Преобразование тока. Преобразователи напряжения

Основные сведения

Основой любого эл. прибора, предназначенного для измерения неэлектрической величины (далее ИНВ), является измерительный преобразователь, используемый для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую, т.е. входной в выходную. Ипр. Могут быть как преобразователи по назначению, так и др. преобразователи с определенной функцией

Классификация преобразователей по принципу действия (т.е. по физическому явлению, которое используется для преобразования величин).

- параметрические – преобразователи, в которых измеряемая величина (далее ИВ) преобразуется в такие электрические параметры, как сопротивление R , индуктивность L , взаимная индуктивность M , емкость C . При применении необходим вспомогательный источник электроэнергии.

- генераторные - преобразователи, в которых ИНВ преобразуется в ЭДС. Сами являются источником электроэнергии, и, вспомогательный источник нужен лишь для усиления преобразовательной величины.

- 1) Реостатный - реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины х , создавая зависимость:

R=f(x), где R – сопротивление преобразователя

Входной величиной преобразователя является линейное или угловое перемещение движка; выходной – изменение его сопротивления.

Устройство преобразования показано на рис.12.1

Он состоит из каркаса 1, на котором намотан провод 2, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, и тока съемного движка 3, укрепленного на оси 4. 5 – выводы.

Каркас с намоткой может иметь и переменное сечение (штриховая линия), тогда функция преобразования R=f(x), (где х - перемещение) является нелинейной, или каркас может быть кольцевой, тогда R=f(α) (α– угловое перемещение).

При перемещении движка вдоль каркаса на величину шага обмотки ∆x=λ сопротивление изменяется на ∆R=(dR/dx)λ, где dR/dx – производная требуемой функции преобразования R=f(x) по перемещению движка. При перемещении движка с одного витка на другой сопротивление изменяется на величину, равную сопротивлению одного витка.

Применяются в приборах для измерения линейных и угловых перемещений.

- 2) Индуктивные - предназначены для преобразования перемещения в электрический сигнал. Они являются наиболее компактными, помехоустойчивыми, надежными и экономичными Ипр.

Основными элементами индуктивного преобразователя (рис.1) являются катушка с двумя или более обмотками и размещенный внутри катушки подвижный якорь .
В зависимости от схемы расположения и подключения обмоток индуктивные преобразователи выпускаются двух основных типов:

- дифференциально-трансформаторные (рис.2) - имеют первичную обмотку и две включенные навстречу друг другу вторичные обмотки. При расположении якоря симметрично вторичным обмоткам, Va = Vb и суммарное напряжение на выводах вторичных обмоток равно нулю. При смещении якоря в каком-либо направлении, например, влево (рис.3), напряжение на одной из вторичных обмоток возрастает, а на другой - уменьшается. Это приводит к возникновению на выводах вторичных обмоток напряжения (сигнала), равного Va - Vb и пропорционального смещению якоря от положения симметрии. Данный сигнал воспринимается вторичным прибором и преобразуется в форму, наиболее удобную для восприятия человеком или средствами вычислительной техники.
При расположении якоря симметрично вторичным обмоткам, Va = Vb и суммарное напряжение на выводах вторичных обмоток равно нулю. При смещении якоря в каком-либо направлении, например, влево При подаче на первичную обмотку переменного напряжения Ve во вторичных обмотках наводятся напряжения той же частоты Va и Vb, направленные в каждый момент времени навстречу друг другу.

- полумостовые (рис.4) - имеют две включенные навстречу друг другу обмотки, образующие половину индуктивного моста. Вторая его половина образуется входным делителем вторичного прибора. При расположении якоря симметрично обмоткам мост сбалансирован и напряжение в его диагонали равно нулю. Смещение якоря вызывает пропорциональную разбалансировку моста. Сигнал дисбаланса преобразуется так же, как в предыдущем случае.
Индуктивный преобразователь состоит из корпуса (рис.5), в котором на направляющих качения размещен шпиндель, на переднем конце которого расположен измерительный наконечник, а на заднем - якорь. Направляющая защищена от внешних воздействий резиновым манжетом. Связанный со шпинделем якорь находится внутри закрепленной в корпусе катушки. В свою очередь, обмотки катушки электрически связаны с кабелем, закрепленным в корпусе и защищенный от перегибов конической пружиной. На свободном конце кабеля имеется разъем, служащий для подключения преобразователя к вторичному прибору. Корпус и шпиндель выполнены из закаленной нержавеющей стали. Переходник, соединяющий якорь со шпинделем состоит из титанового сплава. Пружина, создающая измерительное усилие, отцентрирована, что исключает трение при движении шпинделя.

Индукционный – преобразователь, в котором измеряемая неэлектрическая (механическая) величина преобразуется в индуктированную “LC/ Согласно закону электро-магнитной индукции, индуктированная ЭДС Е определяется скоростью изменения магнитного потока Ф , сцепленного с катушкой из w витков: w

Применяются для измерения скорости вращения (в тахометрах), параметров вибрации - для измерений, переменных во времени линейных и угловых перемещений и ускорений (в виброметрах и акселерометрах).

- 3) Индукционные - основаны на использовании явления электромагнитной индукции, согласно чему, ЭДС в контуре определяется формулой е= dФn/dt , где Ф – магнитный поток, n – число витков контура.

Таким образом, выходной величиной является ЭДС, а входной – скорость изменения потока.

В общем случае индукционный преобразователь - это катушка с сердечником или без сердечника, находящаяся в магнитном поле. При изменении одного из параметров: катушки, сердечника, магнитного поля; в катушке наводится ЭДС.

Для катушки без сердечников уравнения для преобразования упрощаются и делится на подвиды:

- для неподвижной катушки в переменном магнитном поле

В=В m cosωt e= ωnB m sinωt;

- для катушки, вращающейся с частотой Ω в постоянном магнитном поле с индукцией В о

e=Ω nSB o sinωt,

где S- площадь катушки;

- для контура, отдельные части которого линейно перемещаются в магнитном поле В, изменяя площадь потока, сцепленная с катушкой,

e=-dФ∕dt=-nBв(dx/dt),

где в и x- размеры катушки, x изменяется, т.к. часть катушки выходит из магнитного поля. dx/dt- линейная скорость перемещения или dα/dt- угловая скорость относительно магнитного потока.

- для отрезка длиной L, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью V так, что направления векторов L, B и V взаимно перпендикулярны, e=VBL.

Индукционные преобразователи являются генераторными преобразователями и преобразуют механическую энергию в электрическую.

Погрешности индукционных преобразователей в значительной степени зависят от условий их работы (температура, внешние механические вибрации, внешнее магнитное поле) и от режима работы. Наибольшая погрешность возникает в режиме, при котором через нагрузку течет значительный ток, т.е. при конечных значениях сопротивления нагрузки. Наименьшая погрешность – в режиме холостого хода или когда нагрузкой являются электронные устройства с большим входным сопротивлением

- 4) Емкостные - Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом. В дальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумя или несколькими электродами). Для случая конденсатора с плоскими электродами площадью s, размещенными друг от друга на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e, ёмкость будет

Рассматриваемый преобразователь на электрической стороне характеризуется приложенным напряжением и, зарядом q=CU, током I=dq/dt и энергией W=CU/2. На неэлектрической стороне преобразователь характеризуется изменением параметров, входящих в выражение для емкости, т. е.Dd, Ds, De, и силой f=dW/dx, где под х следует понимать любую из величинDd, Ds, De.

Емкостный преобразователь обратим: при приложении на электрической стороне напряжения U, на неэлектрической стороне возникает сила f, которая используется в приборах уравновешивающего преобразования как результат действия обратного преобразования, в ЭС вольтметрах и в приборах с бесконтактным подвесом. В этом последнем случае элемент массы m может быть подвешен в электростатическом поле, если удовлетворяется условие f³ gm, где g - ускорение силы тяжести.

Преобразователи напряжения широко используются как в быту, так и на производстве. Для производства и промышленности чаще всего изготавливаются по индивидуальному заказу, ведь там нужен мощный преобразователь и не всегда с напряжением стандартной величины. Стандартные величины выходных и входных параметров применяются зачастую в бытовых условиях. То есть преобразователь напряжения - это электронное устройство, которое предназначено для изменения вида электроэнергии, её величины или же частоты.

По своей функциональности они делятся на:

Понижающие;
Повышающие;
Бестрансформаторные;
Инверторные;
Регулируемые с настройкой частоты и величины выходного переменного напряжения;
Регулируемые с настройкой величины постоянного выходного напряжения.

Некоторые из них могут выполняться в специальном герметичном исполнении, такие типы устройств используются для влажных помещений, или же, вообще, для установки под водой.

Итак, что же из себя представляет каждый вид.

Высоковольтный преобразователь напряжения

Такое электронное устройство, которое предназначено для получения переменного или постоянного высокого напряжения (до нескольких тысяч вольт). Например, такие устройства применяются для получения высоковольтной энергии на кинескопы телевизоров, а также для лабораторных исследований и проверки электрооборудования напряжением, повышенным в несколько раз. Кабеля или же силовые цепи масляных выключателей, рассчитанных на напряжение 6 кВ, испытывают напряжением 30 кВ и выше, правда, такая величина напряжения не обладает высокой мощностью, и при пробое сразу же отключается. Эти преобразователи довольно компактны ведь их приходится переносить персоналу от одной подстанции к другой, чаще всего вручную. Нужно заметить, что все лабораторные блоки питания и преобразователи обладаю почти эталонным, точным напряжением.

Более простые высоковольтные преобразователи применяются для запуска люминесцентных ламп. Сильно повысить импульс до нужного можно за счёт стартера и дросселя, которые могут иметь электронную или же электромеханическую основу.

Промышленные установки, выполняющие преобразование более низкого напряжения в высокое, имеют множество защит и выполняются на повышающих трансформаторах (ПТН). Вот одна из таких схем дающая на выходе от 8 до 16 тысяч Вольт, при этом для его работы необходимо всего около 50 В.

Из-за того, что в обмотках трансформаторов вырабатывается и протекает довольно высокое напряжение, то и к изоляции этих обмоток, а также к её качеству предъявляются высокие требования. Для того чтобы устранить возможность появления коронирующих разрядов, детали высоковольтного выпрямителя должны быть припаяны к плате аккуратно, без заусенцев и острых углов, после чего залиты с обеих сторон эпоксидной смолой или слоем парафина толщиной 2…3 мм, обеспечивающим изоляцию друг от друга. Иногда данные электронные системы и устройства называют повышающий преобразователь напряжения.

Следующая схема представляет собой линейный резонансный преобразователь напряжения, который работает в режиме повышения. Он основан на разделении функций повышения U и его чёткой стабилизации в абсолютно разных каскадах.

При этом некоторые инверторные блоки можно заставить работать с минимальными потерями на силовых ключах, а также на выпрямленном мосте, где появляется высоковольтное напряжение.

Преобразователь напряжения для дома

С преобразователями напряжения для дома обычный человек сталкивается очень часто, ведь во многих устройствах есть блок питания. Чаще всего это понижающие преобразователи, имеющие гальваническую развязку. Например, зарядные устройства мобильных телефонов и ноутбуков, персональные стационарные компьютеры, радиоприёмники, стереосистемы, различные медиапроигрыватели и этот перечень можно продолжать очень долго, так как их разнообразие и применения в быту в последнее время очень широко.

Бесперебойные блоки питания оснащены накопителями энергии в виде аккумуляторов. Такие устройства применяются также для поддержания работоспособности системы отопления, во время неожиданного отключения электроэнергии. Иногда преобразователи для дома могут быть выполнены по инверторной схеме, то есть подключив его к источнику постоянного тока (аккумулятору), работающего за счёт химической реакции можно получить на выходе обычное переменное напряжение, величина которого будет 220 Вольт. Особенностью данных схем является возможность получить на выходе чистый синусоидальный сигнал.

Одной из очень важных характеристик, применяемых в быту преобразователей, является стабильная величины сигнала на выходе устройства, независимо от того сколько вольт подаётся на его вход. Эта функциональная особенность блоков питания связана с тем, что для стабильной и продолжительной работы микросхем и других полупроводниковых устройств необходимо чётко нормированное напряжение, да ещё и без пульсаций.

Основными критериями выбора преобразователя для дома или квартиры являются:

Мощность;
Величина входного и выходного напряжения;
Возможность стабилизации и её пределы;
Величина тока на нагрузке;
Минимизация нагрева, то есть лучше чтобы преобразователь работал в режиме с запасом по мощности;
Вентиляция устройства, может быть естественная или принудительная;
Хорошая шумоизоляция;
Наличие защит от перегрузок и перегрева.

Выбор преобразователя напряжения дело не простое, ведь от правильно выбранного преобразователя зависит и работа питаемого устройства.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

В последнее время они стали очень популярны, так как на их изготовление, а в частности, производство трансформаторов, нужно тратить немалые средства, ведь обмотка их выполняется из цветного металла, цена на который постоянно растёт. Основное преимущество таких преобразователей это, конечно же, цена. Среди отрицательных сторон есть одно существенно отличающее его от трансформаторных блоков питания и преобразователей. В результате пробоя одного или нескольких полупроводниковых приборов, вся выходная энергия может попасть на клеммы потребителя, а это обязательно выведет его из строя. Вот простейший преобразователь переменного напряжения в постоянное. Роль регулирующего элемента играет тиристор.

Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.

Преобразователи постоянного напряжения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное является самым часто используемым видом устройства этого типа. В быту это всевозможные блоки питания, а на производстве и в промышленности это питающие устройства:

Всех полупроводниковых схем;
Обмоток возбуждения синхронных двигателей и двигателей постоянного тока;
Катушек соленоидов масляных выключателей;
Оперативных цепей и цепей отключения там, где катушки требуют постоянного тока.

Тиристорный преобразователь напряжения - это наиболее часто применяемый для этих целей аппарат. Особенностью этих устройств является полное, а не частичное, преобразование переменного напряжения в постоянное без всякого рода пульсаций. Мощный преобразователь напряжения такого типа обязательно должен включать в себя радиаторы и вентиляторы для охлаждения, так как все электронные детали могут работать долго и безаварийно, только при рабочих температурах.

Регулируемый преобразователь напряжения

Эти устройства направлены на работу как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения. Чаще всего это всё-таки аппараты, выполняющие плавную регулировку величины выходного сигнала, который ниже входного. То есть на вход подаётся 220 Вольт, а на выходе получаем регулируемую постоянную величину, допустим, от 2 до 30 вольт. Такие приборы с очень тонкой регулировкой применяются для проверки стрелочных и цифровых приборов в лабораториях. Очень удобно когда они оснащены цифровым индикатором. Нужно признать, что каждый радиолюбитель брал за основу своих первых работ именно этот вид, так как питание для определённой аппаратуры может быть разное по величине, а этот источник питания получался весьма универсальным. Как сделать качественный и работающий долгое время преобразователь, вот основная проблема юных радиолюбителей.

Инверторный преобразователь напряжения

Данный тип преобразователей положен в основу инновационных компактных сварочных устройств. Получая для питания переменное напряжение 220 Вольт аппарат выпрямляет его, после чего снова делает его переменным, но уже с частотой несколько десятков тысяч Гц. Это даёт возможность значительно снизить габариты сварочного трансформатора, установленного на выходе.

Также инверторный способ применяется для питания отопительных котлов от аккумуляторных батарей в случае неожиданного отключения электроэнергии. За счёт этого система продолжает работать и получает 220 вольт переменного напряжения из 12 Вольт постоянного. Мощный повышающий аппарат такого назначения должен эксплуатироваться от батареи большой ёмкости, от этого зависит как долго он будет снабжать котёл электроэнергией. То есть емкость при этом играет ключевую роль.

Высокочастотный преобразователь напряжения

За счёт применения повышающих преобразователей появляется возможность уменьшения габаритов всех электронных и электромагнитных элементов, из которых состоят схемы, а это значит снижается и стоимость трансформаторов, катушек, конденсаторов и т. д. Правда, это может вызывать высокочастотные радиопомехи, которые влияют на работу других электронных систем, да и обычных радиоприёмников, поэтому нужно надёжно экранировать их корпуса. Расчет преобразователя и его помех должен производиться высококвалифицированным персоналом.

Что такое преобразователь сопротивления в напряжение?
Это особый вид, который используется только при производстве и изготовлении измерительных приборов, в частности, омметров. Ведь основа омметра, то есть прибора измеряющего сопротивление, выполнена в измерении падения U и преобразовании его в стрелочные или цифровые показатели. Обычно измерения производятся относительно постоянного тока. Измерительный преобразователь - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации, а также передачи. Он входит в состав какого-либо измерительного прибора.

Преобразователь тока в напряжение

В большинстве случаев все электронные схемы нужны для обработки сигналов, представленных в виде напряжения. Однако иногда приходится иметь дело с сигналом в виде тока. Такие сигналы возникают, например, на выходе фоторезистора или фотодиода. Тогда желательно при первой же возможности преобразовать токовый сигнал в напряжение. Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному U и не зависеть от R нагрузки. В частности, при постоянном входном U ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Ремонт преобразователя напряжения

Ремонт этих устройств для преобразования одного вида напряжения в другой, лучше производить в сервисных центрах, где персонал имеет высокую квалификацию и впоследствии предоставит гарантии выполненных работ. Чаще всего любые современные качественные преобразователи состоят из нескольких сотен электронных деталей и если нет явных сгоревших элементов, то найти поломку и устранить её будет очень сложно. Некоторые же китайские недорогие устройства данного типа, вообще, в принципе лишены возможности их ремонта, чего нельзя сказать об отечественных производителях. Да может они немного громоздкие и не компактные, но зато подлежат ремонту, так как многие из их деталей можно заменить на аналогичные.

Широко распространённые в повседневной практике преобразователи напряжения – это специализированные устройства, предназначенные для корректировки размаха и частоты выходного питающего напряжения. Электронные системы этого типа позволяют регулировать выходные параметры (включая частоту выходного напряжения).

Необходимость в их применении возникает в том случае, когда приходится подключать устройства с нестандартными входными характеристиками. Преобразовательные схемы могут выполняться в виде самостоятельного блока либо интегрироваться в действующую систему бесперебойного питания. Эти приборы пользуются повышенным пользовательским спросом, а также широко применяются для решения отдельных производственных задач.

Конструкция

Для изменения уровня действующего напряжения питания чаще всего применяются специализированные импульсные преобразователи со встроенными в них индуктивными схемами. В соответствии со стоящей перед ними задачей, все известные модели преобразовательных устройств делятся на следующие классы:

Инвертирующие схемы;
Повышающие электронные агрегаты;
Понижающие преобразователи.

Независимо от вида этих устройств, все они работают по одному и тому же принципу, обеспечивая требуемую функциональность и качество формируемых сигналов. Одинаковость устройств этого класса чаще всего выявляется по следующим характерным признакам:

Наличие собственного модуля питания;
Входящие в состав схемы элементы коммутации, представленные мощными полупроводниковыми транзисторами;
Накопители энергии в виде отдельного дросселя или катушки;
Фильтрующие конденсаторы, подключаемые в параллель нагрузочному сопротивлению;
Специальные диоды, используемые в качестве блокирующего элемента.

Применение всех перечисленных выше элементов в нужных сочетаниях предоставляет возможность получения любой из известных категорий импульсных устройств.

Принцип действия

В основу работы импульсных преобразователей заложен принцип регулировки уровня сигнала путём изменения ширины импульсов, управляющих работой коммутирующего элемента.

Обратите внимание! Этот метод электронного управления параметрами сигнала встречается в различных образцах современной аппаратуры и называется широтно-импульсным.

Для стабилизации режима работы в электрическую схему вводится обратная связь, за счёт которой при колебаниях выходного напряжения параметры рабочих импульсов также меняются.

Простейшие преобразователи напряжения содержат в своей основе обычный трансформатор, на выходе которого формируется напряжение с амплитудой, отличной от входного значения.

Известны иные типы преобразовательных устройств, работающих по принципу, схожему с уже описанными ранее образцами, но несколько отличающихся по своей конструкции. Они, как правило, выполняются на основе полупроводников и позволяют получить высокие показатели эффективности преобразования (большой КПД).

Классификация импульсных преобразователей

Выпускаемые отечественной промышленностью импульсные преобразователи, в соответствии с токовыми параметрами, подразделяются на следующие классы:

Электронные конверторы, обеспечивающие преобразование переменного уровня (АС) в постоянный выходной сигнал (DC). Они рассчитаны для промышленного применения и используются в системах, где требуются пониженные значения питающего напряжения 380/220 Вольт;
Инверторы, выполняющие обратное преобразование: входной (DC) сигнал в выходной (АС). Эти устройства востребованы в системах бесперебойного питания, а также в электронных сварочных агрегатах, в которых в результате инвертирования удаётся уменьшить габариты и вес прибора;
Конверторные устройства постоянного напряжения или тока, позволяющие преобразовывать одну величину питающего параметра в другую.

Эти устройства нередко используются для организации питания аккумуляторных батарей при необходимости подключать к ним нагрузки с различными номиналами напряжений.

Состав преобразователя

В состав конструкции импульсных устройств обычно входят следующие функциональные узлы:

Встроенный генератор импульсного сигнала, работающий от собственного блока питания (БП);
Импульсный трансформатор, преобразующий сигналы заданной периодичности в выходные импульсы более высокой частоты;
Встроенные стабилизаторы, обеспечивающие постоянство параметров сигналов, получаемых на выходе устройств;
Электронные коммутаторы на мощных транзисторных элементах, работающие в импульсном режиме, близком к состоянию насыщения.

К этому перечню следует добавить накопительные индуктивности, используемые при построении генераторных схем. Они обычно входят в состав таких широко распространённых устройств, как преобразователь тока.

Типичным представителем комплектующих элементов является трансформатор, обеспечивающий преобразование напряжения с минимальными потерями мощности. Они широко применяются при построении самых разнообразных радиоэлектронных и электротехнических схем.

Достоинства и недостатки преобразовательных устройств

К числу достоинств большинства известных моделей преобразующих устройств относятся:

Высокая эффективность преобразования стандартных сетевых напряжений в удобный для пользователя вид с одновременным контролем их основных параметров;
Компактность и мобильность отдельных образцов инверторных аппаратов, допускающая применение их в качестве автомобильных преобразователей;
Хорошие показатели экономичности с КПД, приближающимся к 90%;
Универсальность и надёжность преобразовательных устройств, обеспечивающая возможность подключения любых видов потребителей;
Возможность компенсации потерь электроэнергии за счёт повышения выходного напряжения.

Важно! Перечисленные преимущества преобразующих приборов позволяют устанавливать их в наиболее ответственных узлах охранных и осветительных систем, а также в модулях управления работой котлов отопления, насосных станций и другого специального оборудования.

К достоинствам этих устройств также следует отнести наличие таких дополнительных опций, как возможность переключения индикаторов измеряемых величин с входного на выходное напряжение. Добавим к этому допустимость подстройки в определённых пределах контролируемых выходных параметров.

К вполне устранимым недостаткам преобразователей данного класса следует отнести чувствительность к эксплуатации в условиях повышенной влажности (это не касается моделей, выпускаемых во влагозащитном исполнении). Добавим к этому высокую стоимость преобразующих систем.

Применение преобразователей в быту

Универсальные модели относятся к категории наиболее сложных устройств, которые способны регулировать несколько параметров (ток, напряжение и частоту) сразу. Но в повседневной практике вполне хватает более простых образцов преобразователей, в которых регулируется только один из входных показателей.

Дополнительная информация. Схема управления напряжением и током, осуществляемого с целью ограничения одного из этих параметров (обычно тока), широко применяется в схемах зарядки аккумуляторов. В более сложных устройствах этого класса могут использоваться современные микроконтроллеры.

В заключение обзора необходимо отметить, что существует множество вариантов исполнения импульсных преобразовательных модулей. Но, независимо от типа и сложности электронного устройства, лежащие в его основе принципы функционирования не меняются. Усвоив основные технические приёмы построения этих приборов, можно научиться обращаться с оборудованием любой сложности, а также успешно ремонтировать его в случае поломки.

Видео

Преобразователь – это электротехническое устройство, преобразующее электроэнергию одних параметров или в электроэнергию с другими значениями параметров или показателей качества. Параметрами могут являться род тока и напряжения, их частота, число фаз, фаза напряжения.

По степени управляемости преобразователи электрической энергии подразделяются на неуправляемые и управляемые . В управляемых преобразователях выходные переменные: напряжение, ток, частота - могут регулироваться.

По элементной базе преобразователи электроэнергии подразделяются на электромашинные (вращающиеся) и полупроводниковые (статические) . Электромашинные преобразователи реализуются на основе применения электрических машин и в настоящее время находят относительно редкое применение в электроприводах. Полупроводниковые преобразователи могут быть диодными, тиристорными и транзисторными.

По характеру преобразования электроэнергии силовые преобразователи подразделяются на выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения переменного и постоянного тока, преобразователи числа фаз напряжения переменного тока.

В современных автоматизированных электроприводах применяются главным образом полупроводниковые тиристорные и транзисторные преобразователи постоянного и переменного тока.

Достоинствами полупроводниковых преобразователей являются широкие функциональные возможности управления процессом преобразования электроэнергии, высокие быстродействие и КПД, большие сроки службы, удобство и простота обслуживания при эксплуатации, широкие возможности по реализации защит, сигнализации, диагностирования и тестирования как самого электрического привода, так и технологического оборудования.

Вместе с тем, для полупроводниковых преобразователей характерны и определенные недостатки. К ним относятся: высокая чувствительность полупроводниковых приборов к перегрузкам по току, напряжению и скорости их изменения, низкая помехозащищенность, искажение синусоидальной формы тока и напряжения сети.

Выпрямителем называется преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного (выпрямленного) тока.

Неуправляемые выпрямители не обеспечивают регулирование напряжения на нагрузке и выполняются на полупроводниковых неуправляемых приборах односторонней проводимости - .

Управляемые выпрямители выполняются на управляемых диодах - тиристорах и позволяют регулировать свое выходное напряжение за счет соответствующего управления .

Управляемый выпрямитель

Выпрямители могут быть нереверсивными и реверсивными. Реверсивные выпрямители позволяют изменять полярность выпрямленного напряжения на своей нагрузке, а нереверсивные - нет. 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.

Называется 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 , реализуемые на тиристорах или транзисторах.

Автономные инверторы напряжения (АИН) имеют жесткую внешнюю характеристику, представляющую собой зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, вследствие чего при изменении тока нагрузки их выходное напряжение практически не изменяется. Тем самым инвертор напряжения по отношению к нагрузке ведет себя как .

Автономные инверторы тока (АИТ) имеют «мягкую» внешнюю характеристику и обладают свойствами источника тока. Тем самым инвертор тока по отношению к нагрузке ведет себя как источник тока.

Преобразователем частоты (ПЧ) называется 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 и преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Преобразователи частоты с непосредственной связью позволяют 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 электроприводе.

Промышленный преобразователь частоты для управления электроприводом

Регулятором напряжения переменного тока называется 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.

Регулятором напряжения постоянного тока называется 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.

Наибольшее распространение получил , при котором изменяется длительность импульсов напряжения при неизменной частоте их следования.

Дмитрий Левкин

Частотный преобразователь , или преобразователь частоты - электротехническое устройство (система управления), используемое для контроля скорости и/или двигателей переменного тока путем изменения частоты и напряжения питания .

Согласно ГОСТ 23414-84 полупроводниковый преобразователь частоты - полупроводниковый преобразователь переменного тока, осуществляющий преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты

Частотный преобразователь - это устройство, используемое для того чтобы обеспечить непрерывное управление процессом. Обычно частотный преобразователь способен управлять скоростью и моментом и/или .

Частотный преобразователь небольшой мощности

Преобразователи частоты находят все более широкое применение в различных приложениях промышленности и транспорта. Благодаря развитию силовых полупроводниковых элементов, и с ШИМ управлением получают все более широкое распространение. Устройства, которые преобразуют постоянный сигнал в переменный, с желаемым напряжением и частотой, называются инверторами . Такое преобразование может быть осуществлено с помощью электронных ключей (BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, GTO) и тиристоров в зависимости от задачи.

На данный момент основная часть всей производимой электрической энергии в мире используется для работы . Преобразование электрической мощности в механическую мощность осуществляется с помощью электродвигателей мощностью от меньше ватта до нескольких десятков мегаватт.

максимальный ;
широкий диапазон плавной установки скорости вращения, ускорения, угла и линейного положения;
быстрое удаление ошибок при изменении управляющих сигналов и/или помех;
максимальное использование во время сниженного напряжения или тока;
надежность, интуитивное управление.

Конструкция частотного преобразователя

Основными элементами частотного преобразователя являются силовая часть (преобразователь электрической энергии) и управляющее устройство (контроллер). Современные частотные преобразователи обычно имеют модульную архитектуру, что позволяет расширять возможности устройства. Также зачастую имеется возможность установки дополнительных интерфейсных модулей и модулей расширения каналов ввода/вывода.

Примечание:

Без обратной связи.
С обратной связью.
В установившемся режиме

Методы модуляции

Широкое развитие силовых электрических преобразователей в последние десятилетия привело к увеличению количества исследований в области модуляции. Метод модуляции непосредственно влияет на эффективность всей энергосистемы (силовой части, системы управления), определяя экономическую выгоду и производительность конечного продукта.

Главная цель методов модуляции – добиться лучшей формы сигналов (напряжений и токов) с минимальными потерями. Другие второстепенные задачи управления могут быть решены посредством использования правильного способа модуляции, такие как уменьшение синфазной помехи, выравнивание постоянного напряжения, уменьшение пульсаций входного тока, снижение скорости нарастания напряжения. Одновременное достижение всех целей управления невозможно, необходим компромисс. Каждая и каждое приложение должны быть глубоко изучены для определения наиболее подходящего метода модуляции.

ШИМ - широтно-импульсная модуляция
ПВМ - пространственно-векторная модуляция
гармоническая модуляция
методы переключения переменной частоты

Инвертор напряжения

Инвертор напряжения наиболее распространен среди силовых преобразователей.

Двухуровневый инвертор напряжения

Двухуровневый инвертор напряжения (two-level voltage-source inverter) – наиболее широко применяемая топология преобразователя энергии. Он состоит из конденсатора и двух силовых полупроводниковых ключей на фазу. Управляющий сигнал для верхнего и нижнего силовых ключей связан и генерирует только два возможных состояния выходного напряжения (нагрузка соединяется с положительной или отрицательной шиной источника постоянного напряжения).

Фазное напряжение двухуровневого инвертора напряжения

Каскадный Н-мостовой преобразователь

Каскадный преобразователь - высоко модульный преобразователь, состоящий из нескольких однофазных инверторов, обычно называемыми силовыми ячейками, соединенными последовательно для формирования фазы. Каждая силовая ячейка выполнена на стандартных низковольтных компонентах, что обеспечивает их легкую и дешевую замену в случае выхода из строя.

Основным преимуществом данного преобразователя является использование только низковольтных компонентов, при этом он дает возможность управлять мощной нагрузкой среднего диапазона напряжения. Несмотря на то что частота коммутации в каждой ячейке низкая, эквивалентная частота коммутации приложенная к нагрузке – высокая, что уменьшает потери на переключение ключей, дает низкую скорость нарастания напряжения (dv/dt) и помогает избежать резонансов.

Преобразователь с плавающими конденсаторами

Выходное напряжение преобразователя с плавающими конденсаторами получается путем прямого соединения выхода фазы с положительной, отрицательной шиной или подключением через конденсаторы. Количество уровней выходных напряжений зависит от количества навесных конденсаторов и отношения между различными напряжениями.

Этот преобразователь, как и в случае , также имеет модульную топологию, где каждая ячейка состоит из конденсатора и двух связанных ключей. Однако, в отличие от каскадного преобразователя добавление дополнительных силовых ключей к конденсаторному преобразователю не увеличивает номинальную мощность преобразователя, а только уменьшает скорость нарастания напряжения (dv/dt), улучшая коэффициент гармоник выходного сигнала. Как и у каскадного преобразователя, модульность уменьшает стоимость замены элементов, облегчает поддержку и позволяет реализовать отказоустойчивую работу.

Конденсаторный преобразователь требует только один источник постоянного тока для питания всех ячеек и фаз. Поэтому, можно обойтись без входного трансформатора, а количество ячеек может быть произвольно увеличено в зависимости от требуемой выходной мощности. Подобно , этому преобразователю требуется специальный алгоритм управления для регулирования напряжения на конденсаторах.

Инвертор тока

Для работы инвертору тока всегда требуется управляемый выпрямитель, чтобы обеспечить постоянный ток в звене постоянного тока. В стандартной топологии обычно используются тиристорные выпрямители. Чтобы уменьшить помехи в нагрузке, в звене постоянного тока используется расщепленная индуктивность. Инвертор тока имеет схему силовых ключей наподобие , но в качестве силовых ключей используются тиристоры с интегрированным управлением (IGCT). Выходной ток имеет форму ШИМ и не может быть напрямую приложен к индуктивной нагрузке (электродвигателю), поэтому инвертор тока обязательно включает выходной емкостной фильтр, который сглаживает ток и выдает гладкое напряжение на нагрузку. Этот преобразователь может быть реализован для работы на средних напряжениях и более того он по природе имеет возможность рекуперации энергии .

Прямые преобразователи

Прямые преобразователи передают энергию прямо от входа к выходу без использования элементов накопления энергии. Основным преимуществом таких преобразователей является меньшие габариты. Недостатком – необходимость более сложной схемы управления.

Циклоконвертер относится к категории прямых преобразователей. Данный преобразователь широко использовался в приложениях требующих высокую мощность. Этот конвертер состоит из двойных тиристорных преобразователей на фазу, который может генерировать изменяемое постоянное напряжение, контролируемое таким образом, чтобы следовать опорному синусоидальному сигналу. Вход каждого преобразователя питается от фозосмещающего трансформатора, где устраняются гармоники входного тока низкого порядка. Выходное напряжение является результатом комбинации сегментов входного напряжения в котором основная гармоника следует за опорным сигналом. По своей природе данный преобразователь хорошо подходит для управления низкочастотными мощными нагрузками.

Матричный преобразователь в его прямой и непрямой версии также принадлежит к категории прямых преобразователей. Основной принцип работы прямого матричного преобразователя (direct matrix converter) - возможность соединения выходной фазы к любому из входных напряжений. Преобразователь состоит из девяти двунаправленных ключей, которые могут соединить любую входную фазу с любой выходной фазой, позволяя току течь в обоих направлениях. Для улучшения входного тока требуется индуктивно-емкостной фильтр второго порядка. Выход напрямую соединяется с индуктивной нагрузкой. Не все доступные комбинации ключей возможны, они ограничены только 27 правильными состояниями коммутации. Как говорилось ранее, основное преимущество матричных преобразователей - меньшие габариты, что важно для автомобильных и авиационных приложений.

Непрямой матричный преобразователь (indirect matrix converter) состоит из двунаправленного трехфазного выпрямителя, виртуального звена постоянного тока и трехфазного инвертора. Количество силовых полупроводников такое же как у прямых матричных преобразователей (если двунаправленный ключ рассматривается как два однонаправленных ключа), но количество возможных состояний включения отличается. Используя ту же самую конфигурацию непрямого матричного преобразователя, возможно упростить его топологию и уменьшить количество элементов ограничив его работу от положительного напряжения в виртуальном звене постоянного тока. Уменьшенная топология называется разреженный матричный преобразователь (sparse matrix converter).