Các loại chuyển đổi năng lượng điện

Một số lượng lớn các thiết bị gia dụng và lắp đặt công nghiệp trong công việc của họ được cung cấp bởi năng lượng điện các loại khác nhau. Nó được tạo ra bởi vô số EMF và các nguồn hiện tại.

Các tổ máy phát điện tạo ra dòng điện một pha hoặc ba pha ở tần số công nghiệp, trong khi các nguồn hóa chất tạo ra dòng điện một chiều. Đồng thời, trong thực tế, các tình huống thường phát sinh khi một loại điện không đủ cho hoạt động của một số thiết bị và cần phải thực hiện chuyển đổi.

Với mục đích này, ngành công nghiệp sản xuất một số lượng lớn các thiết bị điện hoạt động với các thông số khác nhau của năng lượng điện, chuyển đổi chúng từ loại này sang loại khác với điện áp, tần số, số pha và dạng sóng khác nhau. Theo các chức năng mà chúng thực hiện, chúng được chia thành các thiết bị chuyển đổi:

• đơn giản;

• với khả năng điều chỉnh tín hiệu đầu ra;

• có khả năng ổn định.

phương pháp phân loại

Theo bản chất của các hoạt động được thực hiện, bộ chuyển đổi được chia thành các thiết bị:

• đứng lên

• đảo ngược một hoặc nhiều giai đoạn;

• thay đổi tần số tín hiệu;

• chuyển đổi số pha của hệ thống điện;

• thay đổi loại điện áp.

Theo các phương pháp điều khiển của các thuật toán mới nổi, bộ chuyển đổi có thể điều chỉnh hoạt động trên:

• nguyên lý xung dùng trong mạch điện một chiều;

• phương pháp pha dùng trong mạch dao động điều hòa.

Các thiết kế bộ chuyển đổi đơn giản nhất có thể không được trang bị chức năng điều khiển.

Tất cả các thiết bị chuyển đổi đều có thể sử dụng một trong các loại mạch sau:

• Vỉa hè;

• số không;

• có hoặc không có máy biến áp;

• với một, hai, ba hoặc nhiều giai đoạn.

thiết bị khắc phục

Đây là loại bộ chuyển đổi cũ và phổ biến nhất cho phép bạn có được dòng điện một chiều được chỉnh lưu hoặc ổn định từ một hình sin xen kẽ, thường là tần số công nghiệp.

Triển lãm hiếm

thiết bị điện năng thấp

Chỉ một vài thập kỷ trước, các cấu trúc selen và các thiết bị dựa trên chân không vẫn được sử dụng trong kỹ thuật vô tuyến và các thiết bị điện tử.

Các thiết bị như vậy dựa trên nguyên tắc hiệu chỉnh dòng điện từ một phần tử duy nhất của tấm selen. Chúng được lắp ráp tuần tự thành một cấu trúc duy nhất bằng cách gắn các bộ điều hợp. Điện áp cần thiết để hiệu chỉnh càng cao thì càng sử dụng nhiều phần tử như vậy. Chúng không mạnh lắm và có thể chịu tải vài chục milliamp.

Một khoảng chân không được tạo ra trong vỏ thủy tinh kín của bộ chỉnh lưu đèn. Nó chứa các điện cực: cực dương và cực âm có dây tóc đảm bảo dòng bức xạ nhiệt.

Những loại đèn như vậy cung cấp dòng điện trực tiếp cho các mạch khác nhau của máy thu thanh và tivi cho đến cuối thế kỷ trước.

Ignitron là thiết bị mạnh mẽ

Trong các thiết bị công nghiệp, thiết bị ion thủy ngân anode-cathode hoạt động theo nguyên lý điện tích hồ quang có kiểm soát đã được sử dụng rộng rãi trước đây. Chúng được sử dụng khi cần vận hành tải DC có cường độ hàng trăm ampe ở điện áp được chỉnh lưu lên đến và bao gồm năm kilovolt.

Dòng điện tử được sử dụng cho dòng điện từ cực âm sang cực dương. Nó được tạo ra bởi sự phóng điện hồ quang gây ra ở một hoặc nhiều vùng của cực âm, được gọi là các điểm cực âm phát sáng. Chúng được hình thành khi hồ quang phụ được bật bằng điện cực đánh lửa cho đến khi hồ quang chính bốc cháy.

Đối với điều này, các xung ngắn hạn vài mili giây với cường độ dòng điện lên tới hàng chục ampe đã được tạo ra. Việc thay đổi hình dạng và cường độ của các xung giúp kiểm soát hoạt động của bộ phận đánh lửa.

Thiết kế này cung cấp hỗ trợ điện áp tốt trong quá trình chỉnh lưu và hiệu suất khá cao. Nhưng sự phức tạp về kỹ thuật của thiết kế và những khó khăn trong vận hành đã dẫn đến việc từ chối sử dụng nó.

Những thiết bị bán dẫn

điốt

Công việc của họ dựa trên nguyên tắc dẫn dòng điện theo một hướng do tính chất của tiếp giáp p-n được hình thành bởi các tiếp xúc giữa vật liệu bán dẫn hoặc kim loại và chất bán dẫn.

Điốt chỉ truyền dòng điện theo một hướng nhất định và khi một sóng hài hình sin xen kẽ đi qua chúng, chúng sẽ cắt một nửa sóng và do đó được sử dụng rộng rãi làm bộ chỉnh lưu.

Điốt hiện đại được sản xuất trong một phạm vi rất rộng và có nhiều đặc tính kỹ thuật khác nhau.

Thyristor

Thyristor sử dụng bốn lớp dẫn điện tạo thành một cấu trúc bán dẫn phức tạp hơn một diode với ba mối nối p-n nối tiếp J1, J2, J3. Các điểm tiếp xúc với lớp ngoài «p» và «n» được sử dụng làm cực dương và cực âm, và với lớp bên trong làm điện cực điều khiển của UE, được sử dụng để chuyển thyristor hoạt động và thực hiện điều chỉnh.

Việc chỉnh lưu sóng hài hình sin được thực hiện theo nguyên tắc giống như đối với điốt bán dẫn. Nhưng để thyristor hoạt động, cần phải tính đến một đặc điểm nhất định - cấu trúc của các chuyển tiếp bên trong của nó phải mở để các điện tích đi qua chứ không phải đóng.

Điều này được thực hiện bằng cách cho một dòng điện có cực tính nhất định chạy qua điện cực dẫn động. Ảnh dưới đây cho thấy các cách mở thyristor được sử dụng đồng thời để điều chỉnh lượng dòng điện đi qua tại các thời điểm khác nhau.

Khi dòng điện qua RE tại thời điểm đi qua hình sin đi qua giá trị 0, giá trị cực đại được tạo ra, giá trị này giảm dần tại các điểm «1», «2», «3».

Bằng cách này, dòng điện được điều chỉnh cùng với quy định của thyristor. Triac và MOSFET nguồn và/hoặc AGBT trong mạch nguồn hoạt động theo cách tương tự. Nhưng chúng không thực hiện chức năng điều chỉnh dòng điện, truyền nó theo cả hai hướng. Do đó, sơ đồ điều khiển của họ sử dụng thuật toán ngắt xung bổ sung.

Bộ chuyển đổi DC/DC

Những thiết kế này làm ngược lại với bộ chỉnh lưu. Chúng được sử dụng để tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin từ dòng điện một chiều thu được từ các nguồn dòng điện hóa học.

Một sự phát triển hiếm có

Từ cuối thế kỷ 19, các cấu trúc máy điện đã được sử dụng để biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều. Chúng bao gồm một động cơ điện một chiều chạy bằng pin hoặc bộ pin và một máy phát điện xoay chiều có phần ứng được quay bởi động cơ.

Trong một số thiết bị, cuộn dây máy phát được quấn trực tiếp trên rôto chung của động cơ. Phương pháp này không chỉ thay đổi hình dạng của tín hiệu mà còn làm tăng biên độ hoặc tần số của điện áp theo quy luật.

Nếu ba cuộn dây nằm ở 120 độ được quấn trên phần ứng của máy phát điện, thì với sự trợ giúp của nó, sẽ thu được điện áp ba pha đối xứng tương đương.

Umformers đã được sử dụng rộng rãi cho đến những năm 1970 cho đèn radio, thiết bị cho xe đẩy, xe điện, đầu máy điện trước khi các phần tử bán dẫn được giới thiệu hàng loạt.

bộ chuyển đổi biến tần

nguyên lý hoạt động

Để làm cơ sở cho việc xem xét, chúng tôi thực hiện mạch thử nghiệm thyristor KU202 từ pin và bóng đèn.

Một tiếp điểm thường đóng của nút SA1 và đèn dây tóc công suất thấp được tích hợp vào mạch để cung cấp điện thế dương của pin cho cực dương. Điện cực điều khiển được kết nối thông qua bộ hạn chế dòng điện và tiếp điểm mở của nút SA2. Cực âm được kết nối chắc chắn với cực âm của pin.

Nếu tại thời điểm t1 bạn nhấn nút SA2, dòng điện sẽ chạy đến cực âm qua mạch của điện cực điều khiển, dòng điện này sẽ mở thyristor và đèn bao gồm trong nhánh cực dương sẽ sáng. Do đặc điểm thiết kế của thyristor này, nó sẽ tiếp tục cháy ngay cả khi tiếp điểm SA2 mở.

Bây giờ tại thời điểm t2, chúng tôi nhấn nút SA1.Mạch cung cấp cực dương sẽ tắt và đèn sẽ tắt do dòng điện qua nó dừng lại.

Biểu đồ của hình được trình bày cho thấy dòng điện một chiều đi qua trong khoảng thời gian t1 ÷ t2. Nếu bạn chuyển đổi các nút rất nhanh, thì bạn có thể hình thành xung hình chữ nhật với dấu dương. Tương tự, bạn có thể tạo ra xung lực tiêu cực. Với mục đích này, chỉ cần thay đổi mạch một chút để dòng điện chạy theo hướng ngược lại là đủ.

Một chuỗi gồm hai xung có giá trị dương và âm tạo ra một dạng sóng được gọi là sóng vuông trong kỹ thuật điện. Hình chữ nhật của nó gần giống với sóng hình sin với hai nửa sóng ngược dấu.

Nếu trong sơ đồ đang xem xét, chúng ta thay thế các nút SA1 và SA2 bằng các tiếp điểm rơle hoặc công tắc bóng bán dẫn và chuyển đổi chúng theo một thuật toán nhất định, thì có thể tự động tạo dòng điện uốn khúc và điều chỉnh nó theo một tần số nhất định, nhiệm vụ chu kỳ, thời kỳ. Việc chuyển đổi như vậy được điều khiển bởi một mạch điều khiển điện tử đặc biệt.

Sơ đồ khối phần cấp nguồn

Ví dụ, hãy xem xét hệ thống sơ cấp đơn giản nhất của biến tần cầu nối.

Ở đây, thay vì một thyristor, các công tắc bóng bán dẫn trường được chọn đặc biệt xử lý việc hình thành một xung hình chữ nhật. Điện trở tải Rn được bao gồm trong đường chéo của cầu của chúng. Các điện cực cung cấp của mỗi bóng bán dẫn «nguồn» và «cống» được kết nối ngược chiều với điốt shunt và các tiếp điểm đầu ra của mạch điều khiển được kết nối với «cổng».

Do hoạt động tự động của các tín hiệu điều khiển, các xung điện áp có thời lượng và dấu hiệu khác nhau được xuất ra tải. Trình tự và đặc điểm của chúng được điều chỉnh theo các tham số tối ưu của tín hiệu đầu ra.

Dưới tác động của các điện áp đặt lên điện trở chéo, có tính đến các quá trình thoáng qua, một dòng điện phát sinh, hình dạng của nó gần với hình sin hơn là hình uốn khúc.

Khó khăn trong triển khai kỹ thuật

Để mạch nguồn của bộ biến tần hoạt động tốt, cần đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của hệ thống điều khiển, dựa trên các công tắc chuyển mạch. Chúng được ưu đãi với các đặc tính dẫn song phương và được hình thành bằng cách tạo ra các bóng bán dẫn song song bằng cách kết nối các điốt đảo ngược.

Để điều chỉnh biên độ của điện áp đầu ra, nó thường được sử dụng nguyên tắc điều chế độ rộng xung bằng cách chọn vùng xung của mỗi nửa sóng bằng phương pháp kiểm soát thời lượng của nó. Ngoài phương pháp này, còn có các thiết bị hoạt động với chuyển đổi biên độ xung.

Trong quá trình hình thành các mạch của điện áp đầu ra, xảy ra sự vi phạm tính đối xứng của nửa sóng, ảnh hưởng xấu đến hoạt động của tải cảm ứng. Điều này là đáng chú ý nhất với máy biến áp.

Trong quá trình vận hành hệ thống điều khiển, một thuật toán được thiết lập để tạo các phím của mạch nguồn, bao gồm ba giai đoạn:

1. thẳng;

2. ngắn mạch;

3. ngược lại.

Trong tải, không chỉ có thể có dòng điện dao động mà còn có thể có dòng điện thay đổi hướng, điều này tạo ra nhiễu bổ sung ở các cực nguồn.

thiết kế điển hình

Trong số nhiều giải pháp công nghệ khác nhau được sử dụng để tạo bộ biến tần, có ba sơ đồ phổ biến, được xem xét từ quan điểm về mức độ phức tạp gia tăng:

1. cầu không biến áp;

2. với đầu trung tính của máy biến áp;

3. cầu nối với máy biến áp.

dạng sóng đầu ra

Biến tần được thiết kế để cung cấp điện áp:

• hình hộp chữ nhật;

• hình thang;

• bước tín hiệu xen kẽ;

• hình sin.

bộ biến pha

Công nghiệp sản xuất động cơ điện để hoạt động trong các điều kiện vận hành cụ thể, có tính đến nguồn điện từ một số loại nguồn nhất định. Tuy nhiên, trong thực tế, các tình huống phát sinh khi vì nhiều lý do, cần kết nối động cơ không đồng bộ ba pha với mạng một pha. Nhiều mạch điện và thiết bị đã được phát triển cho mục đích này.

Công nghệ sử dụng nhiều năng lượng

Stato của động cơ không đồng bộ ba pha bao gồm ba cuộn dây được quấn theo một cách nhất định, nằm lệch nhau 120 độ, mỗi cuộn dây khi dòng điện cùng pha điện áp tác dụng lên nó sẽ tạo ra từ trường quay riêng. Hướng của các dòng điện được chọn sao cho các từ thông của chúng bổ sung cho nhau, tạo ra tác động hỗ tương cho quá trình quay của rôto.

Khi chỉ có một pha điện áp cung cấp cho một động cơ như vậy, cần phải hình thành ba mạch dòng điện từ nó, mỗi mạch cũng dịch chuyển 120 độ. Nếu không, vòng quay sẽ không hoạt động hoặc sẽ bị lỗi.

Trong kỹ thuật điện, có hai cách đơn giản để xoay vectơ dòng điện so với hiệu điện thế bằng cách nối với:

1. Tải cảm ứng khi dòng điện bắt đầu trễ điện áp 90 độ;

2.Khả năng tạo dòng điện dẫn 90 độ.

Ảnh trên cho thấy rằng từ một pha của điện áp Ua, bạn có thể làm cho dòng điện dịch chuyển ở một góc không phải 120 mà chỉ 90 độ về phía trước hoặc phía sau. Ngoài ra, điều này cũng sẽ yêu cầu chọn xếp hạng tụ điện và cuộn cảm để tạo ra chế độ vận hành động cơ chấp nhận được.

Trong các giải pháp thực tế của các sơ đồ như vậy, chúng thường dừng lại ở phương pháp tụ điện mà không sử dụng điện trở cảm ứng. Với mục đích này, điện áp của pha cung cấp được đặt vào một cuộn dây mà không có bất kỳ sự biến đổi nào, và sang cuộn dây khác, được thay đổi bởi các tụ điện. Kết quả là mô-men xoắn chấp nhận được cho động cơ.

Nhưng để quay rôto, cần phải tạo thêm một mô-men xoắn bằng cách nối cuộn dây thứ ba thông qua các tụ điện khởi động. Không thể sử dụng chúng để hoạt động liên tục do sự hình thành dòng điện lớn trong mạch khởi động, dòng điện này nhanh chóng tạo ra sự gia tăng nhiệt độ. Do đó, mạch này được bật trong thời gian ngắn để đạt được mômen quán tính của vòng quay rôto.

Các kế hoạch như vậy dễ thực hiện hơn do sự hình thành đơn giản của các dãy tụ điện có giá trị được chỉ định từ các phần tử có sẵn riêng lẻ. Tuy nhiên, cuộn cảm phải được tính toán và quấn độc lập, điều khó thực hiện không chỉ ở nhà.

Tuy nhiên, các điều kiện tốt nhất cho hoạt động của động cơ đã được tạo ra với sự kết nối phức tạp của tụ điện và cuộn cảm ở các pha khác nhau với việc lựa chọn hướng của dòng điện trong cuộn dây và sử dụng điện trở triệt tiêu dòng điện. Với phương pháp này, tổn thất công suất động cơ lên ​​tới 30%.Tuy nhiên, thiết kế của các bộ chuyển đổi như vậy không mang lại lợi nhuận kinh tế, vì chúng tiêu thụ nhiều điện hơn để vận hành so với chính động cơ.

Mạch khởi động bằng tụ điện cũng tiêu thụ điện năng nhiều hơn, nhưng ở mức độ thấp hơn. Ngoài ra, động cơ được kết nối với mạch của nó có khả năng tạo ra công suất chỉ hơn 50% so với công suất được tạo ra bằng nguồn ba pha thông thường.

Do những khó khăn trong việc kết nối động cơ ba pha với mạch cung cấp một pha và tổn thất điện năng và công suất đầu ra lớn, các bộ biến đổi như vậy đã cho thấy hiệu quả thấp, mặc dù chúng vẫn tiếp tục hoạt động trong các thiết bị riêng lẻ và máy cắt kim loại.

thiết bị biến tần

Các phần tử bán dẫn giúp tạo ra các bộ chuyển đổi pha hợp lý hơn được sản xuất trên cơ sở công nghiệp. Thiết kế của chúng thường được thiết kế để hoạt động trong mạch ba pha, nhưng chúng có thể được thiết kế để hoạt động với một số lượng lớn các dây nằm ở các góc khác nhau.

Khi các bộ chuyển đổi được cung cấp bởi một pha, trình tự hoạt động công nghệ sau đây được thực hiện:

1. chỉnh lưu điện áp một pha bằng nút diode;

2. làm mịn sóng từ mạch ổn định;

3. chuyển đổi điện áp một chiều thành ba pha bằng phương pháp đảo ngược.

Trong trường hợp này, mạch cung cấp có thể bao gồm ba bộ phận một pha hoạt động độc lập, như đã thảo luận trước đó, hoặc một bộ phận chung, được lắp ráp, chẳng hạn, theo hệ thống biến tần ba pha tự động sử dụng dây dẫn chung trung tính.

Ở đây, mỗi tải pha vận hành các cặp phần tử bán dẫn riêng, được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển chung. Chúng tạo ra dòng điện hình sin trong các pha của điện trở Ra, Rb, Rc, được nối với mạch cung cấp chung thông qua dây trung tính. Nó thêm các vectơ hiện tại từ mỗi lần tải.

Chất lượng của tín hiệu đầu ra gần đúng với dạng sóng hình sin thuần túy phụ thuộc vào thiết kế tổng thể và độ phức tạp của mạch được sử dụng.

Bộ chuyển đổi tần số

Trên cơ sở biến tần, người ta đã tạo ra các thiết bị cho phép thay đổi tần số dao động hình sin trong một phạm vi rộng. Với mục đích này, điện 50 hertz cung cấp cho chúng trải qua những thay đổi sau:

• đứng lên

• ổn định;

• chuyển đổi điện áp tần số cao.

Công việc dựa trên các nguyên tắc tương tự của các dự án trước đó, ngoại trừ việc hệ thống điều khiển dựa trên các bảng vi xử lý tạo ra điện áp đầu ra với tần số tăng hàng chục kilohertz ở đầu ra của bộ chuyển đổi.

Chuyển đổi tần số dựa trên các thiết bị tự động cho phép bạn điều chỉnh tối ưu hoạt động của động cơ điện tại thời điểm khởi động, dừng và đảo chiều, đồng thời thuận tiện khi thay đổi tốc độ của rôto. Đồng thời, tác động có hại của quá độ trong mạng điện bên ngoài giảm mạnh.

Đọc thêm về nó ở đây: Biến tần - loại, nguyên tắc hoạt động, sơ đồ kết nối

biến tần hàn

Mục đích chính của các bộ biến đổi điện áp này là duy trì quá trình cháy hồ quang ổn định và dễ dàng kiểm soát tất cả các đặc tính của nó, bao gồm cả đánh lửa.

Với mục đích này, một số khối được bao gồm trong thiết kế của biến tần, thực hiện thực hiện tuần tự:

• hiệu chỉnh điện áp ba pha hoặc một pha;

• ổn định các thông số thông qua các bộ lọc;

• đảo ngược tín hiệu tần số cao từ điện áp DC ổn định;

• chuyển đổi sang điện áp / h bằng máy biến áp giảm áp để tăng giá trị của dòng điện hàn;

• điều chỉnh thứ cấp điện áp đầu ra để hình thành hồ quang hàn.

Do sử dụng chuyển đổi tín hiệu tần số cao, kích thước của máy biến áp hàn được giảm đáng kể và tiết kiệm vật liệu cho toàn bộ cấu trúc. biến tần hàn có lợi thế lớn trong hoạt động so với các đối tác cơ điện của họ.

Máy biến áp: bộ chuyển đổi điện áp

Trong kỹ thuật điện và năng lượng, máy biến áp hoạt động theo nguyên lý điện từ vẫn được sử dụng rộng rãi nhất để thay đổi biên độ của tín hiệu điện áp.

Chúng có hai hoặc nhiều cuộn dây và mạch từ, qua đó năng lượng từ trường được truyền để chuyển đổi điện áp đầu vào thành điện áp đầu ra có biên độ thay đổi.