Перетворювач електричної енергії

Сучасна наука пояснює існування електрики скупченнями зарядів протилежних знаків. У природі виробляється неймовірна кількість електрики. Сили тертя в атмосфері створюють величезні простори з грозових хмар. Між хмарами, з поверхнею землі виникає напруга в мільйони вольт. А кілька хвилин грози з блискавками еквівалентні по електричної потужності тривалій роботі великий електростанції.

Але блискавок може і не бути. Однак електроенергія все одно витає в просторі між небом і землею.

  • Очевидно, що напруга це перший і основний параметр енергії електрики.

У природі існують тільки повільно змінюються і майже миттєво зникають напруги. Гроза поступово набирає силу, зарядів від тертя переміщаються шарів повітря стає все більше. Напруга між хмарами і поверхнею землі збільшується.

Якщо рух повітряних мас в певний момент припиниться, напруга поступово зменшиться. Якщо немає - розряд блискавки моментально «обнулить» напруга.

  • Очевидно, що електричний струм, який має вигляд блискавки, є другим параметром електричної енергії.

У міру розвитку науки люди навчилися моделювати атмосферні електричні процеси, придумавши електростатичну, або як її називають інакше електрофорна машину:

електрофорна машина

Ця машина стала першим перетворювачем механічної енергії в електроенергію. Однак перетворення це не вдалося зробити оборотним. Хоча машина і була джерелом напруги і струму, проблема полягала в тому, що зробити подальші перетворення електроенергії не виходило. Але з часом наука виявила ще одну причину виникнення електричних зарядів. Не тільки тертя, але і магнітне поле виявилося здатним створювати електрику.

Це відкриття виявилося повністю певним розвитком технологій. Коли з`явилися металевий дріт і постійний магніт, взаємодія яких в природі не існує, стало можливим відкриття електромагнітної індукції. При цьому з`ясувалося, що отримується енергія електрики безпосередньо пов`язана зі швидкістю взаємного переміщення магніту і дроти.

  • Очевидно, що частота є третім параметром енергії електрики.

Трансформатори

Після відкриття Фарадеєм явища електромагнітної індукції були винайдені різні електричні машини, в тому числі і перетворювачі електроенергії. Першими з них стали трансформатори, які уможливили передачу енергії електрики по дротах на значні відстані. Виявилося, що змінна напруга на кінцях обмотки котушки рівномірно розподіляється між її витками. На кожному витку виходить однакове по величині напругу.

Тому кількість витків обмотки визначить напруга, яке можна використовувати для живлення нової електричного кола. З`ясувалося також і те, що додатковий виток охоплює сердечник котушки поза основною обмотки має на своїх кінцях таке ж напруга, як і виток основний обмотки. Такі котушки, що охоплюють загальний магнітопровід, стали називати трансформаторами. Якщо все котушки при цьому з`єднувалися між собою в послідовний ланцюг, такий пристрій назвали автотрансформатором.



Автотрансформатор при однакових параметрах перетворення електроенергії виявляється ефективніше трансформатора, оскільки в ньому існує електрична зв`язок між обмотками. Тому він може передати споживачеві велику електричну потужність. У трансформаторі між обмотками існує тільки електромагнітна зв`язок.

Але ця особливість забезпечує повну електричну ізоляцію обмоток один від одного. З цієї причини трансформатори широко використовуються у всіх електричних пристроях, що живляться від електричної мережі для отримання безпечного електроживлення цих пристроїв. Трансформатори дозволяють змінювати лише напруга і струм, залишаючи їх частоту без якої-небудь зміни. На цій посаді вони застосовуються до цих пір. А в далеких системах електропостачання трансформатори досягли величезних розмірів. Один з таких агрегатів показаний на зображенні нижче:

трансформатор

Але після появи трансформаторів проявилася ще одна можливість перетворення електроенергії.

котушки

Виявилося, що будь-яка котушка запасає енергію в електромагнітному полі. Воно існує деякий час після того, як по обмотці котушки перестає текти електрострум. А на кінцях обмотки котушки протягом цього часу продовжує існувати напруга. Таке явище стали називати як ЕРС самоіндукції. З`ясувалося також і те, що величина ЕРС самоіндукції залежить від швидкості відключення електроструму в котушці.

котушка Румкорфа

Чим швидше зменшується струм, тим більша напруга на кінцях обмотки. Такий перетворювач електроенергії отримав свою назву за прізвищем свого винахідника і став називатися «котушкою Румкорфа», зображення якої показано нижче зліва. На такому ж принципі працює класична система запалювання автомобільного двигуна внутрішнього згоряння.

Однак перетворити частоту напруги і струму тривалий час можна було тільки за допомогою обертання. синхронний двигун, який обертався з частотою, яка визначається частотою живлячої напруги, обертав генератор. Для збільшення частоти можна було або використовувати підвищує обороти редуктор, або збільшувати число полюсів генератора, або і те й інше разом. Аналогічно вирішувалася і проблема отримання випрямленого струму. Механічні контакти, наприклад, колектора двигуна пропускали тільки одну половину періоду струму. Ці імпульси надходили в загальний електричний ланцюг, і таким чином виходив випрямлений струм обох напівперіодів.

Визначальний внесок у розвиток перетворення електроенергії внесли електронні прилади. Вони дозволили створювати випрямлячі і перетворювачі частоти без рухомих частин, забезпечуючи параметри електроенергії недосяжні для пристроїв, створених на механічних принципах. Стало можливим створення потужних високочастотних генераторів, іменованих инверторами. Збільшення частоти дозволило в кілька разів зменшити розміри трансформаторів.

Інвертори

Інвертори отримали подальший розвиток з появою потужних високовольтних напівпровідникових приладів - транзисторів і тиристорів. З їх появою перетворення електроенергії на високій частоті охопило майже всі пристрої з джерелами вторинного електроживлення. Інверторні схеми стали широко застосовуватися для електронних баластів газорозрядних ламп. При цьому досягалося більш високу якість світла при значній економії електроенергії.

перетворення електроенергії

Найбільш вагомим моментом у розвитку перетворення електроенергії стали інвертори й випрямлячі для високовольтних ліній електропередачі. Такі схеми далекого електропостачання почали застосовуватися досить давно з появою ртутних вентилів - потужних спеціалізованих електровакуумних приладів.

Потім вони були витіснені більш ефективними тиристорами і транзисторами. Напівпровідникові перетворювачі електроенергії дозволяють забезпечити передачу електричної потужності в 3,15 гігават / год на відстань 2400 км в сучасній системі електропостачання в Бразилії. За такими системами передачі електроенергії майбутнє. ЛЕП працюють на постійному струмі позбавлені реактивного опору і втрат електроенергії, пов`язаних зі змінним напругою і струмом.

У них немає і інших процесів і явищ, дуже заважають спільній роботі декількох електрогенеруючих і передавальних систем в єдиній схемі електропостачання. Але тертя і електромагнетизм не єдині процеси, які використовуються для перетворення електроенергії. Приблизно в ті ж роки відкриття явища електромагнітної індукції було виявлено п`єзоелектричний ефект.

В результаті знайшлася група мінералів, а згодом були штучно створені матеріали з п`єзоелектричними властивостями. Ці властивості полягають в перетворенні механічної дії, прикладеного до зразка п`єзоелектричного матеріалу, в електричні імпульси. Але зворотне перетворення електричних імпульсів в механічні деформації зразка також можливо. На основі таких зразків можна виготовити трансформатор без обмоток і магнітних полів в осерді і поза ним.

Такий трансформатор буде збільшувати прикладена напруга в багато разів при мінімальних розмірах і вазі. Це буде просто керамічна пластина з припаяними проводками.

трансформатор

При цьому одержувана потужність не буде великою. Але виграш в розмірах і собівартості в порівнянні з електромагнітним трансформатором буде суттєвою. Такі п`єзоелектричні трансформатори застосовуються в джерелах вторинного електроживлення. Також всі сучасні курці хто користується запальничками, в яких іскра створюється мініатюрним п`єзоелектричним трансформатором.

Подальший розвиток перетворювачів електроенергії це битва за збільшення частоти напруги і струму. Цей процес пов`язаний з необхідністю створення нових напівпровідникових приладів і матеріалів. У творах деяких письменників фантастів згадується енергетичний промінь, який використовується замість ЛЕП. Можливо, їх пророцтва таки збудуться.


Поділися в соц. мережах:

Увага, тільки СЬОГОДНІ!
По темі: