Każdy konwerter napięcia jest urządzeniem elektrycznym lub elektronicznym, które może zmienić swoją wartość o wymaganą wartość. To urządzenie jest szczególnie pożądane w sytuacjach, gdy konieczne jest podłączenie do sieci obciążenia o różnych wartościach napięcia. Co więcej, mogą nie tylko obniżyć wartość tego parametru, ale także go zwiększyć.
Zasada działania
Głównym wymaganiem, które determinuje zasadę działania przekształtników napięcia, jest możliwość przeniesienia użytecznej mocy na wyjście przy minimalnych stratach (w celu zapewnienia maksymalnej wydajności). W tym celu często wykorzystują moduły oszczędne pod względem strat, na przykład falowniki elektroniczne. Przetwornica napięcia elektrycznego zbudowana zgodnie z obwodem transformatora jest najwygodniejsza do uwzględnienia zasady działania. Istota jego funkcjonowania jest następująca:
- na wejściu urządzenia potencjał pochodzi z generatora napięcia przemiennego lub podobnego źródła prądu;
- sygnał o podobnym kształcie pobierany jest z wyjścia transformatora (z jego uzwojenia wtórnego);
- w razie potrzeby przemienne napięcie wyjściowe jest najpierw prostowane przez specjalną diodę, a następnie stabilizowane.
Z takiego schematu bardzo trudno jest osiągnąć pożądaną wydajność, ponieważ część przesyłanej mocy jest tracona w uzwojeniach transformatora (z powodu rozpraszania ciepła).
Aby uzyskać wysoką sprawność urządzenia, na wyjściu transformatora zainstalowano kluczowe obwody pracujące w trybie ekonomicznym. Podczas ich pracy, opartej na szybkim przełączaniu tranzystorów ze stanu zamkniętego do stanu otwartego, straty mocy w uzwojeniach ulegają znacznemu zmniejszeniu.
Indukcja własna jest tradycyjnie stosowana w przetwornikach napięcia zaprojektowanych do pracy z zasilaczami wysokiego napięcia. Realizowany jest w wyjściowych rdzeniach ferrytowych z ostrym przerwaniem prądu w uzwojeniu pierwotnym. Wszystkie te same tranzystory są używane jako taki chopper, a napięcie impulsowe uzyskiwane na wyjściu jest następnie prostowane. Takie obwody umożliwiają uzyskanie wysokich potencjałów rzędu kilkudziesięciu kV. Stosuje się je w obwodach zasilających przestarzałych już lamp elektronopromieniowych, a także w kineskopach telewizyjnych. W takim przypadku można uzyskać dobrą wydajność (do 80%).
Obszary zastosowania
Zakres zastosowania wielostrefowych przekształtników napięcia jest bardzo szeroki. Są one tradycyjnie wykorzystywane do następujących celów:
- w urządzeniach liniowych do dystrybucji i przesyłu energii elektrycznej;
- do wykonywania krytycznych operacji technologicznych, takich jak spawanie, obróbka cieplna itp.;
- gdy konieczne jest zasilanie obwodów obciążenia w różnych dziedzinach techniki.
W pierwszym przypadku pole elektromagnetyczne generowane w elektrowniach jest zwiększane za pomocą tych urządzeń z 6-24 kV do 110-220 kV - w tej formie łatwiej jest „prowadzić” go wzdłuż przewodów na duże odległości. W regionalnych podstacjach już inne urządzenia transformatorowe zapewniają jego redukcję, najpierw do 10 (6,3) kV, a następnie do zwykłych 380 woltów.
Przy serwisowaniu urządzeń technologicznych przetwornice napięcia wykorzystywane są jako instalacje elektrotermiczne lub transformatory spawalnicze.
W przemyśle
Najbardziej rozległym obszarem zastosowania jest dostarczanie wysokiej jakości żywności dla następujących wzorów przemysłowych konsumentów:
- urządzenia pracujące w automatycznych liniach kontrolnych i monitorujących;
- urządzenia telekomunikacyjne i komunikacyjne;
- szeroka gama elektrycznych przyrządów pomiarowych;
- specjalny sprzęt radiowo-telewizyjny i tym podobne.
Specjalną funkcję pełnią tzw. transformatory „izolacyjne” służące do izolowania linii obciążenia od wejścia wysokiego napięcia.
Ponieważ takie konwertery „spełniają rolę pomocniczą”, najczęściej mają małą moc i stosunkowo niewielkie wymiary.
W życiu codziennym, medycynie i przemyśle obronnym
Przetwornice napięcia są szeroko stosowane w życiu codziennym. Większość zasilaczy służących do ładowania sprzętu AGD, a także bardziej skomplikowanych urządzeń takich jak:
- Ochronniki przeciwprzepięciowe;
- falowniki;
- nadmiarowe zasilacze itp.
Urządzenia te są najbardziej poszukiwane w medycynie, sferze wojskowej, a także w energetyce i nauce. W tych branżach stawiane są im szczególnie „surowe” wymagania dotyczące jakości konwertowanego napięcia (np. „czystość” sinusoidy).
Zalety i wady
Do zalet przetworników napięcia należą:
- możliwość sterowania parametrami sygnału wyjściowego – przekształcenie jego wartości zmiennej na wartość stałą z wykorzystaniem zasady konwersji częstotliwości;
- dostępność opcji przełączania obwodów wejściowych i wyjściowych (zmiana amplitudy napięcia);
- dopuszczalność dostosowania ich wartości nominalnych do określonego obciążenia;
- zwartość i prostota konstrukcji konwerterów domowych, które często są produkowane w konstrukcji modułowej lub naściennej;
- rentowność (zgodnie z deklaracjami producentów ich wydajność sięga 90%);
- łatwość użytkowania i wszechstronność;
- możliwość przesyłania energii elektrycznej na duże odległości i zapewnienie funkcjonowania szczególnie krytycznych gałęzi przemysłu.
Wady obejmują wysoki koszt i niską odporność na wilgoć (z wyjątkiem modeli zaprojektowanych specjalnie do pracy w warunkach wysokiej wilgotności).
Odmiany konwerterów
- specjalne urządzenia do domu;
- sprzęt wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości;
- beztransformatorowe i inwerterowe urządzenia impulsowe;
- Przetwornice napięcia stałego;
- regulowane urządzenia.
Ta kategoria urządzeń elektronicznych obejmuje konwertery prądu na napięcie.
Sprzęt domowy
Zwykły użytkownik stale ma do czynienia z tego typu urządzeniami konwertującymi, ponieważ większość modeli nowoczesnych technologii ma wbudowany zasilacz. Do tej samej klasy należą zasilacze bezprzerwowe (UPS) z wbudowaną baterią.
W niektórych przypadkach konwertery domowe są wykonane zgodnie ze schematem podwójnego pierścienia (falownika).
Dzięki takiej konwersji ze źródła prądu stałego (na przykład akumulatora) możliwe jest uzyskanie na wyjściu napięcia przemiennego o standardowej wartości 220 woltów. Cechą układów elektronicznych jest możliwość uzyskania na wyjściu sygnału czysto sinusoidalnego o stałej amplitudzie.
Regulowane urządzenia
Jednostki te są w stanie określić wartość napięcia wyjściowego i ją zwiększyć. W praktyce coraz częściej pojawiają się urządzenia, które pozwalają płynnie zmieniać zmniejszoną wartość potencjału wyjściowego.
Klasyczny przypadek polega na tym, że na wejściu działa 220 woltów, a na wyjściu uzyskuje się regulowane stałe napięcie od 2 do 30 woltów.
Urządzenia z precyzyjną regulacją parametrów wyjściowych są tradycyjnie wykorzystywane do testowania przyrządów zegarowych i cyfrowych w nowoczesnych laboratoriach badawczych.
Urządzenia beztransformatorowe
Jednostki beztransformatorowe (inwerterowe) zbudowane są na zasadzie elektronicznej, z wykorzystaniem oddzielnego modułu sterującego. Przetwornica częstotliwości jest w nich wykorzystywana jako ogniwo pośrednie, które doprowadza sygnał wyjściowy do postaci dogodnej do prostowania. W nowoczesnych próbkach urządzeń inwerterowych często instalowane są programowalne mikrokontrolery, które znacznie podnoszą jakość sterowania konwersją.
Urządzenia wysokonapięciowe są reprezentowane przez opisane już transformatory stacyjne, które zwiększają i zmniejszają przesyłane napięcie w żądanych przełożeniach.
Przesyłając energię liniami wysokiego napięcia i późniejszą transformację, dążą do zmniejszenia jej strat w watach do minimum.
Ta klasa obejmuje również urządzenia generujące sygnał do sterowania wiązką w kineskopie telewizyjnym.
