Силовые преобразователи электрической энергии

Содержание

Преобразователь электрической энергии

Силовые преобразователи электрической энергии

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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[править | править вики-текст]

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

Период использованияКомпонентная базаОсобенности
1880-е Мотор-генератор (умформер)До сих пор находят применение (например,динамотор), хотя и ограниченное + Низкий коэффициент нелинейных искажений+ Высокий КПД + Большие мощности+ Возможность преобразования постоянного тока+ Стойкость к коротким замыканиям, перегрузкам, перенапряжениям— Материалоёмкость- Сложность ремонта и обслуживания- Наличие подвижных изнашивающихся частей- Шум и вибрации- Низкий коэффициент мощности
1880-еИспользуются в настоящее время Трансформаторы + Большая надёжность+ Высокий КПД+ Большие мощности- Большие габариты при малых частотах- Невозможность преобразования постоянного тока
1930—1970-еВ настоящее время практически не используются Ионные приборы (игнитрон) +Большая преобразуемая мощность (по этому показателю устройства на ионных приборах до сих пор не превзойдены полупроводниковыми)+Стойкость к коротким замыканиям и перенапряжениям-Хрупкость корпусов (стекло, керамика)-Мощные ионные приборы наполнены парами ртути. В случае аварии высок риск загрязнения окружающей среды-Длительное время подготовки к работе
1960-еИспользуются 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[править | править вики-текст]

  • Преобразование
  • Преобразование и регулирование
  • Преобразование и стабилизация

Выпрямители[править | править вики-текст]

Основная статья: Выпрямитель

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

Инверторы[править | править вики-текст]

Основная статья: Инвертор (электротехника)

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Основная статья: Преобразователь частоты

Этот раздел статьи ещё не написан.Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.

См. также: Вторичный источник электропитания#Импульсный источник питания

Этот раздел статьи ещё не написан.Согласно замыслу одного из участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел.Вы можете помочь проекту, написав этот раздел.
  1. Импульсные (на постоянном токе)
  2. Фазовые (на переменном токе)
  • Нулевые, мостовые
  • Трансформаторные, бестрансформаторные
  • Однофазные, двухфазные, трёхфазные…
  • Управляемые
  • Неуправляемые
  • Импульсный стабилизатор напряжения
  • Вибропреобразователь
  1.  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.
  2.  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.

  3.  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.

ru.wikipedia.org

Источник: https://ecoteco.ru/library/magazine/5/technologies/1401-preobrazovateli-napryazheniya/preobrazovatel-elektricheskoy-energii/

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:

  1. Виду преобразований.
  2. Типу конструкции.
  3. Управляемости.

Параметры, которые изменяются

Преобразованию подвергаются следующие параметры:

  1. Тип напряжения – из переменного в постоянное и наоборот.
  2. Амплитудные значения тока и напряжения.
  3. 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.

Источник: http://electric-tolk.ru/preobrazovateli-elektroenergii-klassifikaciya-tipy/

«Силовые преобразователи энергии»

с. 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Филиал ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»

в г. Смоленске

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Направление

подготовки бакалавров: 140600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологии

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Индекс дисциплины по учебному плану СД 01.01.б
По Госстандарту отсутствует
Часы (всего) по учебному плану 88
По Госстандарту отсутствуют

2010 год

Цели и задачи дисциплины, её место в учебном процессе

Цель преподавания дисциплины

В дисциплине изучаются основные типы силовых полупроводниковых преобразователей электроэнергии, которые используются для питания электродвигателей постоянного и переменного тока. Целью преподавания дисциплины является получение студентами знаний, необходимых для инженерной оценки функциональных показателей и энергетических характеристик преобразователей, навыков исследования процессов работы преобразователей и их отдельных элементов, а также последующего изучения специальных дисциплин.

Задачи изучения дисциплины

Предметом изучения данной дисциплины являются следующие объекты:

  • современные силовые полупроводниковые приборы;
  • схемные решения полупроводниковых преобразователей;
  • режимы работы полупроводниковых преобразователей;
  • основные принципы построения систем управления полупроводниковых преобразователей.

В результате изучения дисциплины студент должен:

  • получить представление о способах преобразования электрической энергии в зависимости от функционального назначения преобразователя и технических условий его применения;
  • знать основные схемные решения полупроводниковых преобразователей и особенности их работы;
  • иметь навыки работы с лабораторным электрооборудованием и измерительными приборами, проводить измерения электрических величин, обрабатывать результаты измерений и оформлять отчеты с применением компьютерной техники.

программы «Силовые преобразователи электроэнергии»

Учебный план 2002 года

Лекции ( 36 часов) 5 семестр
Практические занятия ( — ) — семестр
Лабораторные работы (_ 18 часов) 5 семестр
Расчетные задания ( — часов сам. работы) — семестр
Курсовые проекты / работы ( — часов сам. работы) — семестр
Обьем самостоятельной работы по учебному плану ( 34 часа)

5 семестр

1.1. Введение (4 часа).

Виды преобразования электрической энергии. Полупроводниковые вентили, используемые в силовых преобразователях: диод, тиристор, силовой переключающий транзистор. Основные характеристики, статические и динамические параметры, области применения.

1.2. Выпрямители (16 часов).

Неуправляемые и управляемые выпрямители. Характеристики и принципы регулирования напряжения. Основные схемы выпрямления. Однофазная однополупериодная схема. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой, однофазная мостовая схема, трехфазная нулевая схема, трехфазная мостовая схема. Работа схемы на активную, активно-индуктивную, активно-емкостную нагрузки, работа на противо-ЭДС. Режим прерывистого и непрерывного тока нагрузки. Внешние и регулировочные характеристики. Процессы коммутации тока.

Комбинированные схемы выпрямления. Последовательное и параллельное включение преобразовательных мостов. Качество выходного напряжения, гармонический состав потребляемого тока. Коэффициент мощности и КПД управляемых выпрямителей.

Инверторы, ведомые сетью. Переход от выпрямительного к инверторному режиму. Однофазный инвертор со средней точкой. Трехфазный мостовой инвертор. Основные характеристики и режимы работы.

Многомостовые схемы выпрямления.

1.3. Преобразователи с искусственной коммутацией (8 часов).

Импульсные преобразователи постоянного тока. Схемные решения импульсных прерывателей. Способы искусственной коммутации тиристоров.

Автономные инверторы. Параллельный инвертор тока. Последовательный инвертор тока, инвертор тока с отсекающими диодами. Инверторы напряжения. Основные характеристики для различных типов нагрузки. Резонансные инверторы. Режимы работы. Основные характеристики. Методы регулирования и стабилизации выходного напряжения.

1.4. Преобразователи частоты (4 часов).

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Преобразователи частоты с ШИМ-модуляцией.

Непосредственные преобразователи частоты. Методы формирования кривой выходного напряжения. Закон регулирования угла управления. Режимы работы при активной и активно-индуктивной нагрузке.

1.5.Системы управления преобразовательными устройствами (4 часа).

Системы управления управляемых выпрямителей. Системы управления преобразователей частоты с непосредственной связью. Системы управления автономных инверторов.

II. Названия лабораторных работ

5 семестр

№1. Исследование характеристик и параметров неуправляемых выпрямителей (8 часов).

№2.Однофазный тиристорный преобразователь (4 часа).

№3. Система управления тиристорного преобразователя напряжения переменного тока в

постоянный (4 часа).
Примечание: на первом занятии проводится обучение охране труда и технике безопасности в лаборатории, поэтому первое занятие выполняется с сокращением программы испытаний.
III. Использование информационных технологий при изучении дисциплины

III.1.Лекции

Объем обучения с применением информационных технологий __-__ (часов по семестрам)

III.2. Лабораторные работы

При обработке результатов и оформлении отчетов лабораторных работ используется Microsoft Office.

IV. Контроль и оценка качества изучения дисциплины

IV.1. Лекции и практические занятия

5 семестр

в конце семестра проводится контрольная работа по лекционному материалу с последующим разбором типичных ошибок. Работа оценивается по пятибалльной шкале.

IV.2. Лабораторные работы

5 семестр

4 оценки (защиты) лабораторных работ по пятибалльной шкале

IV.3. Методика определения итоговой зачетной оценки практических знаний студента в семестре

Как среднеарифметическая оценка по п.п.VII.1,VII.2.

V. Итоговый контроль теоретических и практических знаний студента в сессию

5 семестр

Зачет по учебному плану (вопросы на зачет приведены в приложении 1.)

В приложение к диплому выносится оценка за 5 семестр

VI. Литература

VI.1. Учебники

Автор(ы), название учебника Кол-вов библ.
1. Силовая электроника: Учеб. для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. – М.: Изд. дом МЭИ, 2007. 35
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов, 7-е изд. – СПб: 2003. 25

VI.2. Учебные пособия

1. Электронные устройства электромеханических систем: Уч. пособие для вузов/Ю.К.Розанов, Е.М.Соколова. – М.: Академия, 2004 10
2. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: Семейство. Характеристики. Применение. — М.: Додэка – ХХ1, 2001. 29
3. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. 3-е изд. перераб. и доп. – Новосибирск, 2004. 53
4. Основы преобразовательной техники: уч. пособие для вузов /О.З.Попков. – М.: МЭИ, 2005 10
5. Лачин В.И. Электроника: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд. — Ростов н/Д: Феникс, 2002. 30
6. Основы силовой электроники/С.Р.Редди; пер.с анг. В.В. Масалова; под ред. Д.П. Приходько. – М.: Техносфера, 2006. – 286 с. 2

VI.3. Описания лабораторных работ

1. ИльюшкинС.Н., Саватеева И.С. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Силовые преобразователи электроэнергии». — Смоленск: РИО филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленске, 2009. – 24 с. 13
2. Саватеева И.С. Исследование характеристик преобразователей: Учеб. пособие по курсу «Элементы систем автоматики» — Смоленск: СФМЭИ, 2003 15

VI.4. Технические и профессиональные справочники по дисциплине

1. Электротехнический справочник. В 4-х т., T.2 / Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. — 9-е изд. — М.: МЭИ, 1998. 4
2. Справочное пособие по основам электротехники и электроники. Под ред. А.В. Нетушила. 2-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1997. – 352 с. 7
3. Справочник по электротехнике и электрооборудованию/И.И.Алиев. – 5-е изд.,стер. – М.:Высш.шк., 2007. -254 с. 3

VI. 5. СD – носители информации по дисциплине отсутствуют

VI.6. Нормативно-технические документы

ГОСТ 4.139-85 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Номенклатура показателей.

ГОСТ Р51321.1-2000 Устройства комплектные низковольтные распределения и управления. Ч.1. Общие технические требования и методы испытаний

Источник: http://fatwords.org/safia/silovie-preobrazovateli-energii/main.html

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.

Источник: http://podvi.ru/elektrotexnika/preobrazovateli-elektroenergii.html

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
Добавить комментарий