manera que els seus fluxos magnètics es complementin, proporcionant una acció mútua per a la rotació del rotor.

Quan només hi ha una fase de la tensió d'alimentació per a aquest motor, cal formar-ne tres circuits de corrent, cadascun dels quals també es desplaça 120 graus. En cas contrari, la rotació no funcionarà o serà defectuosa.

En enginyeria elèctrica, hi ha dues maneres senzilles de girar el vector actual en relació a la tensió connectant-se a:

1. càrrega inductiva quan el corrent comença a retardar la tensió en 90 graus;

2.Capacitat de crear un conductor de corrent de 90 graus.

La foto de dalt mostra que des d'una fase de la tensió Ua podeu obtenir un corrent desplaçat en un angle no de 120, sinó només de 90 graus cap endavant o cap enrere. A més, això també requerirà seleccionar les qualificacions del condensador i de l'obtenció per produir un mode de funcionament del motor acceptable.

En les solucions pràctiques d'aquests esquemes, sovint s'aturen al mètode del condensador sense utilitzar resistències inductives. Amb aquesta finalitat, la tensió de la fase d'alimentació es va aplicar a una bobina sense cap transformació, ia l'altra, desplaçada per condensadors. El resultat va ser un parell acceptable per al motor.

Però per girar el rotor, calia crear un parell addicional connectant el tercer bobinatge mitjançant condensadors d'arrencada. És impossible utilitzar-los per a un funcionament constant a causa de la formació de grans corrents al circuit d'arrencada, que creen ràpidament un augment de l'escalfament. Per tant, aquest circuit es va engegar breument per guanyar el moment d'inèrcia de la rotació del rotor.

Aquests esquemes eren més fàcils d'implementar a causa de la simple formació de bancs de condensadors de valors especificats a partir d'elements individuals disponibles. No obstant això, els asfixia s'havien de calcular i ferir de manera independent, cosa que és difícil de fer no només a casa.

No obstant això, les millors condicions per al funcionament del motor es van crear amb la complexa connexió del condensador i l'asfixia en diferents fases amb la selecció de les direccions dels corrents en els bobinatges i l'ús de resistències suprimidores de corrent. Amb aquest mètode, la pèrdua de potència del motor va ser de fins al 30%.Tanmateix, els dissenys d'aquests convertidors no són econòmicament rendibles, ja que consumeixen més electricitat per funcionar que el propi motor.

El circuit d'arrencada del condensador també consumeix una major taxa d'electricitat, però en menor mesura. A més, el motor connectat al seu circuit és capaç de generar una potència poc més del 50% de la que es crea amb un subministrament trifàsic normal.

A causa de les dificultats per connectar un motor trifàsic a un circuit d'alimentació monofàsic i les grans pèrdues de potència elèctrica i de sortida, aquests convertidors han demostrat la seva baixa eficiència, tot i que continuen funcionant en instal·lacions individuals i màquines de tall de metalls.

Dispositius inversors

Els elements semiconductors van permetre crear convertidors de fase més racionals produïts de manera industrial. Els seus dissenys solen estar dissenyats per funcionar en circuits trifàsics, però es poden dissenyar per funcionar amb un gran nombre de cordes situades a diferents angles.

Quan els convertidors són alimentats per una fase, es realitza la següent seqüència d'operacions tecnològiques:

1. rectificació de la tensió monofàsica mitjançant un node de díode;

2. suavització de les ones del circuit d'estabilització;

3. conversió de tensió continua a trifàsica a causa del mètode d'inversió.

En aquest cas, el circuit d'alimentació pot estar format per tres parts monofàsiques que funcionen de manera autònoma, com s'ha comentat anteriorment, o una de comú, muntada, per exemple, segons un sistema de conversió d'inversor trifàsic autònom utilitzant un conductor comú neutre.

Aquí, cada càrrega de fase opera els seus propis parells d'elements semiconductors, que estan controlats per un sistema de control comú. Creen corrents sinusoïdals en les fases de les resistències Ra, Rb, Rc, que es connecten al circuit d'alimentació comú mitjançant el cable neutre. Afegeix els vectors actuals de cada càrrega.

La qualitat de l'aproximació del senyal de sortida a una forma d'ona sinusoïdal pura depèn del disseny global i la complexitat del circuit utilitzat.

Convertidors de freqüència

A partir d'inversors s'han creat dispositius que permeten canviar la freqüència de les oscil·lacions sinusoïdals en un ampli rang. A aquest efecte, l'electricitat de 50 hertzs ​​que se'ls subministra pateix les modificacions següents:

• de peu

• estabilització;

• conversió de voltatge d'alta freqüència.

El treball es basa en els mateixos principis dels projectes anteriors, excepte que el sistema de control basat en plaques de microprocessador genera una tensió de sortida amb una freqüència augmentada de desenes de kilohertz a la sortida del convertidor.

La conversió de freqüència basada en dispositius automàtics us permet ajustar de manera òptima el funcionament dels motors elèctrics en el moment de l'arrencada, l'aturada i la marxa enrere, i és convenient canviar la velocitat del rotor. Al mateix temps, l'impacte nociu dels transitoris a la xarxa d'alimentació externa es redueix dràsticament.

Llegeix més sobre això aquí: Convertidor de freqüència: tipus, principi de funcionament, esquemes de connexió

Soldar inversors

L'objectiu principal d'aquests convertidors de tensió és mantenir la combustió estable de l'arc i un fàcil control de totes les seves característiques, inclosa l'encesa.

Per a això, s'inclouen diversos blocs en el disseny de l'inversor, que realitzen l'execució seqüencial:

• correcció de la tensió trifàsica o monofàsica;

• estabilització de paràmetres mitjançant filtres;

• inversió de senyals d'alta freqüència a partir de voltatge de corrent continu estabilitzat;

• conversió a tensió / h mitjançant un transformador reductor per augmentar el valor del corrent de soldadura;

• ajust secundari de la tensió de sortida per a la formació d'arc de soldadura.

A causa de l'ús de la conversió del senyal d'alta freqüència, les dimensions del transformador de soldadura es redueixen molt i s'estalvien materials per a tota l'estructura. Soldar inversors tenen grans avantatges en el funcionament en comparació amb els seus homòlegs electromecànics.

Transformadors: convertidors de tensió

En enginyeria elèctrica i energia, els transformadors que funcionen segons el principi electromagnètic encara són els més utilitzats per canviar l'amplitud del senyal de tensió.

Tenen dues o més bobines i circuit magnètic, a través del qual es transmet energia magnètica per convertir la tensió d'entrada en una tensió de sortida d'amplitud alterada.