Преобразователь электрической энергии – » :

17.08.201702.08.2019 alexxlabПреобразователь

Содержание

Преобразователь электрической энергии — это… Что такое Преобразователь электрической энергии?

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.

История развития

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

Период использования	Компонентная база	Особенности
1880-е	Мотор-генератор	+ Чистая синусоида + Высокий КПД + Большие мощности — Материалоёмкость — Сложность ремонта и обслуживания — Шум и вибрации
1880-е Используются в настоящее время	Трансформаторы	+ Большая надёжность + Высокий КПД + Большие мощности — Большие габариты при малых частотах — Невозможность преобразования постоянного тока
1930—1970-е В настоящее время практически не используются	Ионные приборы	— Хрупкость корпусов (стекло) — Длительное время подготовки к работе
1960-е Используются в настоящее время	Полупроводниковые диоды, тиристоры и транзисторы	+ Компактность + Бесшумность + Лёгкость и гибкость управления — Потери мощности в ключах — Искажения и помехи в сетях

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других.
Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери — меньше, а качество преобразования энергии — гораздо выше.

Функции преобразователей

Преобразование
Преобразование и регулирование
Преобразование и стабилизация

Классификация

По характеру преобразования

Преобразователи

Выпрямители
≈→=

Инверторы

=→≈

Преобразователи частоты и числа фаз
≈→≈

Напряжения
=→= ≈→≈

Выпрямители

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.^[1]

Инверторы

Инвертор — устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью (зависимые) и автономные.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю.

[2]

Автономные инверторы

Автономные инверторы — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку.^[3]

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

Преобразователи частоты

Импульсные преобразователи напряжения

По способу управления

Импульсные (на постоянном токе)
Фазовые (на переменном токе)

По типу схем

Нулевые, мостовые
Трансформаторные, бестрансформаторные
Однофазные, двухфазные, трёхфазные…

По способу управления

Управляемые
Неуправляемые

Примечания

↑ С. Ю. Забродин Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие свединия // Промышленная электроника: учебник длч вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.
↑ С. Ю. Забродин Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.

↑ С. Ю. Забродин Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

dic.academic.ru

Преобразователи электрической энергии

Современная наука объясняет существование электричества скоплениями зарядов противоположных знаков. В природе вырабатывается невероятное количество электричества. Силы трения в атмосфере создают огромные пространства из грозовых облаков. Между облаками, с поверхностью земли возникают напряжения в миллионы вольт. А несколько минут грозы с молниями эквивалентны по электрической мощности продолжительной работе большой электростанции.

Но молний может и не быть. Однако электроэнергия всё равно витает в пространстве между небом и землёй.

Очевидно, что напряжение это первый и основной параметр энергии электричества.

В природе существуют только медленно изменяющиеся и почти мгновенно исчезающие напряжения. Гроза постепенно набирает силу, зарядов от трения перемещающихся слоёв воздуха становится всё больше. Напряжение между облаками и поверхностью земли увеличивается.

Если движение воздушных масс в определённый момент прекратится, напряжение постепенно уменьшится. Если нет – разряд молнии моментально «обнулит» напряжение.

Очевидно, что электрический ток, который имеет вид молнии, является вторым параметром электрической энергии.

По мере развития науки люди научились моделировать атмосферные электрические процессы, придумав электростатическую, или как её называют иначе электрофорную машину:

Эта машина стала первым преобразователем механической энергии в электроэнергию. Однако преобразование это не удалось сделать обратимым. Хотя машина и была источником напряжения и тока, проблема состояла в том, что сделать дальнейшие преобразования электрической энергии не получалось. Но со временем наука выявила ещё одну причину возникновения электрических зарядов. Не только трение, но и магнитное поле оказалось способным создавать электричество.

Это открытие оказалось полностью определённым развитием технологий. Когда появились металлическая проволока и постоянный магнит, взаимодействие которых в природе не существует, стало возможным открытие электромагнитной индукции. При этом выяснилось, что получаемая энергия электричества напрямую связана со скоростью взаимного перемещения магнита и провода.

Очевидно, что частота является третьим параметром энергии электричества.

Трансформаторы

После открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции были изобретены различные электрические машины, в том числе и преобразователи электрической энергии. Первыми из них стали трансформаторы, которые сделали возможной передачу энергии электричества по проводам на значительные расстояния. Оказалось, что переменное напряжение на концах обмотки катушки равномерно распределяется между её витками. На каждом витке получается одинаковое по величине напряжение.

Поэтому количество витков обмотки определит напряжение, которое можно использовать для питания новой электрической цепи. Выяснилось также и то, что дополнительный виток охватывающий сердечник катушки вне основной обмотки имеет на своих концах такое же напряжение, как и виток основной обмотки. Такие катушки, охватывающие общий магнитопровод, стали называть трансформаторами. Если все катушки при этом соединялись между собой в последовательную цепь, такое устройство назвали автотрансформатором.

Автотрансформатор при одинаковых параметрах преобразования электроэнергии оказывается эффективнее трансформатора, поскольку в нём существует электрическая связь между обмотками. Поэтому он может передать потребителю большую электрическую мощность. В трансформаторе между обмотками существует только электромагнитная связь.

Но эта особенность обеспечивает полную электрическую изоляцию обмоток друг от друга. По этой причине трансформаторы широко используются во всех электрических устройствах, питающихся от электрической сети для получения безопасного электропитания этих устройств. Трансформаторы позволяют изменять лишь напряжение и ток, оставляя их частоту без какого-либо изменения. В этом качестве они применяются до сих пор. А в дальних системах электроснабжения трансформаторы достигли огромных размеров. Один из таких агрегатов показан на изображении ниже:

Но после появления трансформаторов проявилась ещё одна возможность преобразования электроэнергии.

Катушки

Оказалось, что любая катушка запасает энергию в электромагнитном поле. Оно существует некоторое время после того, как по обмотке катушки перестаёт течь электроток. А на концах обмотки катушки в течение этого времени продолжает существовать напряжение. Такое явление стали называть как ЭДС самоиндукции. Выяснилось также и то, что величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости отключения электротока в катушке.

Чем быстрее уменьшается ток, тем больше напряжение на концах обмотки. Такой преобразователь электроэнергии получил своё название по фамилии своего изобретателя и стал называться «катушкой Румкорфа», изображение которой показано ниже слева. На таком же принципе работает классическая система зажигания автомобильного бензинового двигателя.

Однако преобразовать частоту напряжения и тока длительное время можно было только при помощи вращения. Синхронный двигатель, который вращался с частотой, определяемой частотой питающего напряжения, вращал генератор. Для увеличения частоты можно было либо использовать повышающий обороты редуктор, либо увеличивать число полюсов генератора, либо и то и другое вместе. Аналогично решалась и проблема получения выпрямленного тока. Механические контакты, например, коллектора двигателя пропускали только одну половину периода тока. Эти импульсы поступали в общую электрическую цепь, и таким образом получался выпрямленный ток обоих полупериодов.

Определяющий вклад в развитие преобразования электроэнергии внесли электронные приборы. Они позволили создавать выпрямители и преобразователи частоты без подвижных частей, обеспечивая параметры электроэнергии недостижимые для устройств, созданных на механических принципах. Стало возможным создание мощных высокочастотных генераторов, именуемых инверторами. Увеличение частоты позволило в несколько раз уменьшить размеры трансформаторов.

Инверторы

Инверторы получили дальнейшее развитие с появлением мощных высоковольтных полупроводниковых приборов – транзисторов и тиристоров. С их появлением преобразование электроэнергии на высокой частоте охватило почти все устройства с источниками вторичного электропитания. Инверторные схемы стали широко применяться для электронных балластов газоразрядных ламп. При этом достигалось более высокое качество света при значительной экономии электроэнергии.

Наиболее весомым моментом в развитии преобразования электроэнергии стали инверторы и выпрямители для высоковольтных линий электропередачи. Такие схемы дальнего электроснабжения начали применяться достаточно давно с появлением ртутных вентилей – мощных специализированных электровакуумных приборов.

Затем они были вытеснены более эффективными тиристорами и транзисторами. Полупроводниковые преобразователи электроэнергии позволяют обеспечить передачу электрической мощности в 3,15 гигаватт/час на расстояние 2400 км в современной системе электроснабжения в Бразилии. За такими системами передачи электроэнергии будущее. ЛЭП работающие на постоянном токе лишены реактивного сопротивления и потерь электроэнергии, связанных с переменным напряжением и током.

В них нет и других процессов и явлений, очень мешающих совместной работе нескольких электрогенерирующих и передающих систем в единой схеме электроснабжения. Но трение и электромагнетизм не единственные процессы, которые используются для преобразования электроэнергии. Примерно в те же годы открытия явления электромагнитной индукции был обнаружен пьезоэлектрический эффект.

В результате нашлась группа минералов, а впоследствии были искусственно созданы материалы с пьезоэлектрическими свойствами. Эти свойства заключаются в преобразовании механического воздействия, приложенного к образцу пьезоэлектрического материала, в электрические импульсы. Но обратное преобразование электрических импульсов в механические деформации образца также возможно. На основе таких образцов можно изготовить трансформатор без обмоток и магнитных полей в сердечнике и вне его.

Такой трансформатор будет увеличивать приложенное напряжение во много раз при минимальных размерах и весе. Это будет просто керамическая пластина с припаянными проводками.

При этом получаемая мощность не будет большой. Но выигрыш в размерах и себестоимости по сравнению с электромагнитным трансформатором будет существенной. Такие пьезоэлектрические трансформаторы применяются в источниках вторичного электропитания. Также все современные курильщики пользуются зажигалками, в которых искра создаётся миниатюрным пьезоэлектрическим трансформатором.

Дальнейшее развитие преобразователей электроэнергии это битва за увеличение частоты напряжения и тока. Этот процесс связан с необходимостью создания новых полупроводниковых приборов и материалов. В сочинениях некоторых писателей фантастов упоминается энергетический луч, используемый вместо ЛЭП. Возможно, их пророчества таки сбудутся.

podvi.ru

Преобразователи электроэнергии: классификация, типы

Поступающая по линиям электропередач энергия не всегда используется в чистом виде. Для выполнения специфических задач она преобразуется электротехническими устройствами, изменяющими один или несколько параметров – вид напряжения, частоту и другие.

Преобразователи электроэнергии: классификация

Эти устройства классифицируются по нескольким признакам:

Виду преобразований.
Типу конструкции.
Управляемости.

Параметры, которые изменяются

Преобразованию подвергаются следующие параметры:

Тип напряжения – из переменного в постоянное и наоборот.
Амплитудные значения тока и напряжения.
Частота.

Типы конструкций

Эти устройства подразделяются на электромашинные и полупроводниковые.

Электромашинные (вращательные) состоят из двух машин, одна – привод, а другая – исполнительное устройство. Например, для превращения переменного тока в постоянный используется асинхронный двигатель переменного тока (привод) и генератор постоянного (исполнитель). Их недостаток – большие габариты и масса. Кроме того, суммарный КПД технологической связки ниже, чем у одиночной электрической машины.

Полупроводниковые (статические) преобразователи, строятся на основе электротехнических схем, состоящих из полупроводниковых или ламповых элементов. Их КПД выше, размеры и масса небольшие, но качество электроэнергии на выходе невысокое.

Управляемые и неуправляемые

Если величина изменения параметра электрической энергии фиксированная, то используется неуправляемый преобразователь. Такие устройства применяются в первых каскадах блоков питания. Пример – силовой трансформатор, понижающий сетевое напряжение с 220 до 12 вольт.

Преобразователи с изменяемыми параметрами являются исполнительными устройствами в управляемых электротехнических цепях. Например, изменяя частоту питающего напряжения, регулируют частоту вращения асинхронных двигателей.

Преобразователи электроэнергии: примеры устройств

Преобразователи могут выполнять либо какую-то одну функцию, либо несколько.

Изменение типа напряжения

Те устройства, которые превращают переменный ток в постоянный называются выпрямителями. Действующие наоборот – инверторами.

Если это электромашинное устройство, то выпрямитель состоит из асинхронного двигателя переменного тока, вращающего ротор генератора постоянного. Входные и выходные линии электрического контакта не имеют.

Наиболее распространенных тип схемы статического выпрямителя – диодный мост. В нем четыре элемента (диода) с односторонней проводимостью, включенные встречно. После него обязательно ставят электролитический конденсатор, который сглаживает пульсирующее напряжение.

Существует гибридная конструкция, объединяющая электромашинный и статический выпрямители. Это автомобильный генератор, являющийся машиной переменного тока, статорные обмотки которого подключены к выпрямительному мосту с конденсатором.

Инверторные схемы применяются для запуска генератора незатухающих колебаний (мультивибратор), построенного на тиристорах или транзисторах. Они являются основой преобразователей частоты.

Изменение амплитудных значений

Это все виды трансформаторов – понижающих, повышающих, балластных.

Управляемые трансформаторы называются реостатами. Если они включаются параллельно источнику электроэнергии, то изменяют напряжение. Последовательно – ток.

Для поглощения тепла, выделяющегося при работе мощных высоковольтных сетевых трансформаторов, применяются системы жидкостного (масляного) охлаждения.

Изменение частоты

Частотные преобразователи бывают как электромашинными (вращательными), так и статическими.

Исполнительным механизмом вращательных преобразователей частоты является высокочастотный асинхронный трехфазный генератор. Его ротор вращает электромотор постоянного или переменного тока. Как и у выпрямителя вращательного типа, входные и выходные линии у него не имеют электрического контакта.

Инверторные схемы, используемые в преобразователях частоты статического типа, бывают управляемые и неуправляемые. Повышение частоты позволяет уменьшить габариты устройств. Трансформатор с рабочей частотой в 400 Гц в восемь раз меньше, чем работающий от 50 Гц. Это свойство используется для построения компактных сварочных инверторов.

Частота колебаний в инверторных схемах при необходимости легко увеличивается и уменьшается. Это дает возможность управлять асинхронными двигателями, изменяя частоту вращения или его направление.

Оцените качество статьи:

electric-tolk.ru

Преобразователи электрической энергии

министерство образования российской федерации алтайский государственный аграрный университет кафедра электрификации и автоматизации сельского хозяйства

Преобразователи электрической энергии

Пояснительная записка курсовой работы по дисциплине

«Электротехника с основами электроники»

Барнаул 2007

Содержание

Введение

1. Задание по курсовой работе

2. Задание 1. Классификация преобразователей электрической энергии

3. Задание 2. Параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока

4. Задание 3. Выпрямители переменного тока

5. Задание 4. Инверторы

6. Задание 5. Системы управления преобразователями электрической энергии

ЗаключениеСписок используемых первоисточников

Введение

Постоянный ток используют в транспорте, в электрохимии, в электроприводах и т.д. Такой вид потребления электрической энергии составляет 25% от мощности потребляемого переменного тока.

В технике всегда возникает необходимость плавного регулирования скорости вращения механических устройств или изменения потребляемой мощности:

— регулирование освещения в помещениях,

— вариация скоростью вращения швейных машин,

— программное изменение скорости вращения металлообрабатывающих центров и т.п.

Выпрямители предназначены для питания электрических устройств, принцип работы которых основан на использовании источников постоянного тока. К таким устройствам относятся все радиотехнические устройства связи промышленного и бытового назначения, электропитание автономных передвижных механизмов, промышленных установок гальваностегии, гальванопластики, электролиза и многое другое.

Кроме выпрямителей в настоящее время существует большой класс инверторов, которые преобразуют источник тока в ток переменной частоты. Хотя ранее эта проблема была связана с накоплением энергии от сети переменного тока в источник хранения энергии постоянного тока, и в часы пиковой нагрузки эта энергия перекачивается в сеть переменного тока. Такие устройства получили название инвертора ведомого сетью.

Использование полупроводниковых приборов позволило:

— уменьшить вес преобразователей в 3..7 раз ( дало возможность обходится без подъемных устройств перемещения или установки преобразователей),

— увеличить КПД в среднем на 10..40%;

— отказаться от сложного водяного или масляного охлаждение вентилей;

— получить большую экономию электроэнергии.

Так внедрение силовых полупроводников в систему управления насосами и компрессорами дало экономию энергии на 30%, в транспорте 20..30%, в приводах производств, производящих бумагу, 14 % и т.д. Полупроводниковая силовая техника позволила:

— создать безинерционные преобразователи,

— увеличила долговечность устройств в несколько раз,

— повысила надежность установок,

— позволила создавать преобразователи для необычайно широкого диапазона преобразователей по мощности. Так в бытовой техники преобразователи имеют мощность от 100 Вт, а в промышленности до нескольких мегаватт.

В настоящее время полупроводниковые преобразователи обслуживают:

— бытовую технику,

— технику сферы обслуживания населения,

— насосные станции водоснабжения и электростанций,

— мельницы по переработки зерна,

— цементные заводы, электротранспорт,

— текстильную промышленность, центры проката металла, где потребляется мощность от 20 до 40 МВт (порядка 3000 электродвигателей),

— уменьшить стоимость преобразователя по сравнению с преобразователями на ртутных вентилях.

Это позволяет сделать вывод ,что за полупроводниковой техникой будущее.

1. Задание по курсовой работе.

Зачётная книжка № 050198.

В курсовой работе имеется пять заданий, посвященных различным электронным устройствам. В задании 1 необходимо привести классификационную структуру преобразователей электрической энергии и по ней объяснить назначение и дать краткую характеристику основных классов преобразователей. В задании 2необходимо привести схему параметрического стабилизатора постоянного напряжения и описать принцип ее работы. В задании 3необходимо описать принципа работы преобразователя малой и большой мощности. В задании 4необходимо объяснить принцип инвертирования тока и напряжения. Показать схему электрическую принципиальную инвертора и диаграммы напряжений, поясняющих принцип его работы. Описать принцип работы данного преобразователя. В задании5необходимо изобразить блок — схему и объяснить принципа работы обобщенной схемы управления преобразователями электрической энергии. Привести схему замещения системы управления преобразователем и объяснить назначение всех ее элементов. Схема электрическая принципиальная узла управления и диаграммы напряжений, поясняющих принцип его работы.

Задание выбираем по последней цифре 8. Если вариантов больше 10, то по сумме двух последних цифр номера своей зачетной книжки. Мой номер 050198. Сложим цифры 9 + 8=17. Это и есть номер варианта во 2 задании, в остальных №8.

2. Задание 1. Привести классификационную структуру преобразователей электрической энергии и по ней объяснить назначение и дать краткую характеристику основных классов преобразователей.

Решение

Рисунок 2.1. Структурная схема классификации преобразователей электрической энергии.

— регулируемее величины U, I, f, расположенные в верхней части блоков, расположенных снизу рисунка.

— к способу коммутации относятся параметры, расположенные в нижней части блоков в этой же группе блоков. Эти параметры означают следующее:

U₁ — коммутация напряжением питающей сети (преобразователи ведомые сетью),

U₂ — коммутация напряжением приемной цепи (преобразователи ведомые напряжением нагрузки),

S — принудительная коммутация от внешнего источника.

Нерегулируемый выпрямитель не имеет регулируемой величины. Коммутация вентилей осуществляется под действие напряжения сети переменного тока. Собирают выпрямитель на диодах .

Выпрямитель управляемый полностью повторяет принцип работы неуправляемого выпрямителя этой же конфигурации. Особенность работы только в том, что система управления вентилями позволяет менять время включения тиристоров или транзисторов, используемых в качестве управляемых вентилей. Каждый вентиль включается с запаздыванием по фазе на угол α.Ток в нагрузке всегда прерывистый и несинусоидальный. Вентиль выбирается точно так же, как для неуправляемого выпрямителя, но учитывается прямой скачек напряжения на открывающемся вентиле. Собирают силовую часть выпрямителя, на тиристорах или транзисторах .

Инвертор это преобразователь постоянного тока в переменный промышленной частоты или иной частоты. Направление передачи энергии от источника или к источнику можно обеспечить, изменив направление напряжения источника питания. Вентильный инвертор всегда работает с источником постоянного напряжения, который подключается к схеме так, чтобы он на анодах вентилей создавал положительное напряжение. Инвертор в принципе не может работать на неуправляемых вентилях. Вентиль инвертора всегда следует открывать с опережением для того, что он не перешел в режим опрокидывания. Инверторы однофазного тока сильно меняют форму сетевого напряжения. Этот недостаток в меньшей степени проявляется в трехфазных инверторах, ведомых сетью. Отключение напряжения сети от ведомого сетью инвертора недопустимо потому, что он немедля переходит в аварийный режим работы. Ток, поступающий в сеть переменного тока, как и при однофазном инвертировании не синусоидален.

3. Задание 2. Параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока

Привести схему параметрического стабилизатора постоянного напряжения и описать принцип ее работы. Из таблицы 1 для варианта 17 находим, Е₀ = 18 В; U_H = 8В; I_н =12мА.

Решение

3.1. Выбираем стабилитрон с учетом следующего. Так как стабилитрон и нагрузка включают параллельно, то по справочнику выбираем стабилитрон 2СМ 180А с напряжением стабилизации 8В ± 5% , минимальный ток стабилизации 3 мА, максимальный ток стабилизации 15 мА. Вычисляем среднее значение напряжения стабилизации Uct⁼ (7,6 + 8,4)/2 = 8,0 В. Вычисляем средний ток стабилитрона I_ст⁼ (Iмин + Iмакс)/2 = (3 + 15)/2 = 9 мА. Вычисляем ток, потребляемый от источника питания I = I_н + I_ст⁼ 12+ 9 =21 мА.

3.2. Вычисляем величину балластного сопротивления R_б . Для чего чертим схему параметрического стабилизатора (Рисунок. 3.1) и записываем уравнение по второму закону Кирхгофа

Е₀ = I* R_б + U_ст → R _б =( Е₀ — U

mirznanii.com

Преобразователь электрической энергии — Википедия. Что такое Преобразователь электрической энергии

Преобразователь электрической энергии — электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и/или показателей качества.^[1] Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.