Tipos de conversión de energía eléctrica

Una gran cantidad de electrodomésticos e instalaciones industriales en su trabajo funcionan con energía eléctrica de diferentes tipos Es creado por multitud. EMF y fuentes actuales.

Los grupos electrógenos producen corriente monofásica o trifásica a frecuencia industrial, mientras que las fuentes químicas producen corriente continua. Al mismo tiempo, en la práctica, a menudo surgen situaciones en las que un tipo de electricidad no es suficiente para el funcionamiento de ciertos dispositivos y es necesario realizar su conversión.

Para ello, la industria produce una gran cantidad de dispositivos eléctricos que funcionan con diferentes parámetros de energía eléctrica, convirtiéndolos de un tipo a otro con diferentes voltajes, frecuencia, número de fases y formas de onda. Según las funciones que realizan, se dividen en dispositivos de conversión:

• simple;

• con la capacidad de ajustar la señal de salida;

• dotado de la capacidad de estabilizar.

Métodos de clasificación

Por la naturaleza de las operaciones realizadas, los convertidores se dividen en dispositivos:

• de pie

• inversión de una o más etapas;

• cambios en la frecuencia de la señal;

• conversión del número de fases del sistema eléctrico;

• cambiar el tipo de voltaje.

De acuerdo con los métodos de control de los algoritmos emergentes, los convertidores ajustables funcionan en:

• el principio de pulso utilizado en los circuitos de CC;

• método de fase utilizado en circuitos de osciladores armónicos.

Los diseños de convertidores más simples pueden no estar equipados con una función de control.

Todos los dispositivos de conversión pueden utilizar uno de los siguientes tipos de circuitos:

• acera;

• cero;

• con o sin transformador;

• con una, dos, tres o más fases.

Dispositivos correctivos

Esta es la clase de convertidores más común y antigua que le permite obtener corriente continua rectificada o estabilizada desde una frecuencia sinusoidal alterna, generalmente industrial.

exhibiciones raras

Dispositivos de bajo consumo

Hace solo unas décadas, las estructuras de selenio y los dispositivos basados ​​en vacío todavía se usaban en ingeniería de radio y dispositivos electrónicos.

Dichos dispositivos se basan en el principio de corrección de corriente de un solo elemento de una placa de selenio. Fueron ensamblados secuencialmente en una sola estructura mediante adaptadores de montaje. Cuanto mayor sea el voltaje requerido para la corrección, más elementos de este tipo se utilizan. No eran muy potentes y podían soportar una carga de varias decenas de miliamperios.

Se creó un vacío en la carcasa de vidrio sellada de los rectificadores de lámpara. Alberga electrodos: un ánodo y un cátodo con filamento, que aseguran el flujo de la radiación termoiónica.

Tales lámparas proporcionaron energía de corriente continua para varios circuitos de receptores de radio y televisores hasta finales del siglo pasado.

Los ignitrones son dispositivos poderosos

En los dispositivos industriales, los dispositivos de iones de mercurio de ánodo-cátodo que funcionan según el principio de carga de arco controlado han sido ampliamente utilizados en el pasado. Se utilizaron donde era necesario operar una carga de CC con una fuerza de cientos de amperios a un voltaje rectificado de hasta cinco kilovoltios inclusive.

El flujo de electrones se usó para el flujo de corriente desde el cátodo al ánodo. Se crea por una descarga de arco provocada en una o más áreas del cátodo, llamadas puntos luminosos del cátodo. Se forman cuando el arco auxiliar es encendido por el electrodo de encendido hasta que se enciende el arco principal.

Para ello, se crearon pulsos de corta duración de unos pocos milisegundos con una intensidad de corriente de hasta decenas de amperios. Cambiar la forma y la fuerza de los pulsos hizo posible controlar el funcionamiento del encendedor.

Este diseño proporciona un buen soporte de voltaje durante la rectificación y una eficiencia bastante alta. Pero la complejidad técnica del diseño y las dificultades de operación llevaron al rechazo de su uso.

Dispositivos semiconductores

diodos

Su trabajo se basa en el principio de conducción de corriente en una dirección debido a las propiedades de la unión p-n formada por contactos entre materiales semiconductores o metal y semiconductor.

Los diodos solo dejan pasar corriente en una cierta dirección, y cuando un armónico sinusoidal alterno pasa a través de ellos, cortan una media onda y, por lo tanto, se usan ampliamente como rectificadores.

Los diodos modernos se producen en una gama muy amplia y están dotados de diversas características técnicas.

tiristores

El tiristor utiliza cuatro capas conductoras que forman una estructura semiconductora más compleja que un diodo con tres uniones p-n conectadas en serie J1, J2, J3. Los contactos con la capa exterior «p» y «n» se utilizan como ánodo y cátodo, y con la capa interior como electrodo de control del UE, que se utiliza para accionar el tiristor y realizar la regulación.

La rectificación de un armónico sinusoidal se realiza según el mismo principio que para un diodo semiconductor. Pero para que el tiristor funcione, es necesario tener en cuenta una cierta característica: la estructura de sus transiciones internas debe estar abierta para el paso de cargas eléctricas y no cerrada.

Esto se hace pasando una corriente de cierta polaridad a través del electrodo conductor. La foto a continuación muestra las formas de abrir el tiristor utilizado simultáneamente para ajustar la cantidad de corriente que pasa en diferentes momentos.

Cuando la corriente se aplica a través de RE en el momento de pasar la sinusoide por el valor cero, se crea un valor máximo, que disminuye gradualmente en los puntos «1», «2», «3».

De esta forma, la corriente se ajusta junto con la regulación del tiristor. Los triacs y los MOSFET y/o AGBT de potencia en los circuitos de potencia funcionan de manera similar. Pero no cumplen la función de corregir la corriente, pasándola en ambas direcciones. Por lo tanto, sus esquemas de control utilizan un algoritmo de interrupción de pulso adicional.

Convertidores CC/CC

Estos diseños hacen lo contrario de los rectificadores. Se utilizan para generar corriente sinusoidal alterna a partir de corriente continua obtenida de fuentes de corriente química.

Un desarrollo raro

Desde finales del siglo XIX, las estructuras de máquinas eléctricas se han utilizado para convertir voltaje directo en voltaje alterno. Consisten en un motor eléctrico de corriente continua alimentado por una batería o un paquete de baterías y un generador de CA cuyo inducido gira gracias al accionamiento del motor.

En algunos dispositivos, el devanado del generador se enrollaba directamente en el rotor común del motor. Este método no solo cambia la forma de la señal, sino que también, por regla general, aumenta la amplitud o frecuencia del voltaje.

Si se enrollan tres devanados ubicados a 120 grados en la armadura del generador, con su ayuda se obtiene un voltaje trifásico simétrico equivalente.

Los transformadores se utilizaron ampliamente hasta la década de 1970 para lámparas de radio, equipos para trolebuses, tranvías y locomotoras eléctricas antes de la introducción masiva de elementos semiconductores.

Convertidores inversores

Principio de operación

Como base para la consideración, tomamos el circuito de prueba de tiristores KU202 de una batería y una bombilla.

Un contacto normalmente cerrado del botón SA1 y una lámpara de filamento de baja potencia están integrados en el circuito para suministrar el potencial positivo de la batería al ánodo. El electrodo de control se conecta a través de un limitador de corriente y un contacto abierto del botón SA2. El cátodo está firmemente conectado al negativo de la batería.

Si en el momento t1 presiona el botón SA2, la corriente fluirá hacia el cátodo a través del circuito del electrodo de control, que abrirá el tiristor y se encenderá la lámpara incluida en la rama del ánodo. Debido a las características de diseño de este tiristor, continuará ardiendo incluso cuando el contacto SA2 esté abierto.

Ahora en el tiempo t2 presionamos el botón SA1.El circuito de suministro del ánodo se apagará y la luz se apagará debido a que el flujo de corriente a través de él se detiene.

El gráfico de la imagen presentada muestra que una corriente continua pasó a través del intervalo de tiempo t1 ÷ t2. Si cambia los botones muy rápidamente, entonces puede formar pulso rectangular con signo positivo. Del mismo modo, puedes crear un impulso negativo. Para ello, basta con cambiar ligeramente el circuito para permitir que la corriente fluya en sentido contrario.

Una secuencia de dos pulsos con valores positivos y negativos crea una forma de onda llamada onda cuadrada en ingeniería eléctrica. Su forma rectangular se parece más o menos a una onda sinusoidal con dos semiondas de signos opuestos.

Si en el esquema en consideración reemplazamos los botones SA1 y SA2 con contactos de relé o interruptores de transistor y los cambiamos de acuerdo con un cierto algoritmo, entonces será posible crear automáticamente una corriente en forma de meandro y ajustarla a cierta frecuencia, deber ciclo, período. Tal conmutación está controlada por un circuito de control electrónico especial.

Diagrama de bloques de la sección de alimentación

Como ejemplo, considere el sistema primario más simple de un puente inversor.

Aquí, en lugar de un tiristor, los interruptores de transistores de campo especialmente seleccionados se ocupan de la formación de un pulso rectangular. La resistencia de carga Rn está incluida en la diagonal de su puente. Los electrodos de suministro de cada transistor "fuente" y "drenaje" están conectados de manera opuesta con diodos de derivación, y los contactos de salida del circuito de control están conectados a la "puerta".

Debido a la operación automática de las señales de control, se envían a la carga pulsos de voltaje de diferente duración y signo. Su secuencia y características se adaptan a los parámetros óptimos de la señal de salida.

Bajo la acción de los voltajes aplicados en la resistencia diagonal, teniendo en cuenta los procesos transitorios, surge una corriente cuya forma ya se parece más a una sinusoide que a un meandro.

Dificultades en la implementación técnica.

Para el buen funcionamiento del circuito de potencia de los inversores, es necesario asegurar el funcionamiento confiable del sistema de control, que se basa en interruptores de conmutación. Están dotados de propiedades de conducción bilateral y están formados por transistores de derivación mediante la conexión de diodos inversos.

Para ajustar la amplitud del voltaje de salida, se usa con mayor frecuencia principio de modulación de ancho de pulso seleccionando el área de pulso de cada media onda por el método de control de su duración. Además de este método, existen dispositivos que funcionan con conversión de amplitud de pulso.

En el proceso de formación de circuitos de voltaje de salida, se produce una violación de la simetría de las medias ondas, lo que afecta negativamente el funcionamiento de las cargas inductivas. Esto es más notable con los transformadores.

Durante la operación del sistema de control, se establece un algoritmo para generar las claves del circuito de potencia, que incluye tres etapas:

1. recto;

2. cortocircuito;

3. viceversa.

En la carga, no solo son posibles las corrientes pulsantes, sino también las corrientes que cambian de dirección, lo que crea perturbaciones adicionales en los terminales de la fuente.

diseño típico

Entre las muchas soluciones tecnológicas diferentes utilizadas para crear inversores, tres esquemas son comunes, considerados desde el punto de vista del grado de aumento de la complejidad:

1. puente sin transformador;

2. con el terminal neutro del transformador;

3. puente con transformador.

Formas de onda de salida

Los inversores están diseñados para suministrar tensión:

• rectangular;

• trapezoide;

• señales alternas escalonadas;

• sinusoides.

Convertidores de fase

La industria produce motores eléctricos para funcionar en condiciones de operación específicas, teniendo en cuenta la energía de ciertos tipos de fuentes. Sin embargo, en la práctica surgen situaciones en las que, por diversas razones, es necesario conectar un motor asíncrono trifásico a una red monofásica. Se han desarrollado varios circuitos y dispositivos eléctricos para este fin.

Tecnologías intensivas en energía

El estator de un motor asíncrono trifásico incluye tres devanados que están bobinados de cierta manera, ubicados a 120 grados entre sí, cada uno de los cuales, cuando se le aplica la corriente de su fase de voltaje, crea su propio campo magnético giratorio. La dirección de las corrientes se elige de modo que sus flujos magnéticos se complementen entre sí, proporcionando una acción mutua para la rotación del rotor.

Cuando solo hay una fase del voltaje de suministro para dicho motor, es necesario formar tres circuitos de corriente a partir de él, cada uno de los cuales también se desplaza 120 grados. De lo contrario, la rotación no funcionará o será defectuosa.

En ingeniería eléctrica, hay dos formas simples de rotar el vector actual en relación con el voltaje conectándose a:

1. carga inductiva cuando la corriente comienza a retrasar el voltaje en 90 grados;

2.Capacidad de crear un conductor de corriente de 90 grados.

La foto de arriba muestra que desde una fase del voltaje Ua puede obtener una corriente desplazada en un ángulo no de 120, sino solo de 90 grados hacia adelante o hacia atrás. Además, esto también requerirá seleccionar los valores nominales del condensador y el estrangulador para producir un modo de funcionamiento del motor aceptable.

En las soluciones prácticas de tales esquemas, la mayoría de las veces se detienen en el método del capacitor sin el uso de resistencias inductivas. Para este propósito, el voltaje de la fase de suministro se aplicó a una bobina sin ninguna transformación y a la otra, desplazada por condensadores. El resultado fue un par aceptable para el motor.

Pero para hacer girar el rotor, era necesario crear un par adicional conectando el tercer devanado a través de condensadores de arranque. Es imposible usarlos para un funcionamiento constante debido a la formación de grandes corrientes en el circuito de arranque, que rápidamente crean un aumento del calentamiento. Por lo tanto, este circuito se encendió brevemente para ganar el momento de inercia de la rotación del rotor.

Dichos esquemas fueron más fáciles de implementar debido a la simple formación de bancos de capacitores de valores específicos a partir de elementos individuales disponibles. Sin embargo, los estranguladores tuvieron que calcularse y enrollarse de forma independiente, lo cual es difícil de hacer no solo en casa.

Sin embargo, las mejores condiciones para el funcionamiento del motor se crearon con la conexión compleja del condensador y el estrangulador en diferentes fases con la selección de las direcciones de las corrientes en los devanados y el uso de resistencias supresoras de corriente. Con este método, la pérdida de potencia del motor era de hasta un 30%.Sin embargo, los diseños de dichos convertidores no son económicamente rentables, ya que consumen más electricidad para su funcionamiento que el propio motor.

El circuito de arranque del condensador también consume una mayor tasa de electricidad, pero en menor medida. Además, el motor conectado a su circuito es capaz de generar una potencia algo más del 50% de la que se genera con un suministro trifásico normal.

Debido a las dificultades para conectar un motor trifásico a un circuito de alimentación monofásico y las grandes pérdidas de potencia eléctrica y de salida, tales convertidores han mostrado su baja eficiencia, aunque continúan trabajando en instalaciones individuales y máquinas de corte de metales.

Dispositivos inversores

Los elementos semiconductores permitieron crear convertidores de fase más racionales producidos industrialmente. Sus diseños generalmente están pensados ​​para operar en circuitos trifásicos, pero pueden diseñarse para operar con una gran cantidad de cadenas ubicadas en diferentes ángulos.

Cuando los convertidores son alimentados por una fase, se realiza la siguiente secuencia de operaciones tecnológicas:

1. rectificación de voltaje monofásico por un nodo de diodo;

2. suavizado de las olas del circuito de estabilización;

3. conversión de tensión continua a trifásica por el método de inversión.

En este caso, el circuito de alimentación puede constar de tres partes monofásicas que funcionen de forma autónoma, como se ha comentado anteriormente, o una común, ensamblada, por ejemplo, según un sistema de conversión inversor trifásico autónomo utilizando un conductor neutro común.

Aquí, cada carga de fase opera sus propios pares de elementos semiconductores, que están controlados por un sistema de control común. Crean corrientes sinusoidales en las fases de las resistencias Ra, Rb, Rc, que están conectadas al circuito de alimentación común a través del cable neutro. Suma los vectores de corriente de cada carga.

La calidad de la aproximación de la señal de salida a una forma de onda sinusoidal pura depende del diseño general y la complejidad del circuito utilizado.

Convertidores de frecuencia

Sobre la base de los inversores, se han creado dispositivos que permiten cambiar la frecuencia de las oscilaciones sinusoidales en un amplio rango. Para ello, la electricidad de 50 hercios que se les suministra sufre los siguientes cambios:

• de pie

• estabilización;

• conversión de voltaje de alta frecuencia.

El trabajo se basa en los mismos principios de los proyectos anteriores, excepto que el sistema de control basado en placas de microprocesador genera un voltaje de salida con una frecuencia aumentada de decenas de kilohercios a la salida del convertidor.

La conversión de frecuencia basada en dispositivos automáticos permite ajustar de manera óptima el funcionamiento de los motores eléctricos a la hora de arrancar, parar y dar marcha atrás, y es conveniente cambiar la velocidad del rotor. Al mismo tiempo, se reduce drásticamente el impacto nocivo de los transitorios en la red eléctrica externa.

Lea más sobre esto aquí: Convertidor de frecuencia: tipos, principio de funcionamiento, esquemas de conexión.

Inversores de soldadura

El propósito principal de estos convertidores de voltaje es mantener una combustión de arco estable y un fácil control de todas sus características, incluida la ignición.

Para este propósito, se incluyen varios bloques en el diseño del inversor, que realizan una ejecución secuencial:

• corrección de tensión trifásica o monofásica;

• estabilización de parámetros a través de filtros;

• inversión de señales de alta frecuencia de voltaje de CC estabilizado;

• conversión a voltaje / h por un transformador reductor para aumentar el valor de la corriente de soldadura;

• ajuste secundario del voltaje de salida para la formación del arco de soldadura.

Debido al uso de conversión de señal de alta frecuencia, las dimensiones del transformador de soldadura se reducen considerablemente y se ahorran materiales para toda la estructura. Inversores de soldadura tienen grandes ventajas en la operación en comparación con sus contrapartes electromecánicas.

Transformadores: convertidores de tensión

En ingeniería eléctrica y energía, los transformadores que funcionan según el principio electromagnético siguen siendo los más utilizados para cambiar la amplitud de la señal de tensión.

Tienen dos o más bobinas y circuito magnético, a través del cual se transmite energía magnética para convertir el voltaje de entrada en un voltaje de salida de amplitud alterada.