Измерительные преобразователи мощности нагрузки в однофазной сети

ИМПУЛЬСНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДЛЯ ДОМА

В общем случае преобразователь или конвертор напряжения это электротехническое устройство, способное преобразовывать один уровень или вид этого параметра в другой.

Как правило, говоря о преобразователях напряжения, имеют в виду конверторы, работающие в цепях переменного тока (AC/AC). В других случаях эти приборы называют преобразователями постоянного напряжения (DC/DC) или инверторами (DC/AC или AC/DC).

Устройства для преобразования напряжения встречаются на практике повсеместно. Различают и классифицируют их по различным признакам.

По назначению конверторы подразделяют на:

Преобразователи постоянного напряжения

, а именно:

• регуляторы;
• линейные стабилизаторы.

Конверторы переменного напряжения

. В состав этой категории входят:

• трансформаторы различных типов;
• регуляторы;
• преобразователи формы и частоты сигнала.

Инверторы для преобразования постоянного напряжения в переменное и наоборот. В группу инверторов входят также:

• выпрямители;
• импульсные стабилизаторы.

Кроме того специалисты выделяют в отдельную категорию блоки питания, каждый из которых содержит в себе какой-либо преобразователь напряжения. Ими являются:

• встроенные источники электропитания различных видов оборудования;
• малогабаритные адаптеры (зарядные устройства), предназначенные для электропитания (зарядки) мобильных телефонов, электронных гаджетов и девайсов.

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Импульсные преобразователи применяются в тех случаях, когда нужно преобразовать один уровень напряжения в другой. Чаще всего они собираются на базе индуктивных или емкостных накопителей энергии. От других источников электропитания их отличает высокий уровень КПД, достигающий в некоторых случаях 95%.

Принципиальные электрические схемы импульсных преобразователей выполняются с использованием 4 х элементов:

• коммутирующий элемент;
• накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель, конденсаторы);
• блокирующий диод;
• конденсатор, соединенный параллельно с сопротивлением нагрузки.

Комбинации перечисленных компонентов могут образовывать любой тип импульсного конвертора.

Величина напряжения на выходе определяется шириной импульсов, управляющих коммутирующим элементом. При этом создается запас энергии в катушке индуктивности. Стабилизация реализуется за счет обратной связи, то есть ширина импульсов меняется в зависимости от значения выходного напряжения.

Для создания токов высокой частоты используют преобразователи, собранные с использованием колебательных контуров. При этом напряжение постоянного тока, поступающее на генератор переменного напряжения (мультивибратор, триггер) является одновременно и питающим. Выходные импульсы имеют, как правило, прямоугольную форму.

Полученное переменное напряжение можно усилить, понизить и т. д. Кроме того его легко выпрямить и получить нужную полярность. Для этого используют соответствующее включение диодов, а выпрямитель собирают, например, по мостовой схеме.

Напряжение на выходе импульсных преобразователей необходимо стабилизировать. Для этого используют различного рода стабилизаторы (импульсные или линейные). Правда, из-за низкого КПД последние используются редко.

Что касается импульсных стабилизаторов, то они в своей работе используют широтно или частотно импульсную модуляцию. В первом случае меняется длительность во втором — частота импульсов. Встречаются устройства с комбинированным способом стабилизации.

Удвоитель напряжения

На рисунке 1 показана схема питания светодиода с использованием принципа удвоения напряжения питания. Генератор низкочастотных импульсов выполнен на транзисторах разной структуры: КТ361 и КТ315.

Частота следования импульсов определяется постоянной времени R1C1, а продолжительность импульсов — постоянной времени R2C1. С выхода генератора короткие импульсы через резистор R4 подаются на базу транзистора VT3, в коллекторную цепь которого включен светодиод HL1 (АЛ307КМ) красного цвета свечения и германиевый диод VD1 типа Д9.

Между выходом генератора импульсов и точкой соединения светодиода с германиевым диодом подключен электролитический конденсатор С2 большой емкости.

В период продолжительной паузы между импульсами (транзистор VT2 закрыт и не проводит ток) этот конденсатор заряжается через диод VD1 и резистор R3 до напряжения источника питания. При генерации короткого импульса транзистор VT2

открывается. Отрицательно заряженная обкладка конденсатора С2 оказывается соединенной с положительной шиной питания. Диод VD1 запирается. Заряженный конденсатор С2 оказывается подключенным последовательно с источником питания.

Суммарное напряжение приложено к цепи светодиод — переход эмиттер — коллектор транзистора VT3. Поскольку тем же импульсом транзистор VT3 отпирается, его сопротивление эмиттер — коллектор становится малым.

Таким образом, практически удвоенное напряжение питания (исключая незначительные потери) оказывается кратковременно приложенным к светодиоду: следует его яркая вспышка. После этого процесс заряда — разряда конденсатора С2 периодически повторяется.

Рис. 1. Принципиальная схема удвоителя напряжения для питания светодиода.

Поскольку светодиоды допускают работу при кратковременном токе в импульсе, в десятки раз превосходящем номинальные значения, повреждения светодиода не происходит.

Если необходимо повысить надежность работы светодиодных излучателей с низковольтным питанием и расширить диапазон напряжения питания в сторону увеличения, последовательно со светодиодом следует включить токоограничи-вающий резистор сопротивлением десятки, сотни Ом.

При использовании светодиода типа АЛ307КМ с напряжением начала едва заметного свечения 1,35… 1,4 В и напряжением, при котором без ограничительного сопротивления ток через светодиод составляет 20 мА, 1,6… 1,7 В, рабочее напряжение генератора, представленного на рисунке 1, составляет 0,8… 1,6 В.

Границы диапазона определены экспериментально тем же образом: нижняя указывает напряжение начала свечения светодиода, верхняя — напряжение, при котором ток, потребляемый всем устройством, составляет примерно 20 мА, т.е. не превышает в самых неблагоприятных условиях эксплуатации предельный ток через светодиод и, одновременно, сам преобразователь.

Как уже отмечалось ранее, генератор (рисунок 1) работает в импульсном режиме, что является с одной стороны недостатком схемы, с другой стороны — достоинством, поскольку позволяет генерировать яркие вспышки света, привлекающие внимание.

Генератор достаточно экономичен, поскольку средний ток, потребляемый устройством, невелик. В то же время в схеме необходимо использовать хотя и низковольтный, но довольно громоздкий электролитический конденсатор большой емкости (С2).

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

С увеличением количества автомобилей возросла потребность использования в процессе их эксплуатации различных бытовых приборов, в том числе работающих от переменного напряжения 220В.

Для этого и были разработаны автомобильные инверторы, с помощью которых постоянное напряжение от автомобильного аккумулятора +12 В (легковые автомобили) или +24 В (грузовой автотранспорт) преобразуется в переменное 220 В. К ним можно подключить электробритву или электродрель, зарядить ноутбук и пр.

Автомобильный инвертор является генератором напряжения, форма которого приближена к синусоиде. При этом ток на выходе прибора не зависит от величины тока на входе и его можно регулировать практически от нуля до максимума. Точно также теоретически можно регулировать частоту и напряжение.

Упрощенно электрическую схему автомобильного конвертора можно представить в виде трансформатора, на первичные обмотки которого напряжение подается через тиристорные ключи. Поочередно включая обмотки тиристоры создают на выходе трансформатора переменный ток.

При этом формируется модифицированная (ступенчатая) синусоида, но это никак не влияет на работоспособность большинства бытовых приборов.

Преобразователи для использования в автомобилях обладают достаточно высоким КПД, который достигает 90%, что свидетельствует о достаточно высоком качестве получаемой синусоиды.

Потребитель в процессе эксплуатации прибора имеет возможность выбрать один из трех режимов его работы:

1. Рабочий режим, обеспечивающий длительную работу инвертора с номинальной мощностью.
2. Режим перегрузки, который позволяет получить от прибора значительно большую мощность, чем при работе в обычном режиме. Однако в таком режиме инвертор не должен работать более 30 мин.
3. Пусковой режим используется при необходимости получения моментальной мощности при высокой нагрузке (запуск электродвигателя и пр.).

Внимание! Эксплуатируя инвертор, не рекомендуется постоянно включать его на максимальную мощность. Выбирать режим его работы необходимо, исходя из величины нагрузки.

Выбирая конвертор для авто основное внимание необходимо обратить на его мощность. Ее величина должна быть заведомо больше мощности подключаемых устройств. Кроме того немаловажное значение имеет и тип подключаемых электроприборов. Если к автомобильному инвертору предполагается подключать приборы, потребляющие при запуске значительные токи, то приобретать нужно прибор, обладающий соответствующей мощностью (от 300 до 2000 Вт).

Схема мощного высоковольтного преобразователя напряжения на 2 кВ

Как сделать высоковольтный DC-DC преобразователь своими руками? Посвящается тем, кто в высоком напряжении находит не только минусы, но и плюсы
Высоковольтный преобразователь напряжения предназначен для получения от низковольтного источника высокого напряжения (до десятков тысяч вольт) постоянного или переменного тока. Основное требование, определяющее принцип работы таких преобразователей – это возможность эффективно передать на выход полезную мощность, обеспечив максимальное значение КПД.
Однотактные преобразователи позволяют с минимальными затратами получать высокие выходные напряжения, но при условии относительно небольшой мощности в нагрузке. Причина – довольно низкий КПД однотактных устройств. Для начала, в качестве примера приведу простейшую схему модуля высоковольтного преобразователя, выпускаемого нашими непритязательными китайскими друзьями.

Первичная обмотка находится под вторичной. Она намотана на ферритовом стержне с высокой магнитной проницаемостью и содержит несколько витков 0,8…1 мм провода. Количество витков вторичной обмотки – несколько тысяч. Без нагрузки схема потребляет от источника питания значительный ток (2…3А). Это является следствием затянутых фронтов на затворе транзистора (из-за его большой ёмкости в совокупности с высоким выходным сопротивлением NE555), а также низкой индуктивности первичной обмотки трансформатора. Конечно, при таком трансформаторе никаких 20 000 вольт схема не выдаст, максимум – 3…4 кВ при мощности в несколько ватт. Вывод – в данном исполнении к покупке и повторению НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ! Однако в случае использования строчного трансформатора для ЭЛТ со встроенной схемой умножителя и резонансного конденсатора в его первичной обмотке всё ж таки удаётся получить искомые 20 кВ. Именно такую схему мы рассмотрели на странице – Ссылка на страницу.

Несколько лучшими мощностными характеристиками будет обладать двухтактный преобразователь, выполненный по схеме симметричного индуктивного мультивибратора. Эта схема на удивление популярна среди шокеростроителей разных мастей и является основой знаменитого «злого шокера» от lamazoid-а, а также множества других разработок по схожим мотивам. А теперь, давайте, взглянем на схему такого преобразователя с номиналами элементов и замерами потребления тока, проведённых участниками одного из HV форумов: Aleksandr_Sokolov и urez83.

Главным недостатком подобных схем являются: 1. Крайне высокое потребление тока (и соответственно низкий КПД) преобразователя, связанное с продолжительной работой ключевых транзисторов в линейном режиме, а также 2. Неполное использование напряжения источника питания.

Слегка модифицированная версия – драйвер Mazilli ZVS Flyback, подробно описанный нами на странице – ссылка на страницу , хоть и уменьшает указанные недостатки, но далеко не полностью.

Описанный ниже повышающий двухтактный преобразователь выполнен на распространённых цифровых элементах и имеет КПД, превышающий 90%. При этом он эффективно и в полном объёме использует напряжение источника питания, что по сравнению с драйвером Mazilli ZVS Flyback, даёт возможность ощутимо уменьшить количество витков вторичной обмотки трансформатора.

Задающий генератор выполнен на элементе DD1.1. Форма его выходного сигнала близка к меандру, а частота 30 кГц устанавливается подбором (при необходимости) номинала конденсатора С1.

Цепочки D1, R3, C3 и D2, R2, C2 – формируют задержку (Dead Time) переключения выходных транзисторов Т5, Т6 (около 4 мкс), гарантирующую, что транзистор одного плеча начнёт открываться только после того, как транзистор другого плеча будет полностью закрыт.

Противофазные сигналы, идущие с выходов DD1.3 и DD1.4, усиливаются по току каскадами Т1, Т2 и Т3, Т4 и далее поступают на затворы мощных выходных транзисторов, имеющих значительные входные ёмкости (около 3000 пФ). Данные каскады необходимы для получения управляющих импульсов с крутыми фронтами, что способствует быстрому переключению транзисторов и, в свою очередь, повышению КПД устройства.

Параметры преобразователя чувствительны к величинам индуктивностей первичных обмоток трансформатора. Оптимальные характеристики соответствуют индуктивностям 20…30 мкГн. При меньших значениях снижается КПД преобразователя, при больших – падает мощность.

При применении указанных на схеме элементов, частоте тактового генератора 30 кГц и индуктивности первичных обмоток 20 мкГн, выходная мощность преобразователя составляет около 300 Вт, а ток потребления без нагрузки – 500 мА. При 30 мкГн потребление снижается до 300 мА. Мощность преобразователя можно увеличить путём выбора более мощных выходных транзисторов либо путём параллельного включения пар полевиков указанного типа. В этом случае во избежание ухудшения КПД необходимо удвоить номиналы конденсаторов С2, С3.

Конденсатор С8 предназначен для ограничения тока выходных транзисторов при кратковременном коротком замыкании на выходе. При номинале, указанном на схеме, ток транзисторов при КЗ не превысит 30А.

Элементы R5, C4, R7, R8 служат для исключения сквозных токов через выходные транзисторы в момент подачи напряжения. Если преобразователь планируется использовать в качестве драйвера для получения напряжений в десятки киловольт, то параллельно R7, R8 следует подключить защитные стабилитроны на 15…18 В.

Трансформатор намотан на тороидальном ферритовом сердечнике EPCOS R 29,5×19,0×14,9 №87 с габаритной мощностью 297 Вт. Число витков указано на схеме. Поскольку данный преобразователь может использоваться для формирования широкого диапазона выходных напряжений: от десятков вольт до десятка киловольт, то уделять внимание подробному описанию конструкции трансформатора особого смысла не имеет. Для высоковольтных целей прекрасно подойдёт и фабричный строчный трансформатор от электронно-лучевых трубок телевизоров, и трансформатор, выполненный на броневом сердечнике. Для меньших напряжений оптимальным выбором будет импульсный трансформатор на ферритовом кольце, методику расчёта которого мы подробно рассмотрели на странице – ссылка на страницу. Важно понимать, что наличие зазора в сердечниках для двухтактных преобразователей не только не приносит пользы, но и вредно из-за снижения его магнитной проницаемости, а соответственно, и индуктивности первичных обмоток, что неизбежно приводит к снижению параметра КПД.

Допустимые напряжения диодов выпрямителя и конденсатора С8 должны в 1,5 раза превышать максимальное выходное напряжение, С9 – как минимум, быть не ниже. Также необходимо следить за тем, чтобы частотный диапазон выпрямительных диодов укладывался в частоту тактового генератора. Если диоды могут работать только до 20 кГц, то и частоту генератора тоже необходимо понизить до этого значения, а индуктивность первичных обмоток рассчитывать исходя из значений 30…40 мкГн.

ВНИМАНИЕ!!! Работа с высоким напряжением крайне опасна для жизни и здоровья организма. Поэтому Vpayaem.ru настоятельно не рекомендует практиковаться в этой области при отсутствии специальных знаний и соответствующего опыта. Вся информация, размещённая на этой странице, предназначена исключительно для ознакомительных целей – помните об этом, уважаемые господа и барышни, и не говорите, что вас не предупреждали!

Преобразователи частоты серии SYN-Drive

Преобразователи частоты серии SYN-Drive — устройства контролирующие работу электродвигателей с номинальной мощностью от 200 до 17500 кВт на напряжение 3,6,10 кВ., разработаны и выпускаются на производстве, расположенном в Германии, инженерные и конструктивные решения воплощены совместными усилиями инженеров АО «Электромаш» и SYNTRONIC. Преобразователи данной серии управляются на базе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), обладают увеличенной перегрузочной способностью, функцией самотестирования, высоким уровнем КПД (96-98%). Специальное исполнение модульного корпуса позволяет использовать устройства в самых агрессивных условиях – от угольной шахты с присутствием в воздухе токопроводящей пыли до крайнего севера, где температура доходит до -80С. (РФ) — SYNTRONIC (Германия)
1.Высокая эффективность электродвигателей: высокий КПД, уменьшение гармонических потерь, высокий коэффициент мощности. 2.Надежность: оптоволоконная связь, применение комплектующих ведущих производителей, заводские испытания на нагрузочном стенде, сертификация и комплексные испытания на объектеЗаказчика. 3.Безаварийная работа, сохранение работы электродвигателя при кратковременном обесточивании объекта и падении напряжения. 4.Уменьшение затрат на электроэнергию до 30%, на воду 10%; 5.Минимальный срок службы не менее 20 лет. Сокращение расходов на ремонт и обслуживание, ввиду отсутствия гидроударов в трубопроводе и плавной работы приводного механизма;

Сфера применения современных промышленных высоковольтных преобразователей частоты: — Нефтегазовая и химическая промышленность (компрессорные установки, насосные агрегаты, экструдеры, мешалки, машины по переработке); — Черная и цветная металлургия (станки, конвейеры, насосы, вентиляторы подачи газа и печей нагрева); — Энергетические и электрогенерирующие предприятия (сетевые насосы, питающие насосы, вентиляторы); — Угольная промышленность (подъемники, насосы, вентиляторы, конвейеры, печи); — Жилищно-коммунальное хозяйство (насосы и насосные станции, вентиляторы, циркуляционные насосы систем отопления); — Подъемно-транспортное оборудование (краны, лифты, канатные дороги); — Легкая промышленность (насосы, вентиляторы, производственные линии); — Военная промышленность (вентиляторы).

Приобретая высоковольтные преобразователи частоты в Группе «РУСЭЛТ», Вы получаете полный спектр услуг, включающих консультации по монтажу, пуско-наладочные работы, обучение персонала и техподдержку.

Конструкция

Функционально ячейка состоит из двух частей: первая включает чоппер, инвертор и два трехфазных контактора, именно эта часть устанавливается в стойку, что обеспечивает удобство обслуживания и высокую ремонтопригодность. Внешний вид платы с указанными узлами показан на рис. 9а. На плате также располагаются установленные рядом с модулями IGBT конденсаторы звена постоянного тока. При сборке платы монтируются на изолирующих подложках, обеспечивающих напряжение изоляции между ячейками более 6 кВ. При установке ячеек в стойку индикаторные панели на краю платы должны обеспечивать обслуживающему персоналу хороший доступ к информации.

Вторая часть содержит сглаживающую индуктивность и трансформатор, устанавливаемые на выходе ячейки. Эти элементы монтируются в отдельных корпусах, размещаемых внутри преобразовательной станции в непосредственной близости от соответствующих ячеек и на одном уровне.

Пример конструкции инвертора, имеющего 5 уровней, приведен на рис. 9б. Стойка обеспечивает беспрепятственный доступ к ячейкам и простую и быструю их замену. Каждая ячейка может быть заменена и подключена к единой системе охлаждения и силовым цепям с помощью следующих соединений:

• DC-шина чоппера — 2 терминала;
• AC-выход инвертора — 3 терминала;
• питание платы управления и вентилятор (в режиме жидкостного охлаждения) — 3 терминала;
• радиатор жидкостного охлаждения — 2 терминала.

Вращающиеся преобразователи мощности

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.

Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.

Электрические машины состоят из токовых цепей, изготовленных из изолированных проводников и магнитопроводов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Машины производят механическую работу за счет действия электромагнитных сил на проводники и ферромагнетики, соединенные магнитным полем. Проводники и ферромагнитные элементы принадлежат либо движущейся части машины (ротору), либо неподвижной части (статору). Вращение движущейся части машины способствует изменению магнитного поля. В свою очередь, в проводниках индуцируется электродвижущая сила, которая вырабатывает электрическую энергию. Аналогично, электрический ток в проводниках машины , называемых обмотками, взаимодействует с магнитным полем и создает силы, которые возбуждают движение ротора.