Преобразуване на електрическа енергия

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Jump to navigation Jump to search

Преобразуване на електрическата енергия (на английски: Electric power conversion) в електротехниката е процес на преобразуване на една форма на електрическа енергия в такава с други параметри. Същността на преобразуването е, без да се променя физическата същност на първичния енергоизточник и без съществени загуби на енергия при преноса и трансформацията, за нуждите на потребителя качествено да се промени енергийния източник посредством промяна на някои негови основни параметри - напрежение, честота, брой на фазите, форма на сигнала. Процесът на преобразуване обикновено не е едностъпален - често пъти това преобразуване е комбинация от няколко последователни трансформации. Един прост пример са ежедневно ползваните захранващи устройства - променливият ток с 220 V мрежово напрежение се преобразува в 5 V променливо напрежение и след това в 5 V постоянно напрежение.

В статията не се разглеждат многократните преобразувания на електрическия ток и напрежения в радиоелектрониката, комуникационната техника, изчислителната техника, медицинската апаратура, автоматичното управление на производствени процеси и други приложения на електрониката. Тези многократни преобразувания се разглеждат като процеси в електрическите вериги свързани с обработката на информационни и управляващи електрически сигнали.


Съдържание

Необходимост от преобразуване на електрическата енергия[редактиране | редактиране на кода]

Широкото навлизане на електрическата енергия в бита, производството, транспорта и комуникациите се дължи на уникалната възможност тази енергия да се произвежда далеч от потребителите, да се пренася и преобразува, като нейните трансформации обезпечават всички енергийни потребности на потребителите на енергия. Посредством преобразувателите на електрическата енергия като технически средства, се осъществява преноса, захранването или управлението на консуматорите на електрическа енергия. Разнообразието от необходимото за потребителя количество електрическа енергия и необходимите за конкретния консуматор параметри на енергията за ползване, са много и различни в сравнение с параметрите на енергията създадена от първичния източник - генератора, или след преноса до потребителя до т. нар. мрежово напрежение. Преобразуването на електрическата енергия се осъществява чрез електромеханични технически средства, статични електромагнитни устройства с две или повече индуктивно свързани намотки [1], електрохимични процеси или такива реализирани в схеми от активни и пасивни електронни градивни елементи. Преобразувателите обикновено са стационарно електрическо оборудване или системи без движещи се части, създадени с използването на електронни схеми, обезпечаващи висок КПД. Чрез такива технически средства се извършва промяната на типът електрически ток - постоянен електрически ток (на английски: direct current), с международно обозначение DC и променлив електрически ток (на английски: alternating current), с международно означение АС, или едновременно и характерът и параметрите на електрическата енергия постъпила от източника. С използване на постиженията в полупроводниковата техника вече е възможно да се реализират управленията на мощни електрически двигатели на транспортни и други машини, управленията на високомоментни електрически двигатели за прецизни подавателни задвижвания или такива за главното задвижване на металообработващи машини. Под управлението на електронни схеми, в т. ч. и под микропроцесорно управление, преобразувателите позволяват в много широк диапазон и точно да се променят работните обороти или работни режими за постигане на прецизно изпълнение на технологическите и качествени изисквания в промишлените производства при металообработката, хранително-вкусовата, леката и тежката промишленост. Чрез преобразуване на електрическата енергия се управляват и осъществяват редица процеси в електрохимията, а посредством преобразуването по напрежение и честота е възможно използването на електрическа енергия със значителна мощност (със стотици киловати) за прецизно управление на сложни процеси в металургията и термичните процеси при закаляването чрез т.нар. индукционно нагряване. [2]


Класификация[редактиране | редактиране на кода]

По основни функции[редактиране | редактиране на кода]

  • Преобразуване параметрите на електрическата енергия.
  • Преобразуване за стабилизация на параметрите на електрическата енергия.
  • Преобразуване за регулиране и управление на консуматорите на електрическа енергия.

Преобразуване параметрите на електрическата енергия[редактиране | редактиране на кода]

В електротехниката и електрониката най-често срещаните видове преобразуване на електрическа енергия може да се групират по начин на преобразуването и са означавани с наименования свързвани със техническите средства използвани за това:

  • Токоизправители, превръщащи електрическата енергия с променливо напрежение в постоянно (АC-DC).
  • Инвертори, превръщащи електрическата енергия с постоянно напрежение в променливо (DC-АC)
  • Преобразуватели на напрежение, включващи преобразуването на напрежения (DC-DC) и (АC-АC).
  • Преобразуватели по честота и фаза.
Eднополупериоден токоизправител
Двуполупериоден токоизправител, реализиран с два диода и средна точка на трансформатора
Двуполупериоден токоизправител, реализиран с мостова схема от диоди

Токоизправители[редактиране | редактиране на кода]

Токоизправителите са устройства, за преобразуване на променливотоковата електрическа енергия в постояннотокова - (АC-DC). Най- често с токоизправителите се извършва преобразуване на еднофазен и трифазен променлив ток в ток с постоянно напрежение. В най-общия случай токоизправителя се състои от:

  • силов трансформатор за съгласуване на входното мрежово напрежение с необходимото изходно променливо напрежение от токоизправителя.
  • процесът на преобразуване се реализира с електронни схеми посредством електронни вентили, чиято волт-амперна характеристика е нелинейна - безкрайно малко съпротивление в права посока и безкрайно голямо съпротивление в обратна. С използваните електронни схеми може да реализира еднополупериодно или двуполупериодно изправяне, с което може да се увеличи ефективността на процеса. В зависимост от използваните вентили - неуправляеми или управляеми, преобразуването посредством токоизправител може да се управлява, с което да се управлява и изходното напрежение от токоизправителя.
  • след вентилите се получава пулсираща постояннотокова съставка, пулсациите на която може да се намалят посредством използването на филтри. [3]

Токоизправителите намират широко приложение в бита, транспорта и промишлеността. Основни направления на приложения са:

- железопътна тяга за мотриси и електровози;
- градски електротранспорт - за релсов транспорт - трамвай и метровлакове, тролейбуси;
- електрохимия за производство (алуминии, хлор и др.) и електрохимическа обработка на метали;
- управляеми задвижвания на основните двигатели на металообработващи машини, прокатно производство;
- възбуждане генераторите на електростанциите;
- битовата радиоелектронна и компютърна апаратура;
- комуникационна апаратура, изчислителни машини и информационни комплекси и др.

Инвертори[редактиране | редактиране на кода]

Инверторът (на английски: inverterе) електронен уред или електрическа схема, който превръща еднократно електрическата енергия с постоянно напрежение в променливо (DC-АC). Инверторът не произвежда никаква мощност, а само променя параметрите на електрическата енергия и я преобразува в енергия необходима за ползване в бита или за захранване на специализирана апаратура и промишлени инсталации. Конструкцията на всеки инвертор, се произвежда като е предназначен за конкретно входно постоянно напрежения и за изходно напрежение с точно определени параметри като напрежение, честота и мощност. Това означава, че преди трансформацията, постояннотоковия източник трябва да е стабилен и да има параметри и капацитет да осигури с необходимото напрежение и мощност електрическата верига за преобразуване.

Независимата енергийна система ползваща инвертор, може да ползва следните източници на електрическа енергия:

12 V DC от автомобилен акумулатор за ограничено ползване от потребители;
24, 36 и 48 V DC, които са характерни постоянни напрежения за транспортни, строителни и други машини;
200 до 400 V DC от фотоволтаични панели като източник на енергия;
300 до 450 V DC от акумулаторна батерия на електрически електромобили;
стотици хиляди волта, когато инверторът е част от система за пренос на електрическа енергия.

Конструктивно инвертора има мощен електронен генератор за преобразуване на постоянно напрежение в периодично променящо се напрежение, обикновено със синусоидална форма, квадратни импулси или друг вид дискретен сигнал. Трансформатор, посредством магнитната си верига, преобразува създаденото променливото напрежение на изхода в необходимото АС напрежение за потребителя. Инверторите може да се използват като самостоятелни устройства или се включват като съставна част на друго устройство - напр. източник за непрекъснато захранване UPS (на английски: Uninterruptible Power Supply (Source, Systems)) при кратковременни прекъсвания на захранващия източник, или в случаи на кратковременни отклонение от стандатното захранващо напрежение. Инверторите обикновено намират приложение за обезпечаване на непрекъсната работа на медицинско, спортно или компютърно оборудване. Те намират приложение и като преобразуватели и стабилизатори на постоянно напрежение, като част от схемата при преобразуването на енергията. С тях първоначално се преобразува постояннотоково напрежение в променливо, след това се трансформира до необходимото напрежение за ползване и различно от това на източника. Третата фаза на преобразуването е посредством токоизправител да се получи отново постоянно напрежение, но с друга стойност на напрежението.

Класификация според предназначението[редактиране | редактиране на кода]

Според предназначението, източниците и ползването, инверторите се разделят на две основни групи:

-Автономни;
-Зависими.
  • Автономните инвертори са устройства, които преобразуват постоянно напрежение в променливо с постоянна или регулирана от оператор честота, не са свързани със стандартната потребителска мрежа и работят в автономен режим с товара си.
  • Зависимите инвертори са устройства, които преобразуват електрическата енергия от източници с постоянно напрежение (например фотоволтаични електростанции) в променливо напрежение с параметрите на потребителската мрежа променлив ток, и се включват в общото потребление на енергия, произведена и от други източници.
Вибропреобразувател
Моторен генератор с отделен двигател и генератор
Динамомотор (черен цилиндър), който преобразува 24-28 V DC до 500 V DC за радиопредавателя в самолет от Втората световна война. Музей на военната авиация в Дюбендорф
Мотор-генератор преобразувател на АС в ДС 600V за електрозадвижване на градски пътни превозни средства
Преобразувател от DC в AC напрежение с осцилатор, управляван от интегрална схема с обратна връзка като регулатор за генерираните импулси. Необходим е токоизправител за преобразуване DC в DC

Преобразуватели в силовата електроника[редактиране | редактиране на кода]

Закаляване на зъбно колело
Индуктор за индукционно нагряване

Развитието на тиристорната електроника със създаването на мощни управляеми полупроводникови прибори, намери широко приложение в автоматиката, енергетиката и особено в електротермията. Първите опити и изследвания върху процесите с използването на тиристорни преобразуватели за индукционното нагряване се провеждат през през периода 1962-1968 г. [2] Този вид преобразуватели от 1970-те години са основата за техническо преустройство в металургията, машиностроенето и бита. Това са принципно нови силови електронни устройства, наричани уредби за индукционно нагряване, и работещи с мощност до стотици киловати и в честотен обхват от 150 Hz до 10 000 Hz и в областта на повишени честоти от 10 000 до 50 000 Hz. В България първите експериментални разработки на тиристорни преобразуватели за използване в машиностроенето и металургията са създадени във Технически университет - София през 1968 г. с мощност 100 kW при честота 2 400 Hz. През 1977 г. в "Промишлена електроника" - Габрово се внедряват в производство фамилия от тиристорни преобразуватели за индукционно нагряване с мощности от 160 kW до 1 600 kW и честоти от 500 до 2 400 Hz. [2]

Принцип на действие на преобразувателите за индукционно нагряване[редактиране | редактиране на кода]

Индукционното нагряване е метод за нагряване на металите посредством вихрови токове в сърцевината на обработвания метал посредством мощен индуктор. Управляването на този процес посредством тиристорен преобразувател, може точно да изпълни всички изисквания за зоната, дълбочината и температурата на загряване, като с това чрез технологичната обработка се гарантира високо качество на термообработката. При използването им се осъществява преобразуване от типа АС-DC-АС. Изграждат се два типа преобразуватели:

  • системата на преобразуване има явно изграден етап на преобразуване чрез силов токоизпранител АС-DC и вторично преобразуване на постоянното напрежение чрез силов автономeн инвертор DC-АС. Обикновено в инсталациите за индукционно нагряване се ползва трифазен ток с мрежово напрежение 380 V, но в системата за нагряване на индуктора това напрежение е два или три пъти по-високо. Поради това в системата се налага и вграждане на повишаващ трансформатор. [4]
  • система без явно изразено звено по постоянен ток и процесите токоизправяне и инвертиране са обединени.

Автономни инвертори[редактиране | редактиране на кода]

За постигани на висок КПД, силовите токоизправители (преобразуване АC-DC) се изпълняват по схемата като трифазни двуполупериодни изправители. В зависимост от използваните изправителни елементи биват:

-пълно управляеми -двете тройки са изпълнени от тиристори;
-полууправляеми - едната тройка е от диоди, другата от тиристори;
-неуправляеми - двете изправителни тройки са изпълнени от диоди.

Второто преобразуване посредством инвертор (DC-АС) се извършва с разнообразни схеми като технически решения. Това се определя преди всичко от условията на експлоатация. Различават се по електромагнитния процес, който трябва да създадат - инвертори на ток, на напрежение или резонансни инвертори. Различават се по основната схема - със средна точка на инверторния трансформатор, мостови. Различават се по броя на фазите (еднофазни, трифазни и др.). По схемата на възбуждане за управление на тиристорите може да се изградят устройства с външно възбуждане, с вътрешно самовъзбуждане, с удвоители на честотата и др.

Инверторите на ток формират в товара ток с почти правоъгълна форма. Формата на напрежението зависи от параметрите на индуктивния товар и е близка до синусоидалната. [5]

Резонансните инвертори в електрическа си верига имат включени последователно към товара () комутиращ капацитет () и комутираща индуктивност (комутиращ дросел) (). Тяхното съотношение трябва да е такова, че да осигури колебателен режим на последователно свързания резонансен кръг ( ) за определени честоти. Обикновено тези инвертори работят със силно променлив товар, което променя режима на работа и рязко се променят правото и обратното напрежение върху тиристорите. Това налага включването на обратни диоди, които да променят границите на изменение на товарното и анодното напрежение и да връщат част от реактивната енергия към захранвящия източник. [6]

Инверторите на напрежение намират ограничено приложение в областта на индукционното нагряване.

Преобразуване на напрежение[редактиране | редактиране на кода]

DC-DC преобразувател[редактиране | редактиране на кода]

DC-DC преобразувател (популярен и с наименованието конвертор) (на английски: DC-to-DC converter) е преобразувател по постоянен ток , като се преобразува напрежението на източник за постоянен ток (DC), в друго подобно напрежение за захранване на устройства или апаратура, чието необходимо захранващо напрежение е различно от това на източника. Конверторът е изпълнен като електромеханично или електронно устройство. Това преобразуване на електрическата енергия може да се реализира от много ниски до много високи нива на мощност.

  • Електромеханично преобразуване

Електромеханично преобразуване се реализира с преобразувателни устройста, които в настоящето време имат повече историческо значение. С електромеханичните устройства се реализират сравнително неефективни и скъпи процедури на преобразуване на електрическа енергия, които се използват поради липса на друга алтернатива за получаване на необходимите електрически параметри. Реализирането на подобни преобразователи във времето преди използването на полупроводниковите прибори, се осъществява с електрически вибропреобразуватели [7] - използвани са предимно механични вибратори (електромагнит с контактен прекъсвач), повишаващ трансформатор и изправител - механичен, лампов, селенов или по-късно изграден от полупроводникови диоди. При механичното превключване на контактите се превключва многократно в секунда полярността на източника на постоянен ток (напр. акумулатора) и се създава една поредица от електрически импулси. Този вече променлив електрически ток сe трансформира посредством трансформатор до желаното изходно променливо напрежение, което след токоизправител е с необходимата стойност на DC изходно напрежение. Това са преобразуватели за неголеми консумирани мощности - от 20 до 90 mA, и имат коефициент на полезно действие (КПД) от порядъка на 45-80 %. Като приложение може да се посочи използването им в радиоприемниците на леките автомобили с вакуумни електронни лампи, където от 12 V, трябва да се получи от 80 до 250 V постоянно анодно напрежение. [8]

За по-голяма мощност на преобразуването се използват свързани заедно електрически двигател и генератор, генериращ желаното изходно напрежение. Конструктивно такива преобразуватели се произвеждат и в единичен модул с общ ротор, с две котви и колектори и два статорни пакета. Мотор-генераторите могат да преобразуват всякаква комбинация от DC и AC по напрежение и фаза. Големите мотор-генератори са използвани широко за преобразуване на индустриални количества енергия (особено в началото на ХХ век), докато по-малките конструкции преобразуватели се използват за преобразуване на мощността на батерията (6, 12 или 24 V DC) на високо постоянно напрежение, което се изисква за работа с вакуумни тръби и радиопредаватели. Като пример, може да се посочи динамо-моторът използван за радиостанциите на самолетите от Втората световна война, където преобразуването е от бордовото 24-28 V до необходимите 500 V DC. Такива преобразуватели намират приложение и днес, например в електрическите локомотиви за преобразуване на електрическата енергия от високото захранващо мрежово напрежение, в такова необходимо за бордното оборудване и напрежение 220 V АС необходимо за приборите за обслужване на пътниците.

Времедиаграмите на напреженията и тока в идеален преобразувател, работещ в непрекъснат режим
Бък конвертор stepdown 3A USB зарядно и захранване IMG 20170202 2107
  • Електронен преобразувател

Схемната реализация на преобразуватели с полупроводникови прибори, интегрални схеми и на силови полупроводници, направи икономически изгодно използването на разнообразни схемни решения без механични движещи се части. За преобразуване на захранващото напрежение DC към високочестотно AC, и след използване на трансформатор - малък, лек и евтин поради високата работна честота, създаденото променливо напрежение посредством токоизправител се превръща в постоянно напрежение до необходимата изходна стойност.

За електронното преобразуване с галванично разделяне на основния източник на DC напрежение от изходното DC напрежение, чрез използването на магнитни вериги, се извършват няколко операции на преобразуването.

  • - Първото преобразуване посредством полупроводникови преобразуватели, работещи в генераторен режим, се превръща постоянното напрежение на източника в импулсна поредица.
  • - Втората фаза на преобразуването е, създаденият променлив ток с работната честотата на генератора се включва към първичната страна на трансформатор, при което индуктивната връзка между намотките се осъществява чрез затворената магнитна система на магнитопровода и на вторичната намотка изходното променливо напрежение е с необходимата стойност. [1]
  • - Третата фаза на работата на преобразувателя е изправянето на променливия ток посредством токоизправител. Така например едно постоянно напрежение от 12 V DC, може да се превърне в 160-230 V DC. Работният режим на подобни преобразуватели е с честота на генериране от няколко стотин Hz до няколко kHz. Използват се повишаващи трансформатори с намалени габарити, поради по-високата работна честота и използването на подходящи магнитни материали. Токоизправителят може да се реализира като еднополупериоден или двуполупериоден по мостова схема от неуправляеми вентили за по-ефективно използване на импулсната поредица и намаляване на пулсациите след филтриране. Тези преобразуватели се отличават с висока надеждност, дълготрайност и висок КПД - 80 %. [8]

AC-AC преобразувател[редактиране | редактиране на кода]

Transformer3d col3 ru.svg
Схема на автотрансформатор
Автотрансформатор с плавно реулиране на напрежението от 0 -220 V, 4А, и мощност 880 VА

Трансформаторите са основен преобразувател за променливотокова електрическа енергия, тясно свързан с производството, преноса и преобразуването ѝ за нуждите на потребителите. Трансформирането на енергията с други изходни параметри се осъществява посредством магнитния поток в затворената магнитна система на магнитопровода и магнитната индукция, която е силовата характеристика на създаденото магнитно поле от действието на електрически заредените токоносители. Конструкцията на трансформаторите има отделни изолирани една от друга намотки за първичната страна, включена към източника, и вторичната страна включена към товара, и позволява галванично развързване на източника и консуматора на електрическа енергия. Това позволява в широки граници промяна на параметрите напрежение и ток за двете страни на трансформатора. Посредством използването на добри изолационни материали, в т.ч. и масла за изолация и охлаждане, чрез трансформаторите може да се преобразува и пренася енергия със стотици хиляди волта до въздушните мрежи в градски условия с напрежение до 10 000 V и потребителската мрежа от 220 V. Трансформаторите намират широко приложение и като преобразуватели АС-АС в първата фаза на преобразуване при токоизправяне.

Биват еднофазни и многофазни. Еднофазните се използват за преобразуване на малки мощности. Многофазните се използват за преобразуване на средни и високи мощности, като се използват предимно за трифазната електрическа мрежа.

Конструкцията и габаритите на трансформаторите се определят от трансформираните мощности на електрическа енергия. Силовите трансформатори, със специална конструкция за охлаждане, се произвеждат за мощности до 1.106 кVА и за напрежения до 1150 кV. [9] Габаритите на трансформаторите зависят и се определят от честотата на преобразуваната енергия. Масово използваната електротехническа силициева ламарина за магнитопроводи, използвана за трансформатори работещи с честота на тока 50 Хц, е непригодна при променлив ток с по-високи честоти. За целта се използват магнитни материали с по-висока коерцитивна сила, особено за малки мощности в преобразувателите използвани в радиотехниката и комуникационната и изчислителната техника.

Автотрансформаторът е преобразувател тип АС-АС, който може да промени параметърът напрежение в една електрическа верига. Автотрансформаторът за разлика от трансформаторите има само една намотка поставена върху магнитопровод съставен от ламели от листова електротехническа стомана. Принципната разлика с трансформаторите е, че при автотрансформатора са налични магнитна (индукционна) и галванична (електрическа) връзка т. е. два вида връзки между първичната (входната) и вторичната електрическа верига (веригата на консуматора). [10]Промяната може да се осъществи ръчно или автоматически (в зависимост от потребителя и мястото на ползване). Осъществява се плавно с плъзгащ контакт по намотките върху феритната сърцевина или стъпално с превключване на направени изводи от секции на намотката (бобината) му. В качеството на токоснемащ елемент от намотката на автотрансформатора се използват плъзгащи се ролки или графитни четки за плавно и пружини контакти за стъпално регулиране. При първия вид с профилактика подвижните елементи трябва да се почистват за осъществяване на добър контакт и в зависимост от степента на експлоатация да се подменят при ползване от 7 до 10 години. В зависимост от начина на включване към първичната захранваща верига, автотрансформаторите са използват като повишаващи или понижаващи преобразуватели. Характерната особеност на този преобразувател е, че не се прекъсва галваничната връзка с източника. Галваничната връзка между двете намотки създава опасност при работата с уреда, поради възможността двете напрежения да са доста различни по стойност, като едното от тях да е много високо. Затова за безопасна работа с автотрансформаторите се препоръчва диапазона на коефициента на трансформация n да е в границата от 2 до 3. [11]

  • Електронен преобразувател
Принципна схема на циклоконвертор
Параметричен транзисторен стабилизатор с ценеров диод
Последователен параметричен транзисторен стабилизатор с ценеров диод. Падът на напрежение върху Rv с промените си е управляващо за базата на емитерния повторител
Компенсационен стабилизатор с регулиращ транзистор управляван от дълбока отрицателна обратна връзка от изходното напрежение

Циклоконвертор (на английски: Cycloconvertor) - е многофазен променливотоков преобразувател на напрежение за променливо напрежение (единично или многофазно), в което няма междинно DC напрежение. Промяната на честотата се осъществява при директно свързване към изхода на циклоконвертора на съответния фрагмент от синусоидната вълна на входното напрежение. Използва се основно за получаване на нискочестотно изходно напрежение. Ниската честота позволява да стартират с висока мощност електродвигатели натоварени с голям товар (напр. в топкови мелници), без това да изисква предварително стартиране на празен ход на двигателната система като някаква подготовка преди реализацията на нейните основни функции)

Преобразуватели по честота и фаза[редактиране | редактиране на кода]

Преобразуването по честота и по фаза в електротехниката се осъществява от вторични източници на електроенергия, свързани към доставената по националната мрежа електрическа енергия. Чрез технически средства - мотор-генератори и инвертори може да се преобразува променливо напрежение с определена честота и брой на фазите, различно от напрежението и честотата на първичния източник на енергия.

За преобразуватели по честота се използват инверторните системи, които като преобразуват постоянно напрежение от фотоволтаични системи са вторични източници на енергия. За включване в националната енергийна мрежа, преобразуването в променливо напрежение е със стойност и честота, съобразно изискванията на националната електромрежа.

Преобразуване за стабилизация на параметрите на електрическата енергия[редактиране | редактиране на кода]

DC-DC стабилизатор на напрежение[редактиране | редактиране на кода]

Стабилизаторът на напрежение е електротехнически или електронeн регулатор за стабилизация на напрежение (Voltage regulator) [12] посредством електрическа верига, която осигурява на изхода си стабилно DC напрежение, независимо от вариациите на токовия товар, температурната нестабилност или промените в напрежението от източника. Регулаторът на напрежение може да се създаде с проста евтина конструкция или да е изграден с по-сложна схема, която да включва и отрицателна обратна връзка. За реализация на стабилизатора технически се използват електромеханични механизми или електронни компоненти. В зависимост от схемното решение, стабилизаторите на напрежение се използват за регулиране на едно или повече напрежения от постоянен ток.

Съпротивлението на стабилизатора на напрежение се променя в зависимост от товара на включения в електрическата верига консуматор, но с това се обезпечава постоянно изходно напрежение. Физическата същност на стабилизаторното устройство е регулиращо действие подобно на променлив резистор в електрическата верига за поддържането на постоянно изходно напрежение. От преобразуването ще има загуби пропорционални на непрекъснатото разсейване на топлина от регулиращия елемент с мощност пропорционална от протичащия ток и напрежение равно на разликата между входното и регулираното напрежение, което е падът от напрежение върху регулиращия електронен елемент - напр. транзистор. Това налага едно задължително условие за нормална работа на стабилизатора - входното напрежение от източника трябва винаги да е по-високо от изходното стабилизирано напрежение. Това намалява ефективността на стабилизатора на напрежение като преобразувател на енергия.

Електронните стабилизатори може да не използват елементи с индуктивности и феритни сърцевини, които значително увеличават обема и теглото на конструкцията. Така конструирани електронни регулатори включват полупроводникови прибори, резистори и кондензатори, или специално създадени интегрални схеми, които позволяват компактен печатен монтаж.

Линейни стабилизатори на напрежение[редактиране | редактиране на кода]

Регулиращите елементи на електронната схема в в т. нар. линейни стабилизатори на напрежение се свързват по два начина:

  • последователно с действие като сериен регулатор,
  • успоредно с действие като шунт.

Регулаторът в захранващата верига между източника и консуматора на електрическа енергия е пасивен или активен електронен елемент. И в двата случай регулатора се оразмерява за номинален изходен ток и действието му се ограничава от възможността да се разсейва отпадъчната топлина от електрическата мощност върху регулиращия елемент при процеса на преобразуването стойността на електрическия параметър напрежение.

В зависимост от използваната електронна схема и компоненти, електронните стабилизатори се разделят на две групи:

-параметрични - използват се електронни елементи в чиято волт-амперна характеристика има стабилитронна част като полупроводниковите стабилитрони и някои вакуумни прибори с тлеещ разряд. Параметричните стабилизатори с ценер диоди имат сравнително нисък коефициент на стабилизация в границите от 20 до 50. [13]

-компенсационни - използват като регулиращ елемент обратна връзка. При този тип стабилизатори се следи изходното напрежение и при промяна, чрез обратната връзка в електронната схема се осъществява компенсация. Компенсацията се осъществява от регулиращи електронни компоненти по аналогов (непрекъснат) или ключов (импулсен) режим [14] Обикновено тези схеми се основават на стабилизиращото действие на компаратор, който сравнява стабилизирано опорно напрежение (напр. със стабилитрон) и напрежението от отрицателната обратна връзка от изходното напрежение. [15] За постигане висок коефициент на стабилизация се използват постояннотокови усилвателни елементи с големи коефициенти на усилване. Използват се и схеми със съставни транзистори за създаване на голям базисен ток към мощния управляващ транзистор, регулиращ изходното напрежение. За увеличаване на коефициента на стабилизация на стабилизатора, колекторните вериги на управляващата схема на регулиращия транзистор се свързват към отделни стабилизирани източници. Това премахва влиянието на промените на входното напрежение и неговите пулсации, които също влияят и намаляват общия коефициент на стабилизация.

Импулсен преобразувател за зареждане на телефон
Импулсен преобразувател за зареждане на телефон Nokia. На изхода, допълнителен стабилизатор 7805 и сигнализиращ диод

Импулсни стабилизатори на напрежение[редактиране | редактиране на кода]

Импулсен стабилизатор на напрежение това е стабилизатор на напрежение, в който регулиращия елемент работи в ключов режим. Поради ключовия режим на работа на стабилизатора, сравнен с линейния стабилизатор (с емитерен повторител, или схемата за серийно или паралелно свързване), този стабилизатор има по-малки загуби поради режима на работа и по-ниска разсеяна мощност от нагряване. Това увеличава КПД и намалява общите габарити и тегло - по-малък радиатор, по-малки трансформатор, филтри (от дросел и кондензатор) и транзистори с по-малки мощности.

АС-АС стабилизатор на напрежение[редактиране | редактиране на кода]

Зала за мотор-генераторни преобразуватели - Норвегия, Осло

Стабилизаторите на напрежение АС-АС са предназначени да поддържат напрежение с постоянна стойност на изхода си, независимо от промените на входното напрежение на стабилизатора, както и промените на консумираната енергия от потребителите. На изхода стабилизаторите трябва да предават променливотокова енергия с правилна синусоидална форма, независимо от формата на входа, пикове и други смущения спътстващи преноса и трансформациите на електрическата енергия. Стабилизаторите се различават по схемата на преобразуването и стабилизацията на електрическата енергия, като са изградени с различни елементи, габарити и съобразно предназначението си стабилизират различни мощности. По тази причина променливотоковите стабилизатори може да се обобщат в две основни групи:

-Стабилизиране на изходното напрежение за сметка на предварително натрупана енергия в механични средства;
-Стабилизатори с корегираща система за увеличаване или намаляване на изходното напрежение.

Механични средства с натрупване на енергия за стабилизиране на променливо напрежение[редактиране | редактиране на кода]

-Стабилизиране с мотор-генератор

Мотор-генераторните стабилизатори работят на принципа на натрупване на кинетична енергия в маховик. Твърдо свързаният маховик с мотор-генераторната група отдава натрупаната кинетична енергия на генератора при пропадане на входното напрежение в системата. Краткотрайните импулсни промени във входното напрежение не влияят съществено на двигателя на мотор-генератора да промени оборотите си и да се измени изходното напрежение, поради съпротивлението което оказва маховика като инертна система. Такива преобразуватели се използват от началото на 20 век, предимно за стабилизация на големи мощности и предимно за трифазен ток. До днес посредством подобни стабилизатори се осъществява напрежение с постоянна стойност за нуждите на радиопредавателни и комуникационни центрове, изчислителни центрове с мейнфрейм машини, независимо, че в токозахранващите устройства на тези системи има вградени преобразуватели, стабилизатори и филтри за електрическото напрежение на базата на постиженията на съвременната електроника.

Стабилизатори АС-АС с корегираща система за изходното напрежение[редактиране | редактиране на кода]

- Ферромагнитни стабилизатори

Феромагнитен стабилизатор на напрежение „Konstanze V“ за 220V / 200 W, 3%, регулиране от 170 до 242 V входно напрежение. Произведено в ГДР
  • Феромагнитни стабилизатори на напрежение за ниски мощности. Те се използват като стабилизатори за ниски мощности. Те се използват в бита за автоматично стабилизиране на мрежовото напрежение в райони с нестабилно захранващо напрежение, предимно за захранване на телевизионни приемници или друга апаратура използващо електронно лъчеви тръби. Не разполага с движещи се части и използва магнитните вериги, създадени в феритно ядро. Състои се от трансформатор, дросел - с магнитен зазор (ненаситена феритна сърцевина) и кондензатори. При стабилизирането се използва действието на насищане на сърцевината образувана от резонансната верига на трансформатора, дросела и кондензаторите. Трансформаторът с наситена магнитна верига има такава волт-амперна характеристика, че напрежението му малко се променя при промяната на тока през него. С подходящ подбор на параметрите на дроселите и кондензатора се обезпечават стабилизацията на напрежението при промяна на входното напрежение, но промяната на входната честота влияе и влошава качествата му на стабилизатор на напрежение.
Ферорезонансните стабилизатори са с проста конструкция, надеждни са при експлоатация и за целите за които се използват имат имат добра стабилизаця. Обикновено намаляват от 6-8 пъти промяната във входното напрежение - напр. от 20% промяната след стабилизацията на изхода се свежда до 3%. След създаването и вграждането в битовата радиотелевизионна апаратура на импулсни захранващи блокове, необхомиостта от външна предварителна стабилизация на променливото напрежение отпада. Практически от края на 20 век няма потребност от използването им в бита. В България феромагнитни стабилизатори се произвеждаха в завод „Феромагнит“ (понастоящем „Прамет“) в гр. Перник.
  • Феромагнитни стабилизатори на напрежение за големи мощности. Те се използват за стабилизация на променливото напрежение от потребители консумиращи голяма електрическа мощност. Стабилизацията се осъществява с управлението на магнитния поток на захранващия трансформатор. Управлението на стабилизирането се осъществява чрез допълнителна подмагнитваща намотка на магнитопровода на трансформатора, посредством която се променя общия магнитен поток и с това се индуцира постоянно по стойност изходно напрежение във вторичната намотка. Подмагнитващата намотка се управлява с ток от схема изградена с електронни елементи. Разликата при промяната на входното напрежение в първичната намотка на трансформатора, е управляваща за електронната схема. Последната посредством управляеми вентили - тиристори, с пропускане на различни отсечки от синусоидата на напрежението, управлява тока в допълнителната намотка, което променя магнитното поле и общия магнитен поток на трансформатора. С такава конструкция стабилизатор с мощност 25 kW се стабилизира променливото напрежение на произвежданата в България ЕИМ ЗИТ-151.

Приложение на стабилизатори АС-АС[редактиране | редактиране на кода]

По разработените схеми и с използване на съвременните постижения в микроелектрониката се създават АС-АС стабилизатори на напрежение. В тях се вграждат средства за защита от претоварване и индикация за изходното напрежение - стандартното мрежово 220 VАС с отклонение до 4%. Стабилизацията на напрежението се осъществява с плавна регулация посредством вграден серво мотор. Разработените и предлагани за ползване стабилизатори понастоящем работят с входящо мрежово напрежение от 165 до 245 VАС. Характерна особеност за ползване е предварително да е известен характера на товара, за да се обезпечи необходимия резерв от мощност на стабилизатора. При работа с активен товар (нагреватели, електрически фурни, печки) се избира стабилизатор с изходна мощност с 30% по-голяма от общата консумирана мощност. За захранване на индуктивен товар (луминисцентно и флоуресцентно осветление, електрически двигатели, помпи, хладилници, фризери, климатици), стабилизаторът трябва конструктивно да е оразмерен за мощност от 3 до 5 пъти по-висока от тази на консуматора. При захранване на капацитивен товар (импулсни зарядни устройства, LED драйвери, импулсни захранвания) изходната мощност на стабилизатора трябва да е по- висока от 5 до 10 пъти от тази на консуматора. За промишлени нужди се разработват на този принцип трифазни стабилизатори за стабилизиране на напрежение от 280 до 430 VАС с плавно регулиране посредством серво мотор. Стабилизаторите работят с КПД >95% и ниски изкривявания. [16]

Преобразуване за регулиране и управление на генератори и консуматори на електрическа енергия[редактиране | редактиране на кода]

Приложение на преобразуването в захранващи блокове[редактиране | редактиране на кода]

Захранващите блокове във всякаква битова апаратура, апаратура за служебно ползване, медицинска апаратура, изчислителна техника или управляващи устройства на някакъв производствен или друг процес, не ползват директно доставената електрическата енергия от потребителската мрежа. Необходими са други, вторични източници на енергия, които използват в значителна степен вече разгледаните схеми за преобразуване и стабилизиране на електрическата енергия. Най-често за електрическо захранване се използват две типични конструкции на вторични източници на електозахранване, т. е. източници които служат за непосредствено захранване на консуматор, след генератора произвел електрическата енергия. Това са преобразуване с трансформаторната схема на преобразуване, изправители и схеми за стабилизиране параметрите на енергията до потребителя, като се обезпечава и необходимата мощност. Такова преобразуване се нарича трансформаторен линеен източник на захранване. Вторият начин на преобразуване и стабилизация за непосредствено захранване е импулсния източник на захранване. Тези два вида преобразуватели се вграждат в апаратурата, преобразуват напреженията по полярност и стойност, и се използват за непосредствено захранване на устройства, които не работят директно с напрежение доставено от потребителската мрежа. Наричат се съответно:

-линеен източник на захранване (включва трансформатор);
-импулсен източник на захранване (включва електронна схема за импулсно преобразуване на захранващото входно напрежение).
Трансформаторен линеен източник на ток с изправител и филтри за захранване на мрежов комутатор (network switch)
Импулсен захранващ блок на компютър със свален капак
A — входен изправител. Под него входен филтър против пикове и пулсации от мрежовото захранване
B — изглаждащи кондензатори за постоянното напрежение. В дясно-радиатори на високоволтовите транзистори
C — импулсен трансформатор. В дясно радиатора на нисковолтовите диоди
D — изходен дросел на стабилизиращата група
E — кондензатори на изходния филтър

Линеен източник на захранване[редактиране | редактиране на кода]

Това е класически захранващ блок. Включва в най-общия случай понижаващ трансформатор или автотрансформатор, чиято първична намотка се включва към мрежовото напрежение, а вторичната се оразмерява за необходимото изходно захранващо напрежение. При необходимост от постоянно напрежение се използват изправители за едпопътно или двупътно изправяне, филтри за намаляване на пулсациите. При необходимост, при линейното захранване се поставят филтри за високочестотни шумове и отстраняване на пикове, предизвикани от външни източници или от елементите на преобразувателите. Високите изисквания към параметрите на постоянното напрежение (стойност, пулсации, полярност) за захранване на устройства изградени от интегрални схеми използват линейни източници на напрежение, в които са вградени и линейни параметрични или компенсационни стабилизатори на базата на емитерен повторител. За захранващите блокове са разработени електронни схеми за защита от късо съединение, за да не се разрушават в случай на повреда елементите от които са изградени.

Импулсен източник на захранване[редактиране | редактиране на кода]

Импулсните захранващи блокове са построени на схемата на двойно преобразуване, като се използва токоизправител и инверторното преобразуване. Първоначално от входното променливо напрежение посредством токоизправител се получава постоянно напрежение. От полученото постоянно напрежение чрез транзисторни схеми работещи в ключов режим се генерират правоъгълни импулси с повишена честота и с определен коефициент на запълване на импулсната поредица. Следва трансформиране на импулсната поредица от трансформатор в други параметри на електрическото напрежение. Генерирането на по-висока честота на импулсите, позволява да се използват феритни материали за магнитопровода, което намалява обема и теглото на използваните трансформатори. Следва токоизправяне с нисковолтови диоди и филтриране на напрежението. Посредством отрицателна обратна връзка се управлява генератора, за да се поддържа постоянно изходно напрежение, независимо от товара или промяната на входното мрежово напрежение.

Захранващ адаптер с USB за Apple iPod, Model A1205. Виждат се гнездата за акумулаторите
Универсално захранване за телефон с USB

UPS[редактиране | редактиране на кода]

UPS е вторичен източник на електрозахранване. При прекъсване на основния захранващ източник (мрежовото напрежение), акумулираната енергия в химическия източник на електрическа енергия на UPS, чрез преобразуването на параметрите (от DС в АС), обезпечава непрекъснатост на захранването на консуматора. Така нареченото непрекъсваемо захранване, или използвания и в България термин UPS (на английски: Uninterruptible Power Supply (Source, Systems)) намира широко приложение при устройства изпълняващи логически операции, където спирането на електрозахранването може да унищожи започналия процес, и да не се съхрани информацията от проведените до този момент операции. Това е важно и се отнася както за големи изчислителни центрове, така и в бита при ползването на персонални компютри. При преносимите компютри от типа laptop, notebook външно непрекъсваемо захранващо устройство не е необходимо. В тях конструктивно се вгражда акумулаторна батерия и адаптер със схеми за превключване, за да работят както на акумулатор, така и включени към мрежово напрежение, като в същото време да се дозарежда акумулатора. В съвремените преносими персонални компютри се използват литиевойонни акумулатори, а някои модели, предназначени за ползване от бизнес средите, имат възможност за включване на допълнителен захранващ акумулатор.

Непрекъсваемо захранване е необходимо дори и в случаите, когато освен от мрежата, потребителят на електроенергия разполага и с резервен генератор на ток. Причината за това е, че включването на резервния генератор не е мигновено при прекъсване на мрежовото напрежение. Времето за включването му, даже измерено със секунди, е достатъчно дълго и се прекъсва започналата обработка на текущия информационен процес. Непрекъсваемо електрозахранване е необходимо и при автоматизираните процеси, управлявани от цифрови програмни устройства в съвременното промишлено производство. Нормалното функциониране на един технологичен процес на автоматизирана линия от последователно свързани обработващи машини е невъзможен при прекъсване на напрежението поради късо съединение в електромрежата или поради други причини. Прекъсването на захранването за части от секундата или за няколко секунди води до спиране на технологичния процес и води до спиране на производството с произтичащи от това големи щети за производителя.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. а б Ананиев, инж. Любен Г., к.п.н. инж. Михаил К. Чаушев. Електротехника, Държавно издателство „Техника“, София 1983, с. 118
  2. а б в Иванов, н.с. к.т.н. Петьо Първанов. Тиристорни преобразуватели за индукционно нагряване, Институт по металознание и технология на металите - БАН София, София, 1985, с. 2-3
  3. Табаков, проф. д-р инж. Стефан Е., Импулсни и цифрови устройства, част І, София, 2002, с. 66 ISBN 954-438-214-3
  4. Иванов, н.с. к.т.н. Петьо Първанов. Тиристорни преобразуватели за индукционно нагряване, Институт по металознание и технология на металите - БАН София, София, 1985 с. 25
  5. Иванов, н.с. к.т.н. Петьо Първанов. Тиристорни преобразуватели за индукционно нагряване, Институт по металознание и технология на металите - БАН София, София, 1985, с. 26
  6. Иванов, н.с. к.т.н. Петьо Първанов. Тиристорни преобразуватели за индукционно нагряване, Институт по металознание и технология на металите - БАН София, София, 1985, с. 29
  7. ру. Вибропреобразователь
  8. а б Пецулев, доц. инж. Спиро. Радиоприемни устройства. Ръководство за лабораторни упражнения и курсов проект, Издателство т„Техника“ София, 1969, с. 174-175
  9. Ананиев, инж. Любен Г., к.п.н. инж. Михаил К. Чаушев. Електротехника, Държавно издателство „Техника“, София 1983, с. 132
  10. Ананиев, инж. Любен Г., к.п.н. Михаил Чаушев. Електротехника, Държавно издателство „Техника“ София, 1983, с. 135
  11. Ананиев, инж. Любен Г., к.п.н. Михаил Чаушев. Електротехника, Държавно издателство „Техника“ София, 1983, с. 136
  12. Лисовский Ф.В., И.К.Калугин. Англо-руский словарь по радиоелектронике, Издание второе, преработанное и дополненое, „Руский язык“, Москва, 1987, с.509
  13. Табаков, проф. д-р инж. Стефан Е., Импулсни и цифрови устройства, част І, София, 2002, с. 98 1 ISBN 954-438-214-3
  14. Табаков, проф. д-р инж. Стефан Е., Импулсни и цифрови устройства, част І, София, 2002, с. 94 ISBN 954-438-214-3
  15. Табаков, проф. д-р инж. Стефан Е., Импулсни и цифрови устройства, част І, София, 2002, с. 102 ISBN 954-438-214-3
  16. Фирмен каталог за стабилизатори на напрежение