Доклад на тему инверторы

Обновлено: 04.07.2024

1. Назначение, классификация, принцип действия и основные эксплуатационные характеристики инверторов.

2. Электромагнитные процессы и основные расчетные соотношения в транзисторном инверторе.

3. Электромагнитные процессы в тиристорном автономном инверторе тока.

1. Бушуев В. М., Деминский В. А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учеб. пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - с. 7 – 56.

Назначение, классификация, принцип действия

и основные эксплуатационные характеристики инверторов

Назначение инверторов. На практике часто возникает задача преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение. Процесс преобразования постоянного тока в переменный получил наименование инвертирования, а устройства, осуществляющие это преобразование, называются инверторами. Термин “инвертирование” происходит от латинского слова invercio - переворачивание, перестановка. Впервые этот термин в преобразовательной технике был применен для обозначения процесса, обратного выпрямлению, и характеризовал процесс, при котором поток электрической энергии источника постоянного тока поочередно изменял свое направление на обратное таким образом, что в приемнике протекал переменный ток. Таким образом, устройства, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока с постоянной или регулируемой частотой, называются инверторами.

Необходимость применения такого типа устройства возникает в следующих случаях:

- когда единственным источником электрической энергии в РЭС является химический источник тока, а некоторые приемники требуют для электропитания только переменного тока;

- при необходимости преобразовать переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты (более высокой);

- при необходимости повысить качество выпрямленного напряжения путем преобразования выпрямленного напряжения промышленной частоты в переменное напряжение повышенной частоты с последующим его выпрямлением для уменьшения коэффициента пульсаций (в ППН).

Физическая сущность процесса инвертирования постоянного тока состоит в том, что посредством применения полупроводниковых переключателей, соединенных в схему инвертирования, и соответствующим чередованием замкнутого и разомкнутого их состояния осуществляется такое подключение резистора нагрузки к источнику постоянного тока, которое обеспечивает изменение направления тока в этом резисторе, подобное протеканию по нему переменного тока. Путем такого преобразования создается возможность электропитания приемников переменного тока от первичного источника электрической энергии постоянного тока.

Классификация инверторов.Инверторы принято классифицировать по ряду признаков:

- по числу импульсов противоположной полярности за период выходного напряжения;

- по схеме преобразования (инвертирования);

- по числу фаз вторичной обмотки трансформатора;

- по типу применяемых переключающих вентильных устройств (ключей);

- по способу управления или коммутации переключающими устройствами.

По числу импульсов противоположной полярности за период выходного напряжения различают однотактные и двухтактные инверторы. В однотактных инверторах в приемник за период изменения выходного напряжения из первичной сети постоянного напряжения передается один импульс. В двухтактных инверторах за один период изменения выходного напряжения таких импульсов напряжения передается два.

Под схемой преобразования (инвертирования) понимают схему соединения вентильных элементов и элементов для их коммутации, а также трансформатора и в отдельных случаях входного или выходного фильтра. Работа инвертора и его технико-экономические показатели в основном определяются схемой инвертирования, от которой зависят: форма кривой выходного напряжения; форма кривой потребляемого тока; внешняя (или нагрузочная) характеристика; КПД инвертора; допустимое изменение коэффициента мощности нагрузки (указываемого обычно по основной гармонике напряжения на нагрузке); максимальное или мгновенное значения тока нагрузки, определяющие для большинства схем порог устойчивой работы инвертора.

На практике находят применение следующие схемы инвертирования:

- однофазная однотактная (рис. 5.1);

- однофазная двухтактная (рис. 5.2);

- однофазная мостовая (рис. 5.3);

- трехфазная однотактная с нулевым выводом (рис. 5.4, а);

- трехфазная мостовая (рис. 5.4, б).

В зависимости от требований, предъявляемых к инверторам со стороны их приемников, они могут быть с трансформаторным и бестрансформаторным (гальваническим) выходами. Как правило, трансформаторная схема применяется в тех случаях, когда необходимо изменить величину выходного напряжения относительно напряжения источника питания или обеспечить электрическую развязку цепей постоянного и переменного тока. Примеры схем обоих типов приведены на рис. 5.2, а, б.

По числу фаз вторичной обмотки трансформатора различают однофазные, двухфазные и трехфазные инверторы.

По типу переключающих вентильных устройств (ключей) различают транзисторные и тиристорные инверторы. Транзисторные инверторы применяют для получения выходной мощности от 20. 50 Вт до 1000 Вт. При большей выходной мощности (от 1 до 100 кВт и более), особенно при большом первичном напряжении применяются тиристорные инверторы.

В зависимости от способа управления или коммутации переключающими устройствами различают два основных класса инверторов:

- инверторы с самовозбуждением или автономные инверторы;

- инверторы с независимым возбуждением (ведомые сетью).

Автономный инвертор - это полупроводниковый инвертор, в котором коммутация полупроводниковых приборов осуществляется под действием напряжения, обусловленного элементами, входящими в состав полупроводникового инвертора (ГОСТ 23414-84).

Ведомый инвертор - это полупроводниковый инвертор, в котором коммутация полупроводниковых приборов осуществляется под действием напряжения, обусловленного внешними по отношению к полупроводниковому инвертору источниками электрической энергии (ГОСТ 23414-84).

Принцип инвертирования и схемы инвертирования. На схемах инверторов (рис.5.1,а – рис. 5.4) цифрами обозначены условные номера ключей-прерывателей. В однофазной однотактной схеме (рис. 5.1,а) при замыкании ключа S1 источник питания подключается непосредственно к нагрузке. При периодическом замыкании и размыкании ключа на приемнике получим импульсы напряжения прямоугольной формы (рис. 5.1,б). Длительность импульсов напряжения и их частота следования полностью определяется режимом работы ключа. Для выделения переменной составляющей напряжения в такой схеме целесообразно применить трансформатор.

Рисунок 5.1 - Однофазная однотактная схема инвертора (а)

и временная диаграмма выходного напряжения (б)

Аналогичным образом работает однофазная двухполупериодная схема с нулевым выводом (рис. 5.2, а, б). Различия состоят только в том, что ключи S1 и S2 замыкаются не одновременно, а поочередно таким образом, когда замкнутому состоянию ключа S1 соответствует разомкнутое состояние ключа S2 и наоборот, т.е. ключи работают в противофазе.

Рисунок 5.2 - Однофазные двухтактные схемы с нулевым выводом:

а) бестрансформаторная; б) трансформаторная;

в) временная диаграмма выходного напряжения

Если интервалы времени замкнутого и разомкнутого состояния ключей S1 и S2 одинаковы, то в нагрузке получим переменное напряжение прямоугольной формы.

В мостовой схеме инвертора (рис. 5.3) для получения переменного напряжения на выходе необходима одновременная коммутация двух ключей S1 и S4 или S2 и S3.

Рисунок 5.3 - Однофазная мостовая схема

Рисунок 5.4. Трехфазные схемы инвертирования:

а – с нулевым выводом; б- трехфазная мостовая схема

На рис. 5.4 представлены более сложные схемы, обеспечивающие преобразование постоянного напряжения в трехфазное.

Автономные инверторы тока и напряжения.В зависимости от характера протекания электромагнитных процессов в схемах автономных инверторов их дополнительно подразделяют на три основных типа:

Это разделение носит условный характер. За определяющий признак при этом принимается проводимость цепи постоянного тока со стороны непосредственно преобразующей части (например, со стороны тиристоров) относительно переменной составляющей выходного напряжения. Рассматривая далее простейшие схемы автономных инверторов (рис.8.5), нужно помнить, что на них показаны как бы механические ключи. Реально же используются электронные ключи, автоматически обеспечивающие самовозбуждение инверторов.

Рассмотрим автономные инверторы тока и напряжения, получающие питание от источника постоянного напряжения U_d (рис. 5.5). В цепи постоянного тока первого инвертора (рис. 5.5,а) включен дроссель L_d с большой индуктивностью. Наличие такого дросселя обеспечивает электромагнитную инерционность процесса изменения тока в неразветвленной части схемы в паузах между переключениями ключевых элементов S1. S4 ток можно условно считать неизменным, постоянным, а бросками тока в моменты переключения можно пренебречь.

Процесс коммутации в этих условиях и воспринимается как инвертирование тока, а само преобразовательное устройство называется инвертором тока.

В схеме (рис.5.5,б) источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности автоматически подключают это напряжение к приемнику. В результате приемник питается как бы от источника переменного напряжения. Такая схема классифицируется как инвертор напряжения. Ток приемника в этом случае должен носить обычно активный либо индуктивный характер (если на выходе инвертора не установлены специальные фильтры с конденсаторами). При емкостном характере нагрузки из-за скачкообразного изменения напряжения имеют место всплески токов, что ухудшает работу инвертора.

В резонансных инверторах, содержащих и конденсаторы, приемник, имеющий большую индуктивность, образует с емкостными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. При этом собственная частота контура должна быть выше или равна рабочей частоте инвертора. Такие инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в приемнике и применяются для получения переменного напряжения или тока повышенной частоты (более 1000 Гц).

Рисунок 5.5 - Автономные мостовые инверторы:

а - инвертор тока; б – инвертор напряжения;

в, г – временные диаграммы

Таким образом, сущность процесса инвертирования заключается в как бы периодическом подключении приемника или первичной обмотки трансформатора к источнику постоянного тока с одной и той же полярностью в однотактных или с противоположной полярностью в двухтактных схемах инверторов.

Характеристики инверторов. Основными характеристиками, которые позволяют сравнивать между собой различные схемы инверторов, являются:

а) зависимость величины выходного напряжения инвертора от величины напряжения питания постоянного тока при заданном токе приемника:

U_вых = f (U_d) при I_вых = const;

б) зависимость частоты выходного напряжения инвертора от величины напряжения питания при заданном токе нагрузки:

f = j(U_d) при I_вых = const;

в) внешняя характеристика инвертора - зависимость выходного напряжения инвертора от величины тока приемника при неизменном напряжении питания:

U_вых = f (I_вых) при U_d = const;

г) выходное сопротивление инвертора (внутреннее), которое определяется по внешней характеристике инвертора:

где DU_вых - изменение напряжения на выходе инвертора;

DI_вых - изменение тока приемника инвертора.

д) величина выходной мощности инвертора P_вых;

е) коэффициент полезного действия инвертора.

Все указанные характеристики для реального инвертора могут быть получены экспериментальным путем.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов последовательного инвертора изображены на рис. 1. Такая схема называется последовательным инвертором, поскольку в ней нагрузочное сопротивление включено последовательно с емкостью. R - нагрузочное сопротивление, L и С - коммутационные элементы. Такой тип инвертора содержит два тиристора. Рассмотрим подробнее фазы работы такой схемы.

Фаза I . Тиристор Т₁ включается в момент времени t_o . Начинается заряд конденсатора от источника питания. Последовательная цепь R , L и С формирует синусоидальный ток через нагрузочное сопротивление и выполняет функцию демпфирующей цепи. Когда ток в цепи уменьшается до нуля, тиристор Т₁ запирается. Напряжение на нагрузочном сопротивлении находится в фазе с током тиристора. Формы напряжений V_L и V_c можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: ( V_L + V_c = E ), величины V_L и V_c должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Фаза II . Тиристор Т₂ не должен включаться сразу после того, как ток через тиристор Г, уменьшится до нуля. Для лучшего запирания тиристора Т₁ , к нему необходимо приложить небольшое обратное напряжение. Если тиристор Т₂ включается без запаздывания, или мертвая зона отсутствует, напряжение источника питания замыкается через открытые тиристоры Т₁ и Т_г ._. Если оба тиристора находятся в закрытом состоянии, то V _R = 0, V_L = 0, следовательно, L di / dt = 0 и конденсатор С остается незаряженным.

Фаза III . В момент времени t ₂ тиристор Т₂ включается и инициирует отрицательный полупериод. Конденсатор разряжается через L , R иТ₂ . Следует заметить, что электрический ток через нагрузочное сопротивление R протекает в противоположном направлении. В момент времени, когда этот ток уменьшается до нуля, тиристор Т₂ выключается. Формы напряжений V_L и V_c можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (V_L + V_c = 0), величины V_L и V_c должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Рис.1 - Последовательный инвертор:

б)Фазы работы схемы;

в)Формы напряжений и токов в цепях последовательного
инвертора

Если тиристор Т₁ запустить с задержкой на величину мертвого времени, вышеупомянутые процессы повторятся.

Преимущества:

1. Простая конструкция.

2. Выходное напряжение близко к синусоидальному.

1. Индуктивность L и конденсатор С имеют большие габариты.

2. Источник питания используется только в течение положительного полупериода.

3. В выходном напряжении имеются высшие гармоники из-за наличия мертвой зоны.

Последовательный инвертор лучше всего подходит для высокочастотных устройств, так как для требуемых значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет:

T ₀ = T + 2 t_d . где Г = l / f_t и t ₆ - мертвое время.

Выходная частота последовательного инвертора всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны. Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

Рис.1г. -Форма выходного напряжения последователного инвертора

Параллельный инвертор

Базовая схема параллельного инвертора изображена на рис.2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют положительный потенциал. Выходное напряжение - положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение - отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора изображены на рис.2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров. Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t = t_x тиристор Т₁ включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t = t ₂ тиристор Т₂ включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем самым к тиристору Т₁ , прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т₁ выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения - 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы. Форма выходного напряжения аналогична форме напряжения на конденсаторе.

Рис.2 - а) Базовая схема параллельного инвертора;

б)Фазы работы схемы;

в)Формы напряжений и токов в цепях параллельного инвертора

1.Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.

2. Ток источника питания не является чистым постоянным током.

3.Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

Мостовые инверторы. Однофазный полумостовой инвертор

Однофазный полумостовой инвертор состоит из двух источников питания и двух коммутаторов. Нагрузка подключена между общим выводом источников питания и общей точкой коммутаторов.

Полумостовой инвертор с RLC – нагрузкой

Рис.5 - а) Схема полумостового инвертора с RLC-нагрузкой, б) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

Электрическая схема и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с RLС-нагрузкой изображены на рис.5. Если инвертор питает RLС-нагрузку, отдельная цепь коммутирования не требуется. Это можно объяснить с помощью символического изображения на рис.5б. Рабочая частота инвертора должна быть выбрана такой, чтобы Х_с > X_L . При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t ₀ до t_l тиристор Т₁ находится в проводящем состоянии. В момент времени t ₁ = t ₂ тиристор Т₁ , выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t ₁ до t ₂ диод D ₁ находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D ₁ находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D ₁ находится в состоянии проводимости, тиристор Т₁ смещен в обратном направлении. Таким образом, специальная цепь принудительной коммутации в этом случае не требуется. В этой схеме RLC-нагрузка обеспечивает коммутацию тиристоров. В течение отрицательного полупериода тиристор Т₂ находится в проводящем состоянии, через некоторое время диод D ₂ начинает проводить, вследствие этого тиристор Т₂ смещается в обратном направлении и запирается.

Инвертор Мак-Мюррея (инвертирующий преобразователь)

Принцип работы инвертора Мак-Мюррея основан на коммутировании тока. Полумостовой инвертор работает на индуктивную нагрузку, как изображено на рис.6. Тиристоры Т_А1 и Т_А2 в этой схеме являются вспомогательными. Они используются для коммутации основных тиристоров Т₁ и Т₂ . Индуктивность L и емкость С являются коммутирующими элементами. Конденсатор предварительно заряжен слева отрицательно, а справа -положительно. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I . Тиристор Т₁ запускается, тем самым инициируется положительный полупериод преобразования. Постоянный ток нагрузки протекает через тиристор Т₁ .

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

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?

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.

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.

Что такое инвертор напряжения, как он работает, применение инвертора

Для преобразования постоянного тока в переменный применяют специальные электронные силовые устройства, называемые инверторами. Чаще всего инвертор преобразует постоянное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины.

Таким образом, инвертор — это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной .

Инверторы применяют как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе систем бесперебойного электроснабжения (UPS).

В составе источников бесперебойного питания (ИБП), инверторы позволяют, например, получить непрерывное электроснабжение компьютерных систем, и если в сети напряжение внезапно пропадет, то инвертор мгновенно начнет питать компьютер энергией, получаемой от резервного аккумулятора. По крайней мере, пользователь успеет корректно завершить работу и выключить компьютер.

В более крупных устройствах бесперебойного электроснабжения применяются более мощные инверторы с аккумуляторами значительной емкости, способные автономно питать потребители часами, независимо от сети, а когда сеть снова вернется в нормальное состояние, ИБП автоматически переключит потребители напрямую к сети, а аккумуляторы начнут заряжаться.

В современных технологиях преобразования электроэнергии инвертор может выступать лишь промежуточным звеном, где его функция — преобразовать напряжение путем трансформации на высокой частоте (десятки и сотни килогерц). Благо, на сегодняшний день решить такую задачу можно легко, ведь для разработки и конструирования инверторов доступны как полупроводниковые ключи, способные выдерживать токи в сотни ампер, так и магнитопроводы необходимых параметров, и специально разработанные для инверторов электронные микроконтроллеры (включая резонансные).

Требования к инверторам, как и к другим силовым устройствам, включают: высокий КПД, надежность, как можно меньшие габаритные размеры и вес. Также необходимо чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал неприемлемо сильных импульсных помех для потребителей.

В процессе работы инвертора напряжения, источник постоянного напряжения периодически подключается к цепи нагрузки с чередованием полярности, при этом частота подключений и их продолжительность формируется управляющим сигналом, который поступает от контроллера.

Контроллер в инверторе обычно выполняет несколько функций: регулировка выходного напряжения, синхронизация работы полупроводниковых ключей, защита схемы от перегрузки. Принципиально инверторы делятся на: автономные инверторы (инверторы тока и инверторы напряжения) и зависимые инверторы (ведомые сетью, Grid-tie и т.д.)

Полупроводниковые ключи инвертора управляются контроллером, имеют обратные шунтирующие диоды. Напряжение на выходе инвертора, в зависимости от текущей мощности нагрузки, регулируется автоматическим изменением ширины импульса в блоке высокочастотного преобразователя, в простейшем случае это ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Полуволны выходного низкочастотного напряжения должны быть симметричными, чтобы цепи нагрузки ни в коем случае не получили значительной постоянной составляющей (для трансформаторов это особенно опасно), для этого ширина импульса НЧ-блока (в простейшем случае) делается постоянной.

В управлении выходными ключами инвертора, применяется алгоритм, обеспечивающий последовательную смену структур силовой цепи: прямая, короткозамкнутая, инверсная.

Так или иначе, величина мгновенной мощности нагрузки на выходе инвертора имеет характер пульсаций с удвоенной частотой, поэтому первичный источник должен допускать такой режим работы, когда через него текут пульсирующие токи, и выдерживать соответствующий уровень помех (на входе инвертора).

Если первые инверторы были исключительно механическими, то сегодня есть множество вариантов схем инверторов на полупроводниковой базе, а типовых схем всего три: мостовая без трансформатора, двухтактная с нулевым выводом трансформатора, мостовая с трансформатором.

Мостовая схема без трансформатора встречается в устройствах бесперебойного питания мощностью от 500 ВА и в автомобильных инверторах. Двухтактная схема с нулевым выводом трансформатора используется в маломощных ИБП (для компьютеров) мощностью до 500 ВА, где напряжение на резервном аккумуляторе составляет 12 или 24 вольта. Мостовая схема с трансформатором применяется в мощных источниках бесперебойного питания (на единицы и десятки кВА).

Форма напряжения на выходе

В инверторах напряжения с прямоугольной формой на выходе, группа ключей с обратными диодами коммутируется так, чтобы получить на нагрузке переменное напряжение и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии.

За пропорциональность выходного напряжения отвечают: относительная длительность управляющих импульсов либо сдвиг фаз между сигналами управления группами ключей. В неконтролируемом режиме циркуляции реактивной энергии, потребитель влияет на форму и величину напряжения на выходе инвертора.

В инверторах напряжения со ступенчатой формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь формирует однополярную ступенчатую кривую напряжения, грубо приближенную по своей форме к синусоиде, период которой равен половине периода выходного напряжения. Затем мостовая НЧ-схема превращает однополярную ступенчатую кривую в две половинки разнополярной кривой, грубо напоминающей по форме синусоиду.

В инверторах напряжения с синусоидальной (или почти синусоидальной) формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь генерирует постоянное напряжение близкое по величине к амплитуде будущей синусоиды на выходе.

После этого мостовая схема формирует из постоянного напряжения переменное низкой частоты, путем многократной ШИМ, когда каждая пара транзисторов на каждом полупериоде формирования выходной синусоиды открывается несколько раз на время, изменяющееся по гармоническому закону. Затем НЧ-фильтр выделяет из полученной формы синус.

Схемы предварительных ВЧ- преобразователей в инверторах

Простейшие схемы предварительного высокочастотного преобразования в инверторах являются автогенераторными. Они довольно просты в плане технической реализации и достаточно эффективны на малых мощностях (до 10-20 Вт) для питания нагрузок не критичных к процессу подачи энергии. Частота автогенераторов не более 10 кГц.

Положительная обратная связь в таких устройствах получается от насыщения магнитопровода трансформатора. Но для мощных инверторов такие схемы не приемлемы, поскольку потери в ключах возрастают, и КПД получается в итоге низким. Тем более, любое КЗ на выходе срывает автоколебания.

Более качественные схемы предварительных высокочастотных преобразователей — это обратноходовые (до 150 Вт), двухтактные (до 500 Вт), полумостовые и мостовые (более 500 Вт) на ШИМ контроллерах, где частота преобразования достигает сотен килогерц.

Типы инверторов, режимы работы

Однофазные инверторы напряжения подразделяются на две группы: с чистым синусом на выходе и с модифицированной синусоидой. Большинство современных приборов допускают упрощенную форму сетевого сигнала (модифицированную синусоиду).

Чистая же синусоида важна для приборов, у которых на входе есть электродвигатель или трансформатор, либо если это специальное устройство, работающее только с чистой синусоидой на входе.

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например, для питания трёхфазного асинхронного двигателя. При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора. По мощности инвертор выбирают исходя из пикового значения оной для потребителя.

Вообще, существует три рабочих режима инвертора: пусковой, длительный и режим перегрузки. В пусковом режиме (заряд емкости, пуск холодильника) мощность может на долю секунды двукратно превысить номинал инвертора, это допустимо для большинства моделей. Длительный режим — соответствующий номиналу инвертора. Режим перегрузки — когда мощность потребителя в 1,3 раза превышает номинал — в таком режиме средний инвертор может работать примерно полчаса.

Инверторы напряжения позволяют устранить или по крайней мере ослабить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока. Например, в персональных компьютерах, информационных центрах на базе ПК при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора можно обеспечить работу компьютеров для корректного завершения решаемых задач. В более сложных и ответственных системах инверторные устройства могут работать в длительном контролируемом режиме параллельно с сетью или независимо от неё.

Как и любое другое силовое устройство, ИН должен иметь высокий КПД, обладать высокой надежностью и иметь приемлимые массо-габаритные характеристики. Кроме того, ИН должен иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения (допустимое значение коэффициента гармоник) и не создавать при работе недопустимый для других потребителей уровень пульсации на зажимах источника энергии.

Модуль переключения M_s преобразует напряжение постоянного тока источника энергии Е в знакопеременное напряжение прямоугольной формы с регулируемой паузой на нуле. Трансформатор в структуре обеспечивает гальваническую развязку источника энергии и нагрузки, а также согласование уровней напряжения на выходе модуля переключения (u₁) и нагрузки (u₂). Фильтр (Ф) предназначен для снижения уровня паразитных гармоник в спектре выходного напряжения. Во многих случаях, ориентированных на электропитание компьютеров, фильтром подавляются только высшие гармоники радиочастотного спектра. Форма выходного напряжения инвертора при этом остается близкой к прямоугольной. Не критичность компьютеров к форме питающего напряжения обусловлена тем, что входной сетевой выпрямитель компьютерного блока питания преобразует выходное напряжение инвертора в напряжение постоянного тока. Если потребители энергии в своем составе имеют асинхронные двигатели, элементы электроники, чувствительные к уровню низкочастотных гармоник напряжения, или инвертор выступает в качестве автономного источника переменного тока с жесткими требованиями к качеству электрической энергии, то применяют инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения. Во всех случаях основным методом формирования выходного напряжения является метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.

Читайте также: