電能轉換的類型

大量的家用電器和工業裝置在其工作中由電源供電 電能 不同類型的。它是由大眾創造的 EMF 和電流源.

發電機組產生工頻單相或三相電流，而化學電源產生直流電。同時，在實踐中，經常會出現一種電力不足以滿足某些設備運行需要進行轉換的情況。

為此，該行業生產了大量以不同電能參數工作的電氣設備，將它們從一種類型轉換為具有不同電壓、頻率、相數和波形的另一種類型。根據它們執行的功能，它們分為轉換設備：

• 簡單的;

• 具有調節輸出信號的能力；

• 被賦予了穩定的能力。

分類方法

根據所執行操作的性質，轉換器分為設備：

• 站起來

• 一個或多個階段的逆轉；

• 信號頻率的變化；

• 轉換電氣系統的相數；

• 改變電壓類型。

根據新興算法的控制方法，可調轉換器工作於：

• 直流電路中使用的脈衝原理；

• 諧振電路中使用的相位法。

最簡單的轉換器設計可能沒有配備控制功能。

所有轉換設備都可以使用以下電路類型之一：

• 路面;

• 零;

• 帶或不帶變壓器；

• 具有一、二、三或更多階段。

矯正裝置

這是最常見和最古老的轉換器類別，可讓您從交流正弦波（通常是工業頻率）獲得整流或穩定的直流電。

稀有展品

低功耗設備

僅在幾十年前，硒結構和基於真空的設備仍在無線電工程和電子設備中使用。

此類設備基於硒板單個元素的電流校正原理。它們通過安裝適配器依次組裝成一個結構。校正所需的電壓越高，使用的此類元件就越多。它們不是很強大，可以承受幾十毫安的負載。

在燈整流器的密封玻璃外殼中產生真空。它裝有電極：一個陽極和一個帶有燈絲的陰極，可確保熱電子輻射的流動。

直到上個世紀末，這種燈一直為收音機和電視機的各種電路提供直流電源。

點火器是強大的設備

在工業設備中，過去廣泛使用根據受控電弧充電原理工作的陽極-陰極汞離子設備。它們用於需要在高達並包括 5 千伏的整流電壓下操作強度為數百安培的直流負載的地方。

電子流用於電流從陰極流向陽極。它是由在陰極的一個或多個區域（稱為發光陰極點）中引起的電弧放電產生的。它們是在輔助電弧被點火電極打開時形成的，直到主電弧被點燃。

為此，創建了電流強度高達數十安培的幾毫秒的短期脈衝。改變脈衝的形狀和強度可以控制點火器的操作。

這種設計在整流期間提供了良好的電壓支持和相當高的效率。但設計的技術複雜性和操作困難導致其使用被拒絕。

半導體設備

二極管

由於半導體材料或金屬與半導體之間接觸形成的 p-n 結的特性，他們的工作基於單向電流傳導原理。

二極管只通過一定方向的電流，當交變的正弦波諧波通過時，二極管會截止一個半波，因此被廣泛用作整流器。

現代二極管的生產範圍非常廣泛，並具有各種技術特性。

晶閘管

晶閘管使用四個導電層，形成比具有三個串聯連接的 p-n 結 J1、J2、J3 的二極管更複雜的半導體結構。外層«p»和«n»的觸點作為陽極和陰極，內層作為UE的控制電極，用於開關晶閘管動作和調節。

正弦諧波的整流是根據與半導體二極管相同的原理進行的。但是為了使晶閘管工作，有必要考慮到一個特定的特性——其內部過渡結構必須對電荷的通過開放，而不是關閉。

這是通過使特定極性的電流通過驅動電極來完成的。下圖顯示了打開同時使用的晶閘管的方法，以調整不同時間通過的電流量。

當正弦曲線通過零值時通過 RE 施加電流時，會創建一個最大值，該值在點 «1»、«2»、«3» 處逐漸減小。

這樣，電流隨晶閘管的調節而調整。電源電路中的三端雙向可控矽開關元件和功率 MOSFET 和/或 AGBT 的工作方式類似。但是它們不執行校正電流的功能，而是在兩個方向上傳遞電流。因此，他們的控制方案使用了額外的脈衝中斷算法。

直流/直流轉換器

這些設計與整流器相反。它們用於從化學電流源獲得的直流電中產生交流正弦電流。

罕見的發展

自 19 世紀末以來，電機結構已被用於將直流電壓轉換為交流電壓。它們由一個由電池或電池組供電的直流電動機和一個交流發電機組成，其電樞由電動機驅動旋轉。

在某些設備中，發電機繞組直接纏繞在電動機的公共轉子上。這種方法不僅會改變信號的形狀，而且通常還會增加電壓的幅度或頻率。

如果位於 120 度的三個繞組繞在發電機的電樞上，則在其幫助下獲得等效的對稱三相電壓。

直到 1970 年代，無線電燈、無軌電車設備、有軌電車、電力機車等​​半導體元件大量引入之前，變壓器才被廣泛使用。

逆變器

工作原理

作為考慮的依據，我們取電池和燈泡的KU202晶閘管測試電路。

SA1按鈕的常閉觸點和小功率白熾燈內置於電路中，將電池的正電位提供給陽極。控制電極通過限流器和 SA2 按鈕的斷開觸點連接。陰極牢固地連接到電池的負極。

如果在時間 t1 按下按鈕 SA2，電流將通過控制電極的電路流向陰極，這將打開晶閘管，陽極支路中的燈將點亮。由於該晶閘管的設計特點，即使觸點 SA2 斷開，它也會繼續燃燒。

現在在時間 t2，我們按下按鈕 SA1。由於流過陽極的電流停止，陽極的供電電路將關閉並且燈將熄滅。

所呈現圖片的圖表顯示直流電流通過時間間隔 t1 ÷ t2。如果你很快地切換按鈕，那麼你可以形成 矩形脈衝 帶有正號。同樣，您可以產生消極的衝動。為此，稍微改變電路以允許電流沿相反方向流動就足夠了。

具有正值和負值的兩個脈衝序列創建一個波形，在電氣工程中稱為方波。它的矩形形狀大致類似於具有兩個符號相反的半波的正弦波。

如果在考慮中的方案中，我們將按鈕SA1和SA2換成繼電器觸點或晶體管開關，並按照一定的算法進行切換，那麼就可以自動產生一個曲折電流，並將其調整到一定的頻率、佔空比週期，期間。這種切換由特殊的電子控制電路控制。

電源部分框圖

例如，考慮最簡單的橋式逆變器初級系統。

在這裡，專門選擇的場晶體管開關代替晶閘管來處理矩形脈衝的形成。負載電阻 Rn 包含在其電橋的對角線上。每個晶體管“source”和“drain”的電源電極與並聯二極管相反連接，控制電路的輸出觸點連接到“gate”。

由於控制信號的自動操作，不同持續時間和符號的電壓脈衝被輸出到負載。它們的順序和特性是根據輸出信號的最佳參數定制的。

在對角線電阻上施加電壓的作用下，考慮到瞬態過程，會出現電流，其形狀已經比曲折更接近正弦曲線。

技術實施難點

為了逆變器電源電路的良好運行，必須確保基於切換開關的控制系統的可靠運行。它們具有雙嚮導電特性，由三極管接反接二極管並聯而成。

為了調整輸出電壓的幅度，它是最常用的 脈寬調製原理 通過控制其持續時間的方法選擇每個半波的脈衝面積。除了這種方法之外，還有一些設備可以進行脈衝幅度轉換。

在形成輸出電壓電路的過程中，會發生半波對稱性的破壞，這會對感性負載的運行產生不利影響。這在變壓器中最為明顯。

控制系統在運行過程中，設置了生成電源電路密鑰的算法，包括三個階段：

1. 筆直的；

2、短路；

3.反之亦然。

在負載中，不僅可能存在脈動電流，而且可能存在方向改變的電流，這會在源端子處產生額外的干擾。

典型設計

在用於創建逆變器的許多不同技術解決方案中，從復雜程度增加的角度考慮，三種方案是常見的：

1.無變壓器橋；

2、帶變壓器中性線端；

3.帶變壓器的電橋。

輸出波形

逆變器設計用於提供電壓：

• 矩形的;

• 梯形;

• 步進交變信號；

• 正弦曲線。

相位轉換器

考慮到來自某些類型來源的功率，工業生產的電動機在特定的操作條件下運行。然而，在實踐中，由於各種原因，會出現需要將三相異步電動機連接到單相網絡的情況。為此目的開發了各種電路和裝置。

能源密集型技術

三相異步電動機的定子包括三個以特定方式纏繞的繞組，彼此相隔 120 度，當向其施加電壓相的電流時，每個繞組都會產生自己的旋轉磁場。選擇電流的方向，使它們的磁通量相互補充，為轉子的旋轉提供相互作用。

當這種電機的電源電壓只有一相時，就必須從中形成三個電流迴路，每個迴路也相差 120 度。否則，旋轉將不起作用或有缺陷。

在電氣工程中，有兩種​​簡單的方法可以通過連接到以下方式使電流矢量相對於電壓旋轉：

1.電流開始滯後電壓90度時的感性負載；

2.能夠產生 90 度的電流導體。

上圖顯示，從電壓 Ua 的一相可以得到一個電流，其偏移角度不是 120，而是只能向前或向後移動 90 度。此外，這還需要選擇電容器和扼流圈額定值，以產生可接受的電機運行模式。

在此類方案的實際解決方案中，它們通常停留在不使用電感電阻的電容器方法上。為此，電源相位的電壓在沒有任何轉換的情況下施加到一個線圈，並通過電容器轉移到另一個線圈。結果是發動機可接受的扭矩。

但是為了轉動轉子，必須通過啟動電容器連接第三個繞組來產生額外的扭矩。由於啟動電路中會形成大電流，因此無法將它們用於持續運行，這會迅速增加熱量。因此，該電路被短暫接通以獲得轉子旋轉的慣性力矩。

由於從單個可用元件中簡單地形成具有指定值的電容器組，因此此類方案更易於實施。然而，扼流圈必須獨立計算和纏繞，這不僅在家裡很難做到。

然而，通過選擇繞組中的電流方向和使用電流抑制電阻器，在不同相位複雜地連接電容器和扼流圈，從而為電機的運行創造了最佳條件。使用這種方法，發動機功率損失高達 30%。然而，這種轉換器的設計在經濟上並不有利可圖，因為它們運行時消耗的電力比發動機本身還要多。

電容啟動電路的耗電量也有所增加，但程度較小。此外，連接到其電路的電機能夠產生的功率剛好超過正常三相電源產生的功率的 50%。

由於難以將三相電機連接到單相電源電路以及電力和輸出功率的大量損耗，此類轉換器表現出低效率，儘管它們繼續在個別裝置和金屬切削機器中工作。

變頻裝置

半導體元件使得在工業基礎上生產更合理的相位轉換器成為可能。他們的設計通常設計為在三相電路中運行，但也可以設計為使用大量位於不同角度的燈串運行。

當轉換器由一相供電時，將執行以下工藝操作序列：

1.二極管節點對單相電壓進行整流；

2. 平滑來自穩定電路的波；

3.直流電壓轉換為三相由於逆變方法。

在這種情況下，電源電路可以包括三個獨立工作的單相部分，如前所述，或者一個公共部分，例如根據使用中性公共導體的自主三相逆變器轉換系統組裝。

在這裡，每個相負載都操作自己的一對半導體元件，這些元件由一個公共控制系統控制。它們在電阻 Ra、Rb、Rc 的相位中產生正弦電流，這些電阻通過中性線連接到公共電源電路。它添加來自每個負載的電流矢量。

輸出信號近似為純正弦波形狀的質量取決於所用電路的總體設計和復雜性。

變頻器

在逆變器的基礎上，已經創建了允許在很寬的範圍內改變正弦振盪頻率的設備。為此，提供給他們的 50 赫茲電力發生了以下變化：

• 站起來

• 穩定性；

• 高頻電壓轉換。

這項工作基於與之前項目相同的原理，不同之處在於基於微處理器板的控制系統在轉換器的輸出端產生頻率增加了數十千赫茲的輸出電壓。

基於自動裝置的變頻使您可以在啟動、停止和反轉時優化調整電動機的運行，並且可以方便地改變轉子的速度。同時，外部電源網絡中瞬變的有害影響也急劇減少。

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焊接逆變器

這些電壓轉換器的主要目的是保持穩定的電弧燃燒並輕鬆控制其所有特性，包括點火。

為此，逆變器的設計中包含了幾個塊，它們執行順序執行：

• 三相或單相電壓校正；

• 通過過濾器穩定參數；

• 從穩定的直流電壓反轉高頻信號；

• 通過降壓變壓器轉換成/h電壓，以增加焊接電流值；

• 用於焊接電弧形成的輸出電壓的二次調節。

由於採用高頻信號轉換，大大減小了焊接變壓器的尺寸，為整個結構節省了材料。 焊接逆變器 與機電同行相比，在操作上具有很大的優勢。

變壓器：電壓轉換器

在電氣工程和能源領域，根據電磁原理工作的變壓器仍然最廣泛地用於改變電壓信號的幅度。

他們有兩個或更多的線圈和 磁路，通過它傳輸磁能以將輸入電壓轉換為幅度改變的輸出電壓。