Преобразование электрической энергии

Задачи преобразования энергии приходится решать всякий раз, когда имеющийся некоторый первичный источник электрической энергии не может быть непосредственно использован. Например, первичный источник - электрическая сеть 220В, 50Гц, а требуется получить постоянное напряжение для питания компьютера; первичный источник - фотоэлементы космического корабля, вырабатывающие постоянное напряжение, а для питания разнообразной бортовой аппаратуры требуется широкая номенклатура источников как постоянного, так и переменного напряжения; это источники бесперебойного питания, которые, потребляя энергию от резервных аккумуляторов, при исчезновении переменного напряжения в “сети” автоматически заменяют последнюю, предотвращая потерю оперативной информации в компьютерах, и так далее.

По сути, могут иметь место следующие преобразования энергии:

· переменного напряжения в постоянное (выпрямители);

· постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (преобразователи постоянного напряжения);

· постоянного напряжения в переменное напряжение любой формы (инверторы);

· переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты (преобразователи частоты).

Для выпрямления необходим нелинейный элемент с преимущественно односторонней проводимостью. Пусть, например, необходимо “выпрямить” переменное напряжение

U=U_mcosw t.

Возьмем в качестве нелинейного элемента квадратор, связь “вход-выход” которого описывается уравнением

U₂=a (U₁ )².

Принимая U₁=U_mcos w t, на выходе квадратора получим

Полезная составляющая операции выпрямления - это постоянная составляющая

Рис. 1.20. Временные диаграммы процесса выпрямления

которую можно выделить, подавив с помощью фильтра переменную составляющую

Описанный выше процесс выпрямления можно наглядно проиллюстрировать диаграммами (рис. 1.20).

Инвертирование электрической энергии с целью снижения потерь (обеспечения высокого КПД) практически всегда осуществляется с помощью ключевых элементов.

Простейший инвертор - это ключ, который с нужной периодичностью подключает нагрузку к первичному источнику постоянного напряжения (рис. 1.21,а).

Остальные виды преобразователей являются комбинацией выпрямителей и инверторов. Преобразовательная техника, связанная со скоростными коммутациями токов в сотни-тысячи ампер и напряжений в тысячи вольт является сложнейшей революционно развивающейся областью современной электроники, называемой промышленной электроникой, и изучается в специальных курсах.

а) б) Рис. 1.21. Схема простейшего инвертора (а) и временная диаграмма напряжения в нагрузке (б)