Виды преобразования электрической энергии
Огромное количество бытовых приборов и промышленных установок в своей работе питается от электрической энергии различных видов. Ее создают многочисленные источники ЭДС и тока.
Генераторные установки вырабатывают однофазный или трехфазный ток промышленный частоты, а химические источники — постоянный. При этом на практике довольно часто возникают ситуации, когда одного вида электроэнергии недостаточно для работы определенных устройств и требуется выполнять ее преобразование.
С этой целью промышленностью выпускается большое количество электротехнических устройств, которые оперируют с разными параметрами электрической энергии, превращая их из одного вида в другой с различными напряжениями, частотой, количеством фаз и формами сигналов. По выполняемым функциям они подразделяются на устройства преобразования:
с возможностью регулирования выходного сигнала;
наделенные способностью стабилизации.
По характеру выполняемых операций преобразователи делят на устройства:
инвертирования в один или несколько этапов;
изменения частоты сигнала;
преобразования числа фаз электрической системы;
модификации вида напряжения.
По способам управления происходящих алгоритмов регулируемые преобразователи работают на:
импульсном принципе, используемом в схемах постоянного тока;
фазовом методе, применяемом в цепях гармоничных колебаний.
Самые простые конструкции преобразователей могут не наделяться функцией управления.
Все устройства преобразования могут использовать один из следующих видов электрической схемы:
на основе трансформатора или без него;
с одной, двумя, тремя или несколькими фазами.
Это наиболее распространенный и старый класс преобразователей, позволяющих получать выпрямленный или стабилизированный постоянный ток из переменного синусоидального обычно промышленной частоты.
Буквально несколько десятилетий назад в радиотехнических и электронных устройствах еще использовались селеновые конструкции и ламповые на основе вакуума приборы.
В основе подобных устройств использовался принцип выпрямления тока одним единичным элементом из селеновой пластины. Их последовательно собирали в единую конструкцию через монтажные переходники. Чем выше требовалось напряжение для выпрямления, тем большее количество таких элементов использовалось. Они не отличались большими мощностями и выдерживали нагрузку в несколько десятков миллиампер.
У ламповых выпрямителей внутри герметичного стеклянного корпуса создавался вакуум. В нем располагались электроды: анод и катод с нитью накала, обеспечивающей протекание термоэлектронной эмиссии.
Подобный ламповые приборы обеспечивали питание постоянным током для различных схем радиоприемников и телевизоров вплоть до конца прошлого столетия.
Игнитроны — мощные устройства
В промышленных устройствах раньше широко использовались ионные ртутные приборы с анодом и катодом, работающие по принципу управляемого дугового заряда. Они применялись там, где требовалось оперировать нагрузкой постоянного тока с силой в сотни ампер при выпрямленном напряжении до пяти киловольт включительно.
Для протекания тока от катода в направлении анода использовался поток электронов. Он создавался за счет дугового разряда, вызываемого на одном или нескольких участках катода, называемых светящимися катодными пятнами. Они формировались при включении вспомогательной дуги от поджигающего электрода до момента зажигания основной.
Для этого создавались кратковременные импульсы в несколько миллисекунд с силой тока до десятков ампер. Изменение формы и силы импульсов позволяло управлять работой игнитрона.
Эта конструкция обеспечивала хорошее поддержание напряжения при выпрямлении и довольно высокий КПД. Но, техническая сложность конструкции и трудности эксплуатации привели к отказу от ее использования.
В основу их работы положен принцип проводимости тока в одну сторону за счет свойств p-n перехода, образованного контактами между полупроводниковыми материалами или металлом и полупроводником.
Диоды пропускают ток только определенного направления, а при прохождении через них переменной синусоидальной гармоники срезают одну полуволну и за счет этого широко используются как выпрямительные устройства.
Современные диоды выпускаются очень широким ассортиментом и наделяются разнообразными техническими характеристиками.
В составе тиристора используется четыре слоя проводимости, образующих более сложную полупроводниковую структуру, чем у диода с тремя последовательно соединенными p-n переходами J1, J2, J3. Контакты с внешним слоем «p» и «n» используются в качестве анода и катода, а с внутренним — как управляющий электрод УЭ, который применяется для включения тиристора в работу и выполнения регулирования.
Выпрямление синусоидальной гармоники производится по тому же принципу, как и у полупроводникового диода. Но, для работы тиристора необходимо учесть определенную особенность — структура его внутренних переходов должна быть открыта для прохождения электрических зарядов, а не закрыта.
Это осуществляется пропусканием тока определенной полярности через управляющий электрод. На картинке ниже показаны способы открытия тиристора, используемые заодно для регулировки величины пропускаемого тока в разные моменты времени.
При подаче тока через УЭ в момент перехода синусоиды через нулевое значение создается максимальная величина, которая постепенно уменьшается в точках «1», «2», «3».
Таким способом происходит выпрямление тока в комплексе с регулированием тиристором. Аналогичным образом работают симисторы и мощные полевые MOSFET и/или AGBT транзисторы в силовых цепях. Но, они не выполняют функцию выпрямления тока, пропуская его в обоих направлениях. Поэтому в их схемах управления используется дополнительный алгоритм прерывания импульса.
Преобразователи постоянного тока
Эти конструкции осуществляют обратную выпрямителям операцию. Они применяются для выработки переменного синусоидального тока из постоянного, получаемого от химических источников тока.
С конца XIX века для преобразования постоянного напряжения в переменное использовались электрические машинные конструкции. В их состав входил электродвигатель постоянного тока, получавший энергию от аккумулятора или комплекта батарей и генератор переменного напряжения, якорь которого вращался от привода двигателя.
В отдельных устройствах обмотка генератора наматывалась прямо на общем роторе двигателя. При этом способе не только меняли форму сигнала, но и, как правило, увеличивали амплитуду напряжения или частоту.
Если на якоре генератора намотаны три разнесенные по 120 градусов обмотки, то с его помощью получали уже равноценное симметричное трехфазное напряжение.
Умформеры широко использовались вплоть до 70-х годов для радиоламповых устройств, оборудования троллейбусов, трамваев, электровозов до массового внедрения полупроводниковых элементов.
За основу рассмотрения возьмем схему проверки тиристора КУ202 от батарейки и лампочки.
В цепь подачи плюсового потенциала батарейки на анод врезан нормально замкнутый контакт кнопки SA1 и лампочка накаливания малой мощности. Подключение управляющего электрода выполнено через токоограничивающий резистор и открытый контакт кнопки SA2. Катод соединен жестко с минусом батарейки.
Если в момент времени t1 нажать кнопку SA2, то по цепочке управляющего электрода на катод потечет ток, который откроет тиристор и лампочка, включенная в анодную ветвь, загорится. Она, благодаря конструктивной особенности этого тиристора, будет продолжать гореть даже при размыкании контакта SA2.
Теперь в момент времени t2 нажмем на кнопку SA1. Цепь питания анода обесточится, а лампочка погаснет из-за того, что прохождение тока через нее прекратится.
На графике представленной картинки видно, что внутри промежутка времени t1÷t2 проходил постоянный ток. Если переключения кнопок выполнять очень быстро, то можно сформировать импульс прямоугольной формы с положительным знаком. Точно так же можно создать отрицательный импульс. С этой целью достаточно немного изменить схему для прохождения тока противоположного направления.
Последовательность двух импульсов положительного и отрицательного значения создает форму сигнала, называемого в электротехнике «меандр». Его прямоугольная форма довольно грубо напоминает синусоиду с двумя полуволнами противоположных знаков.
Если в рассмотренной схеме заменить кнопки SA1 и SA2 контактами реле или транзисторными ключами и коммутировать их по определенному алгоритму, то можно будет в автоматическом режиме создавать ток с формой меандра и подгонять его под определенную частоту, скважность, период. Такими переключениями занимается специальная электронная схема управления.
Структурная схема силовой части
В качестве примера рассмотрим наиболее простую систему первичных цепей инвертора, работающего по мостовой схеме.
Здесь вместо тиристора формированием прямоугольного импульса занимаются специально подобранные полевые транзисторные ключи. В диагональ их моста включено сопротивление нагрузки Rн. Силовые электроды каждого транзистора «исток» и «сток» встречно соединены с шунтирующими диодами, а на «затвор» подключены выходные контакты схемы управления.
За счет автоматической работы управляющих сигналов на нагрузку выдаются различные по длительности и знаку импульсы напряжения. Их очередность и характеристики подогнаны под оптимальные параметры выходного сигнала.
Под действием приложенных напряжений на диагональном сопротивлении с учетом переходных процессов возникает ток, форма которого уже больше приближена к синусоиде, чем у меандра.
Сложности технической реализации
Для хорошего функционирования силовой схемы инверторов необходимо обеспечивать надежную работу системы управления, которая основана на коммутации ключей. Они наделяются свойствами двусторонней проводимости и формируются за счет шунтирования транзисторов подключением обратных диодов.
С целью регулирования амплитуды выходного напряжения чаще всего используется принцип широтной импульсной модуляции за счет выбора площади импульса каждой полуволны методом управления ее длительностью. Кроме этого способа встречаются устройства, работающие на амплитудном импульсном преобразовании.
В процессе формирования выходных цепей напряжения возникает нарушение симметрии полуволн, которое отрицательно сказывается на работе индуктивных нагрузок. Наиболее характерно это заметно у трансформаторов.
При работе системы управления задается алгоритм формирования ключей силовой цепи, включающий три этапа:
На нагрузке возможны появления не только пульсирующих, но и изменяющихся по направлению токов, которые создают дополнительные помехи на зажимах источника.
Среди множества различных технологических решений, используемых для создания инверторов, распространены три схемы, рассматриваемые по степени увеличения сложности:
1. мостовая без трансформатора;
2. с нулевым выводом трансформатора;
3. мостовая с трансформатором.
Формы выходных сигналов
Инверторы создаются для выдачи напряжений:
ступенчатых чередующихся сигналов;
Промышленность выпускает электродвигатели для работы в конкретных условиях эксплуатации с учетом питания от определенных видов источников. Однако, на практике возникают ситуации, когда по разным причинам необходимо подключить трехфазный асинхронный двигатель в однофазную сеть. Для этого разработаны различные электрические схемы и устройства.
Статор трехфазного асинхронного двигателя включает в свой состав три разнесенные по 120 градусов навитые определенным образом обмотки, каждая из которых при подаче в нее тока своей фазы напряжения создает собственное вращающееся магнитное поле. Направление токов выбрано так, что их магнитные потоки дополняют друг друга, обеспечивая взаимное действие для вращения ротора.
Когда имеется всего одна фаза напряжения питания для такого двигателя, то возникает необходимость сформировать из нее три цепочки тока, каждая из которых тоже смещена на 120 градусов. Иначе вращение не получится или будет неполноценным.
В электротехнике существует два простых способа поворота вектора тока относительно напряжения методом подключения на:
1. индуктивную нагрузку, когда ток начинает отставать от напряжения на 90 градусов;
2. емкость для создания опережения тока на 90 градусов.
На приведенной картинке показано, что от одной фазы напряжения Ua можно получить ток, сдвинутый по углу не на 120, а только на 90 градусов вперед или назад. Причем для этого потребуется еще подбирать номиналы конденсаторов и дросселей чтобы создать допустимый режим работы двигателя.
В практических решениях подобных схем чаще всего останавливались на конденсаторном способе без использования индуктивных сопротивлений. Для этого в одну обмотку подавали напряжение фазы питания без каких-либо преобразований, а в другую — сдвинутую конденсаторами. В результате создавался приемлемый крутящий момент для двигателя.
Но чтобы раскрутить ротор требовалось создать дополнительный крутящий момент подключением третьей обмотки через пусковые конденсаторы. Использовать их для постоянной работы невозможно из-за образования больших токов в пусковой схеме, которые быстро создают повышенный нагрев. Поэтому эта цепочка включалась кратковременно для набора момента инерции вращения ротора.
Подобные схемы проще реализовывались благодаря простому формированию конденсаторных батарей определенных номиналов из отдельных доступных элементов. Дроссели же необходимо было самостоятельно рассчитывать и наматывать, что затруднительно выполнять не только в домашних условиях.
Однако, наилучшие условия для работы двигателя создавались при комплексном включении конденсатора и дросселя в разные фазы с подбором направлений токов в обмотках и применением токогасящих резисторов. При таком способе потери мощности двигателя составляли до 30%. Однако, конструкции подобных преобразователей были экономически не выгодны потому, что они потребляли для работы больше электроэнергии, чем сам двигатель.
Конденсаторная схема запуска тоже потребляет повышенную норму электричества, но в меньшей степени. К тому же, двигатель, подключенный в ее схему, способен выработать мощность, незначительно превышающую 50% от той, которая создавалась при нормальном трехфазном питании.
Из-за сложностей подключения трехфазного двигателя в цепь однофазного питания и больших потерь электроэнергии и выходной мощности такие преобразователи показали свою низкую эффективность, хотя продолжают работать в отдельных установках и станках.
Полупроводниковые элементы позволили создать более рациональные преобразователи фаз, выпускаемые на промышленной основе. Их конструкции обычно предназначены для эксплуатации в трехфазных схемах, но они могут быть созданы для работы и с большим количеством разнесенных на разные углы цепочек.
При работе преобразователей, питаемых от одной фазы, выполняется следующая очередность технологических операций:
1. выпрямление однофазного напряжения диодной сборкой;
2. сглаживание пульсаций схемой стабилизации;
3. преобразование постоянного напряжения в трехфазное за счет метода инвертирования.
При этом силовая схема может состоять из трех однофазных частей, работающих автономно, как рассмотрено ранее, или одной общей, собранной, например, по системе автономного трехфазного инверторного преобразования с использованием нулевого общего провода.
Здесь на каждую нагрузку фазы работают свои пары полупроводниковых элементов, которые управляются от общей системы управления. Они создают синусоидальные токи в фазах сопротивлений Ra, Rb, Rc, которые подключены к общей схеме питания через нулевой провод. В нем происходит сложение векторов токов от каждой нагрузки.
Качество приближения выходного сигнала к виду чистой синусоиды зависит от общей конструкции и сложности используемой схемы.
На основе инверторов создаются устройства, позволяющие в широких пределах изменять частоту синусоидальных колебаний. Для этого поступающая на них электроэнергия в 50 герц претерпевает следующие изменения:
преобразования напряжения повышенной частоты.
В основу работы заложены те же принципы предыдущих конструкций за исключением того, что система управления на основе микропроцессорных плат формирует на выходе преобразователя выходное напряжение повышенной частоты в десятки килогерц.
Частотное преобразование на основе автоматических устройств позволяет оптимально регулировать работу электродвигателей в моменты пуска, торможения и реверса, а также удобно изменять скорость вращения ротора. При этом резко снижается вредное влияние переходных процессов во внешней электрической сети питания.
Основное назначение этих преобразователей напряжение состоит в поддержании стабильного горения дуги и легкого управления всеми ее характеристиками, включая поджиг.
С этой целью в конструкцию инвертора включены несколько блоков, осуществляющих последовательное выполнение:
выпрямления трехфазного или однофазного напряжения;
стабилизацию параметров фильтрами;
инвертирование из стабилизированного постоянного напряжения высокочастотных сигналов;
преобразование в/ч напряжения понижающим трансформатором для повышения величины сварочного тока;
вторичное выпрямление выходного напряжения для формирования дуги у сварки.
За счет использования высокочастотного преобразования сигнала значительно снижаются габариты сварочного трансформатора и экономятся материалы для всей конструкции. Сварочные инверторы обладают большими преимуществами в эксплуатации по сравнении со своими электромеханическими аналогами.
Трансформаторы: преобразователи напряжения
В электротехнике и энергетике по-прежнему для изменения амплитуды сигнала напряжения наибольшее распространение имеют трансформаторы, работающие на электромагнитном принципе.
Они имеют две или большее количество обмоток и магнитопровод, по которому передается магнитная энергия для преобразования входного напряжения в выходное с измененной амплитудой.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Виды компонентной базы преобразователей энергии.
Научно-техническая революция выдвинула область электротехники на передний край технического прогресса. Современная электротехника не может обойтись без преобразователей энергии. В данной работе будут рассмотрены преобразователи энергии их виды, свойства, характеристики и области их применения.
Преобразователь электрической энергии – электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и показателей качества. По степени управляемости, преобразователи электрической энергии подразделяются на неуправляемые и управляемые. В управляемых преобразователях выходные переменные: напряжение, ток, частота — могут регулироваться.
Виды преобразователей энергии.
Выпрямитель — преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока.
Выпрямители делятся на две группы:
· Неуправляемые выпрямители: не обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости — диодах.
· Управляемые выпрямители: выполняются на тиристорах и позволяют регулировать свое выходное напряжение за счет соответствующего управления ими.
· Реверсивные выпрямители: позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке.
По числу фаз питающего входного напряжения переменного тока выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные, а по схеме силовой части — на мостовые и с нулевым выводом.
Инвертор — преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания электропривода от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании электропривода от источника постоянного напряжения. В схемах электроприводов наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока, реализуемые на тиристорах или транзисторах.
· Автономные инверторы напряжения (АИН)
· Автономные инверторы тока (АИТ)
Преобразователь частоты (ПЧ) — преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Полупроводниковые преобразователи частоты подразделяются на две группы:
· Преобразователи частоты с непосредственной связью — устройства позволяющие изменять частоту напряжения на нагрузке только в сторону ее уменьшения по сравнению с частотой напряжения источника питания.
· Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока — не имеют подобного ограничения и находят более широкое применение в электротехнике.
Регулятор напряжения переменного тока — преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в регулируемое напряжение переменного тока той же частоты. Они могут быть одно- и трехфазными и используют в своей силовой части, как правило, однооперационные тиристоры.
Регулятор напряжения постоянного тока — преобразователь нерегулируемого напряжения источника постоянною тока в регулируемое напряжение на нагрузке. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи, работающие в импульсном режиме, а регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания.
Виды компонентной базы преобразователей энергии.
Умформер. — Чаще всего представляет собой электродвигатель, соединенный валом с генератором. В конструкцию также вводятся дополнительные устройства для стабилизации выходного напряжения и частоты. Известны также умформеры с единым ротором, в которых обмотки разного рода тока разъединены. Обмотки постоянного тока выводятся на коллектор, а переменного — на контактные кольца. Также есть машины с общими обмотками для разного рода тока. Умформеры могут применятся для преобразования таких параметров как род тока, напряжение и частота.
К достоинствам умформера можно отнести низкий коэффициент нелинейных искажений, высокий КПД преобразования, фильтрация бросков тока при резком изменении нагрузки и кратковременном отключении питающего напряжения за счет инерции ротора, получение на выходе почти идеального синусоидального напряжения, без шумов, связанных с работой других потребителей сети, возможность получить на выходе трехфазное напряжение без какого-либо существенного усложнения конструкции, большие мощности а также возможность преобразования постоянного тока и устойчивость к радиации. Недостатками умформера являются: материалоемкость при производстве и связанная с этим высокая стоимость, наличие изнашивающихся подвижных частей, вибрация и шум, необходимость технического обслуживания (смазка подшипников, чистка коллекторов, замена щеток в коллекторных машинах).
В настоящее время, умформер вытеснен из мобильных применений твердотельными преобразователями, а также более широким использованием низковольтной аппаратуры. По-прежнему выгодно применяется в промышленности и энергетике для преобразования сравнительно больших мощностей. Перспективно применение умформеров на основе асинхронизированных синхронных машин для передачи мощностей между сетями 50 и 60 Гц.
Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования напряжений переменного тока без изменения частоты посредством магнитной индукции. Трансформатор применяется в самых различных областях — электроэнергетике, электронике, радиотехнике и др.
Классификацию трансформаторов можно произвести по нескольким признакам:
1. По назначению — трансформаторы разделяют на силовые общего и специального применения. Силовые трансформаторы общего применения используются в линиях передачи и распределения электроэнергии. Для режима их работы характерна частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений. К трансформаторам специального назначения относятся силовые специальные (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы), измерительные и испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования числа фаз, формы кривой ЭДС, частоты и т.д.
2. По виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.
3. По числу фаз на первичной стороне – однофазные и трёхфазные.
4. По форме магнитопровода – стержневые, броневые, тороидальные.
5. По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).
6. По конструкции обмоток – с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.
Также, трансформаторы делятся по видам:
Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Силовой трансформатор переменного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях переменного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных и специальных трансформаторов.
Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.
Трансформатор тока — трансформатор, первичная обмотка которого питается от источника тока. Типичное применение — для снижения тока первичной обмотки до удобной величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку.
Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях Радиорелейной Защиты и Автоматики. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.
Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса. Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью.
Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.
Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между частями схем.
Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.
Достоинствами трансформаторов являются: высокая надежность, оптимальные условия передачи мощности, малое падение питающего напряжения, высокий КПД. К недостаткам можно отнести большие габариты, невозможность преобразования постоянного тока.
Ртутный выпрямитель, игнитрон — одноанодный ионный прибор с ртутным катодом и управляемым дуговым разрядом. Применяется в качестве ртутного электрического вентиля в мощных выпрямительных устройствах, электроприводах, электросварочных устройствах, тяговых и выпрямительных подстанциях со средней силой тока в сотни ампер и выпрямленным напряжением до 5 кВ. Для игнитрона характерно незначительное падение напряжения (около 15—20 В) и высокий КПД 98-99 %.
Принцип действия игнитрона: Испускание электронов, вызывающее основной дуговой разряд между анодом и катодом, происходит при положительном напряжении на аноде с одного или нескольких ярко светящихся участков катода (катодных пятен). Катодные пятна создаются вспомогательной дугой, которая образуется периодически перед зажиганием основной дуги пропусканием импульсов тока амплитудой до нескольких десятков ампер и длительностью несколько миллисекунд через поджигающий электрод из карбида бора, частично погружённый в жидкую ртуть катода. Изменяя момент зажигания вспомогательной дуги, можно управлять началом зажигания основной дуги и тем самым регулировать среднее значение силы выпрямленного анодного тока от максимальной до нуля.
Достоинствами игнитрона являются большая преобразуемая мощность – показатель которой до сих пор не превзойден полупроводниковыми приборами и стойкость к коротким замыканиям и перенапряжениям.
Недостатками игнитрона являются: длительное время подготовки к работе, хрупкие корпуса из стекла и керамики, наполнение парами ртути, которые представляют высокий риск загрязнения окружающей среды в случае повреждения корпуса.
Полупроводниковые приборы –делятся на три вида: диодные, тиристоры и транзисторы.
Диод — полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один или несколько p-n-переходов.
Принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.
-Выпрямительные диоды: предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
-Импульсные диоды: имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
-Детекторные диоды: предназначены для детектирования сигнала
-Смесительные диоды: предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
-Переключательные диоды: предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
-Параметрические
-Ограничительные диоды: предназначены для защиты радио и бытовой -аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
—Умножительные
-Настроечные
-Генераторные
Использование диодов: преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи.
Также, широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения). С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Также, диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Например: логические операции И, ИЛИ и их сочетания.
Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:
«закрытое» состояние — состояние низкой проводимости;
«открытое» состояние — состояние высокой проводимости.
Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов. Также, тиристоры применяются в переключающих устройствах.
Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом:
· по способу управления;
· тиристоры, проводящие ток в одном направлении (тринистор).
· тиристоры, проводящие ток в двух направлениях (симисторы, симметричные динисторы).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора нелинейна и показывает, что сопротивление тиристора отрицательное дифференциальное. По сравнению с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением, либо светом (у фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала. Тиристор остаётся в открытом состоянии до тех пор, пока протекающий через него ток превышает ток удержания.
Рис 1.Вольт-Амперная характеристика тиристора.
Режимы работы триодного тиристора:
Режим обратного запирания:
Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:
2.прокол обеднённой области.
Рис 2.Режим обратного запирания тиристора
В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис 2). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше Wn1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).
Режим прямого запирания
При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт) — напряжения переключения, процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью, и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.
Режим прямой проводимости
Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1.
Классификация тиристоров.
по проводимости и количеству выводов:
*тиристор диодный (динистор) — тиристор, имеющий два вывода:
*тиристор диодный, не проводящий ток в обратном направлении;
*тиристор диодный, проводящий ток в обратном направлении;
*тиристор диодный симметричный;
*тиристор триодный (тринистор) — тиристор, имеющий три вывода:
*тиристор триодный, не проводящий тое в обратном направлении;
*тиристор триодный, проводящий ток в обратном направлении (тиристор-диод);
*тиристор триодный симметричный (симистор) – пропускает ток в обоих направлениях, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров. ;
Виды преобразования электрической энергии
Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.
Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники). К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся:
- Выпрямление переменного тока — преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).
- Инвертирование тока — преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).
- Преобразование частоты — преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.
- Преобразование числа фаз. В ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.
3. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразование постоянного напряжения). Подобное преобразование необходимо, например, на ряде подвижных объектов, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а для питания потребителей требуется более высокое постоянное напряжение (например, источники питания радиотехнической или электронной аппаратуры).
Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей — диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.
Преобразователи на тиристорах принято делить на две группы: ведомые и автономные. В первых периодический переход тока с одного вентиля на другой (коммутация тока) осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника. Если таким источником является сеть переменного тока, говорят о преобразователе, ведомом сетью. К таким преобразователям относятся: выпрямители, ведомые сетью (зависимые) инверторы, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, преобразователи переменного напряжения. Если внешним источником напряжения, обеспечивающим коммутацию, является машина переменного тока (например, синхронный генератор или двигатель), преобразователь называют ведомым машиной.
Автономные преобразователи выполняют функции преобразования формы или регулирования напряжения (тока) путем изменения состояния управляемых силовых ключевых элементов под действием сигналов управления. К автономным преобразователям относятся импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения, некоторые виды инверторов напряжения.
Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей (выпрямителей и инверторов) используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Форма выходного напряжения и тока определяется линейной частью схемы и фазовой модуляцией угла регулирования.
Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться ведущим способом преобразования электрической энергии, однако способы преобразования претерпели значительные изменения и их разновидности стали гораздо многочисленнее.
Появление новых типов силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению вентильных преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры (GTO — gate turn off thirystor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ — IGBT — insolated gate bipolar transistor) успешно перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются, а стоимость с ростом выпуска снижается. Поэтому они успешно вытеснили обычные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Области применения импульсных преобразователей напряжения с новыми классами приборов также расширились. Быстро развиваются мощные импульсные регуляторы как для повышения, так и для понижения постоянного напряжения питания; импульсные преобразователи часто используются в системах утилизации энергии возобновляемых источников (ветер, солнечная радиация).
Большие вложения делаются в производство энергии с использованием энергосберегающих технологий, когда возобновляемые первичные источники используются либо для возврата энергии в сеть, либо для подзарядки накопителя (аккумулятора) в установках с повышенной надежностью энергоснабжения. Появляются новые классы преобразователей для электроприводов с вентильно-индукторными двигателями (SRD — switched reluctanse drive). Эти преобразователи представляют собой многоканальные (число каналов обычно от трех до восьми) коммутаторы, обеспечивающие поочередно подключение обмоток статора двигателя с регулируемыми частотой и напряжением. Импульсные преобразователи получают широкое распространение в источниках питания бытовой аппаратуры, зарядных устройствах, сварочных агрегатах и целом ряде новых применений (пускорегулирующие устройства осветительных установок, электрофильтры и пр.).
Помимо совершенствования элементной базы силовых преобразовательных цепей на стратегию решения схемотехнических задач оказало огромное влияние развитие микроконтроллерных устройств и цифровых методов обработки информации.
Привет студент
В простейшем виде термоэлектрический генератор (ТЭГ) представляет собой батарею термопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а другие охлаждаются. Благодаря разности температур кондов спаев термопар создается термо-ЭДС и во внешней цепи протекает ток.
Термоэлементы рассчитаны на работу при разности температур в 300 °С, при этом каждый элемент генерирует напряжение около 0,12. 0,14 В. Число элементов в батарее определяется требуемой величиной выходного напряжения. Практика имеет опыт получения ТЭГ с напряжением до 120 В, токами до 500 А и суммарным КПД около 5 %. По виду вольт-амперной характеристики ТЭГ близок к источнику тока, при этом наибольшая мощность отдается при согласованной нагрузке (RBH =RH).
Автономные источники (АИП) с ТЭГ содержат термоэлектрический блок, систему хранения и подачи топлива.
Основой АИП является унифицированный ТЭГ, непосредственно преобразующий тепло, получаемое при сжигании углеводородного, газового или жидкого топлива в электрическую энергию.
Блок электропитания представляет собой теплоизолированный контейнер для размещения ТЭГ, аппаратуры поддержания качества электроэнергии и автоматического управления элементами буферных аккумуляторных батарей емкостью до 190 А-ч, агрегата редуцирования давления газа при использовании в качестве топлива газа или системы подачи и дозирования жидкого топлива (керосина, осветительного или авиационного топлива).
В зависимости от требуемого уровня мощности, вида топлива и надежности в контейнере устанавливаются от 3 до 6 ТЭГ (с горелками на газовом или жидком топливе). Термоэлектрические генераторы на газе типа ГТК-150 и на жидком топливе типа ГТЖ-160 отличаются между собой только горелками. Эти ТЭГ унифицированы так, что легко могут быть взаимозаменяемыми.
Приведенные в таблице данные для разновидностей АИП мощностью 400, 640 и 900 Вт показывают, что фактически одна и та же конструкция АИП позволяет получить гамму свойств, которые могут удовлетворять запросы различных потребителей. Все три установки имеют общую конструкцию и комплектацию АИП. Их различие состоит в способе коммутации генераторов и их нагрузки и в режимах эксплуатации ТЭГ.
Так, АИП-400 и АИП-600 обеспечивают питание двух гальванически развязанных потребителей по 200 и 320 Вт соответственно. Эти установки имеют 50%-ное резервирование.
Установки на жидком топливе АИП-320, АИП-480 и АИП-800 отличаются между собой числом рабочих ТЭГ (2,3 и 5 соответственно). при одном генераторе, находящемся в холодном резерве.
Во всех указанных АИП резервирование осуществляется включением резервного ТЭГ и автоматической заменой им отказавшего рабочего ТЭГ.
Электрогенераторы с фотоэлементами (солнечными батареями)
Для электроснабжения предприятий связи, расположенных в районах с большим числом солнечных дней, где отсутствуют электрические сети общего пользования целесообразно применение автономных установок на базе солнечных электрогенераторов (СЭ).
Внедрение на сети связи СЭ приходится на 80-е годы XX века. Пионерами в этой области выступили страны Западной Африки и Австралии. Описывается установка питания, внедренная в 1989 г. в Австралии для цифровой системы связи. В том же году английская компания British Teleconsult приступила к созданию в Западной Африке установок с использованием СЭ и резервными аккумуляторными батареями мощностью 52 кВт вместо дизель-генераторных и парогенераторных электростанций для электропитания аппаратуры радиорелейных станций. Весьма интересные работы были опубликованы в ряде Европейских и Американских изданий. В России в 1990 г. вышла работа, в которой исследовался автономный источник с СЭ для электропитания аппаратуры волоконно-оптической системы передачи.
Отметим два важнейших фактора, которые привлекают особое внимание, а именно экологическая безопасность и неограниченные во времени запасы солнечной энергии. В то же время при применении СЭ следует учитывать такие существенные проблемы, как флуктуации солнечной радиации в зависимости от погоды и месторасположения установки, а также сравнительно низкая плотность энергии соднечной радиации, мощность которой не превышает 2 кВт/м 2 . Технико-экономические показатели СЭ определяются в основном стоимостью фотоэлементов и их КПД. Наибольшее применение находят фотоэлементы на основе монокристаллического кремния. Этот тип элементов характеризуется отработанной технологией изготовления, достаточно высоким КПД, стабильностью и надежностью. Коммерческие образцы имеют КПД 14. 17 %, в то время как отдельные лабораторные — 22. 26 %. Что касается стоимости монокристаллических элементов, то за последующие пять лет ожидается ее снижение на 10. 15 %. В промышленных установках возможны комбинации различных источников электроэнергии и СЭ, например аккумуляторные батареи, дизельгенераторы, турбо и теплогенераторы. Перспективны установки на базе СЭ и аккумуляторов. Такие установки, как правило, содержат СЭ, статические преобразователи, аккумуляторные батареи или молекулярные накопители и систему контроля и управления. При выборе параметров отдельных устройств следует руководствоваться характером работы электрогенератора (в автономном режиме), технологической нагрузкой, мощностью световой энергии на квадратный метр для предполагаемого места размещения, соотношением солнечных и пасмурных дней в году, а также ожидаемыми экономическими показателями, включая эксплуатационные расходы.
Примером действующей на сети электросвязи промышленной установки, предназначенной для электропитания промежуточной радиорелейной станции (РРС), может служить электростанция.
Солнечная батарея содержит 48 модулей, каждый из которых рассчитан на мощность 75 Вт при выходном напряжении 48 В.
Модули соединены последовательно по четыре штуки и собраны в шесть последовательно включенных групп. Общая площадь поверхности батареи составляет 30 м 2 . Все модули установлены в одной плоскости и ориентированы на юг под углом 38. 42° к горизонту. Двухгруппная аккумуляторная батарея на напряжение 48 В укомплектована аккумуляторами с номинальной емкостью 900 А-ч. Запас емкости рассчитан на 120 часов автономной работы.
Автоматизированный дизель-генератор на 8, 5 кВА обеспечивает питание нагрузки и заряд аккумуляторной батареи, когда солнечная батарея не выдает запланированной мощности.
Управляющее устройство следит за работой оборудования и при необходимости включает или отключает дизель-генератор или группы солнечных батарей, а также выдает в систему телемеханики РРС информацию об оборудовании. Аппаратура РРС потребляет до 800 Вт электрической энергии постоянного тока при напряжении 48 В.
Все оборудование электростанции, за исключением солнечных батарей, размещается в термостатированном контейнере. Параметры климата в контейнере поддерживаются автоматически и (или) вручную за счет обогрёва дизель-генератором и работы вентиляции.
Электростанция с использованием солнечных батарей: 1 — солнечные батареи; 2 — аккумуляторные батареи; 3 — технологические нагрузки; 4 — вспомогательные нагрузки; 5—выпрямители; 6—АДЭС; 7—управляющее устройство
Электростанция с применением паротурбогенераторов
Для электроснабжения предприятий связи, расположенных в районах, где отсутствует энергетическая сеть общего пользования, успешно применяются автономные паротурбогенераторные электростанции постоянного тока. Особенностями этих электростанций являются высокая надежность, длительный срок службы, отличная экология, минимальное обслуживание. В качестве топлива может использоваться природный газ, керосин или дизтопливо.
Как правило, электростанция содержит два паротурбогенератора, аккумуляторную батарею, горелку и блок контроля и управления. Паротурбогенератор работает следующим образом. Горелка нагревает в паротурбогенераторе жидкость, часть которой испаряется, и получившийся пар вращает колесо турбины, на валу которой расположен ротор генератора. Далее пар поступает в конденсатор, где охлаждается, конденсируется и полученная жидкость откачивается насосом в парогенератор. Цикл повторяется до тех пор, пока работает горелка. Система полностью герметизирована и никаких потерь рабочей жидкости не происходит. Электрический генератор вырабатывает трехфазный ток, который выпрямляется. Имеется система регулирования подачи топлива в зависимости от нагрузки. Паротурбогенератор отключается, если выходное напряжение постоянного тока ниже или выше заданной нормы или при превышении температуры рабочей жидкости. Кроме того, имеется защита от коротких замыканий и превышения скорости вращения турбины. Для заряда аккумуляторной батареи в генераторе предусмотрен необходимый запас мощности, а в схеме станции — возможность автоматического и ручного переключения батареи из режима непрерывного подзаряда в режим ускоренного заряда.
Обратный перевод в режим непрерывного подзаряда производится либо вручную, либо автоматически после истечения заданного времени заряда.
Выпускаются паротурбогенераторы на мощности от сотен ватт до нескольких киловатт на различные выходные напряжения. Они рассчитываются на работу от —60 до +45 °С (арктический вариант) и на высоте до 2000 м (специальный вариант до 4500 м).
Иллюстрацией к промышленным парбтурбогенераторным установкам могут служить изделия известной фирмы «Ормат». По данным фирмы опыт эксплуатации этих установок показывает 95 % вероятность безотказной работы за время не менее 2 • 10 5 часов, что значительно превышает нормы международных требований к первичным источникам энергии для удаленных телекоммуникационных систем. Установки характеризуются низкими эксплуатационными расходами, что объясняется высокой надежностью паротурбогенераторов за счет их конструктивных особенностей. Модельный ряд фирмы «Ормат» включает установки на выходную мощность от 0,2 до 4,5 кВт при напряжении постоянного тока 24,48 и 125 В. Изменения выходных напряжений не выходят за пределы ±3, 5 %. Установки работают в широком диапазоне температур и на высоте до 4,5 км над уровнем моря. Топливом могут служить природный или сжиженный газ, дизельное топливо и керосин. Средний расход топлива при полной нагрузке паротурбогенератора и температуре окружающей среды +25 °С составляет 17600 ккал/ч на 1 кВт выходной мощности. По требованию заказчика фирма может поставлять гибридные установки с СЭ и ветрогенераторами.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
JI. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ