Преобразование тока. 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.

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.

Для преобразования постоянного тока в переменный применяют специальные электронные силовые устройства, называемые инверторами. Чаще всего инвертор преобразует постоянное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины.

Таким образом, инвертор - это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной . Инверторы применяют как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе систем бесперебойного электроснабжения (UPS).

В составе источников бесперебойного питания (ИБП), инверторы позволяют, например, получить непрерывное электроснабжение компьютерных систем, и если в сети напряжение внезапно пропадет, то инвертор мгновенно начнет питать компьютер энергией, получаемой от резервного аккумулятора. По крайней мере, пользователь успеет корректно завершить работу и выключить компьютер.

В более крупных устройствах бесперебойного электроснабжения применяются более мощные инверторы с аккумуляторами значительной емкости, способные автономно питать потребители часами, независимо от сети, а когда сеть снова вернется в нормальное состояние, ИБП автоматически переключит потребители напрямую к сети, а аккумуляторы начнут заряжаться.

Техническая сторона

В современных технологиях преобразования электроэнергии инвертор может выступать лишь промежуточным звеном, где его функция - преобразовать напряжение путем трансформации на высокой частоте (десятки и сотни килогерц). Благо, на сегодняшний день решить такую задачу можно легко, ведь для разработки и конструирования инверторов доступны как полупроводниковые ключи, способные выдерживать токи в сотни ампер, так и магнитопроводы необходимых параметров, и специально разработанные для инверторов электронные микроконтроллеры (включая резонансные).

Требования к инверторам, как и к другим силовым устройствам, включают: высокий КПД, надежность, как можно меньшие габаритные размеры и вес. Также необходимо чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал неприемлемо сильных импульсных помех для потребителей.

В системах с «зелеными» источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветряки) для подачи электроэнергии напрямую в общую сеть, применяют Grid-tie – инверторы, способные работать синхронно с промышленной сетью.

В процессе работы инвертора напряжения, источник постоянного напряжения периодически подключается к цепи нагрузки с чередованием полярности, при этом частота подключений и их продолжительность формируется управляющим сигналом, который поступает от контроллера.

Контроллер в инверторе обычно выполняет несколько функций: регулировка выходного напряжения, синхронизация работы полупроводниковых ключей, защита схемы от перегрузки. Принципиально инверторы делятся на: автономные инверторы (инверторы тока и инверторы напряжения) и зависимые инверторы (ведомые сетью, Grid-tie и т.д.)

Схемотехника инверторов

Полупроводниковые ключи инвертора управляются контроллером, имеют обратные шунтирующие диоды. Напряжение на выходе инвертора, в зависимости от текущей мощности нагрузки, регулируется автоматическим изменением ширины импульса в блоке высокочастотного преобразователя, в простейшем случае это .

Полуволны выходного низкочастотного напряжения должны быть симметричными, чтобы цепи нагрузки ни в коем случае не получили значительной постоянной составляющей (для трансформаторов это особенно опасно), для этого ширина импульса НЧ-блока (в простейшем случае) делается постоянной.

В управлении выходными ключами инвертора, применяется алгоритм, обеспечивающий последовательную смену структур силовой цепи: прямая, короткозамкнутая, инверсная.

Так или иначе, величина мгновенной мощности нагрузки на выходе инвертора имеет характер пульсаций с удвоенной частотой, поэтому первичный источник должен допускать такой режим работы, когда через него текут пульсирующие токи, и выдерживать соответствующий уровень помех (на входе инвертора).

Если первые инверторы были исключительно механическими, то сегодня есть множество вариантов схем инверторов на полупроводниковой базе, а типовых схем всего три: мостовая без трансформатора, двухтактная с нулевым выводом трансформатора, мостовая с трансформатором.

Мостовая схема без трансформатора встречается в устройствах бесперебойного питания мощностью от 500 ВА и в автомобильных инверторах. Двухтактная схема с нулевым выводом трансформатора используется в маломощных ИБП (для компьютеров) мощностью до 500 ВА, где напряжение на резервном аккумуляторе составляет 12 или 24 вольта. Мостовая схема с трансформатором применяется в мощных источниках бесперебойного питания (на единицы и десятки кВА).

В инверторах напряжения с прямоугольной формой на выходе, группа ключей с обратными диодами коммутируется так, чтобы получить на нагрузке переменное напряжение и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи .

За пропорциональность выходного напряжения отвечают: относительная длительность управляющих импульсов либо сдвиг фаз между сигналами управления группами ключей. В неконтролируемом режиме циркуляции реактивной энергии, потребитель влияет на форму и величину напряжения на выходе инвертора.

В инверторах напряжения со ступенчатой формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь формирует однополярную ступенчатую кривую напряжения, грубо приближенную по своей форме к синусоиде, период которой равен половине периода выходного напряжения. Затем мостовая НЧ-схема превращает однополярную ступенчатую кривую в две половинки разнополярной кривой, грубо напоминающей по форме синусоиду.

В инверторах напряжения с синусоидальной (или почти синусоидальной) формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь генерирует постоянное напряжение близкое по величине к амплитуде будущей синусоиды на выходе.

После этого мостовая схема формирует из постоянного напряжения переменное низкой частоты, путем многократной ШИМ, когда каждая пара транзисторов на каждом полупериоде формирования выходной синусоиды открывается несколько раз на время, изменяющееся по гармоническому закону. Затем НЧ-фильтр выделяет из полученной формы синус.

Простейшие схемы предварительного высокочастотного преобразования в инверторах являются автогенераторными. Они довольно просты в плане технической реализации и достаточно эффективны на малых мощностях (до 10-20 Вт) для питания нагрузок не критичных к процессу подачи энергии. Частота автогенераторов не более 10 кГц.

Положительная обратная связь в таких устройствах получается от насыщения магнитопровода трансформатора. Но для мощных инверторов такие схемы не приемлемы, поскольку потери в ключах возрастают, и КПД получается в итоге низким. Тем более, любое КЗ на выходе срывает автоколебания.

Более качественные схемы предварительных высокочастотных преобразователей - это обратноходовые (до 150 Вт), двухтактные (до 500 Вт), полумостовые и мостовые (более 500 Вт) на ШИМ контроллерах, где частота преобразования достигает сотен килогерц.

Типы инверторов, режимы работы

Однофазные инверторы напряжения подразделяются на две группы: с чистым синусом на выходе и с модифицированной синусоидой. Большинство современных приборов допускают упрощенную форму сетевого сигнала (модифицированную синусоиду).

Чистая же синусоида важна для приборов, у которых на входе есть электродвигатель или трансформатор, либо если это специальное устройство, работающее только с чистой синусоидой на входе.

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например, для питания . При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора. По мощности инвертор выбирают исходя из пикового значения оной для потребителя.

Вообще, существует три рабочих режима инвертора: пусковой, длительный и режим перегрузки. В пусковом режиме (заряд емкости, пуск холодильника) мощность может на долю секунды двукратно превысить номинал инвертора, это допустимо для большинства моделей. Длительный режим - соответствующий номиналу инвертора. Режим перегрузки - когда мощность потребителя в 1,3 раза превышает номинал - в таком режиме средний инвертор может работать примерно полчаса.

Основные сведения

Основой любого эл. прибора, предназначенного для измерения неэлектрической величины (далее ИНВ), является измерительный преобразователь, используемый для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую, т.е. входной в выходную. Ипр. Могут быть как преобразователи по назначению, так и др. преобразователи с определенной функцией

Классификация преобразователей по принципу действия (т.е. по физическому явлению, которое используется для преобразования величин).

- параметрические – преобразователи, в которых измеряемая величина (далее ИВ) преобразуется в такие электрические параметры, как сопротивление R , индуктивность L , взаимная индуктивность M , емкость C . При применении необходим вспомогательный источник электроэнергии.

- генераторные - преобразователи, в которых ИНВ преобразуется в ЭДС. Сами являются источником электроэнергии, и, вспомогательный источник нужен лишь для усиления преобразовательной величины.

- 1) Реостатный - реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины х , создавая зависимость:

R=f(x), где R – сопротивление преобразователя

Входной величиной преобразователя является линейное или угловое перемещение движка; выходной – изменение его сопротивления.

Устройство преобразования показано на рис.12.1

Он состоит из каркаса 1, на котором намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и тока съемного движка 3, укрепленного на оси 4. 5 – выводы.

Каркас с намоткой может иметь и переменное сечение (штриховая линия), тогда функция преобразования R=f(x), (где х - перемещение) является нелинейной, или каркас может быть кольцевой, тогда R=f(α) (α– угловое перемещение).

При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки ∆x=λ сопротивление изменяется на ∆R=(dR/dx)λ, где dR/dx – производная требуемой функции преобразования R=f(x) по перемещению движка. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на величину, равную сопротивлению одного витка.

Применяются в приборах для измерения линейных и угловых перемещений.

- 2) Индуктивные - предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал. Они являются наиболее компактными, помехоустойчивыми, надежными и экономичными Ипр.

Основными элементами индуктивного преобразователя (рис.1) являются катушка с двумя или более обмотками и размещенный внутри катушки подвижный якорь .
В зависимости от схемы расположения и подключения обмоток индуктивные преобразователи выпускаются двух основных типов:

- дифференциально-трансформаторные (рис.2) - имеют первичную обмотку и две включенные навстречу друг другу вторичные обмотки. При расположении якоря симметрично вторичным обмоткам, Va = Vb и суммарное напряжение на выводах вторичных обмоток равно нулю. При смещении якоря в каком-либо направлении, например, влево (рис.3), напряжение на одной из вторичных обмоток возрастает, а на другой - уменьшается. Это приводит к возникновению на выводах вторичных обмоток напряжения (сигнала), равного Va - Vb и пропорционального смещению якоря от положения симметрии. Данный сигнал воспринимается вторичным прибором и преобразуется в форму, наиболее удобную для восприятия человеком или средствами вычислительной техники.
При расположении якоря симметрично вторичным обмоткам, Va = Vb и суммарное напряжение на выводах вторичных обмоток равно нулю. При смещении якоря в каком-либо направлении, например, влево При подаче на первичную обмотку переменного напряжения Ve во вторичных обмотках наводятся напряжения той же частоты Va и Vb, направленные в каждый момент времени навстречу друг другу.

- полумостовые (рис.4) - имеют две включенные навстречу друг другу обмотки, образующие половину индуктивного моста. Вторая его половина образуется входным делителем вторичного прибора. При расположении якоря симметрично обмоткам мост сбалансирован и напряжение в его диагонали равно нулю. Смещение якоря вызывает пропорциональную разбалансировку моста. Сигнал дисбаланса преобразуется так же, как в предыдущем случае.
Индуктивный преобразователь состоит из корпуса (рис.5), в котором на направляющих качения размещен шпиндель, на переднем конце которого расположен измерительный наконечник, а на заднем - якорь. Направляющая защищена от внешних воздействий резиновым манжетом. Связанный со шпинделем якорь находится внутри закрепленной в корпусе катушки. В свою очередь, обмотки катушки электрически связаны с кабелем, закрепленным в корпусе и защищенный от перегибов конической пружиной. На свободном конце кабеля имеется разъем, служащий для подключения преобразователя к вторичному прибору. Корпус и шпиндель выполнены из закаленной нержавеющей стали. Переходник, соединяющий якорь со шпинделем состоит из титанового сплава. Пружина, создающая измерительное усилие, отцентрирована, что исключает трение при движении шпинделя.

Индукционный – преобразователь, в котором измеряемая неэлектрическая (механическая) величина преобразуется в индуктированную “LC/ Согласно закону электро-магнитной индукции, индуктированная ЭДС Е определяется скоростью изменения магнитного потока Ф , сцепленного с катушкой из w витков: w

Применяются для измерения скорости вращения (в тахометрах), параметров вибрации - для измерений, переменных во времени линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и акселерометрах).

- 3) Индукционные - основаны на использовании явления электромагнитной индукции, согласно чему, ЭДС в контуре определяется формулой е= dФn/dt , где Ф – магнитный поток, n – число витков контура.

Таким образом, выходной величиной является ЭДС, а входной – скорость изменения потока.

В общем случае индукционный преобразователь - это катушка с сердечником или без сердечника, находящаяся в магнитном поле. При изменении одного из параметров: катушки, сердечника, магнитного поля; в катушке наводится ЭДС.

Для катушки без сердечников уравнения для преобразования упрощаются и делится на подвиды:

- для неподвижной катушки в переменном магнитном поле

В=В m cosωt e= ωnB m sinωt;

- для катушки, вращающейся с частотой Ω в постоянном магнитном поле с индукцией В о

e=Ω nSB o sinωt,

где S- площадь катушки;

- для контура, отдельные части которого линейно перемещаются в магнитном поле В, изменяя площадь потока, сцепленная с катушкой,

e=-dФ∕dt=-nBв(dx/dt),

где в и x- размеры катушки, x изменяется, т.к. часть катушки выходит из магнитного поля. dx/dt- линейная скорость перемещения или dα/dt- угловая скорость относительно магнитного потока.

- для отрезка длиной L, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью V так, что направления векторов L, B и V взаимно перпендикулярны, e=VBL.

Индукционные преобразователи являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Погрешности индукционных преобразователей в значительной степени зависят от условий их работы (температура, внешние механические вибрации, внешнее магнитное поле) и от режима работы. Наибольшая погрешность возникает в режиме, при котором через нагрузку течет значительный ток, т.е. при конечных значениях сопротивления нагрузки. Наименьшая погрешность – в режиме холостого хода или когда нагрузкой являются электронные устройства с большим входным сопротивлением

- 4) Емкостные - Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом. В дальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумя или несколькими электродами). Для случая конденсатора с плоскими электродами площадью s, размещенными друг от друга на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e, ёмкость будет

Рассматриваемый преобразователь на электрической стороне характеризуется приложенным напряжением и, зарядом q=CU, током I=dq/dt и энергией W=CU/2. На неэлектрической стороне преобразователь характеризуется изменением параметров, входящих в выражение для емкости, т. е.Dd, Ds, De, и силой f=dW/dx, где под х следует понимать любую из величинDd, Ds, De.

Емкостный преобразователь обратим: при приложении на электрической стороне напряжения U, на неэлектрической сторо­не возникает сила f, которая используется в приборах уравно­вешивающего преобразования как результат действия обратного преобразования, в ЭС вольтметрах и в приборах с бесконтакт­ным подвесом. В этом последнем случае элемент массы m может быть подвешен в электростатическом поле, если удовлетворяется условие f³ gm, где g - ускорение силы тяжести.

В общем случае преобразователь или конвертор напряжения это электротехническое устройство, способное преобразовывать один уровень или вид этого параметра в другой. Как правило, говоря о преобразователях напряжения, имеют в виду конверторы, работающие в цепях переменного тока (AC/AC).

В других случаях эти приборы называют преобразователями постоянного напряжения (DC/DC) или инверторами (DC/AC или AC/DC). Устройства для преобразования напряжения встречаются на практике повсеместно. Различают и классифицируют их по различным признакам.

По назначению конверторы подразделяют на:

Преобразователи постоянного напряжения , а именно:

• регуляторы;
• линейные стабилизаторы.

Конверторы переменного напряжения . В состав этой категории входят:

• трансформаторы различных типов;
• регуляторы;
• преобразователи формы и частоты сигнала.

Инверторы для преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот. В группу инверторов входят также:

• выпрямители;
• импульсные стабилизаторы.

Кроме того специалисты выделяют в отдельную категорию блоки питания, каждый из которых содержит в себе какой-либо преобразователь напряжения. Ими являются:

• встроенные различных видов оборудования;
• малогабаритные адаптеры (зарядные устройства), предназначенные для электропитания (зарядки) мобильных телефонов, электронных гаджетов и девайсов.

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Импульсные преобразователи применяются в тех случаях, когда нужно преобразовать один уровень напряжения в другой. Чаще всего они собираются на базе индуктивных или емкостных накопителей энергии. От других источников электропитания их отличает высокий уровень КПД, достигающий в некоторых случаях 95%.

Принципиальные электрические схемы импульсных преобразователей выполняются с использованием 4 х элементов:

• коммутирующий элемент;
• накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель, конденсаторы);
• блокирующий диод;
• конденсатор, соединенный параллельно с сопротивлением нагрузки.

Комбинации перечисленных компонентов могут образовывать любой тип импульсного конвертора.

Величина напряжения на выходе определяется шириной импульсов, управляющих коммутирующим элементом. При этом создается запас энергии в катушке индуктивности. Стабилизация реализуется за счет обратной связи, то есть ширина импульсов меняется в зависимости от значения выходного напряжения.

Для создания токов высокой частоты используют преобразователи, собранные с использованием колебательных контуров. При этом напряжение постоянного тока, поступающее на генератор переменного напряжения (мультивибратор, триггер) является одновременно и питающим. Выходные импульсы имеют, как правило, прямоугольную форму.

Полученное переменное напряжение можно усилить, понизить и т. д. Кроме того его легко выпрямить и получить нужную полярность. Для этого используют соответствующее включение диодов, а выпрямитель собирают, например, по мостовой схеме.

Напряжение на выходе импульсных преобразователей необходимо стабилизировать. Для этого используют различного рода стабилизаторы (импульсные или линейные). Правда, из-за низкого КПД последние используются редко.

Что касается импульсных стабилизаторов, то они в своей работе используют широтно или частотно импульсную модуляцию. В первом случае меняется длительность во втором - частота импульсов. Встречаются устройства с комбинированным способом стабилизации.

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

С увеличением количества автомобилей возросла потребность использования в процессе их эксплуатации различных бытовых приборов, в том числе работающих от переменного напряжения 220В.

Для этого и были разработаны автомобильные инверторы , с помощью которых постоянное напряжение от автомобильного аккумулятора +12 В (легковые автомобили) или +24 В (грузовой автотранспорт) преобразуется в переменное 220 В. К ним можно подключить электробритву или электродрель, зарядить ноутбук и пр.

Автомобильный инвертор является генератором напряжения, форма которого приближена к синусоиде. При этом ток на выходе прибора не зависит от величины тока на входе и его можно регулировать практически от нуля до максимума. Точно также теоретически можно регулировать частоту и напряжение.

Упрощенно электрическую схему автомобильного конвертора можно представить в виде трансформатора, на первичные обмотки которого напряжение подается через тиристорные ключи. Поочередно включая обмотки тиристоры создают на выходе трансформатора переменный ток.

При этом формируется модифицированная (ступенчатая) синусоида, но это никак не влияет на работоспособность большинства бытовых приборов.

Преобразователи для использования в автомобилях обладают достаточно высоким КПД, который достигает 90%, что свидетельствует о достаточно высоком качестве получаемой синусоиды.

Потребитель в процессе эксплуатации прибора имеет возможность выбрать один из трех режимов его работы:

1. Рабочий режим, обеспечивающий длительную работу инвертора с номинальной мощностью.
2. Режим перегрузки, который позволяет получить от прибора значительно большую мощность, чем при работе в обычном режиме. Однако в таком режиме инвертор не должен работать более 30 мин.
3. Пусковой режим используется при необходимости получения моментальной мощности при высокой нагрузке (запуск электродвигателя и пр.).

Выбирая конвертор для авто основное внимание необходимо обратить на его мощность. Ее величина должна быть заведомо больше мощности подключаемых устройств. Кроме того немаловажное значение имеет и тип подключаемых электроприборов. Если к автомобильному инвертору предполагается подключать приборы, потребляющие при запуске значительные токи, то приобретать нужно прибор, обладающий соответствующей мощностью (от 300 до 2000 Вт).

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ДОМА

В настоящее время широкое применение преобразователи напряжения нашли в быту. Их стали использовать в домашних условиях в качестве резервных или аварийных источников питания, задача которых обеспечить работу бытовой техники в случае несанкционированного отключения сети централизованного электропитания.

Как правило, преобразователь напряжения для дома представляет собой комбинацию инвертора с одной или несколькими аккумуляторными батареями. В коттеджах и загородных домах (дачах) их дополняют также устройствами, способными заряжать аккумуляторы.

В отдельных случаях для этого могут использоваться солнечные батареи или ветрогенераторы .

К инверторам, предназначенным для использования в домашних условиях, чаще всего подключают маломощную бытовую технику:

• телевизоры;
• компьютеры и пр.

При этом необходимо помнить об электроприборах, например, холодильниках, электронасосах и др., которым для работы необходима подача электропитания с «чистой синусоидой», что требует приобретения значительно более дорогих устройств.

В местах, где отсутствует централизованная электросеть можно, рассчитав необходимую электрическую мощность, организовать систему электропитания целого дома. Однако это потребует приобретения достаточно дорогого оборудования.

Например, стоимость инвертора мощностью 10...60 кВт составляет не менее $20000. Использование подобного рода устройств целесообразно в случае организации систем электропитания на основе альтернативных источников энергии.

Если сравнивать классический блок бесперебойного питания (UPS), работающий в режиме online, с преобразованием напряжения, то сочетание компонентов «аккумуляторная батарея+инвертор» выглядит предпочтительней по ряду причин, среди которых:

• щадящий режим работы аккумуляторов;
• большой выбор аккумуляторных батарей ;
• возможность параллельного подключения нескольких преобразователей и пр.

На отечественном рынке электрооборудования импульсные преобразователи представлены в достаточно широком ассортименте. Особой популярностью пользуется, например, продукция тайваньской компании Mean Well и голландской фирмы Victron Energy.

Продукция этих производителей отличается высоким качеством и обладает большим количеством различных функций. Так преобразователи типа DC/AC обеспечивают защиту рот глубокого разряда аккумуляторных батарей, контролируя величину минимального входного напряжения. Контролируют они и параметры выходного сигнала.

Все модели этих компаний имеют большой запас мощности, что позволяет им выдерживать большие перегрузки, возникающие при запуске электроприборов. Ряд устройств обеспечивает получение на выходе синусоиды высокого качества, что позволяет подключать к ним самое требовательное электрооборудование.

© 2012-2019 г. Все права защищены.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Преобразователь напряжения – устройство, изменяющее вольтаж цепи. В литературе зарубежной подразумевается: речь касается цепей переменного напряжения, в противном случае устройство называют преобразователем постоянного тока. Последние рассматриваются полноценными членами семейства.

Назначение преобразователей напряжения

Необходимость использования устройств подобного рода возникает, когда требуется электрический прибор внедрить в регионе, где стандарты промышленных сетей снабжения энергией отличаются от заложенных разработчиками изделия. Частоты и амплитуда напряжения США противопоставлены Европе, России. Видим ряд причин. Тесла заметил: при увеличении частоты возможно драматически снизить вес медной обмотки трансформатора, при достижении параметром значения 700 Гц электричество становится в большой мере безопасным для человеческого организма. Параллельно растут потери сердечников, начинается излучение электромагнитной волны в пространство.

Преобразователь вольтажа

Оценив весомость аргументов, США под влиянием Николы Тесла узаконили частоту 60 Гц. В России (Европе) приняли к сведению доводы прославленного инженера Доливо-Добровольского (обосновал выгодность использования трехфазных сетей). На протяжении Евразии стали эталоном де-факто 50 Гц. Амплитуды напряжения выбирали удобную. 220 вольт опасны для человека, потребитель одновременно затрачивает меньший ток. Сечение медных проводников допустимо ощутимо снизить. Американские 110 вольт переменного тока нельзя считать безопасными полностью. Люди осведомлены, наученные боевиками, не раз главный герой уничтожал врага электрическим разрядом местной энергосети.

Влияние параметров на технику описываются просто:

1. Частота оборотов двигателя определена амплитудой приложенного напряжения. Скорость вращения вала асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором напрямую зависит от частоты питающей сети.
2. Нагревательные приборы рассчитаны на рабочий ток, пропорциональный величине напряжения. Сопротивление преимущественно активное. Мощность изменяется вчетверо (ток берется в квадрате) при аналогичном варьировании между сетями 110/220 вольт. Потребитель ожидает от изделия номинальных параметров, прибор может быть не рассчитан на нестандартную эксплуатацию.
3. Бытовая техника в составе часто использует напряжения отличные от сетевых со строго определенной амплитудой. Обеспечиваются условия блоком питания. Для нормальной работы требуется преобразователь напряжения.

Зачем мировой практике разные напряжения

Электрификация в массовом порядке велась с начала XX века. Участвовало великое количество людей, каждый преследовал, помимо объективных, собственные интересы. Эдисон продвигал постоянное напряжение, Тесла назло – переменное. Доливо-Добровольский имел основания недолюбливать второго ученого (конфликт интересов в сфере трёхфазных сетей), возможно, частоту 50 Гц ввел наперекор США, Европа прислушалась к мнению более близкого той окрестности инженера.

Что касается СССР, нет сомнений: вольтаж на 220 вольт оставлен только из военных, стратегических соображений противостояния в холодной войне. Диаметр сигареты соответствовал калибру патрона для скорейшего перевода оборудования на выпуск специфической продукции.

Местоположение преобразователей напряжения в общей классификации

• Постоянного тока:

1. Преобразователи уровня напряжения (обсуждался выше).
2. Регуляторы напряжения.
3. Линейный стабилизатор напряжения.

• Переменный ток в постоянный:

1. Выпрямители.
2. Блоки питания.
3. Импульсные стабилизаторы напряжения.

• Постоянный ток в переменный:

1. Инверторы.

• Переменного напряжения:

1. Трансформаторы различного рода.
2. Преобразователи напряжения.
3. Регуляторы напряжения.
4. Преобразователи формы и частоты напряжения.
5. Трансформаторы переменной частоты.

Преобразователи напряжения образуют еще два класса. Блоки питания в первую очередь. Каждый содержит в своём составе преобразователь напряжения. Трансформатор. Преобразователи уровня подходят под отечественное определение предмета беседы, выделяются в отдельный класс. Вопрос ставится книгой М.А. Шустова по рассматриваемой теме.

Классификация преобразователей напряжения

Проведём первичную классификацию преобразователей напряжения:

Используя обычные трансформаторы или автотрансформаторы для преобразования амплитуды напряжения, помним о частоте. Многие двигатели, сконструированные для работы на 60 Гц, будут перегреваться сетями 50 Гц, пусть амплитуда напряжения соответствует заданной. Что касается встроенных опций блоков питания, далеко не всегда присутствует возможность переключить настройки. Изделие способно маркироваться наклейкой (помимо заводского шильдика), доступно поясняющей условия работы прибора, согласно предназначению. Что касается расхождений между Европой и Россией (230 – 220 = 10 вольт), указанное несоответствие не сильно влияет на работу (есть негативные моменты). Отмечали в предыдущих топиках влияние параметра на срок службы лампочек накала, электронных ламп.

В соответствии с конструкцией в электронике преобразователи напряжения делят так:

1. Бестрансформаторные конденсаторные.
2. С коммутируемыми конденсаторами.
3. Мультиплексорные.
4. Импульсные преобразователи.
5. Импульсные источники питания.
6. Трансформаторные с импульсным возбуждением.
7. Автогенераторные.
8. На пьезоэлектрических трансформаторах.

Конструкция преобразователей напряжения

С ростом частоты увеличиваются потери, вызванные вихревыми токами, в сердечниках трансформаторов. Явление пытаются пресечь путем шихтования. Сердечник разделяется на пластины, с плоскостью параллельной линиям магнитного поля. Используется особая электротехническая сталь с высоким удельным сопротивлением.

По мере роста частоты магнитный поток вытесняется толщей сердечника наружу. Ферромагнитные материалы применяют для увеличения индуктивности. На высоких частотах становится нецелесообразным по указанной выше причине. Магнитная проницаемость перестает расти, нет смысла изготавливать подобный сердечник. На ВЧ широко используются магнитодиэлектрики прессованным порошком. Устраняя потери, созданные вихревыми токами. Сила магнитного потока сильно снижается. Периодичность законов изменения тока, напряжения диктует следующее правило…

Энергия, запасенная преобразователем за период, пропорциональна квадрату емкости или индуктивности системы.

В устройствах используют накопители индуктивного или емкостного типа. Это объясняет применение ферромагнитных материалов блоками питания, объясняет, почему Тесла в опытах шел иным путем. Ученый для создания токов высокой частоты использовал колебательные контуры. Аналогичным путем сегодня движется техника преобразователей напряжения. Для постоянного тока конструкция выглядит такова:

1. Входное напряжение становится одновременно питающим.
2. Сердцем преобразователя выступает генератор переменного напряжения. Известный мультивибратор (триггер на двух транзисторах), изображение доступно повсеместно. Иногда выгодно применять готовые микросхемы промышленных серий, инверторы.
3. Результирующее напряжение переменное, часто прямоугольной формы. При необходимости усиливается, умножается или понижается (при помощи коммутируемых конденсаторов), выпрямляется, получается нужная полярность (преобразователь полярности напряжения). Заметим: эти каскады иногда выполнены на микросхемах. Мультиплексоры широко применяются для коммутации конденсаторов, запасающих мощность.

Преобразователь напряжения не строится напрямую без трансформатора. Однако если отклоняться от строго определения, удастся решить разнообразные задачи. Любой мультивибратор содержит цепочку RC, что и применил Тесла. Для получения напряжения нужно полярности применяется должным образом выполненное включение диодов и фильтрующих конденсаторов. Выпрямитель делается мостовым (см. ).

Подобные схемы на практике встречаются в электронике по простой причине: сложно получить высокую мощность. Не создано полупроводниковых ключей, обходящих ограничение, емкости конденсаторов потребовались бы просто гигантские. Поэтому производители постоянно борются за экономию электроэнергии.

Системный блок ПК применяет импульсные трансформаторы, генерации стабильной чистоты используются кварцевые резонаторы. Укажем отличие. Работа с высокочастотным напряжением, позволяет значительно уменьшить количество запасенной за период колебания энергии. Габариты трансформаторов можно сильно уменьшить, вредные ферромагнитные сердечники выбросить вовсе, понизив вес. Имеются конструктивные особенности и другого рода. Как пишет выдающийся схемотехник М.А. Шустов:

1. Индуктивные преобразователи меньших габаритов при прочих равных. Поэтому применяются для повышенных мощностей. Что видим на примере трансформаторов.
2. Что касается емкостных преобразователей, выгодно использовать для малых мощностей. Вспомним о мультивибраторах с RC цепочкой.

Слышали про «трансформаторы» постоянного напряжения. Допустимо отнести к конструктивным особенностям. В составе генератора используется звено обратной связи – кристалл кварца. Запасающий конденсатор управляет режимом работы транзистора, переменное напряжение в виде акустической волны проходит пьезоэлемент. В силу очевидных обстоятельств рабочие частоты лежат в области единиц МГц, мощность мала. Понятно, что напрямую постоянное напряжение система передавать неспособна, термин трансформатор применяется иносказательно.