電気エネルギー変換の種類

膨大な数の家庭用電化製品や産業設備が仕事で使用されています。 電気エネルギー さまざまな種類の。大勢の人たちによって生み出される EMF と電流源.

発電機セットは工業用周波数で単相または三相電流を生成しますが、化学電源は直流電流を生成します。同時に、実際には、1 種類の電気では特定の機器の動作に十分ではなく、その変換を実行する必要がある状況がよく発生します。

この目的のために、業界は電気エネルギーのさまざまなパラメータで動作し、あるタイプからさまざまな電圧、周波数、相数、および波形を備えた別のタイプに変換する電気デバイスを多数製造しています。実行する機能に応じて、次の変換デバイスに分類されます。

• 単純;

• 出力信号を調整する機能付き。

• 安定させる能力に恵まれています。

分類方法

実行される操作の性質により、コンバータは次のデバイスに分類されます。

• 起立

• 1 つまたは複数のステージの反転。

• 信号周波数の変化。

• 電気システムの相数の変換。

• 電圧の種類を変更します。

新しいアルゴリズムの制御方法に従って、調整可能なコンバーターは次のような動作を行います。

• DC回路で使用されるパルス原理。

• 高調波発振回路で使用される位相法。

最も単純なコンバータ設計には制御機能が装備されていない場合があります。

すべての変換デバイスは、次の回路タイプのいずれかを使用できます。

• 舗装;

• ゼロ;

• 変圧器の有無にかかわらず。

• 1 つ、2 つ、3 つ以上のフェーズで構成されます。

矯正装置

これは最も一般的で古いクラスのコンバータで、交流正弦波 (通常は工業用周波数) から整流または安定化された直流電流を得ることができます。

珍しい展示物

低電力デバイス

ほんの数十年前までは、セレン構造と真空ベースのデバイスがまだ無線工学や電子デバイスで使用されていました。

このようなデバイスは、セレン プレートの単一要素からの電流補正の原理に基づいています。これらは、アダプターを取り付けることによって、単一の構造に順次組み立てられます。補正に必要な電圧が高くなるほど、このような素子が多く使用されます。それらはそれほど強力ではなく、数十ミリアンペアの負荷に耐えることができました。

ランプ整流器の密閉ガラスハウジング内に真空を作成しました。内部には電極、つまりフィラメントを備えたアノードとカソードが収容されており、熱電子放射の流れを確保します。

このようなランプは、前世紀の終わりまで、ラジオ受信機やテレビのさまざまな回路に直流電力を供給していました。

イグニトロンは強力な装置です

産業用デバイスでは、制御されたアーク充電原理で動作するアノード-カソード水銀イオンデバイスが過去に広く使用されてきました。これらは、最大 5 キロボルトまでの整流電圧で数百アンペアの強度の DC 負荷を動作させる必要がある場合に使用されました。

カソードからアノードへの電流の流れには電子の流れが使用されました。これは、発光陰極点と呼ばれる陰極の 1 つまたは複数の領域で発生するアーク放電によって生成されます。それらは、主アークが点火するまで点火電極によって補助アークがオンになると形成されます。

このために、最大数十アンペアの電流強度を持つ数ミリ秒の短期パルスが作成されました。パルスの形状と強度を変更することで、点火装置の動作を制御することが可能になりました。

この設計は、整流中に適切な電圧サポートとかなり高い効率を提供します。しかし、設計の技術的な複雑さと操作の難しさにより、その使用は拒否されました。

半導体デバイス

ダイオード

彼らの研究は、半導体材料または金属と半導体の間の接触によって形成される p-n 接合の特性による一方向の電流伝導の原理に基づいています。

ダイオードは特定の方向にのみ電流を流し、交流正弦波高調波が通過すると半波を遮断するため、整流器として広く使用されています。

現代のダイオードは非常に広範囲に生産されており、さまざまな技術的特性を備えています。

サイリスタ

サイリスタは 4 つの導電層を使用し、3 つの直列接続された p-n 接合 J1、J2、J3 を備えたダイオードよりも複雑な半導体構造を形成します。外層«p»および«n»との接点はアノードおよびカソードとして使用され、内層との接点はUEの制御電極として使用され、サイリスタを動作に切り替えて制御を実行するために使用されます。

正弦波高調波の整流は、半導体ダイオードと同じ原理で行われます。しかし、サイリスタが動作するためには、特定の特性を考慮する必要があります。つまり、その内部遷移の構造は、電荷の通過に対して開いていて、閉じてはいけないということです。

これは、駆動電極に特定の極性の電流を流すことによって行われます。下の写真は、サイリスタを同時に開いて、異なるタイミングで流す電流量を調整する方法を示しています。

正弦波がゼロ値を通過する瞬間に RE に電流が流れると、最大値が生成され、点 «1»、«2»、«3» で徐々に減少します。

このようにして、サイリスタのレギュレーションに合わせて電流が調整されます。電源回路内のトライアックとパワー MOSFET および/または AGBT は同様に動作します。ただし、電流を修正して両方向に流す機能は実行しません。したがって、それらの制御方式では追加のパルス割り込みアルゴリズムが使用されます。

DC/DCコンバーター

これらの設計は整流器の逆のことを行います。これらは、化学電流源から得られる直流から交流正弦波電流を生成するために使用されます。

珍しい展開

19 世紀後半以来、直流電圧を交流電圧に変換するために電気機械構造が使用されてきました。これらは、バッテリまたはバッテリ パックによって電力を供給される直流電気モータと、モータ駆動装置によって電機子が回転する AC 発電機で構成されます。

一部の装置では、発電機の巻線がモーターの共通ローターに直接巻かれていました。この方法では、信号の形状が変化するだけでなく、通常、電圧の振幅または周波数も増加します。

120 度に配置された 3 つの巻線が発電機の電機子に巻かれている場合、その助けを借りて、等価な対称三相電圧が得られます。

アンフォーマーは、半導体素子が大量に導入される前の 1970 年代まで、ラジオランプ、トロリーバス、路面電車、電気機関車の機器として広く使用されていました。

インバータコンバータ

動作原理

検討の基礎として、電池と電球からの KU202 サイリスタ テスト回路を採用します。

SA1 ボタンの常閉接点と低電力フィラメント ランプが回路に組み込まれており、バッテリーの正電位をアノードに供給します。制御電極は、電流リミッタと SA2 ボタンのオープン接点を介して接続されます。カソードはバッテリーのマイナスにしっかりと接続されています。

時刻 t1 でボタン SA2 を押すと、制御電極の回路を通ってカソードに電流が流れ、サイリスタが開き、アノード分岐に含まれるランプが点灯します。このサイリスタの設計上の特徴により、SA2 接点が開いている場合でも燃焼し続けます。

さて、時刻 t2 でボタン SA1 を押します。アノードの供給回路はオフになり、電流の流れが停止するため、ライトが消えます。

提示された写真のグラフは、直流電流が時間間隔 t1 ÷ t2 を通過したことを示しています。ボタンを素早く切り替えると、フォームを形成できます。 方形パルス プラスの記号が付いています。同様に、負の衝動を生み出すこともできます。この目的のためには、電流が逆方向に流れるように回路を少し変更するだけで十分です。

正と負の値を持つ 2 つのパルスのシーケンスは、電気工学において方形波と呼ばれる波形を作成します。その長方形の形状は、反対の符号の 2 つの半波を備えた正弦波にほぼ似ています。

検討中のスキームで、ボタンSA1およびSA2をリレー接点またはトランジスタスイッチに置き換え、特定のアルゴリズムに従って切り替えると、自動的に蛇行状の電流を作成し、特定の周波数、デューティに調整することが可能になります。周期、周期。このような切り替えは特別な電子制御回路によって制御されます。

電源部のブロック図

例として、ブリッジ インバータの最も単純な 1 次システムを考えてみましょう。

ここでは、サイリスタの代わりに、特別に選択されたフィールド トランジスタ スイッチが方形パルスの形成を処理します。負荷抵抗 Rn はブリッジの対角線に含まれます。各トランジスタの供給電極「ソース」と「ドレイン」はシャントダイオードを介して逆向きに接続され、制御回路の出力接点は「ゲート」に接続されます。

制御信号の自動動作により、異なる持続時間と符号の電圧パルスが負荷に出力されます。それらのシーケンスと特性は、出力信号の最適なパラメーターに合わせて調整されます。

対角線抵抗に対する印加電圧の作用下で、過渡プロセスを考慮すると、電流が発生し、その形状はすでに蛇行よりも正弦波に近くなります。

技術的な実装の難しさ

インバータの電源回路が良好に機能するには、スイッチングスイッチに基づく制御システムの信頼性の高い動作を確保する必要があります。それらは双方向導電特性を備えており、逆ダイオードを接続することによってトランジスタを分流することによって形成されます。

出力電圧の振幅を調整するために最もよく使用されます。 パルス幅変調原理 各半波のパルス領域をその持続時間を制御する方法で選択することによって。この方法に加えて、パルス振幅変換を使用するデバイスもあります。

出力電圧の回路を形成する過程で、半波の対称性の違反が発生し、誘導性負荷の動作に悪影響を及ぼします。これは変圧器で最も顕著です。

制御システムの動作中に、電力回路のキーを生成するためのアルゴリズムが設定されます。これには 3 つの段階が含まれます。

1.真っ直ぐ。

2. 短絡。

3. その逆。

負荷では、脈動電流だけでなく、電流の方向が変化する可能性もあり、これによりソース端子にさらなる外乱が生じます。

代表的なデザイン

インバーターの作成に使用されるさまざまな技術ソリューションの中で、複雑さの増加の程度の観点から考慮すると、次の 3 つのスキームが一般的です。

1. 変圧器のないブリッジ;

2. 変圧器の中性端子付き。

3. トランス付きブリッジ。

出力波形

インバーターは電圧を供給するように設計されています。

• 長方形;

• 台形;

• 段階的な交流信号。

• 正弦波。

位相変換器

業界では、特定の種類の電源からの電力を考慮して、特定の動作条件下で動作する電気モーターを製造しています。ただし、実際には、さまざまな理由により、三相非同期モーターを単相ネットワークに接続する必要がある状況が発生します。この目的のために、さまざまな電気回路や装置が開発されてきました。

エネルギー集約型テクノロジー

三相非同期モーターのステーターには、互いに 120 度離れて配置された、特定の方法で巻かれた 3 つの巻線が含まれており、それぞれの電圧位相の電流が印加されると、独自の回転磁界を生成します。電流の方向は、磁束が互いに補完し、ローターの回転に相互作用をもたらすように選択されます。

このようなモーターの電源電圧が 1 相しかない場合、そこから 3 つの電流回路を形成する必要があり、それぞれも 120 度シフトされます。回転しない、または回転不良の原因となります。

電気工学では、以下に接続することで、電圧に対して電流ベクトルを回転させる簡単な方法が 2 つあります。

1. 電流が電圧より 90 度遅れ始めるときの誘導負荷。

2.90度の電流導体を作成する能力。

上の写真は、電圧 Ua の 1 つの位相から、120 度ではなく、前後に 90 度だけシフトされた電流を得ることができることを示しています。さらに、許容可能なモーター動作モードを生成するには、コンデンサとチョーク定格を選択する必要もあります。

このような方式の実際的な解決策では、ほとんどの場合、誘導抵抗を使用せずにコンデンサー方式で止まります。この目的のために、供給相の電圧は変換せずに一方のコイルに印加され、もう一方のコイルにはコンデンサによってシフトされます。結果は、エンジンにとって許容可能なトルクでした。

しかし、ローターを回転させるためには、始動コンデンサーを介して 3 次巻線を接続して追加のトルクを生み出す必要がありました。始動回路に大電流が形成され、すぐに発熱が増加するため、これらを定常運転に使用することは不可能です。したがって、この回路を短時間オンにして、ローター回転の慣性モーメントを獲得しました。

このようなスキームは、個々の利用可能な要素から指定された値のコンデンサバンクを簡単に形成できるため、実装が容易でした。ただし、チョークは独立して計算して巻く必要があり、これは自宅で行うだけでなく困難です。

ただし、巻線の電流の方向の選択と電流抑制抵抗の使用により、コンデンサとチョークを異なる位相で複雑に接続することで、モーターの動作に最適な条件が作成されます。この方法では、エンジン出力の損失は最大 30% でした。しかし、このようなコンバータの設計は、エンジン自体よりも動作に多くの電力を消費するため、経済的に利益が得られません。

コンデンサ始動回路も消費電力が増加しますが、程度は低くなります。さらに、その回路に接続されたモーターは、通常の三相電源で生成される電力の 50% をわずかに超える電力を生成できます。

三相モーターを単相電源回路に接続するのが難しく、電力と出力の損失が大きいため、このようなコンバーターは個々の設備や金属切断機では引き続き動作しますが、効率が低いことが示されています。

インバータ装置

半導体素子により、工業ベースで生産されるより合理的な位相コンバータを作成することが可能になりました。通常、その設計は三相回路で動作するように設計されていますが、異なる角度に配置された多数のストリングで動作するように設計することもできます。

コンバータが 1 相で電力供給されている場合、次の一連の技術的操作が実行されます。

1. ダイオードノードによる単相電圧の整流。

2. 安定化回路からの波形を平滑化します。

3. インバージョン方式による直流電圧の三相への変換。

この場合、供給回路は、前述したように自律的に動作する 3 つの単相部品で構成することも、たとえば中性点共通導体を使用する自律三相インバータ変換システムに従って組み立てられた 1 つの共通部品で構成することもできます。

ここで、各相負荷は、共通の制御システムによって制御される独自の半導体素子のペアを動作させます。これらは、中性線を介して共通の電源回路に接続されている抵抗 Ra、Rb、Rc の各相に正弦波電流を生成します。各負荷からの電流ベクトルを加算します。

出力信号を純粋な正弦波形状に近似する品質は、全体の設計と使用する回路の複雑さに依存します。

周波数変換器

インバータに基づいて、正弦波発振の周波数を広範囲で変更できるデバイスが作成されました。この目的のために、それらに供給される 50 ヘルツの電力は次のような変化を受けます。

• 起立

• 安定;

• 高周波電圧変換。

この作業は、マイクロプロセッサーボードに基づく制御システムがコンバーターの出力で数十キロヘルツの周波数を高めた出力電圧を生成することを除いて、以前のプロジェクトと同じ原理に基づいています。

自動装置による周波数変換により、発進・停止・後進時の電動モーターの動作を最適に調整でき、ローターの速度変更にも便利です。同時に、外部電力ネットワークにおける過渡現象の有害な影響が大幅に軽減されます。

詳細については、こちらをご覧ください。 周波数変換器 - 種類、動作原理、接続方式

溶接インバータ

これらの電圧コンバータの主な目的は、安定したアーク燃焼を維持し、点火を含むそのすべての特性を簡単に制御することです。

この目的のために、インバータの設計には、順次実行を実行するいくつかのブロックが含まれています。

• 三相または単相電圧の補正。

• フィルターによるパラメータの安定化。

• 安定化された DC 電圧からの高周波信号の反転。

• 降圧変圧器によって/h電圧に変換して溶接電流の値を増加させます。

• 溶接アーク形成のための出力電圧の二次調整。

高周波信号変換の使用により、溶接トランスの寸法が大幅に縮小され、構造全体の材料が節約されます。 溶接インバータ 電気機械式の対応物と比較して、動作において大きな利点があります。

変圧器: 電圧変換器

電気工学とエネルギーでは、電磁原理で動作する変圧器が電圧信号の振幅を変更するために今でも最も広く使用されています。

コイルが 2 つ以上あり、 磁気回路、そこを介して磁気エネルギーが伝達され、入力電圧が振幅が変更された出力電圧に変換されます。