أنواع تحويل الطاقة الكهربائية

يتم تشغيل عدد كبير من الأجهزة المنزلية والمنشآت الصناعية في عملهم بواسطة طاقة كهربائية من أنواع مختلفة. تم إنشاؤه من قبل الكثرة EMF والمصادر الحالية.

تنتج مجموعات المولدات تيارًا أحادي الطور أو ثلاثي الطور بتردد صناعي ، بينما تنتج المصادر الكيميائية تيارًا مباشرًا. في الوقت نفسه ، من الناحية العملية ، غالبًا ما تنشأ المواقف عندما يكون نوع واحد من الكهرباء غير كافٍ لتشغيل بعض الأجهزة ويكون من الضروري إجراء تحويلها.

لهذا الغرض ، تنتج الصناعة عددًا كبيرًا من الأجهزة الكهربائية التي تعمل بمعلمات مختلفة للطاقة الكهربائية ، وتحويلها من نوع إلى آخر بجهد وتواتر وعدد مراحل وأشكال موجية مختلفة. وفقًا للوظائف التي يؤدونها ، يتم تقسيمهم إلى أجهزة تحويل:

• بسيط؛

• مع القدرة على ضبط إشارة الخرج ؛

• تتمتع بالقدرة على الاستقرار.

طرق التصنيف

حسب طبيعة العمليات التي يتم إجراؤها ، يتم تقسيم المحولات إلى أجهزة:

• يقف

• عكس مرحلة واحدة أو أكثر ؛

• التغييرات في تردد الإشارة ؛

• تحويل عدد مراحل النظام الكهربائي ؛

• تغيير نوع الجهد.

وفقًا لأساليب التحكم في الخوارزميات الناشئة ، تعمل المحولات القابلة للتعديل على:

• مبدأ النبض المستخدم في دوائر التيار المستمر ؛

• طريقة المرحلة المستخدمة في دوائر التذبذب التوافقي.

قد لا تكون أبسط تصميمات المحولات مجهزة بوظيفة تحكم.

يمكن لجميع أجهزة التحويل استخدام أحد أنواع الدوائر التالية:

• الرصيف.

• صفر؛

• مع أو بدون محول ؛

• بمرحلة أو مرحلتين أو ثلاث أو أكثر.

الأجهزة التصحيحية

هذه هي الفئة الأكثر شيوعًا والأقدم من المحولات التي تسمح لك بالحصول على تيار مباشر مصحح أو ثابت من تردد جيبي متناوب ، وعادة ما يكون صناعيًا.

معروضات نادرة

أجهزة منخفضة الطاقة

قبل بضعة عقود فقط ، كانت هياكل السيلينيوم والأجهزة القائمة على الفراغ لا تزال تُستخدم في هندسة الراديو والأجهزة الإلكترونية.

تعتمد هذه الأجهزة على مبدأ التصحيح الحالي من عنصر واحد من صفيحة السيلينيوم. تم تجميعها بالتسلسل في هيكل واحد عن طريق تركيب المحولات. كلما زاد الجهد المطلوب للتصحيح ، زاد استخدام هذه العناصر. لم تكن قوية جدًا ويمكنها تحمل حمولة تصل إلى عدة عشرات من المللي أمبير.

تم إنشاء فراغ في الغلاف الزجاجي المحكم لمعدلات المصباح. يحتوي على أقطاب كهربائية: أنود وكاثود مع خيوط ، والتي تضمن تدفق الإشعاع الحراري.

قدمت هذه المصابيح طاقة تيار مباشر لدوائر مختلفة من أجهزة استقبال الراديو والتلفزيون حتى نهاية القرن الماضي.

الإشعال هي أجهزة قوية

في الأجهزة الصناعية ، تم استخدام أجهزة أيون الزئبق كاثود الأنود التي تعمل على مبدأ الشحن القوسي المتحكم به على نطاق واسع في الماضي. تم استخدامها حيث كان من الضروري تشغيل حمل تيار مستمر بقوة مئات الأمبيرات بجهد مصحح يصل إلى خمسة كيلوفولت ويشمل ذلك.

تم استخدام تدفق الإلكترون لتدفق التيار من الكاثود إلى الأنود. يتم إنشاؤه عن طريق تصريف الانحناء الناتج في منطقة واحدة أو أكثر من الكاثود ، تسمى بقع الكاثود المضيئة. تتشكل عندما يتم تشغيل القوس الإضافي بواسطة قطب الإشعال حتى يشتعل القوس الرئيسي.

لهذا الغرض ، تم إنشاء نبضات قصيرة المدى تصل إلى بضعة أجزاء من الألف من الثانية بقوة حالية تصل إلى عشرات الأمبيرات. أتاح تغيير شكل وقوة النبضات التحكم في تشغيل جهاز الإشعال.

يوفر هذا التصميم دعمًا جيدًا للجهد أثناء التصحيح وكفاءة عالية إلى حد ما. لكن التعقيد الفني للتصميم والصعوبات في التشغيل أدى إلى رفض استخدامه.

أجهزة أشباه الموصلات

الثنائيات

يعتمد عملهم على مبدأ التوصيل الحالي في اتجاه واحد نظرًا لخصائص الوصلة pn التي تشكلت عن طريق التلامس بين مواد أشباه الموصلات أو المعدن وأشباه الموصلات.

الثنائيات تمر فقط في اتجاه معين ، وعندما يمر التوافقي الجيبي المتناوب من خلالها ، فإنها تقطع نصف موجة وبالتالي تستخدم على نطاق واسع كمقومات.

يتم إنتاج الثنائيات الحديثة في نطاق واسع جدًا وتتمتع بخصائص تقنية مختلفة.

الثايرستور

يستخدم الثايرستور أربع طبقات موصلة تشكل بنية أشباه موصلات أكثر تعقيدًا من الصمام الثنائي مع ثلاثة تقاطعات p-n متصلة بالسلسلة J1 و J2 و J3. تُستخدم جهات الاتصال مع الطبقة الخارجية «p» و «n» كقطب موجب وكاثود ، ومع الطبقة الداخلية كقطب تحكم في UE ، والذي يستخدم لتحويل الثايرستور إلى العمل وإجراء التنظيم.

يتم إجراء تصحيح التوافقية الجيبية على نفس المبدأ مثل الصمام الثنائي شبه الموصّل. ولكن لكي يعمل الثايرستور ، من الضروري مراعاة خاصية معينة - يجب أن يكون هيكل انتقالاته الداخلية مفتوحًا لمرور الشحنات الكهربائية ، وليس مغلقًا.

يتم ذلك عن طريق تمرير تيار من قطبية معينة عبر قطب القيادة. توضح الصورة أدناه طرق فتح الثايرستور المستخدمة في وقت واحد لضبط مقدار التيار المار في أوقات مختلفة.

عندما يتم تطبيق التيار من خلال RE في لحظة تمرير الجيب عبر القيمة الصفرية ، يتم إنشاء قيمة قصوى ، والتي تتناقص تدريجياً عند النقاط «1» ، «2» ، «3».

بهذه الطريقة ، يتم ضبط التيار مع تنظيم الثايرستور. تعمل Triacs و MOSFETs و / أو AGBTs في دوائر الطاقة بطريقة مماثلة. لكنهم لا يؤدون وظيفة تصحيح التيار ، ويمررونه في كلا الاتجاهين. لذلك ، تستخدم مخططات التحكم الخاصة بهم خوارزمية إضافية لمقاطعة النبض.

محولات DC / DC

هذه التصاميم تفعل عكس المقومات. يتم استخدامها لتوليد تيار جيبي متناوب من تيار مباشر يتم الحصول عليه من مصادر التيار الكيميائي.

تطور نادر

منذ أواخر القرن التاسع عشر ، تم استخدام هياكل الآلات الكهربائية لتحويل الجهد المباشر إلى جهد متناوب. إنها تتكون من محرك كهربائي تيار مباشر يتم تشغيله بواسطة بطارية أو حزمة بطارية ومولد تيار متردد يتم تدوير عضوه الحركي بواسطة محرك المحرك.

في بعض الأجهزة ، يتم لف لف المولد مباشرة على الدوار المشترك للمحرك. لا تؤدي هذه الطريقة إلى تغيير شكل الإشارة فحسب ، بل تؤدي أيضًا ، كقاعدة عامة ، إلى زيادة سعة أو تردد الجهد.

إذا تم لف ثلاث لفات تقع عند 120 درجة على المحرك للمولد ، فبمساعدته يتم الحصول على جهد ثلاثي متماثل مكافئ.

تم استخدام المظلات على نطاق واسع حتى السبعينيات من القرن الماضي لمصابيح الراديو ومعدات الترولي باص والترام والقاطرات الكهربائية قبل الإدخال الشامل لعناصر أشباه الموصلات.

محولات العاكس

مبدأ التشغيل

كأساس للنظر ، نأخذ دائرة اختبار الثايرستور KU202 من بطارية ومصباح كهربائي.

تم دمج جهة اتصال مغلقة عادةً لزر SA1 ومصباح فتيل منخفض الطاقة في الدائرة لتزويد القطب الموجب بالبطارية. يتم توصيل قطب التحكم من خلال محدد تيار واتصال مفتوح لزر SA2. يرتبط الكاثود بإحكام بالبطارية السالبة.

إذا ضغطت في الوقت t1 على الزر SA2 ، فسوف يتدفق التيار إلى الكاثود من خلال دائرة قطب التحكم ، والذي سيفتح الثايرستور وسيضيء المصباح الموجود في فرع الأنود. نظرًا لخصائص تصميم هذا الثايرستور ، فإنه سيستمر في الاحتراق حتى عند فتح جهة الاتصال SA2.

الآن في الوقت t2 نضغط على الزر SA1.سوف تنطفئ دائرة إمداد القطب الموجب وينطفئ الضوء بسبب توقف تدفق التيار من خلاله.

يوضح الرسم البياني للصورة المقدمة أن تيارًا مباشرًا يمر عبر الفاصل الزمني t1 ÷ t2. إذا قمت بتبديل الأزرار بسرعة كبيرة ، فيمكنك تشكيلها نبضة مستطيلة بعلامة موجبة. وبالمثل ، يمكنك إنشاء دافع سلبي. لهذا الغرض ، يكفي تغيير الدائرة قليلاً للسماح للتيار بالتدفق في الاتجاه المعاكس.

يؤدي تسلسل نبضتين بقيم موجبة وسالبة إلى تكوين شكل موجة يسمى موجة مربعة في الهندسة الكهربائية. يشبه شكله المستطيل تقريبًا موجة جيبية ذات نصف موجتين من الإشارات المتقابلة.

إذا قمنا في المخطط قيد الدراسة باستبدال الأزرار SA1 و SA2 بجهات اتصال مرحل أو مفاتيح ترانزستور وقمنا بتبديلها وفقًا لخوارزمية معينة ، فسيكون من الممكن تلقائيًا إنشاء تيار متعرج وضبطه على تردد معين ، واجب دورة ، فترة. يتم التحكم في هذا التبديل بواسطة دائرة تحكم إلكترونية خاصة.

مخطط كتلة لقسم امدادات الطاقة

كمثال ، ضع في اعتبارك أبسط نظام أساسي لعاكس الجسر.

هنا ، بدلاً من الثايرستور ، تتعامل مفاتيح ترانزستور المجال المختارة خصيصًا مع تشكيل نبضة مستطيلة. يتم تضمين مقاومة الحمل Rn في قطري جسرهم. ترتبط أقطاب الإمداد لكل ترانزستور «مصدر» و «استنزاف» بشكل معاكس بصمامات ثنائية التحويلية ، كما أن جهات الاتصال الناتجة عن دائرة التحكم متصلة بـ «البوابة».

نظرًا للتشغيل التلقائي لإشارات التحكم ، يتم إخراج نبضات الجهد ذات المدة والعلامة المختلفة إلى الحمل. تم تصميم تسلسلها وخصائصها وفقًا للمعلمات المثلى لإشارة الخرج.

تحت تأثير الفولتية المطبقة على المقاومة القطرية ، مع مراعاة العمليات العابرة ، ينشأ تيار يكون شكله أقرب بالفعل إلى الجيوب الأنفية من الشكل المتعرج.

صعوبات في التنفيذ الفني

من أجل الأداء الجيد لدائرة الطاقة الخاصة بالعاكسات ، من الضروري ضمان التشغيل الموثوق به لنظام التحكم ، والذي يعتمد على مفاتيح التبديل. وهي تتمتع بخصائص موصلة ثنائية وتتكون عن طريق تحويل الترانزستورات عن طريق توصيل الثنائيات العكسية.

لضبط سعة جهد الخرج ، يتم استخدامه غالبًا مبدأ تعديل عرض النبضة عن طريق اختيار منطقة النبض لكل نصف موجة بطريقة التحكم في مدتها. بالإضافة إلى هذه الطريقة ، هناك أجهزة تعمل مع تحويل اتساع النبضة.

في عملية تشكيل دوائر جهد الخرج ، يحدث انتهاك لتماثل الموجات النصفية ، مما يؤثر سلبًا على تشغيل الأحمال الاستقرائية. هذا هو الأكثر وضوحا مع المحولات.

أثناء تشغيل نظام التحكم ، يتم تعيين خوارزمية لتوليد مفاتيح دائرة الطاقة ، والتي تتضمن ثلاث مراحل:

1. على التوالي ؛

2. ماس كهربائى.

3. العكس.

في الحمل ، لا تكون التيارات النابضة فقط ممكنة ، ولكن أيضًا التيارات المتغيرة في الاتجاه ، والتي تخلق اضطرابات إضافية في محطات المصدر.

تصميم نموذجي

من بين العديد من الحلول التكنولوجية المختلفة المستخدمة لإنشاء محولات ، هناك ثلاثة مخططات شائعة ، يتم النظر فيها من وجهة نظر درجة الزيادة في التعقيد:

1. جسر بدون محول.

2. مع المحطة المحايدة للمحول ؛

3. الجسر مع المحولات.

الإخراج الموجي

العواكس مصممة لتزويد الجهد:

• مستطيلي؛

• شبه منحرف؛

• صعدت إشارات متناوبة ؛

• أشباه الجيوب.

محولات المرحلة

تنتج الصناعة محركات كهربائية للعمل في ظل ظروف تشغيل محددة ، مع مراعاة الطاقة من أنواع معينة من المصادر. ومع ذلك ، في الممارسة العملية ، تنشأ المواقف عندما يكون من الضروري ، لأسباب مختلفة ، توصيل محرك غير متزامن ثلاثي الطور بشبكة أحادية الطور. تم تطوير الدوائر والأجهزة الكهربائية المختلفة لهذا الغرض.

تقنيات كثيفة الاستهلاك للطاقة

يشتمل الجزء الثابت للمحرك غير المتزامن ثلاثي الأطوار على ثلاث لفات ملفوفة بطريقة معينة ، وتقع 120 درجة عن بعضها البعض ، كل منها ، عند تطبيق تيار طور جهدها عليه ، تخلق مجالها المغناطيسي الدوار. يتم اختيار اتجاه التيارات بحيث تكمل تدفقاتها المغناطيسية بعضها البعض ، مما يوفر عملًا متبادلًا لدوران الجزء المتحرك.

عندما يكون هناك طور واحد فقط من جهد الإمداد لمثل هذا المحرك ، يصبح من الضروري تكوين ثلاث دوائر تيار منه ، يتم إزاحة كل منها أيضًا بمقدار 120 درجة. خلاف ذلك ، لن يعمل الدوران أو سيكون معيبًا.

في الهندسة الكهربائية ، هناك طريقتان بسيطتان لتدوير متجه التيار بالنسبة للجهد عن طريق الاتصال بـ:

1. الحمل الاستقرائي عندما يبدأ التيار في تأخير الجهد بمقدار 90 درجة ؛

2.القدرة على إنشاء موصل تيار 90 درجة.

توضح الصورة أعلاه أنه من إحدى مراحل الجهد Ua ، يمكنك تحويل التيار بزاوية ليس بمقدار 120 ، ولكن بمقدار 90 درجة فقط للأمام أو للخلف. بالإضافة إلى ذلك ، سيتطلب هذا أيضًا اختيار تصنيفات المكثف والخنق لإنتاج وضع تشغيل محرك مقبول.

في الحلول العملية لمثل هذه المخططات ، غالبًا ما تتوقف عند طريقة المكثف دون استخدام المقاومة الاستقرائية. لهذا الغرض ، تم تطبيق جهد طور الإمداد على ملف واحد دون أي تحويلات ، وعلى الآخر ، تم إزاحته بواسطة المكثفات. كانت النتيجة عزم دوران مقبول للمحرك.

ولكن من أجل قلب الدوار ، كان من الضروري إنشاء عزم دوران إضافي عن طريق توصيل الملف الثالث من خلال مكثفات البدء. من المستحيل استخدامها للتشغيل المستمر بسبب تكوين تيارات كبيرة في دائرة البداية ، مما يؤدي إلى زيادة التسخين بسرعة. لذلك ، تم تشغيل هذه الدائرة لفترة وجيزة للحصول على لحظة القصور الذاتي لدوران الجزء المتحرك.

كانت هذه المخططات أسهل في التنفيذ بسبب التكوين البسيط لبنوك مكثفة ذات قيم محددة من العناصر الفردية المتاحة. ومع ذلك ، كان لا بد من حساب الاختناقات وجرحها بشكل مستقل ، وهو أمر يصعب القيام به ليس فقط في المنزل.

ومع ذلك ، تم إنشاء أفضل الظروف لتشغيل المحرك من خلال الاتصال المعقد للمكثف والخنق في مراحل مختلفة مع اختيار اتجاهات التيارات في اللفات واستخدام مقاومات قمع التيار. بهذه الطريقة ، كان فقدان قوة المحرك يصل إلى 30٪.ومع ذلك ، فإن تصميمات هذه المحولات ليست مربحة من الناحية الاقتصادية ، لأنها تستهلك قدرًا أكبر من الكهرباء للتشغيل من المحرك نفسه.

تستهلك دائرة بدء المكثف أيضًا معدلًا متزايدًا من الكهرباء ، ولكن بدرجة أقل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المحرك المتصل بدائرته قادر على توليد طاقة تزيد قليلاً عن 50٪ من تلك التي يتم إنشاؤها بإمداد عادي ثلاثي الطور.

نظرًا للصعوبات في توصيل محرك ثلاثي الطور بدائرة إمداد أحادية الطور والخسائر الكبيرة في الطاقة الكهربائية والإنتاجية ، فقد أظهرت هذه المحولات كفاءتها المنخفضة ، على الرغم من استمرارها في العمل في التركيبات الفردية وآلات قطع المعادن.

أجهزة العاكس

مكّنت عناصر أشباه الموصلات من إنشاء محولات طور أكثر عقلانية يتم إنتاجها على أساس صناعي. عادة ما يتم تصميم تصميماتها للعمل في دوائر ثلاثية الطور ، ولكن يمكن تصميمها للعمل مع عدد كبير من الأوتار الموجودة في زوايا مختلفة.

عندما يتم تشغيل المحولات بمرحلة واحدة ، يتم تنفيذ التسلسل التالي من العمليات التكنولوجية:

1. تصحيح الجهد أحادي الطور بواسطة عقدة الصمام الثنائي ؛

2. تمهيد الأمواج من دائرة التثبيت.

3. تحويل الجهد المباشر إلى ثلاث مراحل بسبب طريقة الانعكاس.

في هذه الحالة ، يمكن أن تتكون دائرة التوريد من ثلاثة أجزاء أحادية الطور تعمل بشكل مستقل ، كما تمت مناقشته سابقًا ، أو جزء واحد مشترك ، يتم تجميعها ، على سبيل المثال ، وفقًا لنظام تحويل العاكس المستقل ثلاثي الطور باستخدام موصل مشترك محايد.

هنا ، تعمل كل حمولة طور على تشغيل أزواجها الخاصة من عناصر أشباه الموصلات ، والتي يتم التحكم فيها بواسطة نظام تحكم مشترك. إنها تخلق تيارات جيبية في مراحل المقاومة Ra ، Rb ، Rc ، والتي ترتبط بدائرة الإمداد الشائعة من خلال السلك المحايد. يضيف المتجهات الحالية من كل حمولة.

تعتمد جودة تقريب إشارة الخرج إلى شكل موجة جيبية نقية على التصميم العام وتعقيد الدائرة المستخدمة.

محولات التردد

على أساس العواكس ، تم إنشاء أجهزة تسمح بتغيير وتيرة التذبذبات الجيبية في نطاق واسع. لهذا الغرض ، فإن 50 هرتز من الكهرباء التي يتم توفيرها لهم تخضع للتغييرات التالية:

• يقف

• استقرار.

• عالية التردد تحويل الجهد.

يعتمد العمل على نفس مبادئ المشاريع السابقة ، باستثناء أن نظام التحكم المعتمد على لوحات المعالجات الدقيقة يولد جهد خرج بتردد متزايد لعشرات كيلوهرتز عند خرج المحول.

يسمح لك تحويل التردد على أساس الأجهزة التلقائية بضبط تشغيل المحركات الكهربائية على النحو الأمثل في وقت البدء والإيقاف والعكس ، ومن الملائم تغيير سرعة الدوار. في الوقت نفسه ، يتم تقليل التأثير الضار للعابرين في شبكة الطاقة الخارجية بشكل حاد.

قراءة المزيد عنها هنا: محول التردد - الأنواع ، مبدأ التشغيل ، مخططات الاتصال

محولات اللحام

الغرض الرئيسي من محولات الجهد هذه هو الحفاظ على احتراق قوس ثابت والتحكم السهل في جميع خصائصه ، بما في ذلك الاشتعال.

لهذا الغرض ، يتم تضمين عدة كتل في تصميم العاكس ، والتي تؤدي تنفيذًا متسلسلًا:

• تصحيح الجهد ثلاثي الطور أو أحادي الطور ؛

• استقرار المعلمات من خلال المرشحات ؛

• انعكاس الإشارات عالية التردد من جهد التيار المستمر ؛

• التحويل إلى / h بواسطة محول تنحي لزيادة قيمة تيار اللحام ؛

• الضبط الثانوي لجهد الخرج لتشكيل قوس اللحام.

نظرًا لاستخدام تحويل الإشارات عالية التردد ، يتم تقليل أبعاد محول اللحام بشكل كبير ويتم توفير المواد للهيكل بأكمله. محولات اللحام لها مزايا كبيرة في التشغيل مقارنة بنظيراتها الكهروميكانيكية.

المحولات: محولات الجهد

في الهندسة الكهربائية والطاقة ، لا تزال المحولات التي تعمل على المبدأ الكهرومغناطيسي تستخدم على نطاق واسع لتغيير اتساع إشارة الجهد.

لديهم اثنين أو أكثر من الملفات و دائرة مغناطيسية، والتي من خلالها تنتقل الطاقة المغناطيسية لتحويل جهد الدخل إلى جهد خرج بسعة متغيرة.