Tipi di conversione dell'energia elettrica

Un numero enorme di elettrodomestici e installazioni industriali nel loro lavoro è alimentato da energia elettrica di diversi tipi. È creato dalla moltitudine Campi elettromagnetici e fonti correnti.

I gruppi elettrogeni producono corrente monofase o trifase a frequenza industriale, mentre le sorgenti chimiche producono corrente continua. Allo stesso tempo, in pratica, si verificano spesso situazioni in cui un tipo di elettricità non è sufficiente per il funzionamento di determinati dispositivi ed è necessario effettuarne la conversione.

A tale scopo, l'industria produce un gran numero di dispositivi elettrici che funzionano con diversi parametri di energia elettrica, convertendoli da un tipo all'altro con diverse tensioni, frequenza, numero di fasi e forme d'onda. In base alle funzioni che svolgono, si dividono in dispositivi di conversione:

• semplice;

• con la possibilità di regolare il segnale di uscita;

• dotato della capacità di stabilizzarsi.

Metodi di classificazione

Per natura delle operazioni eseguite, i convertitori sono suddivisi in dispositivi:

• alzarsi

• inversione di uno o più stadi;

• cambiamenti nella frequenza del segnale;

• conversione del numero di fasi dell'impianto elettrico;

• cambiando il tipo di tensione.

Secondo i metodi di controllo degli algoritmi emergenti, i convertitori regolabili lavorano su:

• il principio dell'impulso utilizzato nei circuiti DC;

• metodo di fase utilizzato nei circuiti dell'oscillatore armonico.

I progetti di convertitori più semplici potrebbero non essere dotati di una funzione di controllo.

Tutti i dispositivi di conversione possono utilizzare uno dei seguenti tipi di circuito:

• pavimentazione;

• zero;

• con o senza trasformatore;

• con una, due, tre o più fasi.

Dispositivi correttivi

Questa è la classe di convertitori più comune e antica che consente di ottenere corrente continua raddrizzata o stabilizzata da una frequenza sinusoidale alternata, solitamente industriale.

Mostre rare

Dispositivi a bassa potenza

Solo pochi decenni fa, le strutture di selenio e i dispositivi basati sul vuoto erano ancora utilizzati nell'ingegneria radio e nei dispositivi elettronici.

Tali dispositivi si basano sul principio della correzione della corrente da un singolo elemento di una piastra di selenio. Sono stati assemblati in sequenza in un'unica struttura montando adattatori. Maggiore è la tensione richiesta per la correzione, maggiore è il numero di elementi utilizzati. Non erano molto potenti e potevano sopportare un carico di diverse decine di milliampere.

È stato creato un vuoto nell'alloggiamento di vetro sigillato dei raddrizzatori della lampada. Ospita gli elettrodi: un anodo e un catodo con un filamento, che assicurano il flusso della radiazione termoionica.

Tali lampade fornivano corrente continua per vari circuiti di ricevitori radio e televisori fino alla fine del secolo scorso.

Gli Ignitron sono dispositivi potenti

Nei dispositivi industriali, in passato sono stati ampiamente utilizzati dispositivi a ioni di mercurio anodo-catodo funzionanti secondo il principio di carica dell'arco controllato. Sono stati utilizzati dove era necessario far funzionare un carico CC con una potenza di centinaia di ampere a una tensione rettificata fino a cinque kilovolt inclusi.

Il flusso di elettroni è stato utilizzato per il flusso di corrente dal catodo all'anodo. È creato da una scarica ad arco causata in una o più aree del catodo, chiamate macchie catodiche luminose. Si formano quando l'arco ausiliario viene acceso dall'elettrodo di accensione fino all'accensione dell'arco principale.

Per questo, sono stati creati impulsi a breve termine di pochi millisecondi con un'intensità di corrente fino a decine di ampere. La modifica della forma e della forza degli impulsi ha permesso di controllare il funzionamento dell'accenditore.

Questo design fornisce un buon supporto di tensione durante la rettifica e un'efficienza piuttosto elevata. Ma la complessità tecnica del progetto e le difficoltà operative hanno portato al rifiuto del suo utilizzo.

Dispositivi a semiconduttore

Diodi

Il loro lavoro si basa sul principio della conduzione di corrente in una direzione dovuta alle proprietà della giunzione p-n formata dai contatti tra materiali semiconduttori o metallo e semiconduttore.

I diodi fanno passare la corrente solo in una certa direzione e quando un'armonica sinusoidale alternata li attraversa, tagliano una semionda e sono quindi ampiamente utilizzati come raddrizzatori.

I diodi moderni sono prodotti in una gamma molto ampia e sono dotati di varie caratteristiche tecniche.

Tiristori

Il tiristore utilizza quattro strati conduttivi che formano una struttura a semiconduttore più complessa rispetto a un diodo con tre giunzioni p-n collegate in serie J1, J2, J3. I contatti con lo strato esterno «p» e «n» sono utilizzati come anodo e catodo, e con lo strato interno come elettrodo di controllo dell'UE, che viene utilizzato per attivare il tiristore ed eseguire la regolazione.

La rettifica di un'armonica sinusoidale viene eseguita secondo lo stesso principio di un diodo a semiconduttore. Ma affinché il tiristore funzioni, è necessario tenere conto di una certa caratteristica: la struttura delle sue transizioni interne deve essere aperta al passaggio delle cariche elettriche e non chiusa.

Questo viene fatto facendo passare una corrente di una certa polarità attraverso l'elettrodo di guida. La foto sotto mostra i modi per aprire il tiristore utilizzato contemporaneamente per regolare la quantità di corrente passata in momenti diversi.

Quando la corrente viene applicata attraverso RE al momento del passaggio della sinusoide attraverso il valore zero, viene creato un valore massimo, che diminuisce gradualmente nei punti «1», «2», «3».

In questo modo, la corrente viene regolata insieme alla regolazione del tiristore. Triac e MOSFET di potenza e/o AGBT nei circuiti di potenza funzionano in modo simile. Ma non svolgono la funzione di correggere la corrente, facendola passare in entrambe le direzioni. Pertanto, i loro schemi di controllo utilizzano un algoritmo aggiuntivo di interruzione dell'impulso.

Convertitori c.c./c.c

Questi design fanno l'opposto dei raddrizzatori. Sono utilizzati per generare corrente sinusoidale alternata da corrente continua ottenuta da sorgenti di corrente chimica.

Uno sviluppo raro

Dalla fine del XIX secolo, le strutture delle macchine elettriche sono state utilizzate per convertire la tensione continua in tensione alternata. Sono costituiti da un motore elettrico a corrente continua alimentato da una batteria o da un pacco batterie e da un generatore CA la cui armatura viene fatta ruotare dalla trasmissione del motore.

In alcuni dispositivi, l'avvolgimento del generatore è stato avvolto direttamente sul rotore comune del motore. Questo metodo non solo modifica la forma del segnale, ma, di norma, aumenta anche l'ampiezza o la frequenza della tensione.

Se tre avvolgimenti situati a 120 gradi sono avvolti sull'armatura del generatore, con il suo aiuto si ottiene una tensione trifase simmetrica equivalente.

Gli Umformer sono stati ampiamente utilizzati fino agli anni '70 per lampade radio, apparecchiature per filobus, tram, locomotive elettriche prima dell'introduzione di massa di elementi semiconduttori.

Convertitori inverter

Principio operativo

Come base per la considerazione, prendiamo il circuito di test del tiristore KU202 da una batteria e una lampadina.

Un contatto normalmente chiuso del pulsante SA1 e una lampada a filamento a bassa potenza sono incorporati nel circuito per fornire il potenziale positivo della batteria all'anodo. L'elettrodo di controllo è collegato tramite un limitatore di corrente e un contatto aperto del pulsante SA2. Il catodo è saldamente collegato al negativo della batteria.

Se all'istante t1 si preme il pulsante SA2, la corrente fluirà al catodo attraverso il circuito dell'elettrodo di controllo, che aprirà il tiristore e si accenderà la lampada inclusa nel ramo dell'anodo. A causa delle caratteristiche di progettazione di questo tiristore, continuerà a bruciare anche quando il contatto SA2 è aperto.

Ora all'istante t2 premiamo il pulsante SA1.Il circuito di alimentazione dell'anodo si spegnerà e la luce si spegnerà a causa del fatto che il flusso di corrente attraverso di esso si interrompe.

Il grafico dell'immagine presentata mostra che una corrente continua è passata attraverso l'intervallo di tempo t1 ÷ t2. Se cambi i pulsanti molto rapidamente, puoi formare impulso rettangolare con segno positivo. Allo stesso modo, puoi creare un impulso negativo. A tale scopo è sufficiente modificare leggermente il circuito per consentire alla corrente di fluire nella direzione opposta.

Una sequenza di due impulsi con valori positivi e negativi crea una forma d'onda chiamata onda quadra in ingegneria elettrica. La sua forma rettangolare ricorda grosso modo un'onda sinusoidale con due semionde di segno opposto.

Se nello schema in esame sostituiamo i pulsanti SA1 e SA2 con contatti relè o interruttori a transistor e li commutiamo secondo un certo algoritmo, allora sarà possibile creare automaticamente una corrente a forma di meandro e regolarla a una certa frequenza, dovere ciclo, periodo. Tale commutazione è controllata da uno speciale circuito di controllo elettronico.

Schema a blocchi della sezione di alimentazione

Ad esempio, si consideri il sistema primario più semplice di un inverter a ponte.

Qui, invece di un tiristore, interruttori a transistor di campo appositamente selezionati si occupano della formazione di un impulso rettangolare. La resistenza di carico Rn è compresa nella diagonale del loro ponte. Gli elettrodi di alimentazione di ciascun transistor «source» e «drain» sono collegati in modo opposto con diodi shunt e i contatti di uscita del circuito di controllo sono collegati al «gate».

A causa del funzionamento automatico dei segnali di controllo, al carico vengono emessi impulsi di tensione di diversa durata e segno. La loro sequenza e le loro caratteristiche sono adattate ai parametri ottimali del segnale di uscita.

Sotto l'azione delle tensioni applicate sulla resistenza diagonale, tenendo conto dei processi transitori, nasce una corrente, la cui forma è già più vicina a una sinusoide che a quella di un meandro.

Difficoltà nell'implementazione tecnica

Per il buon funzionamento del circuito di potenza degli inverter, è necessario garantire il funzionamento affidabile del sistema di controllo, che si basa su interruttori di commutazione. Sono dotati di proprietà conduttive bilaterali e sono formati da transistor di shunt collegando diodi inversi.

Per regolare l'ampiezza della tensione di uscita, viene spesso utilizzato principio di modulazione dell'ampiezza dell'impulso selezionando l'area dell'impulso di ciascuna semionda mediante il metodo di controllo della sua durata. Oltre a questo metodo, esistono dispositivi che funzionano con la conversione dell'ampiezza dell'impulso.

Nel processo di formazione dei circuiti della tensione di uscita, si verifica una violazione della simmetria delle semionde, che influisce negativamente sul funzionamento dei carichi induttivi. Questo è più evidente con i trasformatori.

Durante il funzionamento del sistema di controllo, viene impostato un algoritmo per la generazione delle chiavi del circuito di potenza, che comprende tre fasi:

1. dritto;

2. cortocircuito;

3. viceversa.

Nel carico sono possibili non solo correnti pulsanti, ma anche correnti che cambiano direzione, che creano ulteriori disturbi ai terminali della sorgente.

Disegno tipico

Tra le tante diverse soluzioni tecnologiche utilizzate per realizzare gli inverter, sono comuni tre schemi, considerati dal punto di vista del grado di aumento della complessità:

1. ponte senza trasformatore;

2. con il neutro del trasformatore;

3. ponte con trasformatore.

Forme d'onda in uscita

Gli inverter sono progettati per fornire tensione:

• rettangolare;

• trapezio;

• segnali alternati a gradini;

• sinusoidi.

Convertitori di fase

L'industria produce motori elettrici per funzionare in condizioni operative specifiche, tenendo conto della potenza proveniente da determinati tipi di fonti. Tuttavia, in pratica, si verificano situazioni in cui, per vari motivi, è necessario collegare un motore asincrono trifase a una rete monofase. Vari circuiti e dispositivi elettrici sono stati sviluppati per questo scopo.

Tecnologie ad alta intensità energetica

Lo statore di un motore asincrono trifase comprende tre avvolgimenti avvolti in un certo modo, posti a 120 gradi l'uno dall'altro, ognuno dei quali, quando viene applicata la corrente della sua fase di tensione, crea il proprio campo magnetico rotante. La direzione delle correnti è scelta in modo che i loro flussi magnetici si completino a vicenda, fornendo un'azione reciproca per la rotazione del rotore.

Quando c'è solo una fase della tensione di alimentazione per un tale motore, diventa necessario formare tre circuiti di corrente da esso, ciascuno dei quali è anche spostato di 120 gradi. In caso contrario, la rotazione non funzionerà o sarà difettosa.

Nell'ingegneria elettrica, ci sono due semplici modi per ruotare il vettore corrente rispetto alla tensione collegandosi a:

1. carico induttivo quando la corrente inizia a ritardare la tensione di 90 gradi;

2.Possibilità di creare un conduttore di corrente di 90 gradi.

La foto sopra mostra che da una fase della tensione Ua è possibile ottenere una corrente spostata di un angolo non di 120, ma solo di 90 gradi in avanti o indietro. Inoltre, ciò richiederà anche la selezione dei valori nominali del condensatore e dell'induttanza per produrre una modalità operativa del motore accettabile.

Nelle soluzioni pratiche di tali schemi, molto spesso si fermano al metodo del condensatore senza l'uso di resistenze induttive. A tale scopo, la tensione della fase di alimentazione è stata applicata a una bobina senza alcuna trasformazione e all'altra spostata dai condensatori. Il risultato è stato una coppia accettabile per il motore.

Ma per far girare il rotore era necessario creare una coppia aggiuntiva collegando il terzo avvolgimento attraverso i condensatori di avviamento. È impossibile utilizzarli per un funzionamento costante a causa della formazione di grandi correnti nel circuito di avviamento, che creano rapidamente un aumento del riscaldamento. Pertanto, questo circuito è stato acceso brevemente per ottenere il momento di inerzia della rotazione del rotore.

Tali schemi erano più facili da implementare grazie alla semplice formazione di banchi di condensatori di valori specificati dai singoli elementi disponibili. Tuttavia, gli strozzatori dovevano essere calcolati e avvolti in modo indipendente, il che è difficile da fare non solo a casa.

Tuttavia, le migliori condizioni per il funzionamento del motore sono state create con il complesso collegamento del condensatore e dell'induttanza in diverse fasi con la selezione delle direzioni delle correnti negli avvolgimenti e l'uso di resistori soppressori di corrente. Con questo metodo, la perdita di potenza del motore arrivava fino al 30%.Tuttavia, i progetti di tali convertitori non sono economicamente redditizi, poiché consumano più elettricità per il funzionamento rispetto al motore stesso.

Anche il circuito di avviamento del condensatore consuma una quantità maggiore di elettricità, ma in misura minore. Inoltre il motore collegato al suo circuito è in grado di generare una potenza di poco superiore al 50% di quella che si crea con una normale alimentazione trifase.

A causa delle difficoltà nel collegare un motore trifase a un circuito di alimentazione monofase e delle grandi perdite di potenza elettrica e di uscita, tali convertitori hanno mostrato la loro bassa efficienza, sebbene continuino a funzionare in singole installazioni e macchine per il taglio dei metalli.

Dispositivi inverter

Gli elementi a semiconduttore hanno permesso di creare convertitori di fase più razionali prodotti su base industriale. I loro progetti sono generalmente progettati per funzionare in circuiti trifase, ma possono essere progettati per funzionare con un gran numero di stringhe situate ad angoli diversi.

Quando i convertitori sono alimentati da una fase, viene eseguita la seguente sequenza di operazioni tecnologiche:

1. rettifica della tensione monofase mediante un nodo a diodi;

2. livellamento delle onde dal circuito di stabilizzazione;

3. conversione della tensione continua in trifase grazie al metodo dell'inversione.

In questo caso, il circuito di alimentazione può essere costituito da tre parti monofase funzionanti autonomamente, come discusso in precedenza, o da una comune, assemblata, ad esempio, secondo un sistema di conversione inverter trifase autonomo utilizzando un conduttore comune neutro.

Qui, ogni carico di fase gestisce le proprie coppie di elementi semiconduttori, che sono controllati da un sistema di controllo comune. Creano correnti sinusoidali nelle fasi delle resistenze Ra, Rb, Rc, che sono collegate al circuito di alimentazione comune attraverso il filo neutro. Aggiunge i vettori correnti da ciascun carico.

La qualità dell'approssimazione del segnale di uscita a una forma d'onda sinusoidale pura dipende dal progetto complessivo e dalla complessità del circuito utilizzato.

Convertitori di frequenza

Sulla base degli inverter, sono stati creati dispositivi che consentono di modificare la frequenza delle oscillazioni sinusoidali in un'ampia gamma. A tale scopo, l'energia elettrica a 50 hertz loro fornita subisce le seguenti modifiche:

• alzarsi

• stabilizzazione;

• conversione di tensione ad alta frequenza.

Il lavoro si basa sugli stessi principi dei progetti precedenti, tranne per il fatto che il sistema di controllo basato su schede a microprocessore genera una tensione di uscita con una frequenza aumentata di decine di kilohertz all'uscita del convertitore.

La conversione di frequenza basata su dispositivi automatici consente di regolare in modo ottimale il funzionamento dei motori elettrici al momento dell'avvio, dell'arresto e dell'inversione, ed è conveniente modificare la velocità del rotore. Allo stesso tempo, l'impatto dannoso dei transitori nella rete di alimentazione esterna viene drasticamente ridotto.

Per saperne di più qui: Convertitore di frequenza: tipi, principio di funzionamento, schemi di connessione

Inverter per saldatura

Lo scopo principale di questi convertitori di tensione è mantenere una combustione stabile dell'arco e un facile controllo di tutte le sue caratteristiche, inclusa l'accensione.

A tale scopo, nella progettazione dell'inverter sono inclusi diversi blocchi che eseguono l'esecuzione sequenziale:

• correzione della tensione trifase o monofase;

• stabilizzazione dei parametri tramite filtri;

• inversione di segnali ad alta frequenza da tensione continua stabilizzata;

• conversione in tensione / h tramite trasformatore step-down per aumentare il valore della corrente di saldatura;

• regolazione secondaria della tensione di uscita per la formazione dell'arco di saldatura.

Grazie all'utilizzo della conversione del segnale ad alta frequenza, le dimensioni del trasformatore di saldatura sono notevolmente ridotte e i materiali vengono risparmiati per l'intera struttura. Inverter per saldatura hanno grandi vantaggi nel funzionamento rispetto alle loro controparti elettromeccaniche.

Trasformatori: convertitori di tensione

Nell'ingegneria elettrica e nell'energia, i trasformatori che funzionano secondo il principio elettromagnetico sono ancora ampiamente utilizzati per modificare l'ampiezza del segnale di tensione.

Hanno due o più bobine e circuito magnetico, attraverso il quale viene trasmessa energia magnetica per convertire la tensione di ingresso in una tensione di uscita di ampiezza alterata.