סוגי המרת אנרגיה חשמלית

מספר עצום של מכשירי חשמל ביתיים ומתקנים תעשייתיים בעבודתם מופעלים על ידי אנרגיה חשמלית מסוגים שונים. זה נוצר על ידי המון EMF ומקורות עכשוויים.

ערכות גנרטורים מייצרות זרם חד פאזי או תלת פאזי בתדר תעשייתי, בעוד שמקורות כימיים מייצרים זרם ישר. יחד עם זאת, בפועל נוצרים לא פעם מצבים שבהם סוג אחד של חשמל אינו מספיק להפעלת מכשירים מסוימים ויש צורך לבצע הסבה שלו.

לצורך כך מייצרת התעשייה מספר רב של מכשירים חשמליים הפועלים עם פרמטרים שונים של אנרגיה חשמלית, וממירים אותם מסוג אחד לאחר עם מתחים, תדרים, מספר שלבים וצורות גל שונים. לפי הפונקציות שהם מבצעים, הם מחולקים להתקני המרה:

• פָּשׁוּט;

• עם היכולת להתאים את אות הפלט;

• ניחן ביכולת התייצבות.

שיטות סיווג

לפי אופי הפעולות המבוצעות, הממירים מחולקים להתקנים:

• בעמידה

• היפוך של שלב אחד או יותר;

• שינויים בתדר האות;

• המרה של מספר השלבים של מערכת החשמל;

• שינוי סוג המתח.

על פי שיטות הבקרה של האלגוריתמים המתפתחים, ממירים מתכווננים עובדים על:

• עקרון הדופק המשמש במעגלי DC;

• שיטת פאזה המשמשת במעגלי מתנד הרמוני.

ייתכן שעיצובי הממיר הפשוטים ביותר לא יהיו מצוידים בפונקציית בקרה.

כל התקני ההמרה יכולים להשתמש באחד מסוגי המעגלים הבאים:

• מִדרָכָה;

• אֶפֶס;

• עם או בלי שנאי;

• עם שלב אחד, שניים, שלושה או יותר.

מכשירי תיקון

זהו המעמד הנפוץ והוותיק ביותר של ממירים המאפשרים לך לקבל זרם ישר מתוקן או מיוצב מתדר סינוסואידי לסירוגין, בדרך כלל תעשייתי.

תערוכות נדירות

מכשירים בהספק נמוך

רק לפני כמה עשורים, מבני סלניום והתקנים מבוססי ואקום עדיין שימשו בהנדסת רדיו ובמכשירים אלקטרוניים.

מכשירים כאלה מבוססים על העיקרון של תיקון הנוכחי מאלמנט בודד של צלחת סלניום. הם הורכבו ברצף למבנה אחד על ידי הרכבה של מתאמים. ככל שהמתח הנדרש לתיקון גבוה יותר, כך נעשה שימוש רב יותר באלמנטים כאלה. הם לא היו חזקים במיוחד ויכלו לעמוד בעומס של כמה עשרות מיליאמפר.

נוצר ואקום בבית הזכוכית האטום של מיישרי המנורה. הוא מכיל אלקטרודות: אנודה וקתודה עם נימה, המבטיחות את זרימת הקרינה התרמית.

מנורות כאלה סיפקו כוח זרם ישר למעגלים שונים של מקלטי רדיו וטלוויזיות עד סוף המאה הקודמת.

Ignitrons הם מכשירים חזקים

במכשירים תעשייתיים, התקני יון כספית מסוג אנודה-קתודה הפועלים על עיקרון מטען קשת מבוקר היו בשימוש נרחב בעבר. הם שימשו היכן שהיה צורך להפעיל עומס DC בעוצמה של מאות אמפר במתח מתוקן עד וכולל חמישה קילו-וולט.

זרימת אלקטרונים שימשה לזרימת זרם מהקתודה לאנודה. הוא נוצר על ידי פריקת קשתות הנגרמת באזור אחד או יותר של הקתודה, הנקראים כתמי קתודה זוהרים. הם נוצרים כאשר קשת העזר מופעלת על ידי אלקטרודת ההצתה עד שהקשת הראשית נדלקת.

לשם כך נוצרו פולסים קצרי טווח של כמה אלפיות שניות בעוצמת זרם של עד עשרות אמפר. שינוי צורת ועוצמת הפולסים אפשרו לשלוט על פעולת המצת.

עיצוב זה מספק תמיכת מתח טובה במהלך תיקון ויעילות גבוהה למדי. אבל המורכבות הטכנית של התכנון וקשיי הפעולה הביאו לדחיית השימוש בו.

התקני מוליכים למחצה

דיודות

עבודתם מבוססת על העיקרון של הולכת זרם בכיוון אחד בשל המאפיינים של צומת p-n הנוצרים ממגע בין חומרים מוליכים למחצה או מתכת ומוליך למחצה.

דיודות מעבירות זרם רק בכיוון מסוים, וכאשר עוברת דרכן הרמוניה סינוסואידית מתחלפת, הן מנתקות חצי גל אחד ולכן נמצאות בשימוש נרחב כמיישרים.

דיודות מודרניות מיוצרות במגוון רחב מאוד והן מצוידות במאפיינים טכניים שונים.

תיריסטורים

התיריסטור משתמש בארבע שכבות מוליכות היוצרות מבנה מוליכים למחצה מורכב יותר מדיודה עם שלושה צמתים p-n המחוברים בסדרה J1, J2, J3. המגעים עם השכבה החיצונית «p» ו- «n» משמשים כאנודה וקתודה, ועם השכבה הפנימית כאלקטרודת הבקרה של ה-UE, המשמשת להעברת התיריסטור לפעולה ולביצוע ויסות.

תיקון הרמוניה סינוסואידית מתבצע על אותו עיקרון כמו עבור דיודה מוליכים למחצה. אבל כדי שהתיריסטור יעבוד, יש צורך לקחת בחשבון מאפיין מסוים - מבנה המעברים הפנימיים שלו חייב להיות פתוח למעבר מטענים חשמליים, ולא סגור.

זה נעשה על ידי העברת זרם בקוטביות מסוימת דרך האלקטרודה המניעה. התמונה למטה מציגה את הדרכים לפתיחת התיריסטור המשמש בו זמנית כדי להתאים את כמות הזרם המועבר בזמנים שונים.

כאשר הזרם מופעל דרך RE ברגע העברת הסינוסואיד דרך ערך האפס, נוצר ערך מקסימלי, שיורד בהדרגה בנקודות «1», «2», «3».

בדרך זו, הזרם מותאם יחד עם ויסות התיריסטור. Triacs ו-MOSFETs ו/או AGBTs במעגלי מתח פועלים בצורה דומה. אבל הם לא מבצעים את הפונקציה של תיקון הזרם, מעבירים אותו לשני הכיוונים. לכן, סכימות הבקרה שלהם משתמשות באלגוריתם נוסף של הפסקת פעימה.

ממירי DC / DC

עיצובים אלה עושים את ההיפך ממיישרים. הם משמשים ליצירת זרם סינוסואידי לסירוגין מזרם ישר המתקבל ממקורות זרם כימי.

התפתחות נדירה

מאז סוף המאה ה-19, נעשה שימוש במבני מכונות חשמליות להמרת מתח ישיר למתח חילופין. הם מורכבים ממנוע חשמלי זרם ישר המופעל על ידי סוללה או מארז סוללות ומגנרטור AC שהאבזור שלו מסובב על ידי כונן המנוע.

במכשירים מסוימים, פיתול הגנרטור היה מלופף ישירות על הרוטור המשותף של המנוע. שיטה זו לא רק משנה את צורת האות, אלא גם, ככלל, מגדילה את המשרעת או התדירות של המתח.

אם שלוש פיתולים הממוקמים ב-120 מעלות מתפתלים על האבזור של הגנרטור, אז בעזרתו מתקבל מתח תלת פאזי סימטרי שווה ערך.

Umformers היו בשימוש נרחב עד שנות ה-70 עבור מנורות רדיו, ציוד עבור טרוליבוסים, חשמליות, קטרים ​​חשמליים לפני ההחדרה ההמונית של אלמנטים מוליכים למחצה.

ממירי אינוורטר

עקרון הפעולה

כבסיס לשיקול, אנו לוקחים את מעגל בדיקת התיריסטור KU202 מסוללה ומנורה.

מגע סגור בדרך כלל של כפתור SA1 ומנורת חוט נימה נמוכה מובנים במעגל כדי לספק את הפוטנציאל החיובי של הסוללה לאנודה. אלקטרודת הבקרה מחוברת באמצעות מגביל זרם ומגע פתוח של כפתור SA2. הקתודה מחוברת היטב לשלילית של הסוללה.

אם בזמן t1 תלחץ על הכפתור SA2, הזרם יזרום לקתודה דרך המעגל של אלקטרודת הבקרה, אשר יפתח את התיריסטור והמנורה הכלולה בענף האנודה תידלק. בשל תכונות העיצוב של תיריסטור זה, הוא ימשיך להישרף גם כאשר מגע SA2 פתוח.

כעת בשעה t2 אנו לוחצים על כפתור SA1.מעגל האספקה ​​של האנודה יכבה והאור ייכבה בשל העובדה שזרימת הזרם דרכה נעצרת.

הגרף של התמונה המוצגת מראה שזרם ישר עבר במרווח הזמן t1 ÷ t2. אם אתה מחליף את הכפתורים מהר מאוד, אז אתה יכול ליצור דופק מלבני עם סימן חיובי. באופן דומה, אתה יכול ליצור דחף שלילי. לשם כך, די לשנות מעט את המעגל כדי לאפשר לזרם לזרום בכיוון ההפוך.

רצף של שני פולסים עם ערכים חיוביים ושליליים יוצר צורת גל הנקראת גל מרובע בהנדסת חשמל. צורתו המלבנית דומה בערך לגל סינוס עם שני חצאי גלים של סימנים מנוגדים.

אם בסכימה הנבדקת נחליף את הכפתורים SA1 ו-SA2 במגעי ממסר או מתגי טרנזיסטור ונחליף אותם לפי אלגוריתם מסוים, אז ניתן יהיה ליצור אוטומטית זרם בצורת מתפתל ולהתאים אותו לתדר מסוים, חובה מסוימת מחזור, נקודה. מיתוג כזה נשלט על ידי מעגל בקרה אלקטרוני מיוחד.

דיאגרמת בלוקים של קטע אספקת החשמל

כדוגמה, שקול את המערכת הראשונית הפשוטה ביותר של מהפך גשר.

כאן, במקום תיריסטור, מתגי טרנזיסטור שדה שנבחרו במיוחד מתמודדים עם היווצרות של פולס מלבני. התנגדות העומס Rn כלולה באלכסון של הגשר שלהם. אלקטרודות האספקה ​​של כל טרנזיסטור "מקור" ו-"ניקוז" מחוברות הפוך עם דיודות shunt, ומגעי המוצא של מעגל הבקרה מחוברים ל"שער".

עקב הפעולה האוטומטית של אותות הבקרה, פולסי מתח בעלי משך וסימן שונים יוצאים לעומס. הרצף והמאפיינים שלהם מותאמים לפרמטרים האופטימליים של אות הפלט.

תחת פעולת המתחים המופעלים על ההתנגדות האלכסונית, תוך התחשבות בתהליכים החולפים, נוצר זרם שצורתו כבר קרובה יותר לסינוסואיד מזו של פיתול.

קשיים ביישום טכני

לתפקוד טוב של מעגל החשמל של הממירים, יש צורך להבטיח את הפעולה האמינה של מערכת הבקרה, המבוססת על מתגי מיתוג. הם ניחנים בתכונות מוליכות דו צדדיות והם נוצרים על ידי shunting טרנזיסטורים על ידי חיבור דיודות הפוכות.

כדי להתאים את משרעת מתח המוצא, הוא משמש לרוב עקרון אפנון רוחב הדופק על ידי בחירת אזור הדופק של כל חצי גל על ​​ידי שיטת השליטה על משך הזמן שלו. בנוסף לשיטה זו, ישנם מכשירים הפועלים עם המרת פולס-משרעת.

בתהליך יצירת המעגלים של מתח המוצא, מתרחשת הפרה של הסימטריה של חצי הגלים, אשר משפיעה לרעה על פעולת עומסים אינדוקטיביים. זה בולט ביותר עם שנאים.

במהלך פעולת מערכת הבקרה, מוגדר אלגוריתם להפקת מפתחות מעגל החשמל, הכולל שלושה שלבים:

1. ישר;

2. קצר חשמלי;

3. להיפך.

בעומס, לא רק זרמים פועמים אפשריים, אלא גם זרמים המשתנים בכיוון, היוצרים הפרעות נוספות במסופי המקור.

עיצוב אופייני

בין שלל הפתרונות הטכנולוגיים השונים המשמשים ליצירת ממירים, שלוש תוכניות נפוצות, הנחשבות מנקודת המבט של מידת העלייה במורכבות:

1. גשר ללא שנאי;

2. עם המסוף הנייטרלי של השנאי;

3. גשר עם שנאי.

צורות גל פלט

ממירים מתוכננים לספק מתח:

• מַלבֵּנִי;

• טרפז;

• אותות מתחלפים מדורגים;

• סינוסואידים.

ממירי פאזות

התעשייה מייצרת מנועים חשמליים לפעול בתנאי הפעלה ספציפיים, תוך התחשבות בהספק מסוגים מסוימים של מקורות. עם זאת, בפועל נוצרים מצבים שבהם מסיבות שונות יש צורך לחבר מנוע אסינכרוני תלת פאזי לרשת חד פאזית. מעגלים והתקנים חשמליים שונים פותחו למטרה זו.

טכנולוגיות עתירות אנרגיה

הסטטור של מנוע אסינכרוני תלת פאזי כולל שלוש פיתולים המפותלים בצורה מסוימת, הממוקמים 120 מעלות זה מזה, שכל אחד מהם, כאשר הזרם של שלב המתח שלו מופעל עליו, יוצר שדה מגנטי מסתובב משלו. כיוון הזרמים נבחר כך שהשטפים המגנטיים שלהם משלימים זה את זה, ומספקים פעולה הדדית לסיבוב הרוטור.

כאשר יש רק שלב אחד של מתח האספקה ​​למנוע כזה, יש צורך ליצור ממנו שלושה מעגלי זרם, שכל אחד מהם גם מוזז ב-120 מעלות. אחרת, הסיבוב לא יעבוד או יהיה פגום.

בהנדסת חשמל, ישנן שתי דרכים פשוטות לסובב את וקטור הזרם ביחס למתח על ידי חיבור ל:

1. עומס אינדוקטיבי כאשר הזרם מתחיל לפגר את המתח ב-90 מעלות;

2.יכולת יצירת מוליך זרם של 90 מעלות.

התמונה לעיל מראה כי משלב אחד של המתח Ua אתה יכול להזיז זרם בזווית לא ב-120, אלא רק ב-90 מעלות קדימה או אחורה. בנוסף, הדבר ידרוש גם בחירת דירוגי הקבל והמשנק כדי לייצר מצב פעולה מקובל של המנוע.

בפתרונות המעשיים של תוכניות כאלה, הם נעצרים לרוב בשיטת הקבלים ללא שימוש בהתנגדויות אינדוקטיביות. לשם כך, המתח של שלב האספקה ​​הופעל על סליל אחד ללא כל טרנספורמציה, ועל השני, הוסט על ידי קבלים. התוצאה הייתה מומנט מקובל למנוע.

אבל כדי להפוך את הרוטור, היה צורך ליצור מומנט נוסף על ידי חיבור הפיתול השלישי דרך קבלים התחלתיים. אי אפשר להשתמש בהם לפעולה מתמדת בגלל היווצרות זרמים גדולים במעגל ההתחלה, שיוצרים במהירות חימום מוגבר. לכן, מעגל זה הופעל לזמן קצר כדי להשיג את מומנט האינרציה של סיבוב הרוטור.

תוכניות כאלה היו קלות יותר ליישום בשל היווצרותם הפשוטה של ​​בנקאי קבלים בערכים שצוינו מאלמנטים זמינים בודדים. עם זאת, את החנק היה צריך לחשב ולפצוע באופן עצמאי, מה שקשה לעשות לא רק בבית.

עם זאת, התנאים הטובים ביותר לפעולת המנוע נוצרו עם החיבור המורכב של הקבל והמחנק בשלבים שונים עם בחירת כיווני הזרמים בפיתולים ושימוש נגדים מדכאי זרם. בשיטה זו, אובדן כוח המנוע היה עד 30%.עם זאת, העיצובים של ממירים כאלה אינם רווחיים מבחינה כלכלית, מכיוון שהם צורכים יותר חשמל להפעלה מאשר המנוע עצמו.

מעגל התחלת הקבל צורך גם קצב מוגבר של חשמל, אך במידה פחותה. בנוסף, המנוע המחובר למעגל שלו מסוגל לייצר כוח קצת יותר מ-50% מזה שנוצר עם אספקת תלת פאזית רגילה.

בשל הקשיים בחיבור מנוע תלת פאזי למעגל אספקה ​​חד פאזי וההפסדים הגדולים של חשמל וכוח פלט, ממירים כאלה הראו את היעילות הנמוכה שלהם, אם כי הם ממשיכים לעבוד במתקנים בודדים ובמכונות חיתוך מתכת.

מכשירי אינוורטר

אלמנטים מוליכים למחצה אפשרו ליצור ממירי פאזה רציונליים יותר המיוצרים על בסיס תעשייתי. העיצובים שלהם מתוכננים בדרך כלל לפעול במעגלים תלת פאזיים, אך ניתן לתכנן אותם לפעול עם מספר רב של מיתרים הממוקמים בזוויות שונות.

כאשר הממירים מופעלים על ידי פאזה אחת, מתבצע רצף הפעולות הטכנולוגיות הבא:

1. תיקון מתח חד פאזי על ידי צומת דיודה;

2. החלקת הגלים ממעגל הייצוב;

3. המרה של מתח ישר לתלת פאזי עקב שיטת ההיפוך.

במקרה זה, מעגל האספקה ​​יכול להיות מורכב משלושה חלקים חד פאזיים הפועלים באופן אוטונומי, כפי שנדון קודם לכן, או אחד נפוץ, המורכב, למשל, על פי מערכת המרה תלת פאזית אוטונומית של מהפך באמצעות מוליך משותף ניטרלי.

כאן, כל עומס פאזה מפעיל זוגות משלו של אלמנטים מוליכים למחצה, אשר נשלטים על ידי מערכת בקרה משותפת. הם יוצרים זרמים סינוסואידים בשלבי ההתנגדות Ra, Rb, Rc, המחוברים למעגל האספקה ​​המשותף דרך החוט הנייטרלי. זה מוסיף את הוקטורים הנוכחיים מכל עומס.

איכות הקירוב של אות המוצא לצורת גלי סינוס טהורה תלויה בעיצוב הכללי ובמורכבות של המעגל המשמש.

ממירי תדרים

על בסיס ממירים נוצרו מכשירים המאפשרים לשנות את תדירות התנודות הסינוסואידיות בטווח רחב. לצורך כך, החשמל 50 הרץ המסופק להם עובר את השינויים הבאים:

• בעמידה

• ייצוב;

• המרת מתח בתדר גבוה.

העבודה מבוססת על אותם עקרונות של הפרויקטים הקודמים, אלא שמערכת הבקרה המבוססת על לוחות מיקרו-מעבדים מייצרת מתח מוצא בתדירות מוגברת של עשרות קילו-הרץ במוצא הממיר.

המרת תדר המבוססת על מכשירים אוטומטיים מאפשרת להתאים בצורה אופטימלית את פעולת המנועים החשמליים בזמן התנעה, עצירה והיפוך, ונוח לשנות את מהירות הרוטור. במקביל, ההשפעה המזיקה של ארעיות ברשת החשמל החיצונית מצטמצמת בחדות.

קרא עוד על זה כאן: ממיר תדרים - סוגים, עקרון הפעולה, תוכניות חיבור

ריתוך ממירים

המטרה העיקרית של ממירי מתח אלו היא לשמור על שריפת קשת יציבה ושליטה קלה על כל המאפיינים שלה, כולל הצתה.

למטרה זו, מספר בלוקים כלולים בתכנון המהפך, המבצעים ביצוע רציף:

• תיקון מתח תלת פאזי או חד פאזי;

• ייצוב פרמטרים באמצעות מסננים;

• היפוך של אותות בתדר גבוה ממתח DC מיוצב;

• המרה למתח / שעה על ידי שנאי מטה להגדלת הערך של זרם הריתוך;

• התאמה משנית של מתח המוצא להיווצרות קשת ריתוך.

עקב השימוש בהמרת אותות בתדר גבוה, ממדיו של שנאי הריתוך מצטמצמים מאוד ונחסכים חומרים לכל המבנה. ריתוך ממירים יש יתרונות גדולים בפעולה בהשוואה לעמיתיהם האלקטרומכניים.

רובוטריקים: ממירי מתח

בהנדסת חשמל ואנרגיה, שנאים הפועלים על העיקרון האלקטרומגנטי עדיין נמצאים בשימוש הנפוץ ביותר כדי לשנות את משרעת אות המתח.

יש להם שני סלילים או יותר ו מעגל מגנטי, שדרכו מועברת אנרגיה מגנטית להמרת מתח הכניסה למתח מוצא בעל משרעת שונה.