Tipos de conversão de energia elétrica

Um grande número de eletrodomésticos e instalações industriais em seu trabalho são alimentados por energia elétrica de diferentes tipos. É criado pela multidão EMF e fontes atuais.

Grupos geradores produzem corrente monofásica ou trifásica em frequência industrial, enquanto fontes químicas produzem corrente contínua. Ao mesmo tempo, na prática, muitas vezes surgem situações em que um tipo de eletricidade não é suficiente para o funcionamento de determinados dispositivos e é necessário realizar sua conversão.

Para tanto, a indústria produz um grande número de aparelhos elétricos que trabalham com diferentes parâmetros de energia elétrica, convertendo-os de um tipo em outro com diferentes tensões, frequências, número de fases e formas de onda. De acordo com as funções que desempenham, eles são divididos em dispositivos de conversão:

• simples;

• com a capacidade de ajustar o sinal de saída;

• dotado de capacidade de estabilização.

Métodos de classificação

Pela natureza das operações realizadas, os conversores são divididos em dispositivos:

• levantando-se

• reversão de um ou mais estágios;

• mudanças na frequência do sinal;

• conversão do número de fases do sistema elétrico;

• alterando o tipo de tensão.

De acordo com os métodos de controle dos algoritmos emergentes, os conversores ajustáveis ​​funcionam em:

• o princípio de pulso usado em circuitos DC;

• método de fase usado em circuitos osciladores harmônicos.

Os projetos de conversores mais simples podem não estar equipados com uma função de controle.

Todos os dispositivos de conversão podem usar um dos seguintes tipos de circuito:

• pavimento;

• zero;

• com ou sem transformador;

• com uma, duas, três ou mais fases.

Dispositivos corretivos

Esta é a classe de conversores mais comum e antiga que permite obter corrente contínua retificada ou estabilizada de uma frequência senoidal alternada, geralmente industrial.

exposições raras

Dispositivos de baixa potência

Apenas algumas décadas atrás, estruturas de selênio e dispositivos baseados em vácuo ainda eram usados ​​em engenharia de rádio e dispositivos eletrônicos.

Tais dispositivos são baseados no princípio de correção de corrente de um único elemento de uma placa de selênio. Eles foram montados sequencialmente em uma única estrutura por meio de adaptadores de montagem. Quanto maior a tensão necessária para correção, mais esses elementos são usados. Eles não eram muito poderosos e podiam suportar uma carga de várias dezenas de miliamperes.

Um vácuo foi criado no invólucro de vidro selado dos retificadores da lâmpada. Abriga eletrodos: um ânodo e um cátodo com um filamento, que garantem o fluxo da radiação termiônica.

Essas lâmpadas forneciam energia em corrente contínua para vários circuitos de receptores de rádio e televisores até o final do século passado.

Ignitrons são dispositivos poderosos

Em dispositivos industriais, os dispositivos de íon de mercúrio ânodo-cátodo operando no princípio de carga de arco controlado foram amplamente utilizados no passado. Eles foram usados ​​onde era necessário operar uma carga DC com uma força de centenas de amperes em uma tensão retificada de até cinco kilovolts inclusive.

O fluxo de elétrons foi usado para o fluxo de corrente do cátodo para o ânodo. É criado por uma descarga de arco causada em uma ou mais áreas do cátodo, chamadas de pontos luminosos do cátodo. Eles são formados quando o arco auxiliar é acionado pelo eletrodo de ignição até a ignição do arco principal.

Para isso, foram criados pulsos de curto prazo de alguns milissegundos com uma intensidade de corrente de até dezenas de amperes. Alterar a forma e a força dos pulsos tornou possível controlar a operação do ignitor.

Este projeto fornece um bom suporte de tensão durante a retificação e eficiência razoavelmente alta. Mas a complexidade técnica do projeto e as dificuldades de operação levaram à rejeição de seu uso.

Dispositivos semicondutores

diodos

Seu trabalho é baseado no princípio da condução de corrente em uma direção devido às propriedades da junção p-n formada por contatos entre materiais semicondutores ou metal e semicondutor.

Os diodos passam corrente apenas em uma determinada direção e, quando um harmônico senoidal alternado passa por eles, eles cortam uma meia onda e, portanto, são amplamente usados ​​como retificadores.

Os diodos modernos são produzidos em uma gama muito ampla e são dotados de várias características técnicas.

Tiristores

O tiristor usa quatro camadas condutoras que formam uma estrutura semicondutora mais complexa do que um diodo com três junções p-n conectadas em série J1, J2, J3. Os contatos com a camada externa «p» e «n» são usados ​​como ânodo e cátodo, e com a camada interna como o eletrodo de controle do UE, que é usado para colocar o tiristor em ação e realizar a regulação.

A retificação de um harmônico senoidal é realizada com base no mesmo princípio de um diodo semicondutor. Mas, para que o tiristor funcione, é necessário levar em consideração uma certa característica - a estrutura de suas transições internas deve estar aberta para a passagem de cargas elétricas, e não fechada.

Isso é feito passando uma corrente de uma certa polaridade através do eletrodo de acionamento. A foto abaixo mostra as formas de abrir o tiristor usadas simultaneamente para ajustar a quantidade de corrente passada em momentos diferentes.

Quando a corrente é aplicada por RE no momento da passagem da senóide pelo valor zero, é criado um valor máximo, que diminui gradativamente nos pontos «1», «2», «3».

Desta forma, a corrente é ajustada junto com a regulagem do tiristor. Triacs e MOSFETs de potência e/ou AGBTs em circuitos de potência funcionam de maneira semelhante. Mas eles não cumprem a função de corrigir a corrente, passando-a nas duas direções. Portanto, seus esquemas de controle usam um algoritmo de interrupção de pulso adicional.

Conversores CC/CC

Esses projetos fazem o oposto dos retificadores. Eles são usados ​​para gerar corrente senoidal alternada a partir de corrente contínua obtida de fontes de corrente química.

Um desenvolvimento raro

Desde o final do século 19, estruturas de máquinas elétricas têm sido usadas para converter tensão direta em tensão alternada. Eles consistem em um motor elétrico de corrente contínua alimentado por uma bateria ou bateria e um gerador CA cuja armadura é girada pelo acionamento do motor.

Em alguns aparelhos, o enrolamento do gerador era enrolado diretamente no rotor comum do motor. Este método não apenas altera a forma do sinal, mas também, via de regra, aumenta a amplitude ou frequência da tensão.

Se três enrolamentos localizados a 120 graus forem enrolados na armadura do gerador, uma tensão trifásica simétrica equivalente será obtida com sua ajuda.

Os umformers foram amplamente utilizados até a década de 1970 para lâmpadas de rádio, equipamentos para trólebus, bondes, locomotivas elétricas antes da introdução em massa de elementos semicondutores.

conversores inversores

Princípio de operação

Como base para consideração, tomamos o circuito de teste do tiristor KU202 de uma bateria e uma lâmpada.

Um contato normalmente fechado do botão SA1 e uma lâmpada de filamento de baixa potência são incorporados ao circuito para fornecer o potencial positivo da bateria ao ânodo. O eletrodo de controle é conectado através de um limitador de corrente e um contato aberto do botão SA2. O cátodo está firmemente conectado ao negativo da bateria.

Se no tempo t1 você pressionar o botão SA2, a corrente fluirá para o cátodo através do circuito do eletrodo de controle, que abrirá o tiristor e a lâmpada incluída no ramal do ânodo acenderá. Devido às características de design deste tiristor, ele continuará queimando mesmo quando o contato SA2 estiver aberto.

Agora no tempo t2 pressionamos o botão SA1.O circuito de alimentação do ânodo se desligará e a luz se apagará devido ao fato de o fluxo de corrente através dele parar.

O gráfico da figura apresentada mostra que uma corrente contínua passou pelo intervalo de tempo t1 ÷ t2. Se você alternar os botões muito rapidamente, poderá formar pulso retangular com sinal positivo. Da mesma forma, você pode criar um impulso negativo. Para isso, basta alterar ligeiramente o circuito para permitir que a corrente flua na direção oposta.

Uma sequência de dois pulsos com valores positivos e negativos cria uma forma de onda chamada onda quadrada em engenharia elétrica. Sua forma retangular lembra aproximadamente uma onda senoidal com duas meias-ondas de sinais opostos.

Se no esquema em consideração substituirmos os botões SA1 e SA2 por contatos de relé ou interruptores de transistor e comutá-los de acordo com um determinado algoritmo, será possível criar automaticamente uma corrente em forma de meandro e ajustá-la a uma determinada frequência, dever ciclo, período. Essa comutação é controlada por um circuito de controle eletrônico especial.

Diagrama de blocos da seção de alimentação

Como exemplo, considere o sistema primário mais simples de um inversor de ponte.

Aqui, em vez de um tiristor, interruptores de transistor de campo especialmente selecionados lidam com a formação de um pulso retangular. A resistência de carga Rn está incluída na diagonal de sua ponte. Os eletrodos de alimentação de cada transistor «source» e «drain» são conectados opostamente com diodos shunt, e os contatos de saída do circuito de controle são conectados ao «gate».

Devido à operação automática dos sinais de controle, pulsos de tensão de duração e sinal diferentes são emitidos para a carga. Sua sequência e características são adaptadas aos parâmetros ideais do sinal de saída.

Sob a ação das tensões aplicadas na resistência diagonal, levando em consideração os processos transitórios, surge uma corrente, cuja forma já está mais próxima de uma senóide do que de um meandro.

Dificuldades na implementação técnica

Para o bom funcionamento do circuito de potência dos inversores, é necessário garantir o funcionamento confiável do sistema de controle, que é baseado em chaves de comutação. Eles são dotados de propriedades de condução bilaterais e são formados por transistores de derivação conectando diodos reversos.

Para ajustar a amplitude da tensão de saída, é mais frequentemente usado princípio de modulação por largura de pulso selecionando a área de pulso de cada meia onda pelo método de controle de sua duração. Além desse método, existem dispositivos que trabalham com conversão de amplitude de pulso.

No processo de formação dos circuitos da tensão de saída, ocorre uma violação da simetria das meias ondas, o que afeta negativamente a operação de cargas indutivas. Isso é mais perceptível com transformadores.

Durante a operação do sistema de controle, um algoritmo é definido para gerar as chaves do circuito de potência, que inclui três estágios:

1. reto;

2. curto-circuito;

3. vice-versa.

Na carga, não apenas correntes pulsantes são possíveis, mas também correntes com mudança de direção, que criam distúrbios adicionais nos terminais da fonte.

Projeto típico

Dentre as diversas soluções tecnológicas utilizadas para a criação de inversores, três esquemas são comuns, considerados do ponto de vista do grau de aumento de complexidade:

1. ponte sem transformador;

2. com o terminal neutro do transformador;

3. ponte com transformador.

Formas de onda de saída

Os inversores são projetados para fornecer tensão:

• retangular;

• trapézio;

• sinais alternados escalonados;

• sinusóides.

conversores de fase

A indústria produz motores elétricos para operar em condições operacionais específicas, levando em consideração a energia de determinados tipos de fontes. Porém, na prática, surgem situações em que, por diversos motivos, é necessário conectar um motor assíncrono trifásico a uma rede monofásica. Vários circuitos e dispositivos elétricos foram desenvolvidos para esta finalidade.

Tecnologias de uso intensivo de energia

O estator de um motor assíncrono trifásico inclui três enrolamentos que são enrolados de uma certa maneira, localizados a 120 graus um do outro, cada um dos quais, quando a corrente de sua fase de tensão é aplicada a ele, cria seu próprio campo magnético rotativo. A direção das correntes é escolhida de forma que seus fluxos magnéticos se complementem, proporcionando ação mútua para a rotação do rotor.

Quando há apenas uma fase da tensão de alimentação para esse motor, torna-se necessário formar três circuitos de corrente a partir dele, cada um dos quais também é deslocado em 120 graus. Caso contrário, a rotação não funcionará ou ficará com defeito.

Na engenharia elétrica, existem duas maneiras simples de girar o vetor de corrente em relação à tensão conectando-se a:

1. Carga indutiva quando a corrente começa a ficar 90 graus atrasada em relação à tensão;

2.Capacidade de criar um condutor de corrente de 90 graus.

A foto acima mostra que de uma fase da tensão Ua você pode obter uma corrente deslocada em um ângulo não de 120, mas apenas de 90 graus para frente ou para trás. Além disso, isso também exigirá a seleção das classificações do capacitor e do indutor para produzir um modo de operação do motor aceitável.

Nas soluções práticas de tais esquemas, eles geralmente param no método do capacitor sem o uso de resistências indutivas. Para isso, a tensão da fase de alimentação foi aplicada em uma bobina sem nenhuma transformação e na outra, deslocada por capacitores. O resultado foi um torque aceitável para o motor.

Mas, para girar o rotor, era necessário criar um torque adicional conectando o terceiro enrolamento por meio de capacitores de partida. É impossível usá-los para operação constante devido à formação de grandes correntes no circuito de partida, que rapidamente criam aumento do aquecimento. Portanto, este circuito foi ligado brevemente para ganhar o momento de inércia da rotação do rotor.

Tais esquemas eram mais fáceis de implementar devido à simples formação de bancos de capacitores de valores especificados a partir de elementos individuais disponíveis. Porém, os estrangulamentos tiveram que ser calculados e enrolados de forma independente, o que é difícil de fazer não só em casa.

Porém, as melhores condições para o funcionamento do motor foram criadas com a complexa conexão do capacitor e indutor em diferentes fases com a seleção das direções das correntes nos enrolamentos e o uso de resistores supressores de corrente. Com este método, a perda de potência do motor foi de até 30%.No entanto, os projetos de tais conversores não são economicamente lucrativos, pois consomem mais eletricidade para operação do que o próprio motor.

O circuito de partida do capacitor também consome uma taxa maior de eletricidade, mas em menor grau. Além disso, o motor conectado ao seu circuito é capaz de gerar uma potência pouco superior a 50% daquela que é gerada com uma alimentação trifásica normal.

Devido às dificuldades em conectar um motor trifásico a um circuito de alimentação monofásico e às grandes perdas de potência elétrica e de saída, tais conversores têm mostrado sua baixa eficiência, embora continuem trabalhando em instalações individuais e máquinas de corte de metais.

Dispositivos inversores

Os elementos semicondutores possibilitaram a criação de conversores de fase mais racionais produzidos industrialmente. Seus projetos geralmente são projetados para operar em circuitos trifásicos, mas podem ser projetados para operar com um grande número de strings localizadas em diferentes ângulos.

Quando os conversores são alimentados por uma fase, a seguinte sequência de operações tecnológicas é executada:

1. retificação de tensão monofásica por um nó de diodo;

2. suavização das ondas do circuito de estabilização;

3. conversão de tensão contínua em trifásica pelo método de inversão.

Nesse caso, o circuito de alimentação pode ser composto por três partes monofásicas trabalhando de forma autônoma, conforme discutido anteriormente, ou uma comum, montada, por exemplo, de acordo com um sistema autônomo de conversão de inversor trifásico usando um condutor neutro comum.

Aqui, cada carga de fase opera seus próprios pares de elementos semicondutores, que são controlados por um sistema de controle comum. Eles criam correntes senoidais nas fases das resistências Ra, Rb, Rc, que são conectadas ao circuito de alimentação comum através do fio neutro. Soma os vetores de corrente de cada carga.

A qualidade da aproximação do sinal de saída para uma forma de onda senoidal pura depende do projeto geral e da complexidade do circuito usado.

conversores de frequência

Com base nos inversores, foram criados dispositivos que permitem alterar a frequência das oscilações senoidais em uma ampla faixa. Para o efeito, a eletricidade de 50 hertz que lhes é fornecida sofre as seguintes alterações:

• levantando-se

• estabilização;

• conversão de tensão de alta frequência.

O trabalho segue os mesmos princípios dos projetos anteriores, exceto que o sistema de controle baseado em placas microprocessadas gera uma tensão de saída com frequência aumentada de dezenas de kilohertz na saída do conversor.

A conversão de frequência baseada em dispositivos automáticos permite ajustar de maneira ideal a operação dos motores elétricos no momento da partida, parada e reversão, e é conveniente alterar a velocidade do rotor. Ao mesmo tempo, o impacto prejudicial de transientes na rede de energia externa é drasticamente reduzido.

Leia mais sobre isso aqui: Conversor de frequência - tipos, princípio de operação, esquemas de conexão

Inversores de soldagem

O principal objetivo desses conversores de tensão é manter a queima do arco estável e o fácil controle de todas as suas características, incluindo a ignição.

Para isso, vários blocos são incluídos no projeto do inversor, que executam a execução sequencial:

• correção de tensão trifásica ou monofásica;

• estabilização de parâmetros através de filtros;

• inversão de sinais de alta frequência de tensão DC estabilizada;

• conversão para tensão / h por um transformador abaixador para aumentar o valor da corrente de soldagem;

• ajuste secundário da tensão de saída para formação de arco de soldagem.

Devido ao uso de conversão de sinal de alta frequência, as dimensões do transformador de soldagem são bastante reduzidas e os materiais são economizados para toda a estrutura. Inversores de soldagem têm grandes vantagens em operação em comparação com suas contrapartes eletromecânicas.

Transformadores: conversores de tensão

Em engenharia elétrica e energia, os transformadores que operam no princípio eletromagnético ainda são os mais amplamente utilizados para alterar a amplitude do sinal de tensão.

Possuem duas ou mais bobinas e circuito magnético, através do qual a energia magnética é transmitida para converter a tensão de entrada em uma tensão de saída de amplitude alterada.