 |
Виды компонентной базы преобразователей энергии.
|
|
|
|
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
Кафедра
" Радиосвязи, Радиовещания и Телевидения"
УЧЕБНАЯ ПРАКТИКА
РЕФЕРАТ
“Исследование современных преобразователей энергии и их применение”
Студент группы ИКТ- 43 Сорокин Георгий Дмитриевич
(роспись) Фамилия И. О.
Руководитель Кирпичникова Марина Юрьевна
(роспись) Фамилия И. О.
Самара, 2015
Научно-техническая революция выдвинула область электротехники на передний край технического прогресса. Современная электротехника не может обойтись без преобразователей энергии. В данной работе будут рассмотрены преобразователи энергии их виды, свойства, характеристики и области их применения.
Преобразователь электрической энергии – электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и показателей качества. По степени управляемости, преобразователи электрической энергии подразделяются на неуправляемые и управляемые. В управляемых преобразователях выходные переменные: напряжение, ток, частота — могут регулироваться.
Виды преобразователей энергии.
Выпрямитель - преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока.
Выпрямители делятся на две группы:
· Неуправляемые выпрямители: не обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости — диодах.
|
|
|
· Управляемые выпрямители: выполняются на тиристорах и позволяют регулировать свое выходное напряжение за счет соответствующего управления ими.
· Реверсивные выпрямители: позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке.
· Нереверсивные.
По числу фаз питающего входного напряжения переменного тока выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные, а по схеме силовой части — на мостовые и с нулевым выводом.
Инвертор - преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Эти преобразователи используются в составе преобразователей частоты в случае питания электропривода от сети переменного тока или в виде самостоятельного преобразователя при питании электропривода от источника постоянного напряжения. В схемах электроприводов наибольшее применение нашли автономные инверторы напряжения и тока, реализуемые на тиристорах или транзисторах.
Делятся на:
· Автономные инверторы напряжения (АИН)
· Автономные инверторы тока (АИТ)
Преобразователь частоты (ПЧ) - преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в напряжение переменного тока регулируемой частоты. Полупроводниковые преобразователи частоты подразделяются на две группы:
· Преобразователи частоты с непосредственной связью - устройства позволяющие изменять частоту напряжения на нагрузке только в сторону ее уменьшения по сравнению с частотой напряжения источника питания.
· Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока - не имеют подобного ограничения и находят более широкое применение в электротехнике.
Регулятор напряжения переменного тока - преобразователь напряжения переменного тока стандартных частоты и напряжения в регулируемое напряжение переменного тока той же частоты. Они могут быть одно- и трехфазными и используют в своей силовой части, как правило, однооперационные тиристоры.
|
|
|
Регулятор напряжения постоянного тока - преобразователь нерегулируемого напряжения источника постоянною тока в регулируемое напряжение на нагрузке. В таких преобразователях используются силовые полупроводниковые управляемые ключи, работающие в импульсном режиме, а регулирование напряжения в них происходит за счет модуляции напряжения источника питания.
Виды компонентной базы преобразователей энергии.
Умформер. - Чаще всего представляет собой электродвигатель, соединенный валом с генератором. В конструкцию также вводятся дополнительные устройства для стабилизации выходного напряжения и частоты. Известны также умформеры с единым ротором, в которых обмотки разного рода тока разъединены. Обмотки постоянного тока выводятся на коллектор, а переменного — на контактные кольца. Также есть машины с общими обмотками для разного рода тока. Умформеры могут применятся для преобразования таких параметров как род тока, напряжение и частота.
К достоинствам умформера можно отнести низкий коэффициент нелинейных искажений, высокий КПД преобразования, фильтрация бросков тока при резком изменении нагрузки и кратковременном отключении питающего напряжения за счет инерции ротора, получение на выходе почти идеального синусоидального напряжения, без шумов, связанных с работой других потребителей сети, возможность получить на выходе трехфазное напряжение без какого-либо существенного усложнения конструкции, большие мощности а также возможность преобразования постоянного тока и устойчивость к радиации. Недостатками умформера являются: материалоемкость при производстве и связанная с этим высокая стоимость, наличие изнашивающихся подвижных частей, вибрация и шум, необходимость технического обслуживания (смазка подшипников, чистка коллекторов, замена щеток в коллекторных машинах).
В настоящее время, умформер вытеснен из мобильных применений твердотельными преобразователями, а также более широким использованием низковольтной аппаратуры. По-прежнему выгодно применяется в промышленности и энергетике для преобразования сравнительно больших мощностей. Перспективно применение умформеров на основе асинхронизированных синхронных машин для передачи мощностей между сетями 50 и 60 Гц.
|
|
|
Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования напряжений переменного тока без изменения частоты посредством магнитной индукции. Трансформатор применяется в самых различных областях — электроэнергетике, электронике, радиотехнике и др.
Классификацию трансформаторов можно произвести по нескольким признакам:
1. По назначению - трансформаторы разделяют на силовые общего и специального применения. Силовые трансформаторы общего применения используются в линиях передачи и распределения электроэнергии. Для режима их работы характерна частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений. К трансформаторам специального назначения относятся силовые специальные (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы), измерительные и испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования числа фаз, формы кривой ЭДС, частоты и т.д.
2. По виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.
3. По числу фаз на первичной стороне – однофазные и трёхфазные.
4. По форме магнитопровода – стержневые, броневые, тороидальные.
5. По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).
6. По конструкции обмоток – с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.
Также, трансформаторы делятся по видам:
Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Силовой трансформатор переменного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях переменного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных и специальных трансформаторов.
|
|
|
Автотрансформатор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения.
Трансформатор тока — трансформатор, первичная обмотка которого питается от источника тока. Типичное применение — для снижения тока первичной обмотки до удобной величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку.
Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях Радиорелейной Защиты и Автоматики. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.
Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса. Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью.
Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции.
Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между частями схем.
Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.
|
|
|
Достоинствами трансформаторов являются: высокая надежность, оптимальные условия передачи мощности, малое падение питающего напряжения, высокий КПД. К недостаткам можно отнести большие габариты, невозможность преобразования постоянного тока.
Ртутный выпрямитель, игнитрон - одноанодный ионный прибор с ртутным катодом и управляемым дуговым разрядом. Применяется в качестве ртутного электрического вентиля в мощных выпрямительных устройствах, электроприводах, электросварочных устройствах, тяговых и выпрямительных подстанциях со средней силой тока в сотни ампер и выпрямленным напряжением до 5 кВ. Для игнитрона характерно незначительное падение напряжения (около 15—20 В) и высокий КПД 98-99 %.
Принцип действия игнитрона: Испускание электронов, вызывающее основной дуговой разряд между анодом и катодом, происходит при положительном напряжении на аноде с одного или нескольких ярко светящихся участков катода (катодных пятен). Катодные пятна создаются вспомогательной дугой, которая образуется периодически перед зажиганием основной дуги пропусканием импульсов тока амплитудой до нескольких десятков ампер и длительностью несколько миллисекунд через поджигающий электрод из карбида бора, частично погружённый в жидкую ртуть катода. Изменяя момент зажигания вспомогательной дуги, можно управлять началом зажигания основной дуги и тем самым регулировать среднее значение силы выпрямленного анодного тока от максимальной до нуля.
Достоинствами игнитрона являются большая преобразуемая мощность – показатель которой до сих пор не превзойден полупроводниковыми приборами и стойкость к коротким замыканиям и перенапряжениям.
Недостатками игнитрона являются: длительное время подготовки к работе, хрупкие корпуса из стекла и керамики, наполнение парами ртути, которые представляют высокий риск загрязнения окружающей среды в случае повреждения корпуса.
Полупроводниковые приборы – делятся на три вида: диодные, тиристоры и транзисторы.
Диод - полупроводниковый прибор, во внутренней структуре которого сформирован один или несколько p-n-переходов.
Принцип действия полупроводниковых диодов основывается на различных физических явлениях переноса зарядов в твердотельном полупроводнике и взаимодействии их с электромагнитным полем в полупроводнике.
Виды диодов:
-Выпрямительные диоды: предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
-Импульсные диоды: имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.
-Детекторные диоды: предназначены для детектирования сигнала
-Смесительные диоды: предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.
-Переключательные диоды: предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.
-Параметрические
-Ограничительные диоды: предназначены для защиты радио и бытовой -аппаратуры от повышения сетевого напряжения.
- Умножительные
-Настроечные
-Генераторные
Использование диодов: преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи.
Также, широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения). С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Также, диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Например: логические операции И, ИЛИ и их сочетания.
Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:
«закрытое» состояние — состояние низкой проводимости;
«открытое» состояние — состояние высокой проводимости.
Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов. Также, тиристоры применяются в переключающих устройствах.
Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом:
· по способу управления;
по проводимости:
· тиристоры, проводящие ток в одном направлении (тринистор).
· тиристоры, проводящие ток в двух направлениях (симисторы, симметричные динисторы).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тиристора нелинейна и показывает, что сопротивление тиристора отрицательное дифференциальное. По сравнению с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением, либо светом (у фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала. Тиристор остаётся в открытом состоянии до тех пор, пока протекающий через него ток превышает ток удержания.
Рис 1.Вольт-Амперная характеристика тиристора.
Режимы работы триодного тиристора:
Режим обратного запирания:
Два основных фактора ограничивают режим обратного пробоя и прямого пробоя:
1.лавинный пробой;
2.прокол обеднённой области.
Рис 2.Режим обратного запирания тиристора
В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы J1 и J3 смещены в обратном направлении, а переход J2 смещён в прямом (см. рис 2). В этом случае большая часть приложенного напряжения падает на одном из переходов J1 или J3 (в зависимости от степени легирования различных областей). Пусть это будет переход J1. В зависимости от толщины Wn1 слоя n1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обеднённой области при пробое меньше Wn1) либо проколом (обеднённый слой распространяется на всю область n1, и происходит смыкание переходов J1 и J2).
Режим прямого запирания
При прямом запирании напряжение на аноде положительно по отношению к катоду и обратно смещён только переход J2. Переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе J2. Через переходы J1 и J3 в области, примыкающие к переходу J2, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода J2, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через тиристор сначала растёт медленно. В этом режиме тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода J2 всё ещё очень велико. По мере увеличения напряжения на тиристоре снижается доля напряжения, падающего на J2, и быстрее возрастают напряжения на J1 и J3, что вызывает дальнейшее увеличение тока через тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область J2. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен вольт) - напряжения переключения, процесс приобретает лавинообразный характер, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью, и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи.
Режим прямой проводимости
Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три перехода смещены в прямом направлении. Дырки инжектируются из области p1, а электроны — из области n2, и структура n1-p2-n2 ведёт себя аналогично насыщенному транзистору с удалённым диодным контактом к области n1.
Классификация тиристоров.
по проводимости и количеству выводов:
* тиристор диодный (динистор) — тиристор, имеющий два вывода:
*тиристор диодный, не проводящий ток в обратном направлении;
*тиристор диодный, проводящий ток в обратном направлении;
*тиристор диодный симметричный;
*тиристор триодный (тринистор) — тиристор, имеющий три вывода:
*тиристор триодный, не проводящий тое в обратном направлении;
*тиристор триодный, проводящий ток в обратном направлении (тиристор-диод);
*тиристор триодный симметричный (симистор) – пропускает ток в обоих направлениях, по своей структуре является аналогом встречно-параллельного включения двух тиристоров.;
*тиристор триодный асимметричный;
*запираемый тиристор (тиристор триодный выключаемый).
|
|
|
