Конвертор: определение, виды и применение

Конвертор — это устройство или программный компонент, предназначенный для преобразования (конвертации) данных, сигналов, энергии или материалов из одной формы, формата или стандарта в другой. В широком смысле термин используется в электронике, металлургии, информатике и энергетике, обозначая технические средства, обеспечивающие совместимость между различными системами.

Виды конверторов

Электронные и электрические конверторы

В электротехнике конверторами называют преобразователи электрической энергии. Наиболее распространённые типы:

• Аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) — преобразуют непрерывный аналоговый сигнал в дискретный цифровой код и обратно. Используются в звукозаписи, измерительной технике, системах связи.
• Частотные преобразователи — изменяют частоту переменного тока для регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей. Широко применяются в промышленности, лифтах, насосных станциях.
• Преобразователи напряжения (DC-DC, AC-DC, DC-AC) — изменяют уровень или род тока. Входят в состав блоков питания, инверторов для солнечных панелей, зарядных устройств.
• Импедансные конверторы — используются в измерительных схемах для преобразования сопротивления, ёмкости или индуктивности в пропорциональное напряжение.

Конверторы в металлургии

В металлургии конвертор — это агрегат для получения стали из жидкого чугуна путём продувки его кислородом или воздухом. Процесс основан на выжигании избыточного углерода, кремния, марганца и фосфора. Основные типы:

• Кислородные конверторы (с верхней, нижней или комбинированной продувкой) — доминируют в современной чёрной металлургии. Вместимость достигает 350–400 тонн.
• Бессемеровский конвертор — исторический тип с донной воздушной продувкой, изобретён в 1856 году Генри Бессемером. Позволил впервые получать сталь в больших объёмах.
• Томасовский конвертор — вариант бессемеровского, приспособленный для переработки фосфористых чугунов (изобретён Сидни Томасом в 1878 году).

Кислородно-конвертерный способ обеспечивает около 70 % мирового производства стали. Конвертерный цех включает сам агрегат грушевидной формы, систему подачи кислорода, газоочистку и устройства для заливки чугуна и слива стали.

Конверторы в информатике и связи

В вычислительной технике конверторами называют программы или аппаратные модули для преобразования файлов и данных:

• Конверторы форматов — переводят документы, изображения, аудио- и видеофайлы из одного формата в другой (например, PDF в DOCX, MP4 в AVI).
• Конверторы кодировок — перекодируют текст между различными кодовыми таблицами (UTF-8, Windows-1251, KOI8-R).
• Конверторы величин — переводят единицы измерения (дюймы в сантиметры, килограммы в фунты, валюты).
• Конверторы протоколов — обеспечивают взаимодействие сетей с разными протоколами передачи данных (например, RS-232 в Ethernet).

Конверторы в энергетике и химии

• Термоэлектрические конверторы — преобразуют тепловую энергию непосредственно в электрическую (эффект Зеебека). Применяются в космических аппаратах, автономных источниках питания.
• Каталитические конверторы (нейтрализаторы) — устройства в выхлопной системе автомобилей, снижающие токсичность отработавших газов путём дожигания оксидов углерода и азота.
• Конверторы в химической технологии — аппараты для проведения конверсии (превращения) газов, например, конвертор метана для получения водорода.

Устройство и принцип работы

Конструкция конвертора зависит от его назначения. Электронный конвертор обычно состоит из входного каскада, блока преобразования и выходного каскада с фильтрами. Например, аналого-цифровой преобразователь содержит компаратор, регистр последовательного приближения и источник опорного напряжения. Частотный преобразователь включает выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор на IGBT-транзисторах, управляемых микроконтроллером.

Металлургический конвертор представляет собой футерованный огнеупорным кирпичом стальной сосуд грушевидной формы, установленный на цапфах для поворота. В кислородном конвертере сверху опускается водоохлаждаемая фурма, через которую подаётся технически чистый кислород (99,5 %). Вдуваемый кислород окисляет примеси чугуна; процесс длится 15–25 минут и сопровождается выделением большого количества тепла. После продувки сталь выпускается через лётку, а шлак сливается через горловину.

Применение

• Промышленность: сталеплавильные конверторы, частотные преобразователи для приводов станков и конвейеров.
• Электроника и бытовая техника: блоки питания, зарядные устройства, аудиоинтерфейсы, телевизионные тюнеры.
• Транспорт: конвертеры крутящего момента в автоматических коробках передач (гидротрансформаторы), автомобильные каталитические нейтрализаторы.
• Энергетика: инверторы для солнечных электростанций, преобразователи для ветрогенераторов, тяговые преобразователи электропоездов.
• ИТ-сфера: программные конверторы файлов, системы электронного документооборота, конверторы валют в банковских системах.

Преимущества и ограничения

Конверторы позволяют унифицировать оборудование и данные, повышают энергоэффективность и обеспечивают совместимость разнородных систем. К недостаткам можно отнести потери энергии при преобразовании (в электронных устройствах — до 10–15 %), необходимость охлаждения мощных агрегатов и высокую стоимость сложных преобразователей. В металлургии конвертерный процесс ограничен составом исходного чугуна и требует мощной газоочистки.

Интересные факты

• Первый бессемеровский конвертор имел вместимость всего около 5 тонн; современные агрегаты в 70 раз больше.
• КПД современных импульсных блоков питания достигает 94 %, тогда как у старых линейных — не более 60 %.
• В автомобильных нейтрализаторах используются платина, палладий и родий — драгоценные металлы, которые извлекают из отработанных катализаторов.
• Аналого-цифровые конверторы в смартфонах выполняют миллиарды преобразований в секунду при записи звука и видео.

Источники

• Большая российская энциклопедия, статьи «Конвертер», «Кислородно-конвертерный процесс».
• ГОСТ Р 52543-2006 «Преобразователи частоты».
• Учебник «Электрические и электронные аппараты» под ред. Ю. К. Розанова.
• Справочник металлурга «Производство стали в конвертерах».