Автономные инверторы напряжения, виды, устройство и принцип работы, как выбрать

Как работает преобразователь напряжения? Виды, мощность, схемы

В этой статье рассматриваются электросхемы преобразователей напряжения, назначение и принцип работы оборудования. Также здесь объясняется, какие бывают устройства, даются рекомендации по их выбору, указываются ключевые характеристики.

Принцип работы преобразователей напряжения

Преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования входного напряжения. Они могут повышать или понижать его, преобразовывать постоянный электроток в переменный и наоборот. Соответственно, принцип функционирования оборудования зависит от его типа. Существуют следующие основные разновидности устройств.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители)

AC/DC‑преобразователи применяются для преобразования переменного напряжения (например, стандартного напряжения бытовых или промышленных электросетей 220/380 В) в стабилизированное постоянное напряжение. Устройства широко применяются в промышленной автоматизации, изготовлении источников питания, телекоммуникациях, на транспорте, в гальванике, энергосиловых установках, сварочных аппаратах. В зависимости от используемых силовых ключей, выпрямители бывают:

1. Тиристорными. Они состоят, как правило, из таких основных компонентов:

  • трансформатор. Необходим для понижения/повышения напряжения, а также гальванической развязки выпрямителя от электросети;
  • тиристорный мост (вентильная группа). Предназначен для преобразования переменного электротока в постоянный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний напряжения на входе;
  • блок управления вентильной группой;
  • емкостной, индуктивный или комбинированный фильтр (LC-фильтр). Предназначен для сглаживания пульсаций выходных параметров.

2. Транзисторными. В состав таких выпрямителей входят следующие элементы:

  • входной LC-фильтр. Необходим для защиты питающей сети от помех, создаваемых выпрямителем;
  • диодный мост;
  • ВЧ-преобразователь. Предназначен для преобразования постоянного тока в высокочастотный импульсный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний входного напряжения;
  • ВЧ-трансформатор. Предназначен для понижения/повышения напряжения импульсного тока;
  • диодный или транзисторный выпрямительный мост. Предназначен для преобразования высокочастотного импульсного тока в постоянный;
  • блок управления;
  • выходной LC-фильтр.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

Важнейшие характеристики инвертора:

  • частота преобразователя напряжения и форма напряжения. Желательно приобрести аппарат, который выдает чистый синусоидальный сигнал. К такому преобразователю можно подключать даже высокочувствительное оборудование;
  • номинальная мощность. Она должна быть выше, чем суммарная нагрузка всех подключенных потребителей;
  • максимальная пиковая мощность. Это значение определяет, какую наибольшую нагрузку выдержит устройство при подключении техники с малым значением коэффициента cos ф. К такому оборудованию относятся электродвигатели, насосы, компрессоры;
  • значение входного/выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы выполнить расчет необходимой мощности DC/AC преобразователя, необходимо:

  1. Сложить мощность, потребляемую подключаемым оборудованием. Ее берут из паспортных данных на технику. Например, холодильник — 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, пылесос — 1000 Вт. Итого в сумме: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
  2. Учесть пиковую нагрузку. Для этого полученную сумму умножаем на коэффициент 1,3 (для рассматриваемого примера: 2700*1,3 = 3510 Вт).
  3. Учесть коэффициент cos ф для получения результата в вольт-амперах. Его значение для разного оборудования варьируется в пределах 0,60. 0,99. Для расчета лучше принять минимальную величину. 3510/0,6 = 5850 ВА ≈ 6 кВА. Именно на это значение следует ориентироваться при выборе инвертора.

Заключение

В статье были рассмотрены основные разновидности преобразователей напряжения, особенности их работы и сферы применения. Также были приведены типовые электросхемы преобразователей напряжения и описаны критерии выбора DC/AC инверторов.

Что такое инвертор: разновидности и прицип работы

Одна из самых значительных достижений 19-го века была связана не с землей или ресурсами, а с установлением типа электричества, которое все чаще стало внедряться в наши здания. Существует два вида тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Ученых всегда интересовала возможность преобразования одного вида в другой. Так появился инвертор.

  • История появления преобразователя
  • Электричество постоянного и переменного тока
  • Что предстваляет собой инвертор
  • Принцип работы устройства
  • Классификация инверторов

История появления преобразователя

В конце 1800-х годов американский электрик-пионер Томас Эдисон (1847−1931) вышел из своей лаборатории, чтобы продемонстрировать, что постоянный ток (DC) является лучшим способом подачи электроэнергии, чем переменный ток (AC), который был новой системой, поддерживаемой его сербским соперником Николой Тесла (1856−1943). Эдисон пробовал всевозможные хитрые способы убедить людей в том, что AC слишком опасен: от электроочистки слона до поддержки использования переменного тока в электрическом стуле для управления смертной казнью. Несмотря на это, система Tesla выиграла тот день, и мир с тех пор довольно много работает на электросети.

Единственная проблема заключается в том, что, хотя многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, маломощные генераторы часто производят постоянный. Это означает, что если вы хотите запустить что-то вроде гаджета с питанием от переменного тока от аккумуляторной батареи постоянного тока в мобильном доме, вам потребуется устройство, которое преобразует DC в AC-инвертор, как его называют.

Электричество постоянного и переменного тока

Когда преподаватели науки объясняют основную идею электричества как поток электронов, они обычно говорят о постоянном токе (DC). Мы узнаем, что электроны немного похожи на линию муравьев, идущих вместе с пакетами электрической энергии так же, как муравьи несут листья. Это достаточно хорошая аналогия для чего-то вроде базового фонарика, где у нас есть схема (сплошная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель, а электрическая энергия систематически транспортируется от батареи к лампе, пока вся энергия батареи истощается.

В больших бытовых приборах электричество работает по-другому. Источник питания, который поступает от розетки в стене, основан на переменном токе (AC), где электричество переключается в направлении 50−60 раз в секунду (другими словами, на частоте 50−60 Гц). Трудно понять, как AC доставляет энергию, когда он постоянно меняет свое мнение о том, куда он идет. Если электроны, выходящие из настенной розетки, добираются, скажем, на несколько миллиметров вниз по кабелю, тогда нужно обратить вспять направление и вернуться назад, как они когда-либо добираются до лампы на столе, чтобы та засветилась?

Ответ на самом деле довольно прост. Представьте, что между лампой и стеной заполнены электроны. Когда вы щелкаете на переключателе, все электроны, заполняющие кабель, вибрируют назад и вперед в нитях лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и лампа засвечивается. Электроны необязательно должны вращаться по кругу для переноса энергии: в АС они просто «бегут на месте».

Что предстваляет собой инвертор

Одним из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса Westinghouse Electrical Company) является то, что большинство приборов, которые мы имеем в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, нуждающиеся в постоянном токе, но потребляющие электроэнергию от розетки переменного, нуждаются в дополнительной части оборудования, называемой выпрямителем, как правило, из электронных компонентов, называемых диодами, для преобразования AC в DC.

Инвертор выполняет противоположную работу, и довольно легко понять ее суть. Предположим, у вас есть аккумулятор в фонарике, а переключатель закрыт, поэтому DC течет по цепи всегда в том же направлении, что и гоночный автомобиль вокруг дорожки. Теперь, если вы вытащите батарею и развернете ее, предполагая, что это соответствует другому способу, он почти наверняка все еще подаст свет, и вы не заметите какой-либо разницы в освещение, которое вы получаете, — но электрический ток будет протекать противоположным образом.

Предположим, у вас были молниеносные руки, и они были достаточно ловкими, чтобы переворачивать батарею 50−60 раз в секунду. Тогда бы вы стали своего рода механическим инвертором, превратив питание постоянного тока батареи в переменный на частоте 50−60 Гц.

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в электрических магазинах, работают не так, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые быстро переключаются на текущее направление. Инверторы, подобные этому, часто производят так называемый прямоугольный выход: ток либо протекает в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями.

Такие внезапные перемены направления опасны для некоторых видов электрооборудования. При нормальной мощности AC, он постепенно переходит с одной стороны в другую в виде синусоидальной волны.

Электронные инверторы могут использоваться для создания такого рода плавно изменяющегося выхода переменного от входа постоянного тока. Они используют электронные компоненты, называемые индукторами и конденсаторами, для увеличения и снижения выходного тока, чем резкий, прямоугольный выходной сигнал включения / выключения, который вы получаете с помощью базового инвертора.

Инверторы также могут использоваться с трансформаторами для изменения определенного входного напряжения DC на совершенно другое выходное напряжение переменного (выше или ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше входной мощности. Из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не может выдавать больше энергии, чем они потребляют, и некоторая энергия должна быть потеряна как тепло, поскольку электричество протекает через различные электрические и электронные компоненты. На практике эффективность инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что какая-то часть энергии — какой бы она ни была — всегда где-то теряется.

Принцип работы устройства

Представьте, что вы аккумулятор постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас вместо этого произвести переменный. Как бы вы это сделали? Если весь ток, который вы производите, вытекает в одном направлении, как насчет добавления простого переключателя на ваш выход? Включение и выключение вашего тока может очень быстро обеспечить импульсы DС, которые могли бы выполнять как минимум половину работы. Чтобы сделать правильный AC, вам понадобится переключатель, который позволит полностью отменить ток и сделать это примерно 50−60 раз в секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, которая меняет контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту.

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку, подключенному к трансформатору. А так как электромагнитные устройства, которые меняют низковольтный переменный на высоковольтный ток или наоборот, используя две катушки провода (называемые первичной и вторичной) ранами вокруг общего железного ядра.

В механическом инверторе либо электродвигатель, либо какой-либо другой механизм автоматического переключения переворачивает входящий ток вперед и назад в основном просто путем изменения контактов и генерирует переменный во вторичном режиме. Коммутационное устройство работает так же, как в электрическом дверном звонке. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, вытягивает его и очень быстро отключает. Пружина снова вернет переключатель, включив его, и потом будет повторять процесс снова и снова.

Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером). Контроллер также может решать дополнительные задачи:

  • Регулирование напряжения.
  • Синхронизация частоты переключения ключей.
  • Защитой их от перегрузок.

Классификация инверторов

Инверторы могут быть очень большими и массивными, особенно если они имеют встроенные батарейные блоки, поэтому они могут работать автономно. Они также генерируют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы. Самые маленькие инверторы — это более портативные коробки размером с автомобильное радио, которое вы можете подключить к гнезду прикуривателя, чтобы произвести AC для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Так же, как приборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности, которую они производят. Как правило, чтобы быть в безопасности, вам понадобится инвертор, рассчитанный на четверть выше максимальной мощности устройства, которое вы хотите использовать. Это позволяет предположить, что некоторые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют максимальную мощность при первом включении. Хотя инверторы могут обеспечивать максимальную мощность в течение коротких периодов времени, важно отметить, что они не предназначены для работы на пиковой мощности в течение длительного времени.

Читайте также:  Как выбрать в магазине продукты высшего качества

По принципу действия инверторы делятся на:

  • Автономные.
  • Инверторы напряжения (АИН).
  • Инверторы тока (АИТ).
  • Резонансные инверторы (АИР).
  • Зависимые (инверторы, ведомые сетью).

Здоровенные приборы в наших домах, которые используют большое количество энергии (такие вещи, как электрические нагреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники), не очень заботятся о том, какую форму волны они получают: все, что они хотят, это энергия и как можно больше. Электронные устройства, с другой стороны, намного более суетливы и предпочитают более плавный вход, который они получают от синуидальной волны.

  • Многие инверторы работают как автономные устройства с аккумулятором, которые полностью независимы от сети.
  • Другие, так называемые утилитарно-интерактивные инверторы или инверторы с привязкой к сетке, специально разработаны для подключения к сети все время. Как правило, они используются для передачи электроэнергии от чего-то вроде солнечной панели обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.

Это прекрасно, если ваша главная цель — создать собственную силу. Но это не так полезно, если вы хотите иногда быть независимыми от сети, или вам нужен резервный источник питания в случае сбоя, потому что если ваше соединение с сетью опускается, и вы не производите электричество самостоятельно (например, это ночное время, и ваши солнечные панели неактивны), инвертор тоже опускается, и вы полностью без энергии, независимо от того, генерируете ли вы свою силу или нет.

По этой причине некоторые люди используют бимодальные или двунаправленные устройства, которые могут работать как в автономном, так и в сетчатом режиме (хотя и не одновременно). Поскольку у них есть дополнительные части, они, как правило, более громоздки и дороже.

Крупные коммутационные устройства для применений передачи энергии, установленные до 1970 года, преимущественно использовали ртутно-дуговые клапаны. Современные инверторы обычно являются твердотельными (статические инверторы). Современный метод проектирования включает компоненты, расположенные в конфигурации моста H. Этот дизайн также довольно популярен среди небольших потребительских устройств.

Используя трехмерную печать и новые полупроводники, исследователи из Национальной лаборатории Oak Ridge Департамента энергетики создали инвертор мощности, который мог бы сделать электромобили более легкими, более мощными и более эффективными.

Выбор инвертора (преобразователя напряжения)

Инвертором называют устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, меняя при этом величину напряжения.

Инверторы, преобразующие 12 В или 24 В в 220 В, становятся все востребованнее – ведь сфер применения этим приборам много:

  • автопутешествия – в дороге через инвертор к автомобильному аккумулятору можно подключить необходимые приборы – холодильник, насос, электроинструмент;
  • использование в системах альтернативных источников энергии – к примеру, для потребления электричества, выработанного солнечными батареями;
  • организация резервного источника электроснабжения для домашних нужд. Простая связка автомобильный аккумулятор + инвертор при неожиданном отключении электричества как минимум поддержит освещение в доме. Такая схема, кстати, имеет очень большое распространение в соседнем Китае – там аккумуляторы с инверторами нередкие гости в домах;
  • на даче или при строительстве загородного дома, кода линия электричества еще не подведена, или ее в принципе нет, а бензогенератор ставить не хочется.

И это еще не все ситуации, когда инвертор облегчит вам жизнь.

Если вы уже задумались о покупке такого прибора, то следует разобраться – какие виды преобразователей напряжения бывают, и как подобрать оптимальный вариант под ваши нужды, не переплачивая лишних денег.

Первое, с чем нужно определиться – зачем вам нужен инвертор?

Самые простые, миниатюрные и маломощные инверторы, подключаемые в машинах к прикуривателю, организуют «обычную розетку» для подключения прибора небольшой мощности – зарядки телефона или ноутбука, подзарядки фонарика. При этом не нужно будет возить с собой ворох проводов, для питания каждого из устройств от прикуривателя. Вы просто будете подключать родной провод в организованную розетку.

Через автомобильный прикуриватель не стоит подключать инвертор с нагрузкой выше 150 Вт – можно вывести из строя всю электропроводку автомобиля и нарваться на дорогостоящий ремонт. Потребителей выше 150 Вт следует подключать только напрямую к аккумулятору, через клеммы.

К таким преобразователям можно подключить уже более мощные приборы. Для уменьшения потерь КПД и надежности, подключение мощных инверторов к клеммам аккумулятора следует проводить не «крокодильчиками», которыми иногда комплектуется прибор, а медными клеммами, под винт. Сечение и длину проводов подключения выбирайте исходя из расчета потерь тока, а не по нагреву.

Следующее, на что стоит обратить внимание – форма тока, которую выдает инвертор. Это важный момент, так как он определяет, какое оборудование вы сможете подключить к инвертору. Есть два вида:

  • чистая синусоида – токовая кривая в виде ровной синусоиды. К такому инвертору можно подключать любые приборы, без опасений за их сохранность. Недостатком этого типа можно назвать только высокую стоимость – для получения чистого синуса требуется сложная электрическая схема.

  • модифицированная синусоида – вид токовой кривой, напоминающей синусоиду, но на деле являющейся ступенчатой характеристикой. К инвертору с модифицированным синусом не стоит подключать: асинхронные двигатели, компрессоры, чувствительные к помехам устройства. Приборы даже если и будут работать при таком питании, но с заметным ухудшением качества – звуковая аппаратура будет «фонить», насосы и двигатели сильно греться и шуметь. Самое меньшее зло в этой ситуации будет – уменьшение КПД, большее (при постоянной эксплуатации) – их скорый выход из строя, из-за тяжелого режима работы.

Но это не значит, что инвертор с модифицированным синусом использовать не рекомендуется. Он не окажет негативного влияния на качество работы ламп освещения, нагревательных приборов, оборудования с импульсными блоками питания (ноутбуки, телефоны), большинство телевизоров, электроинструмент с коллекторными двигателями (лобзики, дрели). Однако для обеспечения работы электроинструмента от инвертора лучше докупить устройство плавного пуска – чтобы пусковые токи не выходили за пределы допустимого.

При выборе инвертора обязательно нужно продумать, что вы хотите к нему подключать, и уже после этого решать – готовы вы платить за устройство с чистым синусом, или оптимальной покупкой для вас будет менее дорогое устройство с модифицированной синусоидой.

Все преобразователи напряжения обладают двумя характеристиками по мощности –постоянная мощность и пиковая мощность прибора. Нужно различать эти два параметра.

Постоянная мощность говорит о том, с какой нагрузкой сможет справляться инвертор в длительном режиме работы. В зависимости от потребностей, можно подобрать устройство как невысокой мощности от 60 до 1000 Вт, так и серьёзный агрегат с мощностью от 1000 Вт и выше, позволяющий организовать мини-электростанцию на выезде.

Постоянную мощность необходимо выбирать таким образом, чтобы оставался запас, хотя бы 20 % – ни одно устройство не будет работать хорошо на пределе своих возможностей, поэтому не экономьте на этом моменте. Также не следует забывать о возможностях аккумулятора, ведь его емкость ограничена.

Пиковая мощность определяет предельную кратковременную нагрузку – от 150 до 10000 Вт. К примеру, пусковой ток холодильника, подключаемого к инвертору, как правило, в несколько раз выше номинальной мощности – это следует учитывать. Если вы не рассчитаете мощность инвертора для покрытия пускового тока, то прибор-потребитель не сможет начать работать.

Если инвертор будет работать от аккумулятора не снятого, а работающего от генератора машины, помните, что ток нагрузки инвертора не должен превышать выдаваемого тока генератора.

На деле подбор подходящей мощности не так уж и сложен, рассмотрим пример.

Подключаемая нагрузка: холодильник (15 Вт), зарядка ноутбука (80 Вт), зарядка телефона (60 Вт). Здесь, конечно, следует учесть пусковой ток холодильника, превышающий номинальный в 3-4 раза. Получится, что в момент включения холодильник потребит (в худшем случае) до 60 Вт. В итоге имеем, что для означенной нагрузки нам хватит инвертора в 300 Вт.

Конечно, не все инверторы работают с высоким КПД, при расчете мощности следует плюсовать к нагрузке еще возможные потери в кабеле, в зажимах и прочее – но вцелом видно, что для обеспечения минимально необходимых нужд сильно мощный инвертор не нужен. В большинстве случаев для комфортного туризма хватит прибора мощностью до 600 – 700 Вт, то есть с суммарным током нагрузки около 50 А, что гораздо меньше тока стандартного генератора на современных машинах.

Другой расклад получается, если вы захотите использовать инвертор для подключения электроинструмента – лобзиков, дрелей и др. Здесь уже целесообразно использование мощных инверторов – от 1 кВт и выше.

Преобразователи напряжения бывают различного уровня входного напряжения. Устройства до 2,5-3 кВт как правило работают от входного напряжения 12 В. Более мощные устройства, рассчитанные на выдачу нескольких киловатт, выпускаются на более высокие уровни напряжения – 24 и 48 В. Поэтому, выбирая инвертор, обратите внимание не только на мощность, но и на параметры входного напряжения:

  • максимальное входное напряжение от 12 до 30 В
  • минимальное входное напряжение от 9,2 до 24 В

Практически все инверторы оборудованы теми или иными видами защит, которые следят за параметрами работы, и помогают избежать критических ситуаций, действуя на отключение или звуковой сигнал:

  • защита от избыточного напряжения на входе
  • защита от короткого замыкания
  • защита от неправильного подключения
  • защита от низкого напряжения на входе (в том числе помогает избежать переразряда аккумулятора, отключая нагрузку при падении напряжения до заданной величины)
  • защита от перегрева
  • защита от перегрузки

Для подключения нагрузки у преобразователей напряжения могут быть предусмотрены различные выходы:

Устройство с необходимыми вам типами и количеством выходов выбирайте исходя из того, какое оборудование нужно подключить. Выходы постоянного тока с уровнем напряжения 12 – 28 В понадобятся для подключения специального автооборудования: магнитол, ТВ-приемников, подогрева сидений, автохолодильников). USB-порты пригодятся для подзарядки мобильных устройств. Выходы в виде розеток потребуются для «универсального» подключения электроприборов. При этом типы розеток могут быть различны:

Также встречаются преобразователи напряжения, не рассчитанные на подключение потребителя 220 В, и преобразующие 24 В в 12 В и 12 В в 24 В – у таких устройств розеток нет.

Длина кабеля инвертора может достигать 100 м. С одной стороны, кабель длиной 10-100 м – это удобно: обеспечивает мобильность устройства, его можно переносить, не трогая аккумулятор. С другой стороны, не стоит забывать, что каждый кабель является слабым звеном электросистемы, так как на нем происходят потери мощности. Поэтому не стоит гнаться за длиной кабеля. Лучше обратите внимание на его качество – чем толще кабель, тем выше его сечение и меньше потерь электричества он будет создавать. Чем гибче кабель – тем качественнее его материалы и меньше вероятность повреждения от загибов.

Инверторы выпускаются в корпусах из различных материалов:

  • алюминий
  • алюминий и пластик
  • металл
  • металл и пластик
  • пластик

С точки зрения пассивного охлаждения лучше всего инверторы в алюминиевом корпусе – он обеспечивает максимальный отвод тепла. Но для инверторов с активным охлаждением (вентилятором в корпусе), где проблема отвода тепла решена, лучшим вариантом будет корпус из стали – как более прочный. Комбинированные корпуса из алюминия+пластик или стали+пластик тоже хороший вариант, а вот корпус из одного пластика допустим только для маломощного прибора.

Устанавливать любой инвертор в машине необходимо так, чтобы обеспечивалось его охлаждение, то есть он не должен быть закрыт. Засунуть работающий инвертор в бардачок или в кейс – не лучший вариант.

В недорогом ценовом сегменте до 1400 рублей вы найдете инверторы небольшой мощности – до 200 Вт, с модифицированной синусоидой, рассчитанные на подключение к прикуривателю и питание мелких приборов.

В среднем ценовом сегменте от 1400 до 5000 рублей уже встретятся приборы помощнее – до 800 Вт, рассчитанные по большей части на подключение к аккумулятору, но все с той же модифицированной синусоидой.

В дорогом ценовом сегменте от 5000 и выше можно найти приборы как с чистым синусом, так и с модифицированным, но высокой мощности – до 5000 Вт.

Можно подвести итог: при выборе инвертора, не гонитесь за высокой мощностью прибора, т.к. все остальное оборудование может не вывезти такую нагрузку. Лучше обратите внимание на качество сборки, комплектующие и материалы. Стоить хороший качественный прибор даже средней мощности не будет дешево. Для некоторых видов оборудования подойдет инвертор только с чистым синусом на выходе. Не поленитесь рассчитать нагрузку перед подключением – и у вас не будет неприятных сюрпризов в последствии.

АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

После изучения материала данной главы студент должен:

  • • отличительные признаки основных видов автономных инверторов, базовые схемы инверторов и их принцип работы;
  • • принцип широтно-импульсного регулирования напряжения и типовые схемы выходных фильтров инверторов для обеспечения синусоидальности напряжения;
  • • принципы формирования импульсов управления в трехфазном мостовом инверторе напряжения;
  • • схемы резонансных инверторов и их принцип действия;
  • • анализировать работу схем однофазных и трехфазных автономных инверторов;
  • • определять значения напряжений и токов в элементах инверторов;

• навыками расчета схем инверторов напряжения и инверторов тока.

Виды автономных инверторов

Применение полностью управляемых ключей (транзисторов, запираемых тиристоров и др.) позволяет не только существенно изменять характеристики преобразователей, но и создавать новые типы преобразователей, например автономные инверторы. Отдельного упоминания заслуживает достаточно обширный класс автономных инверторов с коммутацией, обусловленной резонансными явлениями в выходных цепях, включающих элементы инвертора и (или) нагрузки.

Читайте также:  Как выбрать кофемашину для дома с капучинатором

В настоящей главе рассматриваются три вида автономных инверторов:

  • • инверторы тока;
  • • инверторы напряжения;
  • • резонансные инверторы.

Эти виды инверторов согласно [1] имеют следующие определения. Инвертор напряжения — инвертор, питаемый от источника постоянного тока с преобладающими свойствами источника напряжения. Инвертор тока – инвертор, питаемый от источника постоянного тока с преобладающими свойствами источника тока. Резонансными инверторами называются преобразователи, в которых используются резонансные цепи для коммутации ключей со снижением потерь мощности при коммутации.

Рассмотрим различия инверторов тока и напряжения более подробно на примере упрощенных схем, приведенных на рис. 4.1, получающих питание от источника постоянного напряжения Ud. В цепи постоянного тока перво-

Рис. 4.1. Упрощенные схемы инверторов:

а — инвертор тока; б — инвертор напряжения

го инвертора (рис. 4.1, а) включен дроссель с большой индуктивностью. Тогда в интервале между коммутациями ключевых элементов 51—54 ток в источнике изменяется незначительно. В этом случае ключевые элементы инвертора изменяют направление (но не мгновенное значение) тока в нагрузке и можно считать, что последняя питается от источника тока, что и нашло отражение в соответствующей терминологии — инвертор тока. Нагрузка таких схем носит, как правило, емкостный характер, так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу элементов схемы. В некоторых разновидностях инверторов тока, рассчитанных на работу с нагрузкой индуктивного характера, предусматриваются устройства для отвода части энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки.

В схеме на рис. 4.1,6 источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. Поэтому можно считать, что нагрузка питается от источника переменного напряжения. Такая схема классифицируется как инвертор напряжения. Нагрузка в этом случае должна носить активный или активно-индуктивный характер (если на выходе инвертора не установлены фильтры), так как при емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имели бы место всплески токов. Часть энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, возвращают в источник постоянного напряжения. Для этого ключевые элементы шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды иногда называют «обратными» диодами (на рис. 4.1, б они не показаны, так как плечи инвертора представлены условными ключами).

Законы изменения токов в цепи нагрузки инвертора напряжения при определенных условиях подобны законам изменения узловых потенциалов на шинах нагрузки инвертора тока. Такое соответствие законов известно в электротехнике как принцип дуальности (двойственности) цепей. В рассматриваемом случае дуальными элементами в схемах инверторов являются:

  • а) источник напряжения и источник тока;
  • б) сопротивление и проводимость нагрузки;
  • в) индуктивность и емкость.

Используя принцип дуальности, можно результаты анализа процессов в схеме инвертора одного типа, например инвертора тока, путем определенных преобразований распространить на схему инвертора другого тина — инвертора напряжения, и наоборот.

Индуктивность Ld в инверторе тока имеет конечное значение и оказывает существенное влияние на динамические характеристики инвертора. В частности, чем меньше эта индуктивность, тем меньше всплески и провалы выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки инвертора. Наличие индуктивности в цепи постоянного тока еще не является достаточным признаком для определения типа схемы (инвертор тока или инвертор напряжения). Необходимо знать характер изменения входного тока инвертора. Как правило, считают, что в инверторах тока входной ток непрерывен или прерывается на незначительное по сравнению с межкоммутационным интервалом время.

Инвертор напряжения

С развитием альтернативных источников энергии, в частности с массовым внедрением солнечных панелей, инвертор напряжения находит все более широкое применение. Поскольку применяется как постоянный, так и переменный ток, то часто возникает необходимость в преобразовании энергии одного рода в другой. Устройства, преобразующие переменный ток в постоянный называются выпрямителями. В качестве выпрямителя чаще всего применяют диодный мост. А устройство, преобразующее постоянный ток в переменный называют инвертором.

По ряду положительный свойств большую популярность завоевал инвертор напряжения. Особенно широко он используется с целью преобразования электрической энергии постоянного тока аккумуляторной, солнечной батареи или суперконденсатор в переменное напряжение 230 В, 50 Гц для питания большинства промышленных устройств.

Принцип работы инвертора напряжения

Представим, что у нас имеется источник электрической энергии постоянного тока такой, как аккумулятор или гальванический элемент и потребитель (нагрузка), который работает только от переменного напряжения. Как преобразовать один вид энергии в другой? Решение было найдено довольно просто. Достаточно подключить аккумулятор к потребителю сначала одной полярностью, а затем через короткий промежуток отключить аккумулятор, а потом снова подключить, но уже обратной полярностью. И такие переключения повторять все время через равные промежутки времени. Если выполнять таких переключений 50 раз за секунду, то на потребитель будет подаваться переменное напряжение частотой 50 Гц. Роль переключателей чаще всего выполняют транзисторы или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

На схеме, приведенной ниже, изображен источника питания Uип с клеммами 1-2 и потребитель RнLн, обладающий активно-индуктивным характером, с клеммами 3-4. В один момент времени потребитель клеммами 3-4 подключается к клеммам 1-2 Uип, при этом I от Uип протекает в направлении LнRн, а в следующий момент клеммы 3-4 изменяют свое положение и I протекает в противоположном направлении относительно потребителя электрической энергии.

Схема инвертора напряжения

Наиболее распространённая схема инвертора напряжения состоит из четырех IGBT транзисторов VT1…VT4, включенных по схеме моста, и четырех обратных диодов, обозначенных VD1…VD4, параллельно соединенных с управляемыми полупроводниковыми ключами во встречном направлении. Преобразователь питает активно-индуктивную нагрузку. Именно она является самой распространенной, поэтому была взята за основу.

Входные клеммы инвертора подключаются к Uип. Если таким источником служит диодный выпрямитель, то выход его обязательно шунтируется конденсатором C.

В силовой электронике наибольшее применение нашли транзисторы с изолированным затвором IGBT (именно они показаны на схеме) и GTO, IGCT тиристоры. При оперировании меньшими мощностями вне конкуренции полевые транзисторы MOSFET.

В момент времени t1 открываются VT1 и VT4, а VT2 и VT3 – закрыты. Образуется единственный путь для протекания тока через нагрузку: «+» Uип – VT1 – нагрузка RнLн VT4«-» Uип. Таким образом, на интервале времени t1 ‑ t2 создается замкнутая цепь для протекания iн в соответствующем направлении.

Режим работы схемы

Для изменения направления iн снимаются управляющие импульсы с баз VT1 и VT4 и подаются сигналы на открытие второго и третьего VT2,3. В точке t2 на оси времени t, первый и четвертый VT1,4 закрыты, а второй и третий – открыты. Однако, поскольку нагрузка активно-индуктивная, то iн не может мгновенно изменить направление на противоположное. Этому будет препятствовать энергия, запасенная на индуктивности Lн. Поэтому он будет сохранять прежнее направление до тех пор, пока не рассеется все энергия, запасенная на индуктивности в виде магнитного поля, равная Wм = (Lн∙i 2 )/2.

В связи с этим, на отрезке времени t2 – t3 ток будет протекать через диоды VD2 и VD3, сохраняя прежнее направление на RнLн, но пройдет в обратном направлении через Uип или конденсатор C, если источником энергии является диодный выпрямитель. Поэтому следует обязательно установить конденсатор C, если преобразователь подключен к диодному выпрямителю. Иначе прервется путь протекания iн, в результате чего возникнут сильное перенапряжение, которое может повредить изоляцию потребителя и выведет из строя полупроводниковые приборы.

В момент времени t3 вся запасенная на индуктивности энергия снизится до нуля. Начиная с момента t3 до момента t4 под действием приложенного Uип через открытые полупроводниковые ключи VT2 и VT3 будет протекать iн через LнRн уже в другую сторону.

В точке t4, расположенной на оси времени t, снимается управляющий сигнал с VT1,3, а VT1 и VT4 открываются. Однако iн продолжает протекать в ту же сторону, пока не расходуется энергия, запасенная в индуктивности. Это будет происходить на интервале времени t4 – t5.

Работа схемы

Начиная с момента t5 iн изменить направление и потечет от Uип через LнRн по пути через VT1 и VT4. Далее все процессы, протекающие в электрической цепи, будут повторяться. На LнRн форма напряжения будет прямоугольной, но ток на активно-индуктивной нагрузке будет иметь пилообразную форму за счет наличия индуктивности, которая не позволяет ему мгновенно вырасти и снизиться. Если потребитель имеет чисто активный характер (индуктивность и емкость практически равны нулю), то формы iн и uн будет в виде прямоугольников.

Поскольку VT1…VT4 попарно открывались на всей протяженности соответствующих полупериодов, то на выходе преобразователя формировалось максимально возможное uн, поэтому через LнRн протекал iн максимальной величины. Однако часто требуется обеспечить плавное нарастание мощности на потребителе, например для постепенного увеличения яркости освещения или частоты вращения вала двигателя.

Следует пояснить, что сигналы, поступающие из системы управления СУ, подаются не сразу на базы полупроводниковых ключей, а посредством драйвера. Так как современные СУ построены на безе микроконтроллеров, которые выдают маломощные сигналы, не способные открыть IGBT, то для увеличения мощности открывающего импульса применяется промежуточное звено – драйвер. Кроме того на часто драйвер выполняет множество дополнительных функций – защищает транзистор от короткого замыкания, перегрева и т.п.

Инвертор напряжения с регулированием выходных параметров

Самый простой способ изменить величину uн заключается в регулировании величины подводимого Uип, если такая возможность имеется. Например, для регулируемого выпрямителя это не проблема. Но такие источники электрической энергии как аккумуляторная батарея, суперконденсатор или солнечная батарея не имеют данной возможности. Поэтому регулировка частоты и величины выходного uн полностью возлагается на инвертор.

Для регулирования величины uн одну пару диагонально противоположных транзисторов следует открыть несколько ранее, чем в рассмотренном выше случае. Поэтому алгоритмом системы управления следует предусмотреть сдвигу управляющих сигналов. Например, подаваемых на открытие VT1 и VT4 относительно импульсов управления, подаваемых на базы VT2 и VT3, на некоторый угол, называемый углом управления α.

Обратите внимание, что амплитудное значение uн остается неизменной величины и приблизительно равно значению Uип, но действующее значение uн будет снижаться по мере увеличения угла управления α. Рассмотрим, как это работает.

На интервале времени от t1 до t2 открыта пара транзисторов VT1 и VT4; iн протекает справа налево, как показано на схеме. В момент t2 закрывается первый транзистор и открывается второй. Ток сохраняет прежнее направление, а нагрузка оказывается замкнутой, в результате чего напряжение на ней падает практически до нуля, соответственно снижается и iн.

Далее из системы управления поступает команда и VT2 открывается, а VT4 закрывается. Однако накопленная в индуктивности энергия не позволяет току iн изменить свое направление, и он протекает по прежней цепи, только уже через диоды VD2 и VD3 встречно источнику питания. Длительность этого процесса продолжается до точки времени t4. В точке t4 под действием приложенного Uип iн изменяет знак на противоположный.

Широтно-импульсная модуляция

Такой алгоритм работы полупроводниковых ключей в отличие от предыдущего алгоритма формирует паузу определенной длительности, которая в конечном итоге приводит к снижению действующего значения uн. Для формирования iн синусоидальной формы применяется широтно-импульсная модуляция ШИМ. Преобразователь с ШИМ, а точнее алгоритм его работы, предусматривающий ШИМ, мы рассмотрим отдельно.

Также следует заметить, что рассмотренный алгоритм управления полупроводниковыми ключами называется широтно-импульсным регулированием ШИР, который часто путают с ШИМ, хотя разница огромная.

В преобразовательной технике ШИМ практически вытеснила ШИР, поскольку обладает рядом положительных свойств, благодаря которым повышается КПД всего устройства и снижается уровень электромагнитных помех. Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим инвертор напряжения с ШИМ.

Автономные инверторы тока и напряжения

Одним из основных признаков автономного инвертора тока (АИТ) является питание его от генератора тока, то есть от источника электропитания с большим внутренним сопротивлением. Для этого во входную цепь инвертора включают дроссель с большой индуктивностью L. Этот дроссель выполняет также роль фильтра высших гармоник входного напряжения инвертора.

Особенностью АИТ является то, что при коммутации его электронных ключей выходной ток инвертора имеет прямоугольную форму, а форма и начальная фаза выходного напряжения зависят от параметров нагрузки.

Принцип действия автономного инвертора тока целесообразно рассмотреть на примере идеализированной мостовой схемы (рис. 7.12, а). Ключи в схеме работают попарно (SA1, SA4 и SA3, SA2), открываясь и закрываясь со сдвигом на полупериод выходного напряжения. Частота переключения ключей SA1. SAA задается блоком управления (на рис. 7.13, я не показан).

Рис. 7.12. Автономный инвертор тока : а — схема; б – временная диаграмма тока нагрузки

АИТ (рис. 7.12, а) питается от постоянного источника с напряжением UBX. Благодаря наличию на входе автономного инвертора тока дросселя с достаточно большой индуктивностью L1 (его индуктивность Ы -» оо) входной ток iL1 инвертора остается практически неизменным, а ток, протекающий через активную (резистивную) нагрузку, имеет прямоугольную форму (рис. 7.12, б). Если принять, что в течение полупериода 0. Т/2 ключи SA и SA4 замкнуты, а ключи SA3 и SA2 разомкнуты (рис. 7.12, а), то ток нагрузки протекает по цепи: клемма «+1/вх» – дроссель L1 – ключ SA1 – нагрузка RH – ключ SA4 – клемма «—1/вх» (корпус), которая показана сплошной линией. В течение следующего полупериода Т/2. Т ток нагрузки протекает через ключи SA3 и SA2 (в это время ключи SA1 и SA4 разомкнуты) и нагрузку, причем ток нагрузки имеет противоположное направление (штриховая линия).

Читайте также:  Гидроизоляция и утепление мелкозаглубленного ленточного фундамента

Принципиальная электрическая схема однофазного мостового инвертора тока с тринисторными ключами приведена на рис. 7.13. АИТ состоит из четырех тиристоров VS1 . VS4, дросселя L1 с достаточно большой индуктивностью, обеспечивающего постоянство входного тока iL1, и коммутирующего конденсатора С1, включенного параллельно нагрузке RH.

Рис. 7.13. Схема автономного тринисторного инвертора тока

Следует отметить, что отличительной особенностью тринисторных схем инверторов является наличие реактивных коммутирующих электрорадиоэлементов, предназначенных для выключения тринисторов. Ведь схема управления лишь открывает тринисторы. Для запирания тринистора необходимо либо уменьшить его анодный ток до тока удержания, либо к самому тринистору (между анодом и катодом) приложить отрицательное напряжение на время выключения tBыкл, превышающее время восстановления управляемости тринистора tB0CCT, то есть должно выполняться условие ?Выкл > ^восст (если tBblKJl t1 и в момент времени t2 становится равным нулю (рис. 7.17, б, д). При этом диоды VD 1 и VD4 выключаются, а ток начинают проводить транзисторы VT1 и VT4, поскольку на их базах в интервале времени t2 . t3, присутствуют положительные импульсы управления. Ток в нагрузке после прохода через нуль изменяет свое направление.

В момент времени t = t3 происходит очередная коммутация транзисторов, при котором транзисторы VT1 и VT4 запираются, а транзисторы VT3 и VT2 отпираются.

Затем процессы в АИН протекают аналогично рассмотренным выше. На интервале времени t3 . t4 ток нагрузки проводят диоды VD3 и VD2, а на интервале времени t4 . t5 транзисторы VT3 и VT2 (рис. 7.17, е, г).

Таким образом, напряжение на нагрузке цвых имеет прямоугольную, а ток нагрузки iH – экспоненциальную формы. Амплитуда тока нагрузки определяется параметрами нагрузки. Длительность импульсов токов обратных диодов зависит от величины энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности нагрузки.

Отсутствие диодов в рассматриваемой схеме инвертора привело бы к появлению высоких обратных напряжений на закрытых транзисторах, а, следовательно, к их пробою.

Временная диаграмма входного тока iBX, протекающего на входе инвертора, показана на рис. 7.17, ж. На этой диаграмме положительные площади под кривой силы тока соответствуют отдаче энергии источником в нагрузку, а отрицательные – приему.

Для АИН важное значение имеет гармонический состав выходного напряжения UBblx. Разложение прямоугольного выходного напряжения инвертора в ряд Фурье для -ой гармоники дает:

где д = (о • t, со = 2 ? л ? f.

Первая (основная) гармоника UBblxl выходного напряжения, равная (4 • U/n) • sin$, имеет амплитуду UBblxlmax = 4 ? U/n = 1,27 • U. Из формулы (7.9) нетрудно определить, что амплитуды третьей, пятой и седьмой гармоник выходного напряжения составляют 33 %, 20 % и 14 % от амплитуды основной гармоники выходного напряжения.

Для приближения формы выходного напряжения к форме первой гармоники, что часто требуется при практическом использовании АИН, между инвертором и нагрузкой включают сглаживающие фильтры.

Полезно подчеркнуть следующее. Инверторы с самовозбуждением не критичны к короткому замыканию (КЗ) в нагрузке, а инверторы с внешним возбуждением весьма критичны к КЗ. Причина этого состоит в том, что в инверторах с внешним возбуждением при КЗ напряжение 1/бэ между базой и эмиттером силовых транзисторов не становится близким к нулю, а сохраняет своё значение (режим КЗ в нагрузке инвертора не влияет на частоту управляющего напряжения задающего генератора).

Автономные инверторы

Лекция 27.

Цель лекции: рассмотреть вопросы: назначение и виды автономных инверторов.

НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Автономные инверторы — это преобразователи постоянного тока в переменный однофазный или многофазный ток, коммутация тока в которых осуществляется независимо от процессов во внешних элект­рических цепях благодаря наличию дополнительных коммутирующих устройств внутри самого преобразователя. На его выходе можно по­лучать переменный ток теоретически любой частоты, плавно регули­ровать от нуля до максимального значения частоту и напряжение. Благодаря этому свойству автономные инверторы находят все более широкое применение в регулируемых электроприводах с асинхронны­ми двигателями трехфазного тока. Особенно перспективно примене­ние автономных инверторов в тяговых электроприводах электрово­зов, электропоездов, тепловозов.

В зависимости от способа принудительной коммутации тока, схемы инвертора, параметров источника питания и нагрузки автоном­ные инверторы делятся на виды, отличающиеся специфическими осо­бенностями процессов переключений тока. Полная коммутация с переключением тока с одной ветви схемы на другую в автономных инверторах происходит на нескольких этапах, важнейшими из кото­рых являются: уменьшение прямого тока в одном из тиристоров до нуля, задержка приложения прямого напряжения на этом тиристоре до полного восстановления его запирающей способности, нарастание прямого тока во втором тиристоре. Эти события могут совершаться совместно или последовательно. Средства для осуществления надеж­ной коммутации обычно являются одной из наиболее трудных про­блем в автономных инверторах. Принципиально эти средства можно разделить на два класса. К первому классу следует отнести полностью управляемые силовые полупроводниковые приборы (силовые тран­зисторы и запираемые тиристоры). Второй класс составляют обычные не полностью управляемые СПП (однооперационные тиристоры), до­полненные специальными узлами принудительной коммутации, на­пример в виде предварительно заряженных конденсаторов и вспомо­гательных тиристоров.

Рассмотрим принцип работы автономного инвертора на примере простейшей однофазной схемы с использованием указанных выше средств коммутации (рис. 9.1).

Принцип работы инвертора на полностью управляемых приборах. Силовые транзисторы используются как ключи, получая сигналы уп­равления / по цепи базы от отдельной схемы управления СУ, постро­енной на основе генератора прямоугольных импульсов. Сигналы уп­равления, поступающие на транзисторы VT1 и F72, не совпадают по времени, что устраняет появление сквозного тока источника питания

Е. Предполагается, что один транзистор открывается в тот момент, когда другой закрывается, В схеме не требуется дополнительных ком­мутирующих устройств, так как транзисторы обладают свойством полной управляемости, и для включения и выключения достаточно управлять током их базовых цепей.

Рис. 9.1. Схемы и временные диаграммы работы однофазного автономного инвертора на транзисторах при работе на активную нагрузку (без обратных диодов) (а) и на активно-индуктивную нагрузку (с обратными диодами) (б)

Сигналы управления подаются на VT1, VT2 с периодом следова­ния Т. При активной нагрузке (см. рис. 9.1, а) поочередное включение транзисторов обуславливает приложение ЭДС источника Е к первич­ной обмотке трансформатора Т, выполненного с выведенной средней (нулевой) точкой 0. По первичным полуобмоткам протекают токи i11, i12. На вторичной обмотке возникает напряжение м2 прямоугольной формы. Ток i2 при активной нагрузке R повторяет форму кривой и2 и переходит через нулевое значение одновременно с моментом переклю­чения транзисторов. При работе транзисторов в нулевой схеме в течение непроводящей части периода к ним прикладывается в прямом направлении напряжение 2Е.

В реальных схемах нагрузка носит, как правило, активно-индук­тивный характер (см. рис. 9.1, 6). Во время переключения транзисто­ров в такой схеме возникают условия, которые могут привести к большим перенапряжениям, поскольку ток в цепи с индуктивным элементом не может мгновенно изменить направление. Следователь­но, для предупреждения перенапряжения в схеме должна быть пред­усмотрена ветвь тока нагрузки на интервалах t — t1 t2 — t3 после переключения транзистора.

Для пропуска тока могут быть включены разнообразные устрой­ства, например резисторы, конденсаторы или дополнительные цепи с полупроводниковыми приборами. Наиболее экономичное решение было предложено выполнять по схеме с обратными диодами VD1, VD2, включенными встречно-параллельно основным (главным) тран­зисторам VT1, VT2 [4]. Для этого случая на рис. 9.1, б показаны формы напряжений и токов в схеме инвертора. В схеме с обратными диодами после переключения транзистора контур индуктивного тока нагрузки проходит через диод, включенный встречно ЭДС источника Е. Входной ток id инвертора на интервалах переключения тока (спа­дания тока нагрузки до нуля) протекает в обратном направлении, обеспечивая возврат в источник питания энергии, накопленной в дросселе L. Среднее значение тока Id источника определяется потреб­лением энергии активным сопротивлением R цепи нагрузки. При иде­альной индуктивной нагрузке теоретически возможно Id = 0.

Принцип работы инвертора на однооперационных тиристорах. Рас­смотрим схему инвертора, в которой требуются дополнительные эле­менты для осуществления коммутации. Схема однофазного инвертора на однооперационных тиристорах VT1, VT2 (рис. 9.2) называется параллельным инвертором [4] и строится по принципу коммутации тока с использованием конденсатора С, включенного параллельно цепи нагрузки.

Широко известная схема однофазного параллельного инвертора отличается от схемы (см. рис. 9.1) наличием дросселя в цепи постоян­ного тока с индуктивностью Ld и коммутирующего конденсатора емкостью С. В этой схеме принудительное выключение одноопераци

онных тиристоров VT1, VT2 осуществляется предварительно заряжен­ным коммутирующим конденсаюром. Коммутация тиристора VT1 начинается с момента (t2, t6), когда отпирается второй тиристор VT2, и конденсатор С, заряженный так, что верхняя обкладка положитель­на, обеспечивает обратное напряжение на запираемом тиристоре VT1. Интервалы времени (t2 — t3, t6 — t7 дляVT1; t — t1, t4 —15 для VT2) должны быть не менее времени выключения тиристора.

Рис. 9.2. Схема параллельного автоном­ного инвертора и временное диаграммы напряжений и токов при активно-индук­тивной нагрузке

Для выполнения этого условия необходимо включить конденсатор такой емкости С, чтобы отводить ток нагрузки от тиристора на интервале времени выключения.

Дроссель Ld цепи постоянного тока такого инвертора обычно имеет достаточно большую индуктивность, чтобы исключить или су­щественно уменьшить пульсации подводимого постоянного тока id. При этом ток id переключения с одного тиристора на другой равно­значен току прямоугольной формы через тиристоры VT1 и VT2. Ток /2 цепи RL-нагрузки имеет плавное изменение, и разность токов ти­ристора (источника) и нагрузки компенсируется током конденсатора iс. Их алгебраическая сумма на каждом временном интервале равна нулю. Конденсатор заряжается на интервале, когда ток тиристора превышает ток нагрузки (приведенный к числу витков первичной обмотки трансформатора), и разряжается, если ток нагрузки превы­шает ток источника. В результате конденсатор перезаряжается дваж­ды за один период Т. Напряжение конденсатора мс накладывается на ЭДС источника Е, и на выходе инвертора напряжение ми содержит постоянную составляющую Е, и переменную составляющую, опреде­ляемую напряжением на конденсаторе ис (см. рис. 9.2). Напряжение на входе ии имеет значительные пульсации, возрастающие с уменьшени­ем емкости С при неизменных параметрах RL-нагрузки.

Расчет параллельного инвертора довольно сложен. Основные принципы, которые позволяют выполнить расчет, сводятся к следую­щему:

мощность, получаемая от источника постоянного тока, должна быть равна мощности, отдаваемой нагрузке:, где U2 —эффективное значение напряжения нагрузки; так как кривые напряжений и токов несинусоидальны и со­держат ряд гармонических составляющих, то реактивные мощности основной и каждой высшей гармонической составляющей тока источника питания должны быть равны соответствующим состав­ляющим реактивной мощности всей цепи переменного тока на

выходе: — соответственно эффективные значения напряжения и тока источника, напряжения нагрузки и эквивалентное реактивное сопротивление, обусловленное элементами L и С, для гармонической составляющей порядка и;

в установившемся режиме среднее за интервал проводящего состо­яния каждого тиристора напряжение на полуобмотке первичной об­мотки трансформатора должно быть равно напряжению источника питания Е.

Классификация автономных инверторов. Исторически первыми применялись параллельные инверторы. Их схемы были разнообраз­ны. Затем стали применяться резонансные (последовательные) инвер­торы и инверторы с обратными диодами.

Имеется большое число различных схем, которые обладают при­знаками параллельных и последовательных инверторов и инверторов с обрашыми диодами. Более >до6ьо классифицировать автономные инверторы по характеру обмена электроэнергией между источником питания и потребителем. По данному признаку различают автоном­ные инверторы напряжения (АИН), автономные инверторы тока (АИТ) и резонансные (АИР).

Из рассмотренных выше схем к АИН может быть отнесена схема, приведенная на рис. 9.1. Характерными признаками этой схемы явля­ются питание от источника напряжения, замыкание контура реактив­ного тока нагрузки через обратные диоды, независимость формы кривой напряжения на выходе инвертора от характера нагрузки.

Признаками АИТ в значительной мере обладает схема, приведен­ная на рис. 9.2. Для нее характерно питание от источника тока (в цепь источника включен дроссель значительной индуктивности Ld), обмен реактивной энергией нагрузки с коммутирующим конденсатором, значительное колебание напряжения на входе инвертора при посто­янном токе источника, зависимость формы кривой напряжения на выходе и на входе инвертора от характера нагрузки.

К резонансным инверторам могут быть отнесены последователь­ные инверторы.

В зависимости от числа переключений тока в процессе коммутации различают инверторы с одно- и двухступенчатой коммутацией. При одноступенчатой коммутации ток нагрузки с выходящего из работы тиристора сразу переключается на вступающий в работу очередной тиристор. Для двухступенчатой коммутации характерным является перевод коммутируемого тока на некоторый интервал времени во вспомогательную цепь, после которого ток переключается на очеред­ной главный тиристор.

В зависимости от числа фаз выходного напряжения автономные инверторы делятся на однофазные и многофазные, а по характеру связи с нагрузкой — на нулевые и мостовые. Наиболее широкое применение в тяговых электроприводах железнодорожного транспор­та и метрополитенов находят трехфазные мостовые схемы автоном­ных инверторов.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Ссылка на основную публикацию