Arten der Umwandlung elektrischer Energie

Eine Vielzahl von Haushaltsgeräten und Industrieanlagen werden bei ihrer Arbeit mit Strom versorgt elektrische Energie verschiedener Art. Es entsteht durch die Menge EMF und Stromquellen.

Generatorsätze erzeugen einphasigen oder dreiphasigen Strom mit Industriefrequenz, während chemische Quellen Gleichstrom erzeugen. Gleichzeitig kommt es in der Praxis häufig vor, dass eine Stromart für den Betrieb bestimmter Geräte nicht ausreicht und eine Umstellung erforderlich ist.

Zu diesem Zweck produziert die Industrie eine große Anzahl elektrischer Geräte, die mit unterschiedlichen Parametern elektrischer Energie arbeiten und diese von einem Typ in einen anderen mit unterschiedlichen Spannungen, Frequenzen, Phasenzahlen und Wellenformen umwandeln. Entsprechend den von ihnen ausgeführten Funktionen werden sie in Konvertierungsgeräte unterteilt:

• einfach;

• mit der Möglichkeit, das Ausgangssignal anzupassen;

• ausgestattet mit der Fähigkeit zur Stabilisierung.

Klassifizierungsmethoden

Aufgrund der Art der durchgeführten Vorgänge werden Konverter in Geräte unterteilt:

• aufstehen

• Umkehrung einer oder mehrerer Stufen;

• Änderungen der Signalfrequenz;

• Umrechnung der Phasenzahl des elektrischen Systems;

• Ändern der Spannungsart.

Gemäß den Steuerungsmethoden der entstehenden Algorithmen arbeiten einstellbare Wandler an:

• das in Gleichstromkreisen verwendete Impulsprinzip;

• Phasenmethode, die in harmonischen Oszillatorschaltungen verwendet wird.

Die einfachsten Umrichterausführungen dürfen nicht mit einer Steuerfunktion ausgestattet sein.

Alle Konvertierungsgeräte können einen der folgenden Schaltungstypen verwenden:

• Gehweg;

• null;

• mit oder ohne Transformator;

• mit einer, zwei, drei oder mehr Phasen.

Korrekturgeräte

Dies ist die gebräuchlichste und älteste Klasse von Umrichtern, mit denen Sie gleichgerichteten oder stabilisierten Gleichstrom aus einer sinusförmigen Wechselfrequenz, normalerweise Industriefrequenz, gewinnen können.

Seltene Exponate

Geräte mit geringem Stromverbrauch

Noch vor wenigen Jahrzehnten wurden Selenstrukturen und vakuumbasierte Geräte in der Funktechnik und in elektronischen Geräten verwendet.

Solche Geräte basieren auf dem Prinzip der Stromkorrektur aus einem einzelnen Element einer Selenplatte. Sie wurden nacheinander durch Montageadapter zu einer einzigen Struktur zusammengebaut. Je höher die zur Korrektur erforderliche Spannung ist, desto mehr solcher Elemente werden verwendet. Sie waren nicht sehr leistungsstark und hielten einer Belastung von mehreren zehn Milliampere stand.

Im versiegelten Glasgehäuse der Lampengleichrichter wurde ein Vakuum erzeugt. Es beherbergt Elektroden: eine Anode und eine Kathode mit einem Glühfaden, die für den Fluss thermionischer Strahlung sorgen.

Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts versorgten solche Lampen verschiedene Schaltkreise von Radioempfängern und Fernsehgeräten mit Gleichstrom.

Ignitrons sind leistungsstarke Geräte

In industriellen Geräten wurden in der Vergangenheit häufig Anoden-Kathoden-Quecksilberionengeräte eingesetzt, die nach dem Prinzip der kontrollierten Lichtbogenladung arbeiten. Sie wurden dort eingesetzt, wo es darum ging, eine Gleichstromlast mit einer Stärke von mehreren hundert Ampere bei einer gleichgerichteten Spannung bis einschließlich fünf Kilovolt zu betreiben.

Der Elektronenfluss wurde für den Stromfluss von der Kathode zur Anode verwendet. Sie entsteht durch eine Lichtbogenentladung, die in einem oder mehreren Bereichen der Kathode, sogenannten leuchtenden Kathodenflecken, entsteht. Sie entstehen, wenn der Hilfslichtbogen durch die Zündelektrode eingeschaltet wird, bis der Hauptlichtbogen zündet.

Hierzu wurden kurzzeitige Impulse von wenigen Millisekunden mit einer Stromstärke von bis zu mehreren zehn Ampere erzeugt. Durch die Veränderung der Form und Stärke der Impulse konnte der Betrieb des Zünders gesteuert werden.

Dieses Design bietet eine gute Spannungsunterstützung während der Gleichrichtung und einen relativ hohen Wirkungsgrad. Die technische Komplexität des Designs und die Schwierigkeiten bei der Bedienung führten jedoch dazu, dass der Einsatz abgelehnt wurde.

Halbleiterbauelemente

Dioden

Ihre Arbeit basiert auf dem Prinzip der Stromleitung in eine Richtung aufgrund der Eigenschaften des pn-Übergangs, der durch Kontakte zwischen Halbleitermaterialien oder Metall und Halbleiter gebildet wird.

Dioden leiten Strom nur in eine bestimmte Richtung, und wenn eine abwechselnde Sinusharmonische durch sie fließt, unterbrechen sie eine Halbwelle und werden daher häufig als Gleichrichter verwendet.

Moderne Dioden werden in einer sehr breiten Palette hergestellt und sind mit verschiedenen technischen Eigenschaften ausgestattet.

Thyristoren

Der Thyristor verwendet vier leitende Schichten, die eine komplexere Halbleiterstruktur bilden als eine Diode mit drei in Reihe geschalteten pn-Übergängen J1, J2, J3. Die Kontakte mit der äußeren Schicht „p“ und „n“ dienen als Anode und Kathode und mit der inneren Schicht als Steuerelektrode des UE, die zum Einschalten des Thyristors und zur Regelung dient.

Die Gleichrichtung einer sinusförmigen Harmonischen erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie bei einer Halbleiterdiode. Damit der Thyristor jedoch funktioniert, muss eine bestimmte Eigenschaft berücksichtigt werden: Die Struktur seiner inneren Übergänge muss für den Durchgang elektrischer Ladungen offen und nicht geschlossen sein.

Dies geschieht, indem ein Strom einer bestimmten Polarität durch die Antriebselektrode geleitet wird. Das Foto unten zeigt die Möglichkeiten zum Öffnen des Thyristors, der gleichzeitig zum Einstellen der zu verschiedenen Zeiten fließenden Strommenge verwendet wird.

Wenn der Strom durch RE zum Zeitpunkt des Durchgangs der Sinuskurve durch den Nullwert angelegt wird, entsteht ein Maximalwert, der an den Punkten „1“, „2“, „3“ allmählich abnimmt.

Auf diese Weise wird der Strom zusammen mit der Thyristorregelung angepasst. Triacs und Leistungs-MOSFETs und/oder AGBTs in Stromkreisen funktionieren auf ähnliche Weise. Sie erfüllen jedoch nicht die Funktion, den Strom zu korrigieren, sondern ihn in beide Richtungen weiterzuleiten. Daher verwenden ihre Steuerungsschemata einen zusätzlichen Impulsunterbrechungsalgorithmus.

DC/DC-Wandler

Diese Konstruktionen bewirken das Gegenteil von Gleichrichtern. Sie dienen der Erzeugung von sinusförmigem Wechselstrom aus Gleichstrom, der aus chemischen Stromquellen gewonnen wird.

Eine seltene Entwicklung

Seit dem späten 19. Jahrhundert werden elektrische Maschinenkonstruktionen zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung eingesetzt. Sie bestehen aus einem Gleichstrom-Elektromotor, der von einer Batterie oder einem Akkupack gespeist wird, und einem Wechselstromgenerator, dessen Anker durch den Motorantrieb gedreht wird.

Bei einigen Geräten wurde die Generatorwicklung direkt auf den gemeinsamen Rotor des Motors gewickelt. Diese Methode verändert nicht nur die Form des Signals, sondern erhöht in der Regel auch die Amplitude bzw. Frequenz der Spannung.

Werden drei um 120 Grad versetzte Wicklungen auf den Anker des Generators gewickelt, so erhält man mit seiner Hilfe eine äquivalente symmetrische Drehstromspannung.

Umformer wurden bis in die 1970er Jahre häufig für Radiolampen, Ausrüstung für Oberleitungsbusse, Straßenbahnen und Elektrolokomotiven verwendet, bevor Halbleiterelemente massenhaft eingeführt wurden.

Wechselrichter-Konverter

Funktionsprinzip

Als Überlegungsgrundlage nehmen wir die Thyristor-Testschaltung KU202 aus einer Batterie und einer Glühbirne.

In den Stromkreis sind ein Öffnerkontakt des SA1-Tasters und eine Glühlampe mit geringer Leistung eingebaut, um die Anode mit dem positiven Potenzial der Batterie zu versorgen. Die Steuerelektrode ist über einen Strombegrenzer und einen offenen Kontakt der SA2-Taste angeschlossen. Die Kathode ist fest mit dem Minuspol der Batterie verbunden.

Wenn Sie zum Zeitpunkt t1 die Taste SA2 drücken, fließt der Strom durch den Stromkreis der Steuerelektrode zur Kathode, wodurch der Thyristor geöffnet wird und die im Anodenzweig enthaltene Lampe aufleuchtet. Aufgrund der Konstruktionsmerkmale dieses Thyristors brennt dieser auch dann weiter, wenn der Kontakt SA2 geöffnet ist.

Nun drücken wir zum Zeitpunkt t2 die Taste SA1.Der Versorgungskreis der Anode wird ausgeschaltet und das Licht erlischt, da der Stromfluss durch die Anode stoppt.

Die Grafik des dargestellten Bildes zeigt, dass ein Gleichstrom durch das Zeitintervall t1 ÷ t2 floss. Wenn Sie die Tasten sehr schnell wechseln, können Sie eine Form erstellen Rechteckimpuls mit positivem Vorzeichen. Ebenso können Sie einen negativen Impuls erzeugen. Hierzu reicht es aus, die Schaltung leicht zu ändern, um den Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung zu ermöglichen.

Eine Folge von zwei Impulsen mit positiven und negativen Werten erzeugt eine Wellenform, die in der Elektrotechnik als Rechteckwelle bezeichnet wird. Seine rechteckige Form ähnelt in etwa einer Sinuswelle mit zwei Halbwellen mit entgegengesetzten Vorzeichen.

Wenn wir in dem betrachteten Schema die Tasten SA1 und SA2 durch Relaiskontakte oder Transistorschalter ersetzen und sie nach einem bestimmten Algorithmus schalten, ist es möglich, automatisch einen mäanderförmigen Strom zu erzeugen und ihn an eine bestimmte Frequenz und Leistung anzupassen Zyklus, Periode. Diese Umschaltung wird durch eine spezielle elektronische Steuerschaltung gesteuert.

Blockschaltbild des Stromversorgungsteils

Betrachten Sie als Beispiel das einfachste Primärsystem eines Brückenwechselrichters.

Anstelle eines Thyristors sorgen hier speziell ausgewählte Feldtransistorschalter für die Bildung eines Rechteckimpulses. Der Lastwiderstand Rn ist in der Diagonale ihrer Brücke enthalten. Die Versorgungselektroden jedes Transistors „Source“ und „Drain“ sind entgegengesetzt mit Shunt-Dioden verbunden, und die Ausgangskontakte der Steuerschaltung sind mit dem „Gate“ verbunden.

Durch den automatischen Betrieb der Steuersignale werden Spannungsimpulse unterschiedlicher Dauer und Vorzeichen an die Last ausgegeben. Ihre Reihenfolge und Charakteristik sind auf die optimalen Parameter des Ausgangssignals abgestimmt.

Unter Einwirkung der angelegten Spannungen auf den Diagonalwiderstand entsteht unter Berücksichtigung der transienten Vorgänge ein Strom, dessen Form bereits eher einer Sinuskurve als der eines Mäanders ähnelt.

Schwierigkeiten bei der technischen Umsetzung

Für die gute Funktion des Stromkreises der Wechselrichter ist es notwendig, den zuverlässigen Betrieb des auf Schaltschaltern basierenden Steuerungssystems sicherzustellen. Sie verfügen über beidseitig leitende Eigenschaften und werden durch Nebenschließen von Transistoren durch Anschließen von Sperrdioden gebildet.

Am häufigsten wird es zur Einstellung der Amplitude der Ausgangsspannung verwendet Prinzip der Pulsweitenmodulation durch Auswahl der Pulsfläche jeder Halbwelle durch die Methode zur Steuerung ihrer Dauer. Neben dieser Methode gibt es Geräte, die mit Puls-Amplituden-Umwandlung arbeiten.

Bei der Bildung der Ausgangsspannungskreise kommt es zu einer Verletzung der Symmetrie der Halbwellen, was sich negativ auf den Betrieb induktiver Lasten auswirkt. Am auffälligsten ist dies bei Transformatoren.

Während des Betriebs des Steuerungssystems wird ein Algorithmus zur Erzeugung der Schlüssel des Stromkreises eingestellt, der drei Stufen umfasst:

1. gerade;

2. Kurzschluss;

3. umgekehrt.

In der Last sind nicht nur pulsierende Ströme möglich, sondern auch richtungswechselnde Ströme, die zusätzliche Störungen an den Quellenanschlüssen erzeugen.

Typisches Design

Unter den vielen verschiedenen technologischen Lösungen, die zur Herstellung von Wechselrichtern verwendet werden, sind drei Schemata üblich, wenn man sie unter dem Gesichtspunkt des Grads der Komplexitätssteigerung betrachtet:

1. Brücke ohne Transformator;

2. mit dem Neutralleiter des Transformators;

3. Brücke mit Transformator.

Ausgangswellenformen

Wechselrichter sind für die Spannungsversorgung ausgelegt:

• rechteckig;

• Trapez;

• gestufte Wechselsignale;

• Sinusoide.

Phasenwandler

Die Industrie stellt Elektromotoren für den Betrieb unter bestimmten Betriebsbedingungen her und berücksichtigt dabei die Leistung aus bestimmten Quellen. In der Praxis kommt es jedoch vor, dass es aus verschiedenen Gründen erforderlich ist, einen Drehstrom-Asynchronmotor an ein Einphasennetz anzuschließen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene elektrische Schaltkreise und Geräte entwickelt.

Energieintensive Technologien

Der Stator eines dreiphasigen Asynchronmotors besteht aus drei auf eine bestimmte Weise gewickelten Wicklungen, die im Winkel von 120 Grad zueinander angeordnet sind und von denen jede beim Anlegen des Stroms ihrer Spannungsphase ihr eigenes rotierendes Magnetfeld erzeugt. Die Richtung der Ströme wird so gewählt, dass sich ihre magnetischen Flüsse ergänzen und eine gegenseitige Wirkung für die Drehung des Rotors bewirken.

Wenn für einen solchen Motor nur eine Phase der Versorgungsspannung vorhanden ist, müssen daraus drei Stromkreise gebildet werden, die jeweils ebenfalls um 120 Grad verschoben sind. Andernfalls funktioniert die Rotation nicht oder ist defekt.

In der Elektrotechnik gibt es zwei einfache Möglichkeiten, den Stromvektor relativ zur Spannung zu drehen, indem man Folgendes anschließt:

1. induktive Last, wenn der Strom beginnt, der Spannung um 90 Grad nachzueilen;

2.Möglichkeit, einen Stromleiter von 90 Grad zu erzeugen.

Das obige Foto zeigt, dass man aus einer Phase der Spannung Ua einen um einen Winkel nicht um 120, sondern nur um 90 Grad nach vorne oder hinten verschobenen Strom erhalten kann. Darüber hinaus müssen die Kondensator- und Drosselwerte ausgewählt werden, um einen akzeptablen Motorbetriebsmodus zu erzielen.

Bei den praktischen Lösungen solcher Systeme bleiben sie meist bei der Kondensatormethode ohne Verwendung induktiver Widerstände stehen. Zu diesem Zweck wurde die Spannung der Versorgungsphase ohne Transformationen an eine Spule angelegt und an die andere durch Kondensatoren verschoben. Das Ergebnis war ein akzeptables Drehmoment für den Motor.

Um den Rotor zu drehen, musste jedoch ein zusätzliches Drehmoment erzeugt werden, indem die dritte Wicklung über Anlaufkondensatoren angeschlossen wurde. Aufgrund der Bildung großer Ströme im Anlaufstromkreis, die schnell zu einer erhöhten Erwärmung führen, ist ein Dauerbetrieb nicht möglich. Daher wurde diese Schaltung kurzzeitig eingeschaltet, um das Trägheitsmoment der Rotordrehung zu gewinnen.

Solche Schemata waren aufgrund der einfachen Bildung von Kondensatorbänken mit bestimmten Werten aus einzelnen verfügbaren Elementen einfacher zu implementieren. Allerdings mussten die Drosseln selbst berechnet und aufgezogen werden, was nicht nur zu Hause schwierig zu bewerkstelligen ist.

Die besten Voraussetzungen für den Betrieb des Motors wurden jedoch durch die aufwendige Verschaltung von Kondensator und Drossel in verschiedenen Phasen mit der Wahl der Stromrichtungen in den Wicklungen und dem Einsatz von Stromunterdrückungswiderständen geschaffen. Bei dieser Methode betrug der Verlust der Motorleistung bis zu 30 %.Allerdings sind die Konstruktionen solcher Umrichter wirtschaftlich nicht rentabel, da sie für den Betrieb mehr Strom verbrauchen als der Motor selbst.

Auch die Kondensator-Startschaltung verbraucht mehr Strom, allerdings in geringerem Maße. Darüber hinaus ist der an seinen Stromkreis angeschlossene Motor in der Lage, etwas mehr als 50 % der Leistung zu erzeugen, die mit einer normalen Dreiphasenversorgung erzeugt wird.

Aufgrund der Schwierigkeiten beim Anschluss eines Drehstrommotors an einen einphasigen Versorgungskreis und der großen Strom- und Ausgangsleistungsverluste haben solche Umrichter einen geringen Wirkungsgrad gezeigt, obwohl sie in Einzelanlagen und Metallschneidemaschinen weiterhin funktionieren.

Wechselrichtergeräte

Halbleiterelemente ermöglichten die Schaffung rationellerer Phasenwandler auf industrieller Basis. Ihre Konstruktionen sind normalerweise für den Betrieb in Dreiphasenkreisen ausgelegt, sie können jedoch auch für den Betrieb mit einer großen Anzahl von Strängen in unterschiedlichen Winkeln ausgelegt sein.

Wenn die Umrichter von einer Phase gespeist werden, wird die folgende Abfolge technologischer Vorgänge ausgeführt:

1. Gleichrichtung der einphasigen Spannung durch einen Diodenknoten;

2. Glättung der Wellen des Stabilisierungskreises;

3. Umwandlung von Gleichspannung in Dreiphasenspannung durch das Umkehrverfahren.

In diesem Fall kann der Versorgungskreis aus drei einphasigen Teilen bestehen, die autonom arbeiten, wie zuvor besprochen, oder aus einem gemeinsamen Teil, der beispielsweise gemäß einem autonomen dreiphasigen Wechselrichterumwandlungssystem unter Verwendung eines neutralen gemeinsamen Leiters zusammengesetzt ist.

Dabei betreibt jede Phasenlast ihre eigenen Paare von Halbleiterelementen, die von einer gemeinsamen Steuerung gesteuert werden. Sie erzeugen sinusförmige Ströme in den Phasen der Widerstände Ra, Rb, Rc, die über den Neutralleiter mit dem gemeinsamen Versorgungskreis verbunden sind. Es addiert die aktuellen Vektoren von jeder Last.

Die Qualität der Annäherung des Ausgangssignals an eine reine Sinuswellenform hängt vom Gesamtdesign und der Komplexität der verwendeten Schaltung ab.

Frequenzumrichter

Auf Basis von Wechselrichtern wurden Geräte geschaffen, die es ermöglichen, die Frequenz sinusförmiger Schwingungen in einem weiten Bereich zu verändern. Zu diesem Zweck erfährt der ihnen zugeführte 50-Hertz-Strom folgende Veränderungen:

• aufstehen

• Stabilisierung;

• Hochfrequenz-Spannungsumwandlung.

Die Arbeit basiert auf den gleichen Prinzipien der vorherigen Projekte, mit der Ausnahme, dass das auf Mikroprozessorplatinen basierende Steuerungssystem am Ausgang des Wandlers eine Ausgangsspannung mit einer erhöhten Frequenz von mehreren zehn Kilohertz erzeugt.

Mit der auf automatischen Geräten basierenden Frequenzumwandlung können Sie den Betrieb von Elektromotoren beim Starten, Stoppen und Reversieren optimal anpassen und die Drehzahl des Rotors bequem ändern. Gleichzeitig werden die schädlichen Auswirkungen von Transienten im externen Stromnetz deutlich reduziert.

Lesen Sie hier mehr darüber: Frequenzumrichter - Typen, Funktionsprinzip, Anschlussschemata

Schweißinverter

Der Hauptzweck dieser Spannungswandler besteht darin, eine stabile Lichtbogenbrennung und eine einfache Steuerung aller seiner Eigenschaften, einschließlich der Zündung, aufrechtzuerhalten.

Zu diesem Zweck sind im Aufbau des Wechselrichters mehrere Bausteine ​​enthalten, die eine sequentielle Ausführung durchführen:

• Korrektur der dreiphasigen oder einphasigen Spannung;

• Stabilisierung von Parametern durch Filter;

• Invertierung hochfrequenter Signale aus stabilisierter Gleichspannung;

• Umwandlung in / h-Spannung durch einen Abwärtstransformator, um den Wert des Schweißstroms zu erhöhen;

• sekundäre Einstellung der Ausgangsspannung zur Bildung des Schweißlichtbogens.

Durch den Einsatz der Hochfrequenz-Signalwandlung werden die Abmessungen des Schweißtransformators stark reduziert und Material für den gesamten Aufbau eingespart. Schweißinverter haben gegenüber ihren elektromechanischen Pendants große Vorteile im Betrieb.

Transformatoren: Spannungswandler

In der Elektrotechnik und Energietechnik werden nach wie vor am häufigsten Transformatoren eingesetzt, die nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeiten, um die Amplitude des Spannungssignals zu verändern.

Sie haben zwei oder mehr Spulen und Magnetkreis, durch die magnetische Energie übertragen wird, um die Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mit veränderter Amplitude umzuwandeln.