Преобразувателите на електрическа енергия са технически средства за преобразуване на електрическа енергия, използвани в електротехниката. Преобразуването е необходим процес за преноса и потреблението ѝ, при което се запазва физическата същност на енергията и става възможно да се удовлетворят конкретните нужди на потребителите по отношение на нейните основни параметри – напрежение, честота, брой на фазите, форма на сигнала. Процесът на преобразуване не е едностъпален, а комбинация от последователни трансформации във веригата производство – потребление на електроенергия. Един най-прост пример за преобразуване в бита са зарядните устройства на батерии за телефони и други уреди, в които променливото мрежово напрежение 220 V се преобразува например в 5 V постоянно напрежение.

Многократните преобразувания на електрическия ток и напрежение са в основата на апаратите и устройствата на радиоелектрониката, комуникационната техника, изчислителната техника, медицинската апаратура и други приложения на електрониката и се разглеждат в описанията на съответните електрически вериги за обработка на информационни и управляващи електрически сигнали.

Необходимост от преобразуване

Широкото навлизане на електрическата енергия в бита, производството, транспорта и комуникациите е обусловено от възможността тя да се произвежда в електроцентрали далеч от потребителите и да се пренася до тях по електроснабдителни мрежи. При преноса на електроенергия се налага използването на електромеханични, електромагнитни технически средства или такива, изградени по схеми от пасивни и активни електронни компоненти.

Класификация по основни функции Преобразуване на параметрите на електрическата енергия. Преобразуване за регулиране и стабилизация на параметрите на електрическата енергия. Преобразуване за регулиране и управление на генератори и консуматори на електрическа енергия.

Преобразуване на параметрите на електрическата енергия Електрическата енергия съществува в два основни вида – енергия на постоянния ток и енергия на променливия ток. Това определя и видовете основни преобразувания: преобразуване на енергия с променлив ток (AC) () в електрическа енергия с постоянен ток (DC) (); преобразуване на енергия с променлив ток (AC) в електрическа енергия с други параметри на променливия ток (AC); преобразуване на енергия с постоянен ток (DC) в електрическа енергия с променлив ток (AC); преобразуване на енергия с постоянен ток (DC) в електрическа енергия с други параметри на постоянния ток (DC).

В електротехниката и електрониката тези видове трансформации на енергията се групират по начина на преобразуването и обикновено се свързват с наименованията на техническите средства, използвани за това: Токоизправители, превръщащи електрическата енергия с променливо напрежение в постоянно (АC-DC). Инвертори, превръщащи електрическата енергия с постоянно напрежение в променливо (DC-АC) Преобразуватели на напрежение, включващи преобразуването на напрежения (DC-DC) и (АC-АC). Преобразуватели по честота и фаза.

Токоизправители

Токоизправителите са устройства за преобразуване на променливотокова електрическа енергия в постояннотокова – (АC-DC). Най-често с токоизправителите се извършва преобразуване на еднофазен и трифазен променлив ток в ток с постоянно напрежение. При схемите, изпълнени с тиристори, изходното напрежение може да бъде регулирано в големи граници. Според характера на товара, токоизправителите работят с активен, индуктивен и капацитивен товарСтефанов, к.т.н. инж. Николай Й. и др., Ръководство за лабораторни упражнения по токозахранващи устройства, Държавно издателство „Техника“, София, 1985. В най-общия случай токоизправителят се състои от: силов трансформатор за преобразуване на входното мрежово напрежение в необходимото изходно променливо напрежение. електронни схеми, включващи електронни вентили, чиято волт-амперна характеристика е нелинейна – безкрайно малко съпротивление в права посока и безкрайно голямо съпротивление в обратна. С използваните електронни вентили (електронни лампи, селенови блокове или полупроводникови диоди и тиристори) се реализира еднополупериодно или двуполупериодно изправяне, при което се увеличава ефективността на процеса. В зависимост от използваните вентили – неуправляеми (диоди) или управляеми (тиристори), преобразуването може да се управлява, с което се регулира и променя изходното напрежение от токоизправителя. след вентилите се получава пулсираща постояннотокова съставка, пулсациите на която може да се намалят при необходимост посредством използването на филтри.Табаков, проф. д-р инж. Стефан Е., Импулсни и цифрови устройства, част І, София, 2002, с. 66 ISBN 954-438-214-3

Токоизправителите намират широко приложение в бита, транспорта и промишлеността. Основни направления на приложения са:  – железопътна тяга за мотриси и електровози;  – градски електротранспорт – за релсов транспорт – трамвай и метровлакове, тролейбуси;  – електрохимия за производство (алуминий, хлор и др.) и електрохимическа обработка на метали;  – управляеми задвижвания на основните двигатели на металообработващи машини, прокатно производство;  – възбуждане генераторите на електростанциите;  – битовата радиоелектронна и компютърна апаратура;  – комуникационна апаратура, изчислителни машини и информационни комплекси и др.

Преобразуването на променливотокова електрическа енергия в постояннотокова, чрез т. нар. система HVDC (High-voltage direct currant), се реализира с HVDC конвертори () при използването на технология на силовата електроника. Посредством преобразуването се осъществява пренос на постояннотокова енергия на далечни разстояния с много високо напрежение и мощности до 2 GW (гига вата). Реализираните преобразувания с напрежения 100 kV, 800 kV, и строената в Китай линия за 1100 kV, имат предимствата пред далекопроводите за променливо напрежение поради по-ниските електрически загуби и по-ниска цена като преносна система. При протичането на постоянен ток не се създава реактивна мощност и няма такива загуби, поради което се избягва протичането на силни токове при подводните кабелни линии за зареждане и разреждане капацитета на кабела при всеки цикъл. Разходите за преобразуването чрез конверторните станции се компенсират, както от по-горе изброените предимства при преноса, така и от възможностите за предаване на мощности между фазово несинхронизирани енергийни системи за променлив ток. Това е възможност и за прехвърляне на мощности между мрежови системи с работна честота 50 Hz и 60 Hz, особено в Източна Азия и Океания, където има райони с такива параметри на предлаганото за потребление захранващото напрежение.

Инвертори

Инверторът () е електрическа схема, която превръща еднократно електрическата енергия с постоянно напрежение в променливо (DC-АC). Инверторът не произвежда никаква мощност, а само променя параметрите на електрическата енергия и я преобразува в енергия необходима за ползване в бита или за захранване на специализирана апаратура и промишлени инсталации. Конструкцията на всеки инвертор се произвежда за конкретно входно постоянно напрежения и за изходно напрежение с точно определени параметри като големина на напрежение, честота, форма на сигнала и мощност. Това означава, че преди трансформацията, постояннотоковия източник трябва да е стабилен и да има параметри и капацитет да осигури с необходимото напрежение и мощност електрическата верига за преобразуване. Широко приложение имат конструкциите с полупроводникови инвертори, като за преобразуването се използват вентилните свойства на диодите, тиристорите и транзисторите.

Независимата енергийна система ползваща инвертор, може да се захранва от източници на електрическа енергия: 12 V DC от автомобилен акумулатор за ограничено ползване от потребители; 24, 36 и 48 V DC, които са характерни постоянни напрежения за транспортни, строителни и други машини; 200 до 400 V DC от фотоволтаични панели като източник на енергия; 300 до 450 V DC от акумулаторна батерия на електрически електромобили; стотици хиляди волта, когато инверторът е част от система за пренос на електрическа енергия.

Основният принцип на работа на инверторите е комутирането на захранващото постоянно напрежение в напрежение с периодично променяща се полярност. Конструктивно инверторът има мощен електронен генератор за преобразуване на постоянното напрежение в напрежение обикновено със синусоидална форма, в импулсна поредица със или без модулация за постигане на различен коефициент на запълване, или в друг вид дискретен сигнал. Товарът може да се включи директно към силовата верига на инвертора или да се използват възможностите на трансформатор за съгласуване, като се преобразува създаденото променливото напрежение до необходимото АС напрежение за потребителя. Инверторите може да се използват като самостоятелни устройства или се включват като съставна част на друго устройство – напр. източник за непрекъсваемо захранване UPS () при кратковременни прекъсвания на захранващия източник, или в случаи на кратковременни отклонение от стандартното захранващо напрежение. Те намират приложение като част от схемата при преобразуватели, регулатори и стабилизатори на постоянно напрежение. С тях първоначално се преобразува постоянно напрежение в променливо, след това то се трансформира до необходимото напрежение за ползване. Третата фаза на преобразуването е посредством токоизправител да се получи отново постоянно напрежение, но с необходимата друга стойност за потребителя.

Класификация според предназначението Според предназначението, източниците и ползването, инверторите се разделят на две основни групи: Независими инвертори (автономни). Това са устройства, които преобразуват постоянно напрежение в променливо с постоянна или регулирана от оператор честота, не са свързани със стандартната потребителска мрежа и работят в автономен режим със самостоятелен товара. Зависими инвертори . Това са устройства, които преобразуват електрическата енергия от източници с постоянно напрежение (например фотоволтаични електростанции) в променливо напрежение с параметрите на потребителската мрежа променлив ток, и се включват в общото потребление на енергия от електропреносната мрежа заедно и с други източници.

Преобразуватели в силовата електроника Развитието на тиристорната електроника със създаването на мощни управляеми полупроводникови прибори, намери широко приложение в автоматиката, енергетиката и особено в електротермията. Първите опити и изследвания върху процесите с използването на тиристорни преобразуватели за индукционното нагряване в България се провеждат през през периода 1962 – 1968 г. Този вид преобразуватели от 1970-те години са основата за техническо преустройство в металургията, машиностроенето и бита. Това са принципно нови силови електронни устройства, наричани уредби за индукционно нагряване, и работещи с мощност до стотици киловати и в честотен обхват от 150 Hz до 10 000 Hz и в областта на повишени честоти от 10 000 до 50 000 Hz. В България първите експериментални разработки на тиристорни преобразуватели за използване в машиностроенето и металургията са създадени в Технически университет – София през 1968 г. с мощност 100 kW при честота 2400 Hz. През 1977 г. в „Промишлена електроника“ – Габрово се внедряват в производство фамилия от тиристорни преобразуватели за индукционно нагряване с мощности от 160 kW до 1600 kW и честоти от 500 до 2400 Hz.

Принцип на действие на преобразувателите за индукционно нагряване

Индукционното нагряване е метод за нагряване на металите посредством вихрови токове в сърцевината на обработвания метал посредством мощен индуктор. Управляването на този процес посредством тиристорен преобразувател, може точно да изпълни всички изисквания за зоната, дълбочината и температурата на загряване, като с това чрез технологичната обработка се гарантира високо качество на термообработката. При използването им се осъществява преобразуване от типа АС-DC-АС. Изграждат се два типа преобразуватели: