Elektrik enerjisi dönüşüm türleri

Çalışmalarındaki çok sayıda ev aleti ve endüstriyel kurulum, güç kaynağı tarafından desteklenmektedir. elektrik enerjisi farklı türde. Çokluk tarafından yaratılmıştır EMF ve akım kaynakları.

Jeneratör setleri endüstriyel frekansta tek fazlı veya üç fazlı akım üretirken, kimyasal kaynaklar doğru akım üretir. Aynı zamanda, pratikte, belirli cihazların çalışması için bir tür elektriğin yeterli olmadığı ve dönüştürülmesinin gerekli olduğu durumlar sıklıkla ortaya çıkar.

Bu amaçla endüstri, farklı elektrik enerjisi parametreleriyle çalışan, bunları farklı voltaj, frekans, faz sayısı ve dalga biçimleriyle bir türden diğerine dönüştüren çok sayıda elektrikli cihaz üretir. Gerçekleştirdikleri işlevlere göre dönüştürme cihazlarına ayrılırlar:

• basit;

• çıkış sinyalini ayarlama yeteneği ile;

• stabilize etme yeteneği ile donatılmıştır.

sınıflandırma yöntemleri

Gerçekleştirilen işlemlerin doğası gereği, dönüştürücüler cihazlara ayrılır:

• dikilmek

• bir veya daha fazla aşamanın tersine çevrilmesi;

• sinyal frekansındaki değişiklikler;

• elektrik sisteminin faz sayısının dönüştürülmesi;

• voltaj tipini değiştirmek.

Ortaya çıkan algoritmaların kontrol yöntemlerine göre, ayarlanabilir dönüştürücüler aşağıdakiler üzerinde çalışır:

• DC devrelerinde kullanılan darbe prensibi;

• harmonik osilatör devrelerinde kullanılan faz yöntemi.

En basit dönüştürücü tasarımları, bir kontrol işlevi ile donatılmamış olabilir.

Tüm dönüştürme cihazları aşağıdaki devre türlerinden birini kullanabilir:

• kaldırım;

• sıfır;

• transformatörlü veya transformatörsüz;

• bir, iki, üç veya daha fazla fazlı.

Düzeltici cihazlar

Bu, alternatif bir sinüzoidal, genellikle endüstriyel frekanstan doğrultulmuş veya stabilize edilmiş doğru akım almanıza izin veren en yaygın ve eski dönüştürücü sınıfıdır.

Nadir sergiler

Düşük güçlü cihazlar

Sadece birkaç on yıl önce, radyo mühendisliği ve elektronik cihazlarda selenyum yapılar ve vakum tabanlı cihazlar hala kullanılıyordu.

Bu tür cihazlar, bir selenyum plakanın tek bir elemanından akım düzeltme ilkesine dayanmaktadır. Montaj adaptörleri ile sırayla tek bir yapıya monte edildiler. Düzeltme için gereken voltaj ne kadar yüksek olursa, bu tür elemanlar o kadar çok kullanılır. Çok güçlü değillerdi ve onlarca miliamperlik bir yüke dayanabiliyorlardı.

Lamba redresörlerinin sızdırmaz cam mahfazasında bir vakum oluşturuldu. Elektrotları barındırır: termiyonik radyasyon akışını sağlayan filamanlı bir anot ve katot.

Bu tür lambalar, geçen yüzyılın sonuna kadar çeşitli radyo alıcıları ve televizyon devreleri için doğru akım gücü sağlıyordu.

Ateşleyiciler güçlü cihazlardır

Endüstriyel cihazlarda, kontrollü ark şarjı prensibi ile çalışan anot-katot cıva iyon cihazları geçmişte yaygın olarak kullanılmıştır. Yüzlerce amperlik bir DC yükünü, beş kilovolta kadar (dahil) doğrultulmuş bir voltajda çalıştırmanın gerekli olduğu yerlerde kullanıldılar.

Katottan anoda akım akışı için elektron akışı kullanıldı. Katodun bir veya daha fazla alanında oluşan, parlak katot noktaları adı verilen arklı bir deşarj tarafından oluşturulur. Yardımcı ark, ana ark tutuşana kadar ateşleme elektrotu tarafından açıldığında oluşurlar.

Bunun için, onlarca ampere kadar akım gücüne sahip birkaç milisaniyelik kısa süreli darbeler yaratıldı. Darbelerin şeklini ve gücünü değiştirmek, ateşleyicinin çalışmasını kontrol etmeyi mümkün kıldı.

Bu tasarım, düzeltme sırasında iyi voltaj desteği ve oldukça yüksek verimlilik sağlar. Ancak tasarımın teknik karmaşıklığı ve kullanımdaki zorluklar, kullanımının reddedilmesine neden oldu.

Yarı iletken cihazlar

diyotlar

Çalışmaları, yarı iletken malzemeler veya metal ile yarı iletken arasındaki temasların oluşturduğu p-n bağlantısının özelliklerinden dolayı akımın tek yönde iletilmesi prensibine dayanmaktadır.

Diyotlar akımı yalnızca belirli bir yönde geçirir ve alternatif bir sinüzoidal harmonik içlerinden geçtiğinde, bir yarım dalgayı keserler ve bu nedenle doğrultucu olarak yaygın şekilde kullanılırlar.

Modern diyotlar çok geniş bir yelpazede üretilir ve çeşitli teknik özelliklere sahiptir.

tristörler

Tristör, seri bağlı üç p-n bağlantısı J1, J2, J3 olan bir diyottan daha karmaşık bir yarı iletken yapı oluşturan dört iletken katman kullanır. Dış katman "p" ve "n" ile olan temaslar anot ve katot olarak ve iç katmanla birlikte UE'nin tristörü harekete geçirmek ve düzenlemeyi gerçekleştirmek için kullanılan kontrol elektrodu olarak kullanılır.

Sinüzoidal bir harmoniğin doğrultulması, yarı iletken diyotla aynı prensipte gerçekleştirilir. Ancak tristörün çalışması için belirli bir özelliği hesaba katmak gerekir - iç geçişlerinin yapısı elektrik yüklerinin geçişine açık olmalı ve kapalı olmamalıdır.

Bu, tahrik elektrotundan belirli bir polariteye sahip bir akım geçirilerek yapılır. Aşağıdaki fotoğraf, farklı zamanlarda geçen akım miktarını ayarlamak için aynı anda kullanılan tristörü açmanın yollarını göstermektedir.

Sinüzoidi sıfır değerinden geçtiği anda RE üzerinden akım uygulandığında, "1", "2", "3" noktalarında kademeli olarak azalan bir maksimum değer yaratılır.

Bu sayede akım, tristör regülasyonu ile birlikte ayarlanır. Güç devrelerindeki triyaklar ve güç MOSFET'leri ve/veya AGBT'ler benzer şekilde çalışır. Ancak akımı her iki yönde de geçirerek düzeltme işlevini yerine getirmezler. Bu nedenle, kontrol şemaları ek bir darbe kesme algoritması kullanır.

DC / DC dönüştürücüler

Bu tasarımlar doğrultucuların tersini yapar. Kimyasal akım kaynaklarından elde edilen doğru akımdan alternatif sinüzoidal akım üretmek için kullanılırlar.

Nadir bir gelişme

19. yüzyılın sonlarından bu yana, doğru voltajı alternatif voltaja dönüştürmek için elektrikli makine yapıları kullanılmıştır. Bir pil veya pil paketi ile çalışan bir doğru akım elektrik motorundan ve armatürü motor sürücüsü tarafından döndürülen bir AC jeneratöründen oluşurlar.

Bazı cihazlarda, jeneratör sargısı doğrudan motorun ortak rotoruna sarılmıştır. Bu yöntem sadece sinyalin şeklini değiştirmekle kalmaz, aynı zamanda kural olarak voltajın genliğini veya frekansını da arttırır.

Jeneratörün armatürüne 120 derecede yerleştirilmiş üç sargı sarılırsa, bunun yardımıyla eşdeğer bir simetrik üç fazlı voltaj elde edilir.

Umformers, yarı iletken elemanların kitlesel olarak piyasaya sürülmesinden önce 1970'lere kadar radyo lambaları, troleybüs ekipmanları, tramvaylar, elektrikli lokomotifler için yaygın olarak kullanıldı.

İnvertör dönüştürücüler

çalışma prensibi

Değerlendirme için bir temel olarak, bir pil ve bir ampulden KU202 tristör test devresini alıyoruz.

Pilin pozitif potansiyelini anoda beslemek için SA1 düğmesinin normalde kapalı bir kontağı ve düşük güçlü bir filaman lambası devreye yerleştirilmiştir. Kontrol elektrotu, bir akım sınırlayıcı ve SA2 düğmesinin açık kontağı aracılığıyla bağlanır. Katot, pilin eksi kutbuna sıkıca bağlanmıştır.

t1 anında SA2 düğmesine basarsanız, akım tristörü açacak olan kontrol elektrodunun devresinden katoda akacak ve anot dalında bulunan lamba yanacaktır. Bu tristörün tasarım özellikleri gereği SA2 kontağı açık olsa dahi yanmaya devam edecektir.

Şimdi t2 zamanında SA1 düğmesine basıyoruz.Anodun besleme devresi kapanacak ve içinden geçen akımın durması nedeniyle ışık sönecektir.

Sunulan resmin grafiği, t1 ÷ t2 zaman aralığından bir doğru akımın geçtiğini göstermektedir. Düğmeleri çok hızlı değiştirirseniz, oluşturabilirsiniz. dikdörtgen darbe olumlu bir işaret ile. Benzer şekilde, olumsuz bir dürtü de yaratabilirsiniz. Bu amaçla akımın ters yönde akmasını sağlamak için devreyi hafifçe değiştirmek yeterlidir.

Pozitif ve negatif değerlere sahip iki darbe dizisi, elektrik mühendisliğinde kare dalga adı verilen bir dalga formu oluşturur. Dikdörtgen şekli, zıt işaretli iki yarım dalga ile kabaca bir sinüs dalgasına benzer.

Söz konusu şemada SA1 ve SA2 düğmelerini röle kontakları veya transistör anahtarları ile değiştirir ve bunları belirli bir algoritmaya göre değiştirirsek, o zaman otomatik olarak kıvrımlı bir akım oluşturmak ve onu belirli bir frekansa ayarlamak mümkün olacaktır. devre, dönem. Bu anahtarlama, özel bir elektronik kontrol devresi tarafından kontrol edilir.

Güç kaynağı bölümünün blok şeması

Örnek olarak, bir köprü eviricinin en basit birincil sistemini düşünün.

Burada bir tristör yerine, özel olarak seçilmiş alan transistör anahtarları, dikdörtgen darbe oluşumuyla ilgilenir. Yük direnci Rn, köprülerinin köşegenine dahildir. Her bir transistörün "kaynak" ve "tahliye" besleme elektrotları şönt diyotlarla zıt olarak bağlanır ve kontrol devresinin çıkış kontakları "kapıya" bağlanır.

Kontrol sinyallerinin otomatik çalışması nedeniyle, yüke farklı süre ve işarette voltaj darbeleri verilir. Sıraları ve özellikleri, çıkış sinyalinin optimum parametrelerine göre uyarlanmıştır.

Uygulanan gerilimlerin diyagonal direnç üzerindeki etkisi altında, geçici süreçleri hesaba katarak, şekli bir menderesinkinden daha sinüzoide daha yakın olan bir akım ortaya çıkar.

Teknik uygulamadaki zorluklar

Eviricilerin güç devresinin iyi çalışması için, anahtarlama anahtarlarına dayanan kontrol sisteminin güvenilir şekilde çalışmasını sağlamak gerekir. İki taraflı iletken özelliklere sahiptirler ve ters diyotları bağlayarak transistörleri şöntleyerek oluşturulurlar.

Çıkış voltajının genliğini ayarlamak için en sık kullanılan darbe genişliği modülasyonu prensibi süresini kontrol etme yöntemiyle her yarım dalganın darbe alanını seçerek. Bu yöntemin yanı sıra darbe-genlik dönüşümü ile çalışan cihazlar da bulunmaktadır.

Çıkış voltajı devrelerini oluşturma sürecinde, endüktif yüklerin çalışmasını olumsuz yönde etkileyen yarım dalgaların simetrisinin ihlali meydana gelir. Bu en çok transformatörlerde fark edilir.

Kontrol sisteminin çalışması sırasında, güç devresinin anahtarlarını oluşturmak için üç aşama içeren bir algoritma ayarlanır:

1. düz;

2. kısa devre;

3. tam tersi.

Yükte, sadece atımlı akımlar değil, aynı zamanda yön değiştiren akımlar da mümkündür, bu da kaynak terminallerinde ek bozulmalar yaratır.

tipik tasarım

Evirici oluşturmak için kullanılan birçok farklı teknolojik çözüm arasında, karmaşıklıktaki artış derecesi açısından ele alınan üç şema yaygındır:

1. trafosuz köprü;

2. transformatörün nötr terminali ile;

3. trafolu köprü.

Çıkış dalga biçimleri

İnvertörler voltaj sağlamak için tasarlanmıştır:

• dikdörtgen;

• yamuk;

• kademeli alternatif sinyaller;

• sinüzoidler.

Faz dönüştürücüler

Endüstri, belirli türdeki kaynaklardan gelen gücü dikkate alarak, belirli çalışma koşulları altında çalışacak elektrik motorları üretir. Bununla birlikte, pratikte, çeşitli nedenlerle üç fazlı bir asenkron motorun tek fazlı bir ağa bağlanması gerektiğinde durumlar ortaya çıkar. Bu amaçla çeşitli elektrik devreleri ve cihazları geliştirilmiştir.

Enerji yoğun teknolojiler

Üç fazlı bir asenkron motorun statoru, her biri üzerine voltaj fazının akımı uygulandığında kendi dönen manyetik alanını oluşturan, birbirinden 120 derece yerleştirilmiş, belirli bir şekilde sarılmış üç sargı içerir. Akımların yönü, manyetik akıları birbirini tamamlayacak ve rotorun dönüşü için karşılıklı hareket sağlayacak şekilde seçilir.

Böyle bir motor için besleme voltajının yalnızca bir fazı olduğunda, ondan her biri 120 derece kaydırılan üç akım devresi oluşturmak gerekli hale gelir. Aksi takdirde dönüş çalışmaz veya arızalı olur.

Elektrik mühendisliğinde, şuna bağlanarak akım vektörünü gerilime göre döndürmenin iki basit yolu vardır:

1. akım voltajın 90 derece gerisinde kalmaya başladığında endüktif yük;

2.90 derece akım iletkeni oluşturabilme.

Yukarıdaki fotoğraf, Ua voltajının bir fazından 120'lik bir açıda değil, yalnızca 90 derece ileri veya geri kaydırılmış bir akım elde edebileceğinizi göstermektedir. Ayrıca bu, kabul edilebilir bir motor çalışma modu oluşturmak için kondansatör ve bobin değerlerinin seçilmesini gerektirecektir.

Bu tür şemaların pratik çözümlerinde, çoğu zaman endüktif dirençler kullanılmadan kapasitör yönteminde dururlar. Bu amaçla, besleme fazının gerilimi bir bobine herhangi bir dönüşüm yapılmadan, diğerine ise kondansatörlerle kaydırılarak uygulanmıştır. Sonuç, motor için kabul edilebilir bir tork oldu.

Ancak rotoru döndürmek için, üçüncü sargıyı başlatma kapasitörlerine bağlayarak ek bir tork oluşturmak gerekiyordu. Başlatma devresinde hızlı bir şekilde artan ısınma yaratan büyük akımların oluşması nedeniyle bunları sürekli çalışma için kullanmak imkansızdır. Bu nedenle, rotor dönüşünün atalet momentini elde etmek için bu devre kısaca açılmıştır.

Bu tür şemaların uygulanması, mevcut bireysel elemanlardan belirtilen değerlere sahip kapasitör bankalarının basit oluşumu nedeniyle daha kolaydı. Bununla birlikte, bobinlerin bağımsız olarak hesaplanması ve sarılması gerekiyordu ki bu sadece evde yapılması zor değil.

Bununla birlikte, motorun çalışması için en iyi koşullar, sargılardaki akımların yönlerinin seçilmesi ve akım bastırıcı dirençlerin kullanılması ile kapasitör ve bobinin farklı fazlarda karmaşık bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Bu yöntemle motor gücü kaybı %30'a kadar çıkmıştır.Bununla birlikte, bu tür dönüştürücülerin tasarımları, işletim için motorun kendisinden daha fazla elektrik tükettikleri için ekonomik olarak karlı değildir.

Kondansatör başlatma devresi ayrıca artan oranda elektrik tüketir, ancak daha az ölçüde. Ek olarak, devresine bağlı motor, normal bir üç fazlı besleme ile oluşturulanın %50'sinden biraz fazlasını üretebilir.

Üç fazlı bir motorun tek fazlı bir besleme devresine bağlanmasındaki zorluklar ve büyük elektrik ve çıkış gücü kayıpları nedeniyle, bu tür dönüştürücüler, bireysel kurulumlarda ve metal kesme makinelerinde çalışmaya devam etmelerine rağmen düşük verimliliklerini göstermiştir.

İnvertör cihazları

Yarı iletken elemanlar, endüstriyel bazda üretilen daha rasyonel faz dönüştürücüler oluşturmayı mümkün kıldı. Tasarımları genellikle üç fazlı devrelerde çalışacak şekilde tasarlanmıştır, ancak farklı açılarda yerleştirilmiş çok sayıda dizi ile çalışacak şekilde tasarlanabilirler.

Dönüştürücüler bir faz tarafından çalıştırıldığında, aşağıdaki teknolojik işlem sırası gerçekleştirilir:

1. tek fazlı voltajın bir diyot düğümü tarafından doğrultulması;

2. stabilizasyon devresinden gelen dalgaların yumuşatılması;

3. ters çevirme yöntemi sayesinde doğru voltajın üç faza dönüştürülmesi.

Bu durumda, besleme devresi, daha önce tartışıldığı gibi, otonom olarak çalışan üç tek fazlı parçadan veya örneğin bir nötr ortak iletken kullanan otonom bir üç fazlı invertör dönüştürme sistemine göre monte edilmiş bir ortak parçadan oluşabilir.

Burada her faz yükü, ortak bir kontrol sistemi tarafından kontrol edilen kendi yarı iletken eleman çiftlerini çalıştırır. Nötr tel üzerinden ortak besleme devresine bağlanan Ra, Rb, Rc dirençlerinin fazlarında sinüzoidal akımlar oluştururlar. Her yükten mevcut vektörleri ekler.

Çıkış sinyalinin saf bir sinüs dalga şekline yaklaştırılmasının kalitesi, kullanılan devrenin genel tasarımına ve karmaşıklığına bağlıdır.

Frekans dönüştürücüler

İnvertörler temelinde, sinüzoidal salınımların frekansını geniş bir aralıkta değiştirmeye izin veren cihazlar oluşturulmuştur. Bu amaçla kendilerine verilen 50 hertz elektrik şu değişimlere uğrar:

• dikilmek

• stabilizasyon;

• yüksek frekanslı voltaj dönüşümü.

Çalışma, mikroişlemci kartlarına dayalı kontrol sisteminin dönüştürücünün çıkışında onlarca kilohertz artan frekansla bir çıkış voltajı üretmesi dışında önceki projelerle aynı prensiplere dayanmaktadır.

Otomatik cihazlara dayalı frekans dönüştürme, elektrik motorlarının çalıştırma, durdurma ve geri dönüş sırasında çalışmasını en uygun şekilde ayarlamanıza olanak tanır ve rotorun hızını değiştirmek uygundur. Aynı zamanda, geçici akımların harici güç ağındaki zararlı etkisi keskin bir şekilde azaltılır.

Bununla ilgili daha fazla bilgiyi buradan okuyun: Frekans dönüştürücü - türleri, çalışma prensibi, bağlantı şemaları

Kaynak invertörleri

Bu voltaj konvertörlerinin ana amacı, kararlı ark yanmasını sağlamak ve ateşleme dahil tüm özelliklerinin kolay kontrolünü sağlamaktır.

Bu amaçla, sıralı yürütme gerçekleştiren inverter tasarımına birkaç blok dahil edilmiştir:

• üç fazlı veya tek fazlı voltajın düzeltilmesi;

• filtreler aracılığıyla parametrelerin stabilizasyonu;

• kararlı DC gerilimden yüksek frekanslı sinyallerin ters çevrilmesi;

• kaynak akımının değerini artırmak için bir düşürücü transformatör ile / h voltajına dönüştürme;

• kaynak arkı oluşumu için çıkış voltajının ikincil ayarı.

Yüksek frekanslı sinyal dönüştürmenin kullanılması nedeniyle, kaynak transformatörünün boyutları büyük ölçüde azaltılır ve tüm yapı için malzeme tasarrufu sağlanır. Kaynak invertörleri elektromekanik muadillerine göre kullanımda büyük avantajlara sahiptir.

Transformatörler: voltaj dönüştürücüler

Elektrik mühendisliği ve enerjide, elektromanyetik prensipte çalışan transformatörler, voltaj sinyalinin genliğini değiştirmek için hala en yaygın şekilde kullanılmaktadır.

İki veya daha fazla bobinleri vardır ve manyetik devre, giriş voltajını değiştirilmiş genlikteki bir çıkış voltajına dönüştürmek için manyetik enerjinin iletildiği.