ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ДРУГИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ В электрической цепи электрическая энергия одновремен получается в источнике и преобразуется в другой вид энерг; в приемнике. Тип приемника выбирают в соответствии с тре емым для практических целей видом неэлектрической энерг Рассмотрим принципы преобразования электрической эн гии в тепловую, световую и химическую; вопрос преобразо ния электрической энергии в механическую рассмотрен в § 10 Преобразование электрической энергии в тепловую Физический процесс преобразования электрической 3Heprf в тепловую рассмотрен в § 2.2. Выразим количество выделенной теплоты через напряжен: и ток. "потенциалов U, заряд перемещенных частиц Q = h. Ра3о° епгия электрического поля, затраченная на перемещение Ценных частиц, согласно (1.5), зар W0=UQ=UIt. ¦ Ра5ОТа сил электрического поля расходуется на нагревание L очника, так как никаких других проявлений этой работы Соблюдается. Поэтому энергию W3 можно считать равной тепловой энергии приемника: W„= W, = Ult. r этой формуле энергия выражена в джоулях. Согласно закону Ома [см. формулу (2.6)], U=IR, тогда W„ = I2Rt. Формула (3.10) является математическим выражением закона Ленца -Джоуля. Количество электрической энергии, преобразуемой в проводнике за единицу времени в тепловую энергию, пропорционально квадрату тока и электрическому Сопротивлению проводника. I Скорость преобразования электрической энергии в другой вид энергии в приемнике называется мощностью приемника: Рп= W„lt=UI. [ Эта формула справедлива для любого приемника независимо от вида энергии, который получается в результате ¦вреобразования. [ Если электрическая энергия полностью превращается в тепловую, то мощность приемника можно выразить через ток в(проводнике и его сопротивление: (3.12) В Явление преобразования в проводниках электрической энер-?Пг)И в тепловую широко используется в практике. На этом даинципе основано действие большинства электрических промышленных и бытовых нагревательных устройств. Преобразование электрической энергии в световую Ле>) "^РинЦип преобразования электрической энергии в тепловую Ни гакже в основе работы электрических ламп накаливания. Г > лампы, изготовленная из тугоплавкого металла При высокой температуре нити лампы часть энерг излучается в виде световой энергии, которая в общем пото энергии, излучаемой лампой, составляет менее 10%. Преобразование электрической энергии в химическую Аккумулятор при зарядке или электролитическая ван являются приемниками электрической энергии. ЭДС аккумулятора Ел при зарядке сохраняет то направление, что и при разрядке; ток же в аккумулято изменяет свое направление на обратное, так как он опреде ется не направлением ЭДС аккумулятора, а ЭДС Е внешнег источника питания (рис. 3.9). ЭДС аккумулятора Ел зарядке направлена против тока и потому называете противоЭДС. Перемещение заряженных частиц при зарядке аккумулято-осуществляется в результате действия электрического пол которое создается источником питания. Силы электрическог поля в любой момент времени уравновешиваются химически? (сторонними) силами, поэтому работа сил электрического по приходящаяся на единицу заряда, может быть приравнен противоЭДС Ел. Тогда энергия, израсходованная на зарядку, W„ = E,Q = EaIt, а мощность потребления электрической энергии Pn=WJt=EaI. (3.13 (3.14 Формулы, выражающие энергию и мощность при разряд* и зарядке аккумулятора, одинаковы. Однако нужно не забыва о физическом различии процессов: в первом случае аккумулят является источником, а во втором -приемником электрическ энергии. При преобразовании элек трической энергии в теплову сопротивление обусловлен соударениями частиц. Пр преобразовании электрическ энергии в химическую прот водействие току оказыва-сторонние силы. Этим объясняется различи выражений (3.11) и (3.14), к" торыми количественно опреде ляется скорость преобразова ния электрической энерг в другой вид энергии. Мощность электрического утюга 300 Вт при напряжении 120 В. Определить ток и сопротивление нагревательного элемента. Задача 3.10. Электродвигатель постоянного тока включен в сеть с напряжением 220 В. Механическая мощность на валу двигателя 8,4 кВт, КПД 84%. Определить электрическую мощность и ток двигателя. j Задача 3.11. На зарядку аккумулятора при токе /=4 А, напряжении на внешних зажимах источника U=30 В затрачивается время f = 6 ч. Определить запас энергии и ЭДС аккумулятора, если известно, что 10% энергии, израсходованной на зарядку, составляют потери в аккумуляторе и соединитель-ы* проводах. ЭДС аккумулятора и зарядный ток предполагаются при I «рядке неизменными.
Энергия играет важную роль не только для жизни на Земле, но и в любом изменении во Вселенной. Преобразование энергии происходит постоянно изменяя свою форму.
Формы её различны и могут быть:
- химическая
- электромагнитная
- световая
- ядерная
- гравитационная
- механическая
- внутренняя или связи частиц.
Химическая
Например, при горении компонентов бензиновой смеси в автомобиле незначительная часть физической величины покоя превращается в тепло, то есть в движение частиц. С помощью поршней тепло превращается в кинетическую форму движения автомобиля.
Подобным образом горение (окисление) угля, бензина, дерева и других видов топлива представляет собой главный способ преобразования энергии из вещества в тепло и свет. Однако, это весьма неэффективный способ, потому что при этом освобождается менее одной миллиардной доли физической величины мощности покоя вещества.
Например, из одного килограмма угля освобождается около 5 000 ккал тепла, что составляет приблизительно 5 кВт/ч энергии.
Мы знаем, что один кг материи (включая и уголь) содержит энергию 25 миллиардов кВт/ч.
Таким образом, при горении используется меньше чем одна миллиардная доля, а всё остальное остается в пепле и дыме. Итак, мы видим, что горение, которое является в настоящее время главным источником энергии для человечества, – невероятно неэффективный способ получения ее из вещества.
Основной химической реакцией во всех живых организмах является окисление. Организм человека в процессе дыхания получает из воздуха кислород, в процессе питания получает углерод и водород, связанные в органических молекулах (в сахаре, белках и т.д.). При окислении углерода и водорода происходит преобразование энергии необходимое для всех жизненно важных процессов в организме.
Каждая химическая реакция означает перегруппировку атомов в молекулах. Она осуществляется при участии электромагнитного взаимодействия между атомами.
Электромагнитная
Имеется две составляющие электрическая и магнитная которые взаимодействуют и порождают друг друга. В генераторе переменного тока или динамо-машине движение превращается в электрическое движущееся поле.
Электрическая составляющая с помощью различных приборов может преобразовывать энергию в тепловую, световую, механическую, электромагнитной волны распространяющийся по пространству и т.д.
Световая
В лампах рефлекторов электричество трансформируется в движение фотонов, в свет, а тот, в свою очередь, поглощается поверхностью дороги и превращается в тепло, то есть в кинетическую форму молекул.
Вселенная состоит из частиц и фотонов представляющих собой кванты световой волны или электромагнитного излучения. Это основные элементарные частицы . Между ними беспрестанно происходит обмен энергией. Например, вещество постоянно излучает фотоны и одновременно поглощает их. Другие процессы где происходит преобразование энергии между этими составными Вселенной являются аннигиляция и материализация.
Ядерное взаимодействие
Ядерное взаимодействие гораздо сильнее электромагнитного. Оно способно освобождать из материи энергию в несколько миллионов раз большую, чем электромагнитное взаимодействие. В атомной электростанции с помощью ядерных сил получают примерно тысячную долю энергии покоя урана.
Звезды способны сделать это еще лучше человека. При превращении водорода в железо, которое происходит в недрах тяжелых звезд, освобождается почти один процент от энергетической возможности водорода.
Солнце освобождает энергию подобным образом, что и водородная бомба за счет синтеза легких элементов в тяжелые. Различие состоит в том, что Солнце это делает гораздо более совершенно, чисто, исключительно ради сохранения жизни, а не для ее уничтожения. Поэтому и обеспечивает жизнь на Земле.
Электромагнитные силы (соединение электрона с ядром или соединение молекул в кристаллы) всегда очень неэффективны.
Гравитационная
И гравитационная сила способна эффективно преобразовывать энергию, но лишь в космических телах, имеющих гигантскую массу, например, в массивных звездах, компактных ядрах галактик и пр. Там гравитация способна выжать из материи почти половину из возможного.
Земля - сравнительно малое тело, поэтому на ней невозможно получить большую величину с помощью гравитации.
Механическая
Самая объяснимая, состоящая из кинетической и потенциальной мера способности совершать работу.
Само механическое движение того или иного объекта может способствовать преобразованию энергии из одного вида в другой. В природе явление этого преобразования встречается везде.
Эту цепочку в которой происходит преобразование энергии из одной формы в другую можно было бы продолжать бесконечно.
Энергия и ее виды. Назначение и использование
В развитии человеческой цивилизации энергия играет важную роль. Потребление энергии имеет приблизительно одинаковый характер изменения во времени с накоплением информации. Объем выпускаемой продукции тесно связан с расходом энергии.
По определению из физической науки энергией называется способность тела или системы тел совершать работу. Классификации форм и видов энергии разнообразны. Наиболее часто в повседневной жизни встречаются следующие виды энергии:
- электрическая
- механическая
- внутренняя
- электромагнитная.
Внутренняя энергия бывает химической, тепловой, атомной. Она обусловливается потенциальной энергией взаимодействия составляющих тело частиц либо кинетической энергией их беспорядочного движения.
Энергия, полученная в результате изменения состояния движения материальных точек либо тел, называется кинетической. К кинетической энергии относятся тепловая энергия, обусловленная движением молекул, и механическая энергия движения тел.
Определение 1
Потенциальная энергия – это энергия, полученная в результате изменения взаимного расположения частей системы либо положения по отношению к другим телам. К потенциальной энергии относятся энергия масс, которые притягиваются по закону тяготения, химическая энергия и энергия положения однородных частиц.
Основным источником энергии является солнце. Под воздействием солнечных лучей хлорофилл, содержащийся в растениях, разлагает углекислый газ, полученный из воздуха, на углерод и кислород. Углерод накапливается в растениях.
За счет солнечной энергии получается и энергия воды. Солнечная энергия испаряет воду и поднимает пар в высокие слои атмосферы.
В результате различной степени нагревания солнцем земли в разных местах возникает ветер, который используется в ветряных двигателях.
Замечание 1
Энергия, которая содержится в природных энергоресурсах может быть преобразована в механическую, электрическую, химическую. Такая энергия называется первичной.
Традиционными видами первичной энергии являются:
- органическое топливо – газ, нефть, уголь и т.д.
- гидроэнергия
- ядерное топливо – уран, торий и т.д.
Замечание 2
Энергия, полученная в результате преобразования первичной, называется вторичной энергией. К ней относится электроэнергия, энергия горячей воды, папа и т.д.
В настоящее время разрабатываются методы по применению нетрадиционных источников энергии, к которым относятся энергия солнца, ветра, теплоты земли, энергия морских волн и приливов. Перечисленные источники энергии являются возобновляемыми, они экологически чисты, в процессе их использования не происходит загрязнения окружающей среды.
В процессе потребления энергии с снабжения ею потребителей выделяется пять стадий:
- Получение энергетических ресурсов. Это добыча топлива и его обогащение, концентрация напоры воды при помощи сооружений гидротехники и т.д.
- Передача добытых энергетических ресурсов к специальным установкам, которые преобразуют ее. Это осуществляется перевозками по суше и воде, а также передачей по трубопроводам газа, нефти, воды и т.д.
- На этой стадии первичная энергия преобразуется во вторичную, которая наиболее оптимальна для конкретных условий. Чаще всего это электрическая и тепловая энергия.
- Передача и распределение преобразованной энергии
- Потребление энергии
Преобразование энергии
Преобразование энергии осуществляется с помощью различных энергетических преобразователей. Такими преобразователями являются специальные устройства, предназначенные для преобразования природной энергии в удобный для использования вид.
Одним из видов преобразователей, являющихся эффективными, выступают тепловые насосы. Они представляют собой устройство, напоминающее холодильник, у которого морозильная камера погружена в море.
Солнечные преобразователи энергии являются достаточно эффективными для некоторых районов земного шара. Солнечные преобразователи энергии используются для космических аппаратов. Энергии этих элементов достаточно для того, чтобы поддерживать работоспособность расположенных на космических аппаратах устройств.
Основной целью термоэмиссионного преобразования энергии является генерация электричества для использования в удаленных районах, в космосе и под водой. При разработке такого преобразователя возникает ряд проблем:
- регулирование и поддержание необходимого вакуума
- разработка коррозионностойкой оболочки корпуса преобразователя и другие.
Термоэмиссионные преобразователи хорошо сочетаются с атомным реактором. ТЭС, ГЭС, АЭС
Не все виды источников энергии являются удобными и могут использоваться. Самыми распространенными, удобными и доступными видами энергии являются нефть, газ, вода. Несколько десятилетий назад к ним добавилась еще атомная энергия.
Тепловые электростанции преобразуют тепловую энергию, выделяющуюся при сжигании топлива, в электрическую. Среди таких электростанций основную часть составляют паротурбинные электростанции. На них тепловая энергия используется в генераторе для получения пара высокого давления, который приводит в движение ротор паровой турбины, соединенный с ротором электрогенератора.
На гидроэлектростанциях энергия потока воды преобразуется в электрическую. Гидроэлектростанция состоит из цепи сооружений, концентрирующих потоки воды и создающих напор, и энергетического оборудования, которое осуществляет преобразование энергии напора воды в механическую, а механическая преобразуется в электрическую. Гидротехнические ресурсы. По сравнению с топливно-энергетическими, являются возобновляемыми.
На атомных электростанциях генератором энергии является атомный реактор. Атомные электростанции функционируют на ядерном горючем, запасы которого превышают запасы органического топлива.
При помощи ветроэнергетических установок происходит преобразование энергии ветра в электроэнергию. Среднегодовая скорость ветра во многих районах составляет 6 м/с, что позволяет эффективно использовать этот способ преобразования энергии.
Приливная энергетика использует энергию прилива Мирового океана. Недостатком этого способа является высокая стоимость сооружения и неравномерность выработки энергии.
Гелиоэнергетика использует солнечное излучения для преобразования ее в электрическую энергию. Для этого устанавливается солнечная батарея, основой которой являются фотоэлементы.
На геотермальных электростанциях преобразуется внутреннее тепло Земли в электричество. Для построения такой электростанции необходимы особе геологические условия, что ограничивает использование этого способа преобразования энергии.
Биоэнергетика использует переработку органических соединений – отходов и мусора – при помощи бактерий.
Генераторные установки вырабатывают однофазный или трехфазный ток промышленный частоты, а химические источники - постоянный. При этом на практике довольно часто возникают ситуации, когда одного вида электроэнергии недостаточно для работы определенных устройств и требуется выполнять ее преобразование.
С этой целью промышленностью выпускается большое количество электротехнических устройств, которые оперируют с разными параметрами электрической энергии, превращая их из одного вида в другой с различными напряжениями, частотой, количеством фаз и формами сигналов. По выполняемым функциям они подразделяются на устройства преобразования:
простые;
с возможностью регулирования выходного сигнала;
наделенные способностью стабилизации.
Способы классификации
По характеру выполняемых операций преобразователи делят на устройства:
выпрямления;
инвертирования в один или несколько этапов;
изменения частоты сигнала;
преобразования числа фаз электрической системы;
модификации вида напряжения.
По способам управления происходящих алгоритмов регулируемые преобразователи работают на:
импульсном принципе, используемом в схемах постоянного тока;
фазовом методе, применяемом в цепях гармоничных колебаний.
Самые простые конструкции преобразователей могут не наделяться функцией управления.
Все устройства преобразования могут использовать один из следующих видов электрической схемы:
мостовую;
нулевую;
на основе трансформатора или без него;
с одной, двумя, тремя или несколькими фазами.
Выпрямительные устройства
Это наиболее распространенный и старый класс преобразователей, позволяющих получать выпрямленный или стабилизированный постоянный ток из переменного синусоидального обычно промышленной частоты.
Раритетные экспонаты
Маломощные устройства
Буквально несколько десятилетий назад в радиотехнических и электронных устройствах еще использовались селеновые конструкции и ламповые на основе вакуума приборы.
В основе подобных устройств использовался принцип выпрямления тока одним единичным элементом из селеновой пластины. Их последовательно собирали в единую конструкцию через монтажные переходники. Чем выше требовалось напряжение для выпрямления, тем большее количество таких элементов использовалось. Они не отличались большими мощностями и выдерживали нагрузку в несколько десятков миллиампер.
У ламповых выпрямителей внутри герметичного стеклянного корпуса создавался вакуум. В нем располагались электроды: анод и катод с нитью накала, обеспечивающей протекание термоэлектронной эмиссии.
Подобный ламповые приборы обеспечивали питание постоянным током для различных схем радиоприемников и телевизоров вплоть до конца прошлого столетия.
Игнитроны - мощные устройства
В промышленных устройствах раньше широко использовались ионные ртутные приборы с анодом и катодом, работающие по принципу управляемого дугового заряда. Они применялись там, где требовалось оперировать нагрузкой постоянного тока с силой в сотни ампер при выпрямленном напряжении до пяти киловольт включительно.
Для протекания тока от катода в направлении анода использовался поток электронов. Он создавался за счет дугового разряда, вызываемого на одном или нескольких участках катода, называемых светящимися катодными пятнами. Они формировались при включении вспомогательной дуги от поджигающего электрода до момента зажигания основной.
Для этого создавались кратковременные импульсы в несколько миллисекунд с силой тока до десятков ампер. Изменение формы и силы импульсов позволяло управлять работой игнитрона.
Эта конструкция обеспечивала хорошее поддержание напряжения при выпрямлении и довольно высокий КПД. Но, техническая сложность конструкции и трудности эксплуатации привели к отказу от ее использования.
Полупроводниковые приборы
Диоды
В основу их работы положен принцип проводимости тока в одну сторону за счет свойств p-n перехода, образованного контактами между полупроводниковыми материалами или металлом и полупроводником.
Диоды пропускают ток только определенного направления, а при прохождении через них переменной синусоидальной гармоники срезают одну полуволну и за счет этого широко используются как выпрямительные устройства.
Современные диоды выпускаются очень широким ассортиментом и наделяются разнообразными техническими характеристиками.
Тиристоры
В составе тиристора используется четыре слоя проводимости, образующих более сложную полупроводниковую структуру, чем у диода с тремя последовательно соединенными p-n переходами J1, J2, J3. Контакты с внешним слоем «p» и «n» используются в качестве анода и катода, а с внутренним - как управляющий электрод УЭ, который применяется для включения тиристора в работу и выполнения регулирования.
Выпрямление синусоидальной гармоники производится по тому же принципу, как и у полупроводникового диода. Но, для работы тиристора необходимо учесть определенную особенность - структура его внутренних переходов должна быть открыта для прохождения электрических зарядов, а не закрыта.
Это осуществляется пропусканием тока определенной полярности через управляющий электрод. На картинке ниже показаны способы открытия тиристора, используемые заодно для регулировки величины пропускаемого тока в разные моменты времени.
При подаче тока через УЭ в момент перехода синусоиды через нулевое значение создается максимальная величина, которая постепенно уменьшается в точках «1», «2», «3».
Таким способом происходит выпрямление тока в комплексе с регулированием тиристором. Аналогичным образом работают симисторы и мощные полевые MOSFET и/или AGBT транзисторы в силовых цепях. Но, они не выполняют функцию выпрямления тока, пропуская его в обоих направлениях. Поэтому в их схемах управления используется дополнительный алгоритм прерывания импульса.
Преобразователи постоянного тока
Эти конструкции осуществляют обратную выпрямителям операцию. Они применяются для выработки переменного синусоидального тока из постоянного, получаемого от химических источников тока.
Раритетные разработки
С конца XIX века для преобразования постоянного напряжения в переменное использовались электрические машинные конструкции. В их состав входил электродвигатель постоянного тока, получавший энергию от аккумулятора или комплекта батарей и генератор переменного напряжения, якорь которого вращался от привода двигателя.
В отдельных устройствах обмотка генератора наматывалась прямо на общем роторе двигателя. При этом способе не только меняли форму сигнала, но и, как правило, увеличивали амплитуду напряжения или частоту.
Если на якоре генератора намотаны три разнесенные по 120 градусов обмотки, то с его помощью получали уже равноценное симметричное трехфазное напряжение.
Умформеры широко использовались вплоть до 70-х годов для радиоламповых устройств, оборудования троллейбусов, трамваев, электровозов до массового внедрения полупроводниковых элементов.
Инверторные преобразователи
Принцип работы
За основу рассмотрения возьмем схему проверки тиристора КУ202 от батарейки и лампочки.
В цепь подачи плюсового потенциала батарейки на анод врезан нормально замкнутый контакт кнопки SA1 и лампочка накаливания малой мощности. Подключение управляющего электрода выполнено через токоограничивающий резистор и открытый контакт кнопки SA2. Катод соединен жестко с минусом батарейки.
Если в момент времени t1 нажать кнопку SA2, то по цепочке управляющего электрода на катод потечет ток, который откроет тиристор и лампочка, включенная в анодную ветвь, загорится. Она, благодаря конструктивной особенности этого тиристора, будет продолжать гореть даже при размыкании контакта SA2.
Теперь в момент времени t2 нажмем на кнопку SA1. Цепь питания анода обесточится, а лампочка погаснет из-за того, что прохождение тока через нее прекратится.
На графике представленной картинки видно, что внутри промежутка времени t1÷t2 проходил постоянный ток. Если переключения кнопок выполнять очень быстро, то можно сформировать с положительным знаком. Точно так же можно создать отрицательный импульс. С этой целью достаточно немного изменить схему для прохождения тока противоположного направления.
Последовательность двух импульсов положительного и отрицательного значения создает форму сигнала, называемого в электротехнике «меандр». Его прямоугольная форма довольно грубо напоминает синусоиду с двумя полуволнами противоположных знаков.Если в рассмотренной схеме заменить кнопки SA1 и SA2 контактами реле или транзисторными ключами и коммутировать их по определенному алгоритму, то можно будет в автоматическом режиме создавать ток с формой меандра и подгонять его под определенную частоту, скважность, период. Такими переключениями занимается специальная электронная схема управления.
Структурная схема силовой части
В качестве примера рассмотрим наиболее простую систему первичных цепей инвертора, работающего по мостовой схеме.
Здесь вместо тиристора формированием прямоугольного импульса занимаются специально подобранные полевые транзисторные ключи. В диагональ их моста включено сопротивление нагрузки Rн. Силовые электроды каждого транзистора «исток» и «сток» встречно соединены с шунтирующими диодами, а на «затвор» подключены выходные контакты схемы управления.
За счет автоматической работы управляющих сигналов на нагрузку выдаются различные по длительности и знаку импульсы напряжения. Их очередность и характеристики подогнаны под оптимальные параметры выходного сигнала.
Под действием приложенных напряжений на диагональном сопротивлении с учетом переходных процессов возникает ток, форма которого уже больше приближена к синусоиде, чем у меандра.
Сложности технической реализации
Для хорошего функционирования силовой схемы инверторов необходимо обеспечивать надежную работу системы управления, которая основана на коммутации ключей. Они наделяются свойствами двусторонней проводимости и формируются за счет шунтирования транзисторов подключением обратных диодов.
С целью регулирования амплитуды выходного напряжения чаще всего используется за счет выбора площади импульса каждой полуволны методом управления ее длительностью. Кроме этого способа встречаются устройства, работающие на амплитудном импульсном преобразовании.
В процессе формирования выходных цепей напряжения возникает нарушение симметрии полуволн, которое отрицательно сказывается на работе индуктивных нагрузок. Наиболее характерно это заметно у трансформаторов.
При работе системы управления задается алгоритм формирования ключей силовой цепи, включающий три этапа:
1. прямой;
2. короткозамкнутый;
3. инверсный.
На нагрузке возможны появления не только пульсирующих, но и изменяющихся по направлению токов, которые создают дополнительные помехи на зажимах источника.
Типовые конструкции
Среди множества различных технологических решений, используемых для создания инверторов, распространены три схемы, рассматриваемые по степени увеличения сложности:
1. мостовая без трансформатора;
2. с нулевым выводом трансформатора;
3. мостовая с трансформатором.
Формы выходных сигналов
Инверторы создаются для выдачи напряжений:
прямоугольного вида;
трапеции;
ступенчатых чередующихся сигналов;
синусоид.
Преобразователи фаз
Промышленность выпускает электродвигатели для работы в конкретных условиях эксплуатации с учетом питания от определенных видов источников. Однако, на практике возникают ситуации, когда по разным причинам необходимо подключить трехфазный асинхронный двигатель в однофазную сеть. Для этого разработаны различные электрические схемы и устройства.
Энергозатратные технологии
Статор трехфазного асинхронного двигателя включает в свой состав три разнесенные по 120 градусов навитые определенным образом обмотки, каждая из которых при подаче в нее тока своей фазы напряжения создает собственное вращающееся магнитное поле. Направление токов выбрано так, что их магнитные потоки дополняют друг друга, обеспечивая взаимное действие для вращения ротора.
Когда имеется всего одна фаза напряжения питания для такого двигателя, то возникает необходимость сформировать из нее три цепочки тока, каждая из которых тоже смещена на 120 градусов. Иначе вращение не получится или будет неполноценным.
В электротехнике существует два простых способа поворота вектора тока относительно напряжения методом подключения на:
1. индуктивную нагрузку, когда ток начинает отставать от напряжения на 90 градусов;
2. емкость для создания опережения тока на 90 градусов.
На приведенной картинке показано, что от одной фазы напряжения Ua можно получить ток, сдвинутый по углу не на 120, а только на 90 градусов вперед или назад. Причем для этого потребуется еще подбирать номиналы конденсаторов и дросселей чтобы создать допустимый режим работы двигателя.
В практических решениях подобных схем чаще всего останавливались на конденсаторном способе без использования индуктивных сопротивлений. Для этого в одну обмотку подавали напряжение фазы питания без каких-либо преобразований, а в другую - сдвинутую конденсаторами. В результате создавался приемлемый крутящий момент для двигателя.
Но чтобы раскрутить ротор требовалось создать дополнительный крутящий момент подключением третьей обмотки через пусковые конденсаторы. Использовать их для постоянной работы невозможно из-за образования больших токов в пусковой схеме, которые быстро создают повышенный нагрев. Поэтому эта цепочка включалась кратковременно для набора момента инерции вращения ротора.
Подобные схемы проще реализовывались благодаря простому формированию конденсаторных батарей определенных номиналов из отдельных доступных элементов. Дроссели же необходимо было самостоятельно рассчитывать и наматывать, что затруднительно выполнять не только в домашних условиях.
Однако, наилучшие условия для работы двигателя создавались при комплексном включении конденсатора и дросселя в разные фазы с подбором направлений токов в обмотках и применением токогасящих резисторов. При таком способе потери мощности двигателя составляли до 30%. Однако, конструкции подобных преобразователей были экономически не выгодны потому, что они потребляли для работы больше электроэнергии, чем сам двигатель.
Конденсаторная схема запуска тоже потребляет повышенную норму электричества, но в меньшей степени. К тому же, двигатель, подключенный в ее схему, способен выработать мощность, незначительно превышающую 50% от той, которая создавалась при нормальном трехфазном питании.
Из-за сложностей подключения трехфазного двигателя в цепь однофазного питания и больших потерь электроэнергии и выходной мощности такие преобразователи показали свою низкую эффективность, хотя продолжают работать в отдельных установках и станках.
Инверторные устройства
Полупроводниковые элементы позволили создать более рациональные преобразователи фаз, выпускаемые на промышленной основе. Их конструкции обычно предназначены для эксплуатации в трехфазных схемах, но они могут быть созданы для работы и с большим количеством разнесенных на разные углы цепочек.
При работе преобразователей, питаемых от одной фазы, выполняется следующая очередность технологических операций:
1. выпрямление однофазного напряжения диодной сборкой;
2. сглаживание пульсаций схемой стабилизации;
3. преобразование постоянного напряжения в трехфазное за счет метода инвертирования.
При этом силовая схема может состоять из трех однофазных частей, работающих автономно, как рассмотрено ранее, или одной общей, собранной, например, по системе автономного трехфазного инверторного преобразования с использованием нулевого общего провода.
Здесь на каждую нагрузку фазы работают свои пары полупроводниковых элементов, которые управляются от общей системы управления. Они создают синусоидальные токи в фазах сопротивлений Ra, Rb, Rc, которые подключены к общей схеме питания через нулевой провод. В нем происходит сложение векторов токов от каждой нагрузки.
Качество приближения выходного сигнала к виду чистой синусоиды зависит от общей конструкции и сложности используемой схемы.
Преобразователи частоты
На основе инверторов создаются устройства, позволяющие в широких пределах изменять частоту синусоидальных колебаний. Для этого поступающая на них электроэнергия в 50 герц претерпевает следующие изменения:
выпрямления;
стабилизации;
преобразования напряжения повышенной частоты.
В основу работы заложены те же принципы предыдущих конструкций за исключением того, что система управления на основе микропроцессорных плат формирует на выходе преобразователя выходное напряжение повышенной частоты в десятки килогерц.
Частотное преобразование на основе автоматических устройств позволяет оптимально регулировать работу электродвигателей в моменты пуска, торможения и реверса, а также удобно изменять скорость вращения ротора. При этом резко снижается вредное влияние переходных процессов во внешней электрической сети питания.
Сварочные инверторы
Основное назначение этих преобразователей напряжение состоит в поддержании стабильного горения дуги и легкого управления всеми ее характеристиками, включая поджиг.
С этой целью в конструкцию инвертора включены несколько блоков, осуществляющих последовательное выполнение:
выпрямления трехфазного или однофазного напряжения;
стабилизацию параметров фильтрами;
инвертирование из стабилизированного постоянного напряжения высокочастотных сигналов;
преобразование в/ч напряжения понижающим трансформатором для повышения величины сварочного тока;
вторичное выпрямление выходного напряжения для формирования дуги у сварки.
За счет использования высокочастотного преобразования сигнала значительно снижаются габариты сварочного трансформатора и экономятся материалы для всей конструкции. обладают большими преимуществами в эксплуатации по сравнении со своими электромеханическими аналогами.
Трансформаторы: преобразователи напряжения
В электротехнике и энергетике по-прежнему для изменения амплитуды сигнала напряжения наибольшее распространение имеют трансформаторы, работающие на электромагнитном принципе.
Они имеют две или большее количество обмоток и , по которому передается магнитная энергия для преобразования входного напряжения в выходное с измененной амплитудой.
Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. Примечание.… …
Преобразователь электрической энергии - 4. Преобразователь электрической энергии Converter Преобразователь электроэнергии Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с… …
преобразователь электрической энергии, - 2 преобразователь электрической энергии, преобразователь электроэнергии: Электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Преобразователь электрической энергии - – электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. ГОСТ 18311 80 … Коммерческая электроэнергетика. Словарь-справочник
Преобразователь электрической энергии - 1. Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества Употребляется в… … Телекоммуникационный словарь
Преобразователь электрической энергии (Преобразователь электроэнергии) - English: Electricity converter Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей… … Строительный словарь
ГОСТ Р 54130-2010: Качество электрической энергии. Термины и определения - Терминология ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа: Amplitude die schnelle VergroRerung der Spannung 87 Определения термина из разных документов: Amplitude die schnelle VergroRerung der… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Преобразователи тепловой энергии плазмы в электрич. энергию. Существуют два типа П. и. э. э. магнитогидродинамический генератор и термоэлектронный преобразователь. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор … Физическая энциклопедия
Преобразователи тепловой энергии плазмы (См. Плазма) в электрическую энергию. Существует 2 типа П. и. э. э. Магнитогидродинамический генератор и Термоэлектронный преобразователь … Большая советская энциклопедия
преобразователь частоты - преобразователь частоты Преобразователь электрической энергии переменного тока, который преобразует электрическую энергию с изменением частоты [ОСТ 45.55 99] EN frequency converter electric energy… … Справочник технического переводчика