Как изменить постоянный ток на переменный ток

Преобразование одного вида тока в другой требуется довольно часто. Способ превращения переменного в постоянный прост: применяется диодный мост и сглаживающий конденсатор.

А вот как из постоянного тока сделать переменный, знают не все. Между тем, в сфере электротехники такое преобразование, как будет показано далее, также выполняется довольно часто.

Способы получения электричества

Электроток производят с помощью таких устройств:

1. механические генераторы. Состоят из двух частей: неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. Статор — постоянный или электрический магнит, ротор содержит обмотку из провода. При вращении ротора пересекающий его обмотку магнитный поток все время меняется, что приводит, согласно закону электромагнитной индукции, к возникновению ЭДС. Ротор приводится во вращение внешней силой: двигателем (автомобиль), потоком воды (гидроэлектростанция), давлением пара (атомные и тепловые электростанции), ветром и т.д. Ток на выходе генератора будет переменным. Для получения постоянного требуется дополнительное механическое устройство — коллектор;
2. гальванические элементы (ГЭ) и аккумуляторы. Превращают в электричество химическую энергию за счет окислительно-восстановительной реакции. Простейший ГЭ: медная и цинковая пластины, погруженные, соответственно, в растворы сернокислой меди и сульфата цинка, изолированные друг от друга пористой перегородкой (элемент Якоби-Даниэля). В результате окисления каждый атом цинка на цинковой пластине (анод) отдает 2 электрона, переходящие по электрической цепи на медную пластину (катод) и восстанавливающие на нем положительно заряженные ионы меди. ГЭ называют первичными химическими источниками тока (ХИТ). Аккумуляторы — вторичные ХИТ. Принцип работы схож, но химическую энергию им сначала нужно сообщить, подключив систему к источнику тока. Заряжать и разряжать аккумулятор можно многократно, тогда как ГЭ используется только один раз;
3. фотоэлементы. Действие основано на способности полупроводников генерировать ток при облучении светом. В этом можно убедиться, срезав верхнюю часть корпуса транзистора и поместив его под солнечные лучи: на выводах прибора мультиметр покажет напряжение;
4. термоэлементы. Действие основано на эффекте Зеебека: в замкнутой цепи из двух проводов, выполненных из разных металлов, при нагревании одной из двух зон контакта между ними возникает ЭДС. Такие цепи называют термопарами и в основном применяют в качестве термодатчиков. К примеру, для измерения температур от +0⁰С до +100⁰С применяют пару медь – константан, в диапазоне +100⁰С – +600⁰С — серебро и константан.

Из всех перечисленных источников только механический генератор дает переменный ток. Если же ток поступает от аккумулятора, например, установленного в источнике бесперебойного питания (ИБП), его из постоянного превращают в переменный.

Как из постоянного сделать переменный?

Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называют инвертором. Существует несколько видов этих аппаратов.

Инвертор с электродвигателем

Вал двигателя постоянного тока подсоединяется к скользящему контактному узлу, состоящему из двух частей:

• вращающейся: состоит из нескольких кольцевых и сегментных пластин, упакованных в форме цилиндра;
• неподвижной: графитовые щетки в щеткодержателях.

Одна пара щеток подключена к источнику постоянного тока, другая — к цепи переменного тока. Первая пара контактирует с кольцевыми пластинами, другая — с сегментными.

Часть последних электрически соединена с положительным кольцом, другая — с отрицательным. При вращении двигателя щетки цепи переменного тока по очереди контактируют с сегментными пластинами, в результате чего направление тока постоянно меняется. Более качественный переменный ток дает связка «двигатель постоянного тока – механический генератор», но у этого инвертора ниже КПД.

Релейный инвертор

Как и предыдущий вариант, является электромеханическим. Переключение контактов осуществляет подключенное параллельно с нагрузкой реле с пружиной: при протекании тока катушка соленоида втягивает сердечник, в результате чего к 1-му контакту цепи переменного тока подключается анодный контакт цепи постоянного тока.

Тут же пружина отбрасывает сердечник в исходное положение, так что к упомянутому контакту подключается катод. Такие колебания повторяются многократно, пока на катушку соленоида подается постоянный ток.

Электронный инвертор

С появлением и постепенным удешевлением полупроводников электромеханические инверторы перекочевали в разряд устаревших.

В их электронном аналоге ток перенаправляется ключевыми транзисторами, управляемыми микросхемой. Именно такие инверторы применяются в инверторных сварочных аппаратах, импульсных блоках питания, ИБП и др.

При использовании особых быстро переключающихся транзисторов такой инвертор способен создать из постоянного тока переменный с частотой в десятки кГц. Это позволяет уменьшить габариты трансформатора и потери в нем (сварочные аппараты, импульсные блоки питания). Существует несколько видов электронных инверторов. Они описываются в последнем разделе.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

1. частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
2. амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;
3. действующее значение. Это напряжение или сила эквивалентного постоянного тока, то есть такого, который вызывает в проводнике такое же тепловыделение, как и данный переменный. К действующему значению прибегают с целью упрощения расчетов: работать с постоянно изменяющимися величинами крайне неудобно. Например, если в формуле записать действительное значение переменного сетевого напряжения, изменяющегося от -311 В до 311 В по синусоидальному закону, получится уравнение с тригонометрическими функциями либо комплексными числами. Гораздо проще оперировать постоянным действующим значением в 220 В;
4. форма. Сетевой ток, производимый механическими генераторами, имеет синусоидальную форму. На выходе инвертора она может быть остроугольной, ступенчатой и т. д.

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

1. он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
2. при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
3. сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

1. трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
2. индукционные нагреватели;
3. дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Схемы преобразователей

Инверторы классифицируются по принципу работы, форме и схеме.

Принцип действия

По данному признаку устройства делятся на два типа: автономные и инверторы, ведомые сетью.

Автономные делятся на несколько подгрупп, объединяющих инверторы:

• напряжения (ИН): устанавливаются в большинстве ИБП;
• тока;
• резонансные.

Инверторы, ведомые сетью иначе называются зависимыми. Применяются, к примеру, в качестве силовых преобразователей на электровозах.

Схемы

Существует несколько основных схем инверторов:

1. мостовой ИН без трансформатора. Применяется в ИБП мощностью свыше 500 ВА и в различных устройствах, рассчитанных на 220 или 380 В;
2. ИН с нулевым выводом трансформатора. Применяется в ИБП мощностью 250-500 ВА, в установках напряжением 12 или 24 В и мобильных радиопередатчиках;
3. мостовой ИН с трансформатором. Используется в ИБП ответственных объектов с потребляемой мощностью от нескольких кВА до десятков.

Форма

По форме выходного напряжения инверторы делятся на:

1. ИН с прямоугольным выходным сигналом. С целью обеспечить требуемую пропорциональность U_вых. управляющая схема варьирует относительную длительность импульсов ключами либо сдвигает по фазе сигналы управления противофазных групп ключей (зависит от конструктивных особенностей переключающего модуля);
2. ИН со ступенчатым выходным напряжением. Обрабатывают входной сигнал в два этапа: путем высокочастотного преобразования формируется однополярный ступенчатый сигнал, близкий к синусоиде с уменьшенным вдвое периодом, а при помощи мостового преобразователя он превращается в разнополярный с требуемым периодом;
3. ИН с синусоидальным выходным напряжением. Входной постоянный ток также обрабатывается в 2 этапа: путем высокочастотного преобразования формируется постоянное напряжение, почти равное амплитуде требуемого переменного напряжения, а затем мостовым инвертором, действующим по принципу многократной широтно-импульсной модуляции.

Полученное постоянное напряжение преобразуется в близкое к синусоидальному переменное.

Видео по теме

О том, как из постоянного тока сделать переменный и наоборот, в видео:

У каждой разновидности тока есть и преимущества, и недостатки. Потому инверторы и выпрямители применяются достаточно часто. В статье приведены только основные схемы преобразователей, всего же их довольно много.

Теория и средства преобразования постоянного тока в переменный

План
лекции:

1. Принцип
   действия инверторов, ведомых сетью

2. Современная
   элементная база инверторов

1. Принцип действия инверторов, ведомых сетью

Инвертор,
ведомый сетью (зависимый инвертор),
передает энергию от источников постоянного
тока в сеть переменного тока, напряжение
и частота в которой заданы другими более
мощными источниками тока. Однофазная
нулевая схема зависимого инвертора
представлена на рис.1.

Рис.
1. Однофазный ведомый сетью

инвертор

Сравнение
ее со схемой управляемого выпрямителя
показывает полную идентичность их
элементов; различие заключается только
в том, что вместо нагрузочного резистора
в инверторе включен источник энергии
постоянногополярность
которого противоположна полярности
выходного
напряжения
выпрямителя. Одна и
та же вентильная схема может
использоваться и в выпрямительном, и в
инверторном режимах. Речь идет не столько
о различных преобра­зователях,
сколько о выпрямительно-инверторном
преобразователе, способном
функционировать в двух названным
режимах, отличающихся направлением
потока энергии. В выпрямителе
энергия из сети переменного
тока
поступает в цепь постоянного
тока (U_d,
i_d),
в
инверторе
из сети постоянного тока (U_d,
i_d)
в сеть переменного тока. Напряжение
u_d
и ток i_d
в
инверторе называется
входными.

Рис.2.
Временные диаграммы инвертора

Обратимся
к временным диаграммам рис.2. На интервале
полярность
u_d
(t)
и направление i_d
(t)
совпадают, следовательно, мощность
передается из цепи переменного тока в
нагрузку. На интервале
ток течет в прежнем направлении, а
напряжениеu_d
меняет
знак, следовательно, цепь постоянного
тока возвращает энергию
в сеть переменного тока. Очевидно, что
в инверторном режиме
второй интервал, при котором энергия
передается в сеть переменного
тока, должен быть длиннее первого, т.е.
(—0)
>()или

.

(1)

Выражение
(1) — это первое условие осуществления
инверторного режима.
Второе условие — это работа цепи
постоянного тока в режиме
источника энергии, для этого полярность
напряжения U_d
и
направление
тока I_d
должны
быть противоположны.

Рис.3.
Временные диаграммы тюков и напряжений
в однофазном
ведомом сетью инвентаре при Ха=0(а),
Ха>0 (б)

Подключение
источника Е_н
минусом
к катодам тиристоров приводит к
возрастанию длительности протекания
тока через тиристоры
инвертора
,
ипри
осуществляетсярежим
непрерывного тока.

На
рис.3,а представлены
временные диаграммы
при работе зависимого
инвертора без
учета процессов коммутации
( X_a=0)
. Сравнение
диаграмм (рис.3
и
2) показывает, что в этих
диаграммах
различны только
значения
угла управления:
<в
выпрямителе и


инверторе. В момент

подается
управляющий импульс на тиристор VI,
при открывании
тиристора u_d=e₂,
ток протекает через верхнюю полуобмотку
трансформатора, тиристор V1 и цепь
постоянного тока L_d,E_и.
При этом напряжение u_d
и ток i_d
имеют одно направление и энергия
передается из цепи переменного тока в
цепь постоянного тока. В момент
изменяется полярность е₂=u_d,
начинается передача энергии из цепи
постоянного тока в цепь переменного
тока. Протекание тока через V1 при
отрицательном напряжении на аноде
обеспечивается приложением к катоду
отрицательного потенциала источника
Е_и.
В момент
управляющий импульсподается
на V2,
и процесс повторяется.

На
рис.4, а показана полная регулировочная
характеристика вентильного
преобразователя в режиме непрерывного
тока. При

и преобразователь является выпрямителем,
при

—
осуществляется инверторный режим.

Рис.
4. Регулировочная характеристика
выпрямительно-инверторного преобразователя
в режиме непрерывного тока (а),
регулировочная
(б), входная и ограничительная (в)
характеристики ведомого сетью инвертора

При
рассмотрении инверторов, используются
обозначения:
(—
угол опережения, показан на рис.3, а) и
E_d=—E_d
— противо-ЭДС инвертора. Подставив в
уравнение регулировочной характеристики
,
получим Е_d
= E_d0
cos
= -E_d0
cos= -E.
Зависимостьназывается регулировочной характеристикой
ведомого сетью инвертора (рис.4,б); она
представляет собой симметричное
отображение части характеристики
(рис.4,а).

При
отсутствии потерь в дросселе L_d
среднее значение напряжения U= U_d
должно быть равно напряжению источника
Е_и.
При
увеличении Е_и>Е_d
возрастает ток I_d.
Учтем
влияние анодных индуктивностей
на коммутационные процессы. Временные
диаграммы представлены
на рис.3, б. Индуктивности трансформатора
X_а

препятствуют
нарастанию и спаду анодных токов, поэтому
на протяжении
угла коммутации
VI
и V2
открыты одновременно
при
этом u_d
(t)=0.
Как и в управляемом выпрямителе
коммутационное
падение напряжения U_x
уменьшает
положительную часть
u_d,
среднее
значение U_d
с
ростом I_d
и
уменьшается, аU_d
=
U_d
увеличивается.

Среднее
значение напряжения U_d
рассчитаем
по формуле

(2)

поскольку
данное выражение справедливо в режиме
непрерывное тока
при любом
.
Подставив
в (2)
,
получим

или

(3)

Зависимость
U_d
=f
(I_d)
(рис. 4, в) называется входной
характеристикой
инвертора (ток I_d—
входной
ток, напряжение U_d-входное
напряжение). Выражение (3) позволяет
связать напряжение
источника Е_и
со средним значением U.

.

При
увеличении Е_и.
при
=const
увеличивается I_d
и
уве­личивается
мощность, передаваемая в сеть переменного
тока. Если
при увеличении Е_и
необходимо поддерживать I_d=const,
надс увеличить
,
т.
е. уменьшить

; при
этом также возрастает мощность,
передаваемая со входа инвертора в сеть
переменного тока.
Максимальное значение инвертируемой
мощности достигается при

(=0).
Однако этот режим в реальных инверторах
наоднооперационных
тиристорах, как показывается ниже,
неосуществим
и углы управления ограничены
значениями

Рассмотрим
кривую анодного напряжения на тиристоре
V1
на временных
диаграммах (рис.3,б). Для осуществления
надежного запирания
тиристора после того, как через него
проходил ток, необходимо,
чтобы в течение интервала, длительность
которого не
менее t_в,
к тиристору было приложено обратное
напряжение. Время
выключения t_в
является
паспортным параметром тиристора.

По
диаграммам (рис.3,б) видно, что отрицательное
анодное напряжение
поддерживается на тиристоре на интервале
длительностью
()•
Следовательно, надежное запираниетиристоров
выполняется при условии
,
ограничивающем
угол
.
При невыполнении этого условия тиристор
припоявлении
на аноде положительного напряжения
вновь включится в работу
без управляющего сигнала. Одновременная
проводимость двух
тиристоров инвертора приведет к короткому
замыканию трансформатора
и источника постоянного тока, дальнейшая
коммутация
тиристоров окажется невозможной и
возникнет аварийный
режим, называемый опрокидыванием
инвертора.

Как
видно из рассмотренного описания работы
инвертора, коммутация
вентилей, т.е. выключение одного из них
при отпирании
другого и переход на него тока i_d,
осуществляется,
как
и в выпрямителе, за счет переменного
напряжения сети. Если это
напряжение почему-либо исчезнет, например
при коротком замыкании
в сети, коммутация окажется невозможной
и произойдет опрокидывание
инвертора. Эта зависимость работы
инвертора от напряжения
сети отражена в его названии: инвертор,
ведомый сетью,
или зависимый инвертор.

В
режиме I_d=0
угол коммутации
,,
максимальноезначение
E_d,
при
котором возможна коммутация,.
При
увеличении тока I_d
растет
угол коммутации
,
увеличивается

и
уменьшается
.Зависимость

называется
ограничительной характеристикой
ведомого инвертора, она показана на
семействе входных характеристик
(рис.4,в).

Устойчивая
работа инвертора без опасности
опрокидывания возможна
только при выборе таких значений тока
I_d
и
угла,которые
соответствуют значениям U_d,
лежащим ниже ограничительной
характеристики OX:

Ведомые
сетью инверторы широко используются
в
преобразовательной
технике. Наряду с инверторами, которые
работают
постоянно (например, на приемном конце
линии передачи постоянного
тока), существуют преобразователи,
которые попеременно
работают в выпрямительном и инверторном
режиме. Например,
перевод преобразователя для электропривода
с двигателем
постоянного тока в инверторный режим
позволяет осуществить
ускоренное торможение этого
двигателя.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Преобразование AC тока в DC и наоборот

Эйси в диси и диси в эйси) — преобразования постоянного тока в переменный и наоборот.

Источники тока и напряжения — это розетки или батарейки на бытовом уровне. На более продвинутым уровне познания электричества для получения тока и напряжения применяются другие варианты.

И для определенных целей может пригодится как ток постоянной величины, так и ток переменной величины. Поэтому важно уметь преобразовывать один во второй без существенных потерь.

Для преобразования постоянного тока в переменный используется инвертор — устройство, предназначенное для получения из постоянного тока одной величины переменный ток другой величины.

Для преобразования переменного тока в постоянный используется выпрямление формы синусоиды до пульсирующего значения, или до формы прямой. Для этих целей служат — выпрямительные диоды, выпрямители, схемы выпрямления, диодные мосты — как бы это всё об одном и том же, но есть нюансы.

Выпрямительный диод — полупроводник, принцип которого на википедии сравнивают с действием обратного клапана (обратный клапан кстати встречается в аквариумистике в схеме компрессора), «амперка» же сравнивает данный радиокомпонент с ниппелем (как у камеры авто или велосипеда). Так вышеприведенные системы пропускают в одном направлении воду или воздух, выпрямительные же диоды работают с потоком электронов.

Назначение выпрямительного диода в преобразовании переменного тока в постоянный (выпрямлении).

Выпрямитель — устройство, преобразующее переменный ток в постоянный пульсирующий. Может быть однополупериодный, двухполупериодный; однофазный, трехфазный, многофазный; диодный (мостовой), тиристорный (используется для изменения величины мощности выпрямленного сигнала).

Схемы выпрямления — различные схемы, на входе у которых переменный ток, а на выходе различный выпрямленный. Самыми популярными являются: схема Ларионова, схема Греца, схема Миткевича. И опять же 1-,2-х полупериодные; 1-, 3-х фазные и их сочетания.

Диодный мост — специальное устройство, состоящее из диодов, которые собраны в определенной последовательности. Можно сделать своими руками, предварительно рассчитав, или же купить готовый по требуемым параметрам.

Также особо важную роль в выпрямлении берут на себя сглаживающие фильтры — различные индуктивные и емкостные фильтры, используемые в схемах выпрямления для получения из тока пульсирующего ток постоянный.

Вот такие основные способы преобразования постоянки в переменку и наоборот. Далее у меня в планах более подробно описать изложенное в этом материале, но в других статьях.

Продолжаем работу над созданием измерительных приборов для тестового стенда. В предыдущей статье мы провели работу по корректировке предела измерения вольтметра и сделали доработку, которая теперь позволит нам включить его в цепь с переменным током. Теперь приступаем к работе над амперметром. Здесь ситуация аналогичная ситуации с вольтметром: нужно поменять предел измерения, сделать новую шкалу и адаптировать его для цепей с переменным током.

Разбираем устройство.

Сняв металлическую пластину со шкалой, переходим к схемотехнике амперметра.

Сама измерительная система точно такая же, как и в вольтметре М309, и отличается исключительно местом где она установлена (закреплена). Это, в свою очередь, доказывает, что принцип построения всех стрелочных измерительных приборов и индикаторов один (см. предыдущую статью).

В данном измерительном приборе применена схема с разделительным трансформатором тока. Его мы трогать не будем, оставим всё как есть.

Шкала амперметра имеет максимальную отметку 150 ампер. Такие измерительные приборы используется в паре с шунтирующим резистором, который и задаёт предел измерения стрелочного прибора.

Если посмотреть на амперметр с другой стороны, то окажется достаточно просто: данный амперметр — это милливольтметр, который измеряет падение напряжения на шунтирующем резисторе. Поэтому, имея чёткое представление о стрелочных измерительных приборах, их можно с лёгкостью переделывать один в другой и наоборот.

Первой нашей задачей будет изготовление шунтирующего резистора. Ранее мы создавали статью о том, как выполняется расчёт шунтирующего резистора и для удобства приводили онлайн калькулятор.

Причём, мы делали это на примере амперметра, который сейчас адаптируем под нашу схему. Со статьёй можно ознакомиться, перейдя по ссылке: Расчёт шунтирующего сопротивления амперметра.

Практическую часть, как и из чего сделать шунтирующий резистор, мы рассматриваем на примере этой же темы, но информацию вынесли в отдельную публикацию.

Ознакомиться с ней можно, перейдя по следующей ссылке: Как сделать шунт (шунтирующий резистор) для амперметра. Самый простой метод подбора.

Схема нашего измерительного прибора будет следующей:

Подготовив детали и элементы шунтирующего резистора, мы приступаем к монтажу.

После сборки шунтирующего резистора переходим к адаптации прибора для включения его в цепи переменного тока.

Для этого мы задействует диодный мост. Так как эта цепь силовая, то диодный мост необходимо установить на радиатор. Это мы сделаем чуть позже.

Шунтирующий резистор собран и включён в схему.

Далее, измерительную головку устанавливаем в корпус и тоже включаем в схему.

В задней крышке сверлим отверстие для диодного моста и четыре крепёжных отверстия для радиатора охлаждения.

Проверив работоспособность устройства, переходим к заключительной части работ над нашим амперметром.

Вырезаем новую шкалу и наклеиваем её на пластину.

Переходим к финальной сборке прибора.

Ещё один этап работ по созданию тестового стенда завершён. Амперметр готов.

Наши новые измерительные приборы как «братья», только с разными «возможностями и путями-дорожками» …

Все компоненты, модули и блоки готовы, можно переходить к сборке самого стенда, но эти работы мы рассмотрим в следующих публикациях.

Об этой статье

Была ли эта статья полезной?