Jenis konversi energi listrik

Sejumlah besar peralatan rumah tangga dan instalasi industri dalam pekerjaan mereka didukung oleh energi listrik dari berbagai jenis. Itu diciptakan oleh banyak orang EMF dan sumber arus.

Genset menghasilkan arus satu fasa atau tiga fasa pada frekuensi industri, sedangkan sumber kimia menghasilkan arus searah. Pada saat yang sama, dalam praktiknya, situasi sering muncul ketika satu jenis listrik tidak cukup untuk pengoperasian perangkat tertentu dan perlu dilakukan konversi.

Untuk tujuan ini, industri memproduksi sejumlah besar perangkat listrik yang bekerja dengan parameter energi listrik yang berbeda, mengubahnya dari satu jenis ke jenis lainnya dengan voltase, frekuensi, jumlah fase, dan bentuk gelombang yang berbeda. Menurut fungsi yang mereka lakukan, mereka dibagi menjadi perangkat konversi:

• sederhana;

• dengan kemampuan untuk menyesuaikan sinyal keluaran;

• diberkahi dengan kemampuan untuk menstabilkan.

Metode klasifikasi

Berdasarkan sifat operasi yang dilakukan, konverter dibagi menjadi beberapa perangkat:

• berdiri

• pembalikan satu atau lebih tahap;

• perubahan frekuensi sinyal;

• konversi jumlah fase sistem kelistrikan;

• mengubah jenis tegangan.

Menurut metode kontrol dari algoritme yang muncul, konverter yang dapat disesuaikan bekerja pada:

• prinsip pulsa yang digunakan dalam rangkaian DC;

• metode fase yang digunakan dalam rangkaian osilator harmonik.

Desain konverter paling sederhana mungkin tidak dilengkapi dengan fungsi kontrol.

Semua perangkat konversi dapat menggunakan salah satu dari jenis sirkuit berikut:

• trotoar;

• nol;

• dengan atau tanpa trafo;

• dengan satu, dua, tiga atau lebih fase.

Perangkat korektif

Ini adalah kelas konverter yang paling umum dan lama yang memungkinkan Anda untuk mendapatkan arus searah yang diperbaiki atau distabilkan dari sinusoidal bolak-balik, biasanya frekuensi industri.

Pameran langka

Perangkat berdaya rendah

Hanya beberapa dekade yang lalu, struktur selenium dan perangkat berbasis vakum masih digunakan dalam rekayasa radio dan perangkat elektronik.

Perangkat semacam itu didasarkan pada prinsip koreksi arus dari satu elemen pelat selenium. Mereka secara berurutan dirakit menjadi satu struktur dengan memasang adaptor. Semakin tinggi tegangan yang diperlukan untuk koreksi, semakin banyak elemen yang digunakan. Mereka tidak terlalu kuat dan dapat menahan beban beberapa puluh miliampere.

Vakum dibuat di rumah kaca tersegel dari penyearah lampu. Ini menampung elektroda: anoda dan katoda dengan filamen, yang memastikan aliran radiasi termionik.

Lampu semacam itu menyediakan daya arus searah untuk berbagai rangkaian penerima radio dan televisi hingga akhir abad terakhir.

Ignitron adalah perangkat yang kuat

Dalam perangkat industri, perangkat ion merkuri anoda-katoda yang beroperasi dengan prinsip muatan busur terkontrol telah banyak digunakan di masa lalu. Mereka digunakan jika diperlukan untuk mengoperasikan beban DC dengan kekuatan ratusan ampere pada tegangan yang diperbaiki hingga dan termasuk lima kilovolt.

Aliran elektron digunakan untuk aliran arus dari katoda ke anoda. Itu dibuat oleh pelepasan lengkung yang disebabkan di satu atau lebih area katoda, yang disebut titik katoda bercahaya. Mereka terbentuk ketika busur bantu dinyalakan oleh elektroda pengapian hingga busur utama menyala.

Untuk ini, pulsa jangka pendek beberapa milidetik dengan kekuatan arus hingga puluhan ampere dibuat. Mengubah bentuk dan kekuatan pulsa memungkinkan untuk mengontrol pengoperasian penyala.

Desain ini memberikan dukungan tegangan yang baik selama perbaikan dan efisiensi yang cukup tinggi. Tetapi kerumitan teknis dari desain dan kesulitan dalam pengoperasian menyebabkan penolakan penggunaannya.

Perangkat semikonduktor

Dioda

Pekerjaan mereka didasarkan pada prinsip konduksi arus dalam satu arah karena sifat sambungan p-n yang dibentuk oleh kontak antara bahan semikonduktor atau logam dan semikonduktor.

Dioda hanya melewatkan arus dalam arah tertentu, dan ketika harmonik sinusoidal bolak-balik melewatinya, mereka memotong satu setengah gelombang dan oleh karena itu banyak digunakan sebagai penyearah.

Dioda modern diproduksi dalam jangkauan yang sangat luas dan diberkahi dengan berbagai karakteristik teknis.

Thyristor

Thyristor menggunakan empat lapisan konduktif yang membentuk struktur semikonduktor yang lebih kompleks daripada dioda dengan tiga sambungan p-n yang terhubung seri J1, J2, J3. Kontak dengan lapisan luar «p» dan «n» digunakan sebagai anoda dan katoda, dan dengan lapisan dalam sebagai elektroda kontrol UE, yang digunakan untuk mengaktifkan thyristor dan melakukan regulasi.

Perbaikan harmonik sinusoidal dilakukan dengan prinsip yang sama dengan dioda semikonduktor. Tetapi agar thyristor dapat bekerja, karakteristik tertentu harus diperhitungkan - struktur transisi internalnya harus terbuka untuk aliran muatan listrik, dan tidak tertutup.

Ini dilakukan dengan melewatkan arus dengan polaritas tertentu melalui elektroda penggerak. Foto di bawah ini menunjukkan cara membuka thyristor yang digunakan secara bersamaan untuk mengatur jumlah arus yang lewat pada waktu yang berbeda.

Ketika arus diterapkan melalui RE pada saat melewati sinusoid melalui nilai nol, nilai maksimum dibuat, yang secara bertahap berkurang pada titik «1», «2», «3».

Dengan cara ini, arus disesuaikan dengan regulasi thyristor. Triac dan MOSFET daya dan/atau AGBT di sirkuit daya bekerja dengan cara yang serupa. Tetapi mereka tidak melakukan fungsi mengoreksi arus, melewatinya di kedua arah. Oleh karena itu, skema kontrol mereka menggunakan algoritma interupsi pulsa tambahan.

Konverter DC / DC

Desain ini melakukan kebalikan dari penyearah. Mereka digunakan untuk menghasilkan arus sinusoidal bolak-balik dari arus searah yang diperoleh dari sumber arus kimia.

Perkembangan yang langka

Sejak akhir abad ke-19, struktur mesin listrik telah digunakan untuk mengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik. Mereka terdiri dari motor listrik arus searah yang ditenagai oleh baterai atau paket baterai dan generator AC yang angkernya diputar oleh penggerak motor.

Di beberapa perangkat, belitan generator dililitkan langsung ke rotor umum motor. Metode ini tidak hanya mengubah bentuk sinyal, tetapi juga meningkatkan amplitudo atau frekuensi tegangan.

Jika tiga belitan yang terletak pada 120 derajat dililitkan pada angker generator, maka dengan bantuannya diperoleh tegangan tiga fase simetris yang setara.

Umformer banyak digunakan hingga tahun 1970-an untuk lampu radio, peralatan untuk troli, trem, lokomotif listrik sebelum pengenalan massal elemen semikonduktor.

Konverter inverter

Prinsip operasi

Sebagai dasar pertimbangan, kami mengambil rangkaian uji thyristor KU202 dari baterai dan bola lampu.

Kontak tombol SA1 yang biasanya tertutup dan lampu filamen berdaya rendah dibangun ke dalam sirkuit untuk memasok potensi positif baterai ke anoda. Elektroda kontrol dihubungkan melalui pembatas arus dan kontak terbuka tombol SA2. Katoda terhubung dengan kuat ke negatif baterai.

Jika pada saat t1 menekan tombol SA2, arus akan mengalir ke katoda melalui rangkaian elektroda kontrol, yang akan membuka thyristor dan lampu yang termasuk dalam cabang anoda akan menyala. Karena fitur desain thyristor ini, thyristor ini akan terus menyala meskipun kontak SA2 terbuka.

Sekarang pada waktu t2 kita tekan tombol SA1.Sirkuit suplai anoda akan mati dan lampu akan padam karena aliran arus yang melewatinya berhenti.

Grafik dari gambar yang disajikan menunjukkan bahwa arus searah melewati interval waktu t1 ÷ t2. Jika Anda mengganti tombol dengan sangat cepat, maka Anda dapat membentuk pulsa persegi panjang dengan tanda positif. Demikian pula, Anda dapat menciptakan dorongan negatif. Untuk tujuan ini, cukup mengubah sirkuit sedikit agar arus mengalir ke arah yang berlawanan.

Urutan dua pulsa dengan nilai positif dan negatif menciptakan bentuk gelombang yang disebut gelombang persegi dalam teknik kelistrikan. Bentuknya yang persegi panjang kira-kira menyerupai gelombang sinus dengan dua setengah gelombang dengan tanda yang berlawanan.

Jika dalam skema yang dipertimbangkan kami mengganti tombol SA1 dan SA2 dengan kontak relai atau sakelar transistor dan mengalihkannya sesuai dengan algoritme tertentu, maka dimungkinkan untuk secara otomatis membuat arus berbentuk berliku-liku dan menyesuaikannya ke frekuensi tertentu, tugas siklus, periode. Peralihan semacam itu dikendalikan oleh sirkuit kontrol elektronik khusus.

Diagram blok bagian catu daya

Sebagai contoh, pertimbangkan sistem primer paling sederhana dari inverter jembatan.

Di sini, alih-alih thyristor, sakelar transistor medan yang dipilih secara khusus berurusan dengan pembentukan pulsa persegi panjang. Resistansi beban Rn termasuk dalam diagonal jembatan mereka. Elektroda suplai dari masing-masing transistor "sumber" dan "saluran" dihubungkan secara berlawanan dengan dioda shunt, dan kontak keluaran dari rangkaian kontrol dihubungkan ke "gerbang".

Karena operasi otomatis dari sinyal kontrol, pulsa tegangan dengan durasi dan tanda yang berbeda dikeluarkan ke beban. Urutan dan karakteristiknya disesuaikan dengan parameter optimal dari sinyal keluaran.

Di bawah aksi tegangan yang diberikan pada resistansi diagonal, dengan mempertimbangkan proses transien, arus muncul, yang bentuknya sudah lebih dekat ke sinusoid daripada ke liku-liku.

Kesulitan teknis implementasi

Agar sirkuit daya inverter berfungsi dengan baik, perlu untuk memastikan pengoperasian sistem kontrol yang andal, yang didasarkan pada sakelar sakelar. Mereka diberkahi dengan sifat konduktor bilateral dan dibentuk oleh transistor shunting dengan menghubungkan dioda terbalik.

Untuk menyesuaikan amplitudo tegangan keluaran, paling sering digunakan prinsip modulasi lebar pulsa dengan memilih area pulsa dari setiap setengah gelombang dengan metode mengontrol durasinya. Selain metode ini, ada perangkat yang bekerja dengan konversi amplitudo pulsa.

Dalam proses pembentukan rangkaian tegangan keluaran, terjadi pelanggaran simetri setengah gelombang, yang berdampak buruk pada pengoperasian beban induktif. Ini paling terlihat dengan transformer.

Selama pengoperasian sistem kontrol, sebuah algoritma diatur untuk menghasilkan kunci rangkaian daya, yang meliputi tiga tahap:

1. lurus;

2. hubung singkat;

3. sebaliknya.

Dalam beban, tidak hanya arus berdenyut yang dimungkinkan, tetapi juga arus yang berubah arah, yang menimbulkan gangguan tambahan pada terminal sumber.

Desain yang khas

Di antara banyak solusi teknologi berbeda yang digunakan untuk membuat inverter, tiga skema umum, dipertimbangkan dari sudut pandang tingkat peningkatan kompleksitas:

1. jembatan tanpa trafo;

2. dengan terminal netral transformator;

3. menjembatani dengan trafo.

Bentuk gelombang keluaran

Inverter dirancang untuk memasok tegangan:

• persegi panjang;

• trapesium;

• melangkah bergantian sinyal;

• sinusoid.

Konverter fase

Industri memproduksi motor listrik untuk beroperasi pada kondisi operasi tertentu, dengan mempertimbangkan daya dari jenis sumber tertentu. Namun, dalam praktiknya, situasi muncul ketika, karena berbagai alasan, motor asinkron tiga fase perlu dihubungkan ke jaringan fase tunggal. Berbagai sirkuit dan perangkat listrik telah dikembangkan untuk tujuan ini.

Teknologi intensif energi

Stator motor asinkron tiga fase mencakup tiga belitan yang dililitkan dengan cara tertentu, terletak 120 derajat dari satu sama lain, yang masing-masing, ketika arus fase tegangan diterapkan padanya, menciptakan medan magnet berputarnya sendiri. Arah arus dipilih sehingga fluks magnetnya saling melengkapi, memberikan aksi timbal balik untuk rotasi rotor.

Ketika hanya ada satu fasa dari tegangan suplai untuk motor seperti itu, tiga sirkuit arus perlu dibentuk darinya, yang masing-masing juga digeser 120 derajat. Jika tidak, rotasi tidak akan berfungsi atau akan rusak.

Dalam teknik kelistrikan, ada dua cara sederhana untuk memutar vektor arus relatif terhadap tegangan dengan menghubungkan ke:

1. beban induktif ketika arus mulai tertinggal dari tegangan sebesar 90 derajat;

2.Kemampuan untuk membuat konduktor arus 90 derajat.

Foto di atas menunjukkan bahwa dari satu fase tegangan Ua Anda bisa mendapatkan arus yang bergeser pada sudut bukan 120, tetapi hanya 90 derajat maju atau mundur. Selain itu, ini juga memerlukan pemilihan kapasitor dan peringkat choke untuk menghasilkan mode operasi motor yang dapat diterima.

Dalam solusi praktis dari skema semacam itu, mereka paling sering berhenti pada metode kapasitor tanpa menggunakan resistansi induktif. Untuk tujuan ini, tegangan fasa suplai diterapkan ke satu koil tanpa transformasi apa pun, dan ke koil lainnya, digeser oleh kapasitor. Hasilnya adalah torsi yang dapat diterima untuk mesin.

Tetapi untuk memutar rotor, torsi tambahan perlu dibuat dengan menghubungkan belitan ketiga melalui kapasitor awal. Tidak mungkin menggunakannya untuk operasi konstan karena pembentukan arus besar di sirkuit awal, yang dengan cepat menghasilkan peningkatan pemanasan. Oleh karena itu, rangkaian ini dinyalakan sebentar untuk memperoleh momen inersia putaran rotor.

Skema semacam itu lebih mudah diimplementasikan karena pembentukan sederhana bank kapasitor dengan nilai tertentu dari elemen individu yang tersedia. Namun, choke harus dihitung dan dililitkan sendiri, yang sulit dilakukan tidak hanya di rumah.

Namun, kondisi terbaik untuk pengoperasian motor diciptakan dengan koneksi kompleks kapasitor dan tersedak dalam fase yang berbeda dengan pemilihan arah arus dalam belitan dan penggunaan resistor penekan arus. Dengan metode ini, kehilangan tenaga mesin mencapai 30%.Namun, desain konverter semacam itu tidak menguntungkan secara ekonomi, karena mengonsumsi lebih banyak listrik untuk pengoperasian daripada mesin itu sendiri.

Sirkuit mulai kapasitor juga mengkonsumsi peningkatan laju listrik, tetapi pada tingkat yang lebih rendah. Selain itu, motor yang terhubung ke sirkuitnya mampu menghasilkan daya lebih dari 50% dari yang dibuat dengan suplai tiga fase normal.

Karena kesulitan dalam menghubungkan motor tiga fase ke sirkuit catu satu fase dan hilangnya daya listrik dan keluaran yang besar, konverter semacam itu telah menunjukkan efisiensinya yang rendah, meskipun terus bekerja di instalasi individual dan mesin pemotong logam.

Perangkat inverter

Elemen semikonduktor memungkinkan untuk membuat konverter fase yang lebih rasional yang diproduksi berdasarkan industri. Desainnya biasanya dirancang untuk beroperasi di sirkuit tiga fase, tetapi dapat dirancang untuk beroperasi dengan sejumlah besar senar yang terletak di sudut yang berbeda.

Ketika konverter ditenagai oleh satu fase, urutan operasi teknologi berikut dilakukan:

1. perbaikan tegangan satu fasa oleh simpul dioda;

2. menghaluskan gelombang dari rangkaian stabilisasi;

3. konversi tegangan searah menjadi tiga fasa karena metode inversi.

Dalam hal ini, rangkaian suplai dapat terdiri dari tiga bagian fase tunggal yang bekerja secara mandiri, seperti yang telah dibahas sebelumnya, atau satu bagian umum, yang dirakit, misalnya, menurut sistem konversi inverter tiga fase otonom menggunakan konduktor umum netral.

Di sini, setiap beban fase mengoperasikan pasangan elemen semikonduktornya sendiri, yang dikendalikan oleh sistem kontrol bersama. Mereka menciptakan arus sinusoidal dalam fase resistansi Ra, Rb, Rc, yang terhubung ke rangkaian suplai umum melalui kabel netral. Itu menambahkan vektor saat ini dari setiap beban.

Kualitas perkiraan sinyal keluaran ke bentuk gelombang sinus murni tergantung pada desain keseluruhan dan kompleksitas rangkaian yang digunakan.

Konverter frekuensi

Atas dasar inverter, perangkat telah dibuat yang memungkinkan perubahan frekuensi osilasi sinusoidal dalam rentang yang luas. Untuk tujuan ini, listrik 50 hertz yang dipasok ke mereka mengalami perubahan berikut:

• berdiri

• stabilisasi;

• konversi tegangan frekuensi tinggi.

Pekerjaan didasarkan pada prinsip yang sama dari proyek sebelumnya, kecuali bahwa sistem kontrol yang didasarkan pada papan mikroprosesor menghasilkan tegangan keluaran dengan peningkatan frekuensi puluhan kilohertz pada keluaran konverter.

Konversi frekuensi berdasarkan perangkat otomatis memungkinkan Anda menyesuaikan pengoperasian motor listrik secara optimal pada saat start, stop, dan mundur, dan nyaman untuk mengubah kecepatan rotor. Pada saat yang sama, dampak berbahaya transien dalam jaringan daya eksternal berkurang tajam.

Baca selengkapnya di sini: Konverter frekuensi - jenis, prinsip operasi, skema koneksi

Inverter las

Tujuan utama dari konverter tegangan ini adalah untuk mempertahankan pembakaran busur yang stabil dan kontrol yang mudah dari semua karakteristiknya, termasuk penyalaan.

Untuk tujuan ini, beberapa blok disertakan dalam desain inverter, yang melakukan eksekusi berurutan:

• koreksi tegangan tiga fase atau fase tunggal;

• stabilisasi parameter melalui filter;

• inversi sinyal frekuensi tinggi dari tegangan DC yang distabilkan;

• konversi ke / h tegangan oleh transformator step-down untuk meningkatkan nilai arus pengelasan;

• penyesuaian sekunder tegangan keluaran untuk pembentukan busur las.

Karena penggunaan konversi sinyal frekuensi tinggi, dimensi trafo las sangat berkurang dan material disimpan untuk seluruh struktur. Inverter las memiliki keuntungan besar dalam operasi dibandingkan dengan rekan-rekan elektromekanis mereka.

Transformer: konverter tegangan

Dalam teknik kelistrikan dan energi, transformator yang beroperasi berdasarkan prinsip elektromagnetik masih paling banyak digunakan untuk mengubah amplitudo sinyal tegangan.

Mereka memiliki dua atau lebih gulungan dan sirkuit magnetik, di mana energi magnetik ditransmisikan untuk mengubah tegangan input menjadi tegangan output dengan amplitudo yang diubah.