Druhy přeměny elektrické energie

Obrovské množství domácích spotřebičů a průmyslových instalací v jejich práci je poháněno elektrická energie různých typů. Je vytvořena množstvím EMF a proudové zdroje.

Generátorová soustrojí produkují jednofázový nebo třífázový proud na průmyslové frekvenci, zatímco chemické zdroje produkují stejnosměrný proud. V praxi přitom často nastávají situace, kdy jeden druh elektřiny pro provoz určitých zařízení nestačí a je nutné provést její přeměnu.

Za tímto účelem průmysl vyrábí velké množství elektrických zařízení, která pracují s různými parametry elektrické energie, převádějí je z jednoho typu na druhý s různým napětím, frekvencí, počtem fází a průběhů. Podle funkcí, které vykonávají, se dělí na konverzní zařízení:

• jednoduchý;

• s možností nastavení výstupního signálu;

• obdařen schopností stabilizace.

Klasifikační metody

Podle povahy prováděných operací se převodníky dělí na zařízení:

• vstávání

• obrácení jednoho nebo více stupňů;

• změny frekvence signálu;

• převod počtu fází elektrického systému;

• změna typu napětí.

Podle řídicích metod nově vznikajících algoritmů pracují nastavitelné převodníky na:

• pulzní princip používaný ve stejnosměrných obvodech;

• fázová metoda používaná v obvodech harmonických oscilátorů.

Nejjednodušší konstrukce převodníků nemusí být vybavena funkcí ovládání.

Všechna konverzní zařízení mohou používat jeden z následujících typů obvodů:

• chodník;

• nula;

• s transformátorem nebo bez něj;

• s jednou, dvěma, třemi nebo více fázemi.

Nápravná zařízení

Jedná se o nejběžnější a nejstarší třídu měničů, které umožňují získat usměrněný nebo stabilizovaný stejnosměrný proud ze střídavého sinusového, obvykle průmyslového kmitočtu.

Vzácné exponáty

Nízkoenergetická zařízení

Ještě před několika desetiletími se v radiotechnice a elektronických zařízeních stále používaly selenové struktury a vakuová zařízení.

Taková zařízení jsou založena na principu korekce proudu z jednoho prvku selenové desky. Byly postupně sestaveny do jediné konstrukce montážními adaptéry. Čím vyšší je napětí potřebné pro korekci, tím více se takových prvků používá. Nebyly příliš výkonné a vydržely zatížení několika desítek miliampérů.

V utěsněném skleněném pouzdře usměrňovačů lampy se vytvořilo vakuum. Jsou v něm umístěny elektrody: anoda a katoda s vláknem, které zajišťují tok termionického záření.

Takové lampy poskytovaly stejnosměrný proud pro různé obvody rozhlasových přijímačů a televizorů až do konce minulého století.

Ignitrony jsou výkonná zařízení

V průmyslových zařízeních byla v minulosti široce používána anoda-katodová rtuťová iontová zařízení pracující na principu řízeného obloukového náboje. Používaly se tam, kde bylo potřeba provozovat stejnosměrnou zátěž o síle stovek ampér při usměrněném napětí do pěti kilovoltů včetně.

Pro tok proudu od katody k anodě byl použit tok elektronů. Vzniká obloukovým výbojem způsobeným v jedné nebo více oblastech katody, nazývaných svítící katodové skvrny. Vznikají při zapnutí pomocného oblouku zapalovací elektrodou až do zapálení hlavního oblouku.

K tomu byly vytvořeny krátkodobé pulzy v řádu milisekund o síle proudu až desítek ampér. Změna tvaru a síly impulsů umožnila řídit činnost zapalovače.

Tato konstrukce poskytuje dobrou podporu napětí během usměrňování a poměrně vysokou účinnost. Ale technická složitost konstrukce a potíže s provozem vedly k odmítnutí jeho použití.

Polovodičová zařízení

Diody

Jejich práce je založena na principu vedení proudu jedním směrem díky vlastnostem p-n přechodu tvořeného kontakty mezi polovodičovými materiály nebo kovem a polovodičem.

Diody propouštějí proud pouze v určitém směru, a když jimi prochází střídavá sinusová harmonická, odříznou jednu půlvlnu a jsou proto široce používány jako usměrňovače.

Moderní diody se vyrábějí ve velmi široké škále a jsou vybaveny různými technickými vlastnostmi.

Tyristory

Tyristor využívá čtyři vodivé vrstvy, které tvoří složitější polovodičovou strukturu než dioda se třemi sériově zapojenými p-n přechody J1, J2, J3. Kontakty s vnější vrstvou «p» a «n» jsou použity jako anoda a katoda a s vnitřní vrstvou jako řídicí elektroda UE, která slouží ke spínání tyristoru do činnosti a provádění regulace.

Usměrnění sinusové harmonické se provádí na stejném principu jako u polovodičové diody. Aby však tyristor fungoval, je nutné vzít v úvahu určitou charakteristiku - struktura jeho vnitřních přechodů musí být otevřená pro průchod elektrických nábojů a ne uzavřená.

To se provádí průchodem proudu určité polarity přes budící elektrodu. Níže uvedená fotografie ukazuje způsoby otevření tyristoru používaného současně k úpravě množství proudu procházejícího v různých časech.

Při přivedení proudu přes RE v okamžiku průchodu sinusoidy nulovou hodnotou vznikne maximální hodnota, která postupně klesá v bodech «1», «2», «3».

Tímto způsobem se nastavuje proud spolu s tyristorovou regulací. Triaky a výkonové MOSFETy a/nebo AGBT ve výkonových obvodech fungují podobně. Neplní však funkci korekce proudu a procházejí jej oběma směry. Proto jejich řídicí schémata používají přídavný algoritmus pulzního přerušení.

DC/DC měniče

Tyto konstrukce dělají opak usměrňovačů. Používají se ke generování střídavého sinusového proudu ze stejnosměrného proudu získaného z chemických zdrojů proudu.

Vzácný vývoj

Od konce 19. století byly konstrukce elektrických strojů používány k přeměně stejnosměrného napětí na napětí střídavé. Skládají se ze stejnosměrného elektromotoru, který je napájen z baterie nebo bateriového bloku, a ze střídavého generátoru, jehož kotva se otáčí motorovým pohonem.

U některých zařízení bylo vinutí generátoru navinuto přímo na společný rotor motoru. Tato metoda nejen mění tvar signálu, ale také zpravidla zvyšuje amplitudu nebo frekvenci napětí.

Pokud jsou na kotvě generátoru navinuta tři vinutí umístěná na 120 stupních, pak se s jeho pomocí získá ekvivalentní symetrické třífázové napětí.

Umformery byly široce používány až do 70. let 20. století pro radiolampy, zařízení pro trolejbusy, tramvaje, elektrické lokomotivy před masovým zavedením polovodičových prvků.

Invertorové měniče

Princip fungování

Jako základ pro úvahy bereme testovací obvod tyristoru KU202 z baterie a žárovky.

Normálně uzavřený kontakt tlačítka SA1 a žárovka s nízkým výkonem jsou zabudovány do obvodu pro napájení kladného potenciálu baterie k anodě. Ovládací elektroda je připojena přes omezovač proudu a otevřený kontakt tlačítka SA2. Katoda je pevně spojena s záporem baterie.

Stisknete-li v čase t1 tlačítko SA2, obvodem řídící elektrody poteče proud ke katodě, čímž se otevře tyristor a rozsvítí se lampa obsažená v anodové větvi. Díky konstrukčním vlastnostem tohoto tyristoru bude nadále hořet, i když je kontakt SA2 otevřený.

Nyní v čase t2 stiskneme tlačítko SA1.Napájecí obvod anody se vypne a světlo zhasne v důsledku toho, že jím přestane protékat proud.

Graf na uvedeném obrázku ukazuje, že časovým intervalem t1 ÷ t2 procházel stejnosměrný proud. Pokud tlačítka přepnete velmi rychle, můžete tvořit obdélníkový puls s kladným znaménkem. Podobně můžete vytvořit negativní impuls. Za tímto účelem stačí mírně změnit obvod, aby proud mohl protékat opačným směrem.

Sekvence dvou pulsů s kladnými a zápornými hodnotami vytváří tvar vlny nazývaný v elektrotechnice obdélníková vlna. Jeho obdélníkový tvar zhruba připomíná sinusovku se dvěma půlvlnami opačných znamének.

Pokud v uvažovaném schématu nahradíme tlačítka SA1 a SA2 reléovými kontakty nebo tranzistorovými spínači a přepneme je podle určitého algoritmu, bude možné automaticky vytvořit meandrovitý proud a upravit jej na určitou frekvenci, výkon cyklus, tečka. Takové spínání je řízeno speciálním elektronickým řídicím obvodem.

Blokové schéma napájecí části

Jako příklad uveďme nejjednodušší primární systém můstkového invertoru.

Zde se místo tyristoru zabývají tvorbou obdélníkového impulsu speciálně vybrané polní tranzistorové spínače. Zatěžovací odpor Rn je zahrnut v diagonále jejich mostu. Napájecí elektrody každého „zdroje“ a „odvodu“ tranzistoru jsou opačně spojeny s bočníkovými diodami a výstupní kontakty řídicího obvodu jsou připojeny k „bráně“.

Díky automatické činnosti řídicích signálů jsou do zátěže vydávány napěťové impulsy různé doby trvání a znaménka. Jejich sekvence a charakteristiky jsou přizpůsobeny optimálním parametrům výstupního signálu.

Působením přiložených napětí na diagonální odpor, s přihlédnutím k přechodovým dějům, vzniká proud, jehož tvar se již blíží sinusoidě než meandru.

Potíže při technické realizaci

Pro dobré fungování silového obvodu měničů je nutné zajistit spolehlivý provoz řídicího systému, který je založen na spínacích spínačích. Jsou obdařeny oboustrannými vodivými vlastnostmi a jsou tvořeny bočníkem tranzistorů připojením reverzních diod.

Pro úpravu amplitudy výstupního napětí se nejčastěji používá princip pulzně šířkové modulace výběrem oblasti pulzu každé půlvlny způsobem řízení jejího trvání. Kromě této metody existují zařízení, která pracují s převodem pulzní amplitudy.

V procesu vytváření obvodů výstupního napětí dochází k narušení symetrie polovičních vln, což nepříznivě ovlivňuje provoz indukčních zátěží. To je nejvíce patrné u transformátorů.

Během provozu řídicího systému je nastaven algoritmus pro generování klíčů napájecího obvodu, který zahrnuje tři fáze:

1. rovný;

2. zkrat;

3. naopak.

V zátěži jsou možné nejen pulzující proudy, ale také proudy měnící se směr, které vytvářejí další rušení na svorkách zdroje.

Typické provedení

Mezi mnoha různými technologickými řešeními používanými k vytvoření měničů jsou běžná tři schémata, zvažovaná z hlediska stupně zvýšení složitosti:

1. můstek bez transformátoru;

2. s neutrální svorkou transformátoru;

3. můstek s transformátorem.

Výstupní průběhy

Střídače jsou určeny k napájení:

• obdélníkový;

• lichoběžník;

• stupňovité střídavé signály;

• sinusoidy.

Fázové měniče

Průmysl vyrábí elektromotory pro provoz za specifických provozních podmínek s přihlédnutím k výkonu z určitých typů zdrojů. V praxi však nastávají situace, kdy je z různých důvodů nutné zapojit třífázový asynchronní motor do jednofázové sítě. Pro tento účel byly vyvinuty různé elektrické obvody a zařízení.

Energeticky náročné technologie

Stator třífázového asynchronního motoru obsahuje tři vinutí, která jsou navinuta určitým způsobem, umístěná od sebe o 120 stupňů, z nichž každé, když je na něj aplikován proud jeho napěťové fáze, vytváří své vlastní točivé magnetické pole. Směr proudů je volen tak, aby se jejich magnetické toky vzájemně doplňovaly a zajišťovaly vzájemné působení pro otáčení rotoru.

Když je pro takový motor pouze jedna fáze napájecího napětí, je nutné z ní vytvořit tři proudové obvody, z nichž každý je také posunut o 120 stupňů. Jinak rotace nebude fungovat nebo bude vadná.

V elektrotechnice existují dva jednoduché způsoby, jak otočit vektor proudu vzhledem k napětí připojením k:

1. indukční zátěž, když proud začne zpožďovat napětí o 90 stupňů;

2.Schopnost vytvořit proudový vodič 90 stupňů.

Výše uvedená fotografie ukazuje, že z jedné fáze napětí Ua můžete získat proud posunutý pod úhlem ne o 120, ale pouze o 90 stupňů dopředu nebo dozadu. Kromě toho to bude také vyžadovat výběr jmenovitých hodnot kondenzátoru a tlumivky, aby se vytvořil přijatelný provozní režim motoru.

V praktických řešeních takových schémat se nejčastěji zastavují u kondenzátorové metody bez použití indukčních odporů. Za tímto účelem bylo na jednu cívku přivedeno napětí napájecí fáze bez jakýchkoli transformací a na druhou posunuto kondenzátory. Výsledkem byl přijatelný točivý moment pro motor.

Aby se však rotor otočil, bylo nutné vytvořit další točivý moment připojením třetího vinutí přes spouštěcí kondenzátory. Je nemožné je použít pro konstantní provoz kvůli tvorbě velkých proudů ve startovacím obvodu, které rychle vytvářejí zvýšené zahřívání. Proto byl tento obvod krátce zapnut, aby získal moment setrvačnosti rotace rotoru.

Taková schémata byla snadněji implementovatelná díky jednoduchému vytvoření kondenzátorových bank zadaných hodnot z jednotlivých dostupných prvků. Tlumivky se však musely vypočítat a navinout samostatně, což je těžké nejen doma.

Nejlepší podmínky pro provoz motoru však byly vytvořeny složitým zapojením kondenzátoru a tlumivky v různých fázích s volbou směrů proudů ve vinutích a použitím proudových odporů. U této metody byla ztráta výkonu motoru až 30 %.Konstrukce takových měničů však není ekonomicky rentabilní, protože spotřebují více elektřiny na provoz než samotný motor.

Spouštěcí obvod kondenzátoru také spotřebovává zvýšenou sazbu elektřiny, ale v menší míře. Motor připojený k jeho obvodu je navíc schopen generovat výkon jen něco málo přes 50 % výkonu, který vzniká při běžném třífázovém napájení.

Kvůli obtížím s připojením třífázového motoru k jednofázovému napájecímu obvodu a velkým ztrátám elektrického a výstupního výkonu vykazují takové měniče nízkou účinnost, i když nadále pracují v jednotlivých instalacích a obráběcích strojích.

Invertorová zařízení

Polovodičové prvky umožnily vytvořit racionálnější fázové měniče vyráběné na průmyslové bázi. Jejich konstrukce jsou obvykle navrženy pro provoz v třífázových obvodech, ale mohou být navrženy pro provoz s velkým počtem řetězců umístěných pod různými úhly.

Když jsou měniče napájeny jednou fází, provádí se následující posloupnost technologických operací:

1. usměrnění jednofázového napětí uzlem diody;

2. vyhlazování vln ze stabilizačního obvodu;

3. převod stejnosměrného napětí na třífázové díky inverzní metodě.

V tomto případě může napájecí obvod sestávat ze tří jednofázových částí pracujících autonomně, jak bylo uvedeno výše, nebo jedné společné, sestavené například podle autonomního třífázového invertorového konverzního systému s použitím nulového společného vodiče.

Zde každá fázová zátěž ovládá své vlastní dvojice polovodičových prvků, které jsou řízeny společným řídicím systémem. Vytvářejí sinusové proudy ve fázích odporů Ra, Rb, Rc, které jsou přes nulový vodič připojeny ke společnému napájecímu obvodu. Sčítá aktuální vektory z každého zatížení.

Kvalita aproximace výstupního signálu k čistému tvaru sinusovky závisí na celkové konstrukci a složitosti použitého obvodu.

Frekvenční měniče

Na bázi měničů byla vytvořena zařízení, která umožňují měnit frekvenci sinusových kmitů v širokém rozsahu. Za tímto účelem prochází elektřina 50 hertzů, která jim je dodávána, následující změny:

• vstávání

• stabilizace;

• vysokofrekvenční konverze napětí.

Práce je založena na stejných principech jako u předchozích projektů s tím rozdílem, že řídicí systém na bázi mikroprocesorových desek generuje na výstupu převodníku výstupní napětí se zvýšenou frekvencí v řádu desítek kilohertzů.

Frekvenční převod na základě automatických zařízení umožňuje optimálně upravit chod elektromotorů v době spouštění, zastavování a reverzace a je vhodné měnit otáčky rotoru. Současně se výrazně snižuje škodlivý dopad přechodových jevů ve vnější elektrické síti.

Přečtěte si o tom více zde: Frekvenční měniče - typy, princip činnosti, schémata zapojení

Svařovací invertory

Hlavním účelem těchto měničů napětí je udržení stabilního hoření oblouku a snadné ovládání všech jeho charakteristik včetně zapalování.

Za tímto účelem je v návrhu měniče zahrnuto několik bloků, které provádějí sekvenční provádění:

• korekce třífázového nebo jednofázového napětí;

• stabilizace parametrů pomocí filtrů;

• inverze vysokofrekvenčních signálů ze stabilizovaného stejnosměrného napětí;

• převod na / h napětí pomocí redukčního transformátoru pro zvýšení hodnoty svařovacího proudu;

• sekundární úprava výstupního napětí pro tvorbu svařovacího oblouku.

Díky použití vysokofrekvenčního převodu signálu se značně zmenšují rozměry svařovacího transformátoru a šetří materiály na celou konstrukci. Svařovací invertory mají velké výhody v provozu ve srovnání s jejich elektromechanickými protějšky.

Transformátory: měniče napětí

V elektrotechnice a energetice se stále nejvíce používají transformátory pracující na elektromagnetickém principu pro změnu amplitudy napěťového signálu.

Mají dvě nebo více cívek a magnetický obvod, přes který je přenášena magnetická energie pro přeměnu vstupního napětí na výstupní napětí se změněnou amplitudou.