Types de conversion d'énergie électrique

Un grand nombre d'appareils électroménagers et d'installations industrielles dans leur travail sont alimentés par énergie électrique de différents types. Il est créé par multitude CEM et sources de courant.

Les groupes électrogènes produisent du courant monophasé ou triphasé à fréquence industrielle, tandis que les sources chimiques produisent du courant continu. Dans le même temps, dans la pratique, des situations surviennent souvent lorsqu'un type d'électricité ne suffit pas au fonctionnement de certains appareils et qu'il est nécessaire d'effectuer sa conversion.

À cette fin, l'industrie produit un grand nombre d'appareils électriques qui fonctionnent avec différents paramètres d'énergie électrique, les convertissant d'un type à un autre avec différentes tensions, fréquences, nombre de phases et formes d'onde. Selon les fonctions qu'ils remplissent, ils sont divisés en dispositifs de conversion :

• simple;

• avec la possibilité de régler le signal de sortie ;

• doté de la capacité de stabilisation.

Méthodes de classement

De par la nature des opérations effectuées, les convertisseurs sont divisés en appareils :

• debout

• inversion d'une ou plusieurs étapes ;

• changements de fréquence du signal ;

• conversion du nombre de phases du système électrique ;

• changer le type de tension.

Selon les méthodes de contrôle des algorithmes émergents, les convertisseurs ajustables fonctionnent sur :

• le principe d'impulsion utilisé dans les circuits à courant continu ;

• méthode de phase utilisée dans les circuits oscillateurs harmoniques.

Les conceptions de convertisseurs les plus simples peuvent ne pas être équipées d'une fonction de contrôle.

Tous les appareils de conversion peuvent utiliser l'un des types de circuit suivants :

• chaussée;

• zéro;

• avec ou sans transformateur ;

• avec une, deux, trois phases ou plus.

Dispositifs correctifs

Il s'agit de la classe de convertisseurs la plus courante et la plus ancienne qui vous permet d'obtenir un courant continu redressé ou stabilisé à partir d'une fréquence alternative sinusoïdale, généralement industrielle.

Expositions rares

Appareils à faible consommation

Il y a seulement quelques décennies, les structures de sélénium et les dispositifs à base de vide étaient encore utilisés dans l'ingénierie radio et les dispositifs électroniques.

De tels dispositifs sont basés sur le principe de la correction de courant à partir d'un seul élément d'une plaque de sélénium. Ils ont été assemblés séquentiellement en une seule structure en montant des adaptateurs. Plus la tension requise pour la correction est élevée, plus ces éléments sont utilisés. Ils n'étaient pas très puissants et pouvaient supporter une charge de plusieurs dizaines de milliampères.

Un vide a été créé dans le boîtier en verre scellé des redresseurs de lampe. Il abrite des électrodes : une anode et une cathode à filament, qui assurent la circulation du rayonnement thermionique.

Ces lampes ont fourni une alimentation en courant continu à divers circuits de récepteurs radio et de télévision jusqu'à la fin du siècle dernier.

Les ignitrons sont des appareils puissants

Dans les dispositifs industriels, les dispositifs à ions mercure anode-cathode fonctionnant sur le principe de la charge d'arc contrôlée ont été largement utilisés dans le passé. Ils ont été utilisés là où il était nécessaire de faire fonctionner une charge CC d'une force de centaines d'ampères à une tension redressée jusqu'à cinq kilovolts inclus.

Le flux d'électrons a été utilisé pour le flux de courant de la cathode à l'anode. Il est créé par une décharge d'arc provoquée dans une ou plusieurs zones de la cathode, appelées taches cathodiques lumineuses. Ils se forment lorsque l'arc auxiliaire est allumé par l'électrode d'allumage jusqu'à ce que l'arc principal s'allume.

Pour cela, des impulsions à court terme de quelques millisecondes avec une intensité de courant allant jusqu'à des dizaines d'ampères ont été créées. Changer la forme et la force des impulsions a permis de contrôler le fonctionnement de l'allumeur.

Cette conception offre un bon support de tension pendant le redressement et un rendement assez élevé. Mais la complexité technique de la conception et les difficultés de fonctionnement ont conduit au rejet de son utilisation.

Dispositifs semi-conducteurs

Diodes

Leur travail est basé sur le principe de la conduction du courant dans un sens en raison des propriétés de la jonction p-n formée par les contacts entre les matériaux semi-conducteurs ou le métal et le semi-conducteur.

Les diodes ne font passer le courant que dans une certaine direction, et lorsqu'une harmonique sinusoïdale alternative les traverse, elles coupent une demi-onde et sont donc largement utilisées comme redresseurs.

Les diodes modernes sont produites dans une très large gamme et sont dotées de diverses caractéristiques techniques.

Thyristors

Le thyristor utilise quatre couches conductrices qui forment une structure semi-conductrice plus complexe qu'une diode avec trois jonctions p-n connectées en série J1, J2, J3. Les contacts avec la couche externe «p» et «n» sont utilisés comme anode et cathode, et avec la couche interne comme électrode de commande de l'UE, qui est utilisée pour mettre le thyristor en action et effectuer la régulation.

Le redressement d'une harmonique sinusoïdale s'effectue sur le même principe que pour une diode à semi-conducteur. Mais pour que le thyristor fonctionne, il est nécessaire de prendre en compte une certaine caractéristique - la structure de ses transitions internes doit être ouverte au passage des charges électriques, et non fermée.

Cela se fait en faisant passer un courant d'une certaine polarité à travers l'électrode de commande. La photo ci-dessous montre les manières d'ouvrir le thyristor utilisé simultanément pour régler la quantité de courant passé à différents moments.

Lorsque le courant est appliqué à travers RE au moment de faire passer la sinusoïde par la valeur zéro, une valeur maximale est créée, qui diminue progressivement aux points «1», «2», «3».

De cette manière, le courant est ajusté en même temps que la régulation du thyristor. Les triacs et les MOSFET de puissance et/ou les AGBT dans les circuits de puissance fonctionnent de manière similaire. Mais ils ne remplissent pas la fonction de corriger le courant, en le faisant passer dans les deux sens. Par conséquent, leurs schémas de contrôle utilisent un algorithme d'interruption d'impulsion supplémentaire.

Convertisseurs DC/DC

Ces conceptions font le contraire des redresseurs. Ils sont utilisés pour générer un courant sinusoïdal alternatif à partir d'un courant continu obtenu à partir de sources de courant chimiques.

Une évolution rare

Depuis la fin du 19e siècle, les structures des machines électriques sont utilisées pour convertir la tension continue en tension alternative. Ils se composent d'un moteur électrique à courant continu alimenté par une batterie ou un bloc-batterie et d'un générateur de courant alternatif dont l'armature est entraînée en rotation par l'entraînement du moteur.

Dans certains appareils, l'enroulement du générateur était enroulé directement sur le rotor commun du moteur. Cette méthode modifie non seulement la forme du signal, mais augmente également, en règle générale, l'amplitude ou la fréquence de la tension.

Si trois enroulements situés à 120 degrés sont enroulés sur l'armature du générateur, alors avec son aide une tension triphasée symétrique équivalente est obtenue.

Les Umformers ont été largement utilisés jusque dans les années 1970 pour les lampes radio, les équipements des trolleybus, les tramways, les locomotives électriques avant l'introduction massive des éléments semi-conducteurs.

Convertisseurs onduleurs

Principe de fonctionnement

Comme base de réflexion, nous prenons le circuit de test du thyristor KU202 à partir d'une batterie et d'une ampoule.

Un contact normalement fermé du bouton SA1 et une lampe à incandescence de faible puissance sont intégrés au circuit pour fournir le potentiel positif de la batterie à l'anode. L'électrode de commande est connectée via un limiteur de courant et un contact ouvert du bouton SA2. La cathode est fermement connectée au négatif de la batterie.

Si au temps t1 vous appuyez sur le bouton SA2, le courant circulera vers la cathode à travers le circuit de l'électrode de commande, ce qui ouvrira le thyristor et la lampe incluse dans la branche d'anode s'allumera. En raison des caractéristiques de conception de ce thyristor, il continuera à brûler même lorsque le contact SA2 est ouvert.

Maintenant, à l'instant t2, nous appuyons sur le bouton SA1.Le circuit d'alimentation de l'anode s'éteindra et la lumière s'éteindra du fait que le flux de courant qui le traverse s'arrête.

Le graphique de l'image présentée montre qu'un courant continu a traversé l'intervalle de temps t1 ÷ t2. Si vous changez les boutons très rapidement, vous pouvez former impulsion rectangulaire avec un signe positif. De même, vous pouvez créer une impulsion négative. Pour cela, il suffit de modifier légèrement le circuit pour permettre au courant de circuler en sens inverse.

Une séquence de deux impulsions avec des valeurs positives et négatives crée une forme d'onde appelée onde carrée en génie électrique. Sa forme rectangulaire ressemble à peu près à une onde sinusoïdale avec deux demi-ondes de signes opposés.

Si, dans le schéma considéré, nous remplaçons les boutons SA1 et SA2 par des contacts de relais ou des commutateurs à transistor et les commutons selon un certain algorithme, il sera alors possible de créer automatiquement un courant en forme de méandre et de l'ajuster à une certaine fréquence, devoir cycle, période. Une telle commutation est contrôlée par un circuit de commande électronique spécial.

Schéma fonctionnel de la section d'alimentation

A titre d'exemple, considérons le système primaire le plus simple d'un onduleur à pont.

Ici, au lieu d'un thyristor, des commutateurs à transistors de champ spécialement sélectionnés traitent de la formation d'une impulsion rectangulaire. La résistance de charge Rn est incluse dans la diagonale de leur pont. Les électrodes d'alimentation de chaque transistor «source» et «drain» sont connectées de manière opposée à des diodes shunt, et les contacts de sortie du circuit de commande sont connectés à la «grille».

En raison du fonctionnement automatique des signaux de commande, des impulsions de tension de durée et de signe différents sont émises vers la charge. Leur séquence et leurs caractéristiques sont adaptées aux paramètres optimaux du signal de sortie.

Sous l'action des tensions appliquées sur la résistance diagonale, compte tenu des processus transitoires, un courant apparaît, dont la forme est déjà plus proche d'une sinusoïde que celle d'un méandre.

Difficultés de mise en œuvre technique

Pour le bon fonctionnement du circuit de puissance des onduleurs, il est nécessaire d'assurer le fonctionnement fiable du système de contrôle, qui est basé sur des commutateurs de commutation. Ils sont dotés de propriétés conductrices bilatérales et sont formés en shuntant des transistors en connectant des diodes inverses.

Pour régler l'amplitude de la tension de sortie, il est le plus souvent utilisé principe de modulation de largeur d'impulsion en sélectionnant la zone d'impulsion de chaque demi-onde par la méthode de contrôle de sa durée. En plus de cette méthode, il existe des appareils qui fonctionnent avec une conversion d'amplitude d'impulsion.

Lors du processus de formation des circuits de la tension de sortie, une violation de la symétrie des demi-ondes se produit, ce qui nuit au fonctionnement des charges inductives. Ceci est particulièrement visible avec les transformateurs.

Pendant le fonctionnement du système de contrôle, un algorithme est défini pour générer les clés du circuit de puissance, qui comprend trois étapes :

1. droit ;

2. court-circuit ;

3. vice versa.

Dans la charge, non seulement des courants pulsés sont possibles, mais également des courants changeant de sens, qui créent des perturbations supplémentaires aux bornes de la source.

Conception typique

Parmi les nombreuses solutions technologiques différentes utilisées pour créer des onduleurs, trois schémas sont communs, considérés du point de vue du degré d'augmentation de la complexité :

1. pont sans transformateur ;

2. avec la borne neutre du transformateur ;

3. pont avec transformateur.

Formes d'onde de sortie

Les onduleurs sont conçus pour fournir une tension :

• rectangulaire;

• trapèze;

• signaux alternatifs étagés ;

• sinusoïdes.

Convertisseurs de phase

L'industrie produit des moteurs électriques pour fonctionner dans des conditions de fonctionnement spécifiques, en tenant compte de la puissance de certains types de sources. Cependant, en pratique, des situations se présentent lorsque, pour diverses raisons, il est nécessaire de connecter un moteur asynchrone triphasé à un réseau monophasé. Divers circuits et dispositifs électriques ont été développés à cet effet.

Technologies énergivores

Le stator d'un moteur asynchrone triphasé comprend trois enroulements enroulés d'une certaine manière, situés à 120 degrés l'un de l'autre, chacun d'eux, lorsque le courant de sa phase de tension lui est appliqué, crée son propre champ magnétique tournant. Le sens des courants est choisi pour que leurs flux magnétiques se complètent, assurant une action mutuelle pour la rotation du rotor.

Lorsqu'il n'y a qu'une seule phase de la tension d'alimentation pour un tel moteur, il devient nécessaire d'en former trois circuits de courant, chacun étant également décalé de 120 degrés. Sinon, la rotation ne fonctionnera pas ou sera défectueuse.

En génie électrique, il existe deux façons simples de faire pivoter le vecteur courant par rapport à la tension en se connectant à :

1. charge inductive lorsque le courant commence à retarder la tension de 90 degrés ;

2.Possibilité de créer un conducteur de courant de 90 degrés.

La photo ci-dessus montre qu'à partir d'une phase de la tension Ua, vous pouvez obtenir un courant décalé à un angle non pas de 120, mais seulement de 90 degrés vers l'avant ou vers l'arrière. De plus, cela nécessitera également de sélectionner les caractéristiques nominales du condensateur et de la self pour produire un mode de fonctionnement du moteur acceptable.

Dans les solutions pratiques de tels schémas, ils s'arrêtent le plus souvent à la méthode du condensateur sans utiliser de résistances inductives. A cet effet, la tension de la phase d'alimentation a été appliquée à une bobine sans aucune transformation, et à l'autre, décalée par des condensateurs. Le résultat était un couple acceptable pour le moteur.

Mais pour faire tourner le rotor, il était nécessaire de créer un couple supplémentaire en connectant le troisième enroulement via des condensateurs de démarrage. Il est impossible de les utiliser pour un fonctionnement constant en raison de la formation de courants importants dans le circuit de démarrage, qui créent rapidement un échauffement accru. Par conséquent, ce circuit a été allumé brièvement pour gagner le moment d'inertie de la rotation du rotor.

De tels schémas étaient plus faciles à mettre en œuvre en raison de la simple formation de batteries de condensateurs de valeurs spécifiées à partir d'éléments individuels disponibles. Cependant, les étranglements devaient être calculés et enroulés indépendamment, ce qui est difficile à faire non seulement à la maison.

Cependant, les meilleures conditions pour le fonctionnement du moteur ont été créées avec la connexion complexe du condensateur et de l'inductance dans différentes phases avec la sélection des directions des courants dans les enroulements et l'utilisation de résistances de suppression de courant. Avec cette méthode, la perte de puissance du moteur pouvait atteindre 30 %.Cependant, les conceptions de tels convertisseurs ne sont pas économiquement rentables, car leur fonctionnement consomme plus d'électricité que le moteur lui-même.

Le circuit de démarrage du condensateur consomme également un taux d'électricité accru, mais dans une moindre mesure. De plus, le moteur connecté à son circuit est capable de générer une puissance un peu plus de 50% de celle qui est créée avec une alimentation triphasée normale.

En raison des difficultés de connexion d'un moteur triphasé à un circuit d'alimentation monophasé et des pertes importantes de puissance électrique et de sortie, ces convertisseurs ont montré leur faible efficacité, bien qu'ils continuent de fonctionner dans des installations individuelles et des machines à couper les métaux.

Appareils onduleurs

Les éléments semi-conducteurs ont permis de créer des convertisseurs de phase plus rationnels produits sur une base industrielle. Leurs conceptions sont généralement conçues pour fonctionner dans des circuits triphasés, mais elles peuvent être conçues pour fonctionner avec un grand nombre de chaînes situées à des angles différents.

Lorsque les convertisseurs sont alimentés par une phase, la séquence d'opérations technologiques suivante est effectuée :

1. redressement de tension monophasée par un nœud de diodes ;

2. lissage des ondes du circuit de stabilisation ;

3. conversion de tension continue en triphasé grâce à la méthode d'inversion.

Dans ce cas, le circuit d'alimentation peut être constitué de trois parties monophasées fonctionnant de manière autonome, comme évoqué précédemment, ou d'une partie commune, assemblées, par exemple, selon un système de conversion onduleur triphasé autonome utilisant un conducteur neutre commun.

Ici, chaque charge de phase exploite ses propres paires d'éléments semi-conducteurs, qui sont contrôlés par un système de contrôle commun. Ils créent des courants sinusoïdaux dans les phases des résistances Ra, Rb, Rc, qui sont connectées au circuit d'alimentation commun par le fil neutre. Il ajoute les vecteurs de courant de chaque charge.

La qualité de l'approximation du signal de sortie à une forme d'onde sinusoïdale pure dépend de la conception globale et de la complexité du circuit utilisé.

Convertisseurs de fréquence

Sur la base d'onduleurs, des dispositifs ont été créés qui permettent de modifier la fréquence des oscillations sinusoïdales dans une large plage. A cet effet, l'électricité 50 hertz qui leur est fournie subit les modifications suivantes :

• debout

• stabilisation;

• conversion de tension haute fréquence.

Le travail est basé sur les mêmes principes des projets précédents, sauf que le système de contrôle basé sur des cartes à microprocesseur génère une tension de sortie avec une fréquence augmentée de dizaines de kilohertz à la sortie du convertisseur.

La conversion de fréquence basée sur des dispositifs automatiques vous permet d'ajuster de manière optimale le fonctionnement des moteurs électriques au moment du démarrage, de l'arrêt et de l'inversion, et il est pratique de modifier la vitesse du rotor. Dans le même temps, l'impact néfaste des transitoires sur le réseau électrique externe est fortement réduit.

En savoir plus ici : Convertisseur de fréquence - types, principe de fonctionnement, schémas de connexion

Onduleurs de soudage

L'objectif principal de ces convertisseurs de tension est de maintenir une combustion stable de l'arc et un contrôle facile de toutes ses caractéristiques, y compris l'allumage.

A cet effet, plusieurs blocs sont inclus dans la conception de l'onduleur, qui effectuent une exécution séquentielle :

• correction de tension triphasée ou monophasée ;

• stabilisation des paramètres à travers des filtres ;

• inversion des signaux haute fréquence à partir d'une tension continue stabilisée ;

• conversion en/h de tension par un transformateur abaisseur pour augmenter la valeur du courant de soudage ;

• réglage secondaire de la tension de sortie pour la formation de l'arc de soudage.

Grâce à l'utilisation de la conversion de signal haute fréquence, les dimensions du transformateur de soudage sont considérablement réduites et les matériaux sont économisés pour l'ensemble de la structure. Onduleurs de soudage ont de grands avantages en fonctionnement par rapport à leurs homologues électromécaniques.

Transformateurs : convertisseurs de tension

Dans le domaine de l'électrotechnique et de l'énergie, les transformateurs fonctionnant sur le principe électromagnétique sont encore les plus utilisés pour modifier l'amplitude du signal de tension.

Ils ont deux bobines ou plus et circuit magnétique, à travers lequel l'énergie magnétique est transmise pour convertir la tension d'entrée en une tension de sortie d'amplitude modifiée.