Інвертор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Автономний інвертор PM-0800LC

Інвертор (лат. inverto — повертати, перевертати) — перетворювач постійного струму в змінний однофазний або багатофазний струм, силовий генератор змінного струму. Зазвичай являє собою генератор періодичнї напруги, за формою здебільшого наближеної до синусоїди, або дискретного сигналу. Інвертори напруги можуть застосовуватися у вигляді окремого пристрою або входити до складу джерел і систем безперебійного живлення апаратури електричною енергією змінного струму.

Класифікація інверторів[ред.ред. код]

За принципом дії інвертори поділяються на:

  • автономні;
  • залежні (інвертори, що керуються мережею);

Класифікація автономних інверторів[ред.ред. код]

Автономні інвертори (АІ) - це перетворювачі постійного струму в змінний, які працюють на мережу, в якій немає інших джерел електроенергії. Комутація вентилів у них здійснюються завдяки застосуванню повністю керованих вентилів або пристроїв штучної комутації. При цьому частота напруги на виході АІ визначається частотою управління, а величина напруги - параметрами навантаження і системою регулювання.

Автономні інвертори (АІ) класифікуються за рядом ознак.

  • За видом вхідного струму або напруги АІ поділяються на  :
    • автономні інвертори струму (АІС).
    • автономні інвертори напруги (АІН).
    • резонансні (коливальні) автономні інвертори (РАІ).
  • За вентилями, що використовуються, АІ поділяються на  :
    • АІ на вентилях з неповним керуванням (звичайних тиристорах та симісторах);
    • АІ на вентилях з повним керуванням (транзисторах і запираючих тиристорах);
  • За способом комутації АІ на незапираючих тиристорах поділяються на  :
    • АІ з одноступінчастою комутацією, в яких комутація здійснюється за допомогою комутуючих конденсаторів основними вентилями схеми без застосування додаткових тиристорів;
    • АІ з двоступеневою комутацією, в яких для комутації застосовуються спеціальні коммутуючі вентилі.
  • За місцем ввімкнення комутуючих конденсаторів АІ з одноступінчастою комутацією поділяються на :
    • паралельні АІ (комутуючі конденсатори ввімкнені паралельно навантаженню);
    • послідовні АІ (комутуючі конденсатори ввімкнені послідовно з навантаженням).

Автономні інвертори струму[ред.ред. код]

Рис.1. Автономний інвертор струму
Рис.2. Діаграми напруги та струму при роботі АІС

Автономний інвертор струму(АІС) формує в навантаженні струм, а форма напруги визначається параметрами навантаження. В схемі АІС використовуються як повністю керовані, так і напівкеровані ключі з однобічною провідністю. Комутація тиристорів, що не вимикаються за колом керування, здійснюється примусово з використанням попередньо зарядженого конденсатора як джерела зворотної напруги.

Особливості АІС:

1. Джерело постійного струму працює в режимі генератора струму. Для цього у вхідне коло АІС вмикається реактор (дросель) з достатньо великою індуктивністю L, що не дає змінюватись струму (струм на вході АІС незмінний). Окрім того, реактор виконує функції фільтру вищих гармонік. При цьому функція ключів схеми – періодичне перемикання напрямку струму на виході.

2. Вихідне коло повинно допускати зміну струму стрибком, тобто мати властивості джерела напруги. Зазвичай це досягається підключенням до виходу АІС конденсатору, що дозволяє підключати до виходу активно-індуктивне навантаження.

Примітка: реактор на вході АІС може бути відсутнім або мати невеликоу індуктивность, якщо джерело має властивості джерела струму. Останнє досягається, наприклад, при використанні керованого випрямляча зі зворотнім зв’язком за вихідним струмом або активного випрямляча струму. 

Принцип роботи схеми:

На вході АІС діє джерело струму, утворене джерелом ЕРС і великою індуктивністю, форма струму на виході вентильної групи прямокутна, а форма напруги визначається характером навантаження (рис. 1, 2). Навантаження може бути тільки активним або активно-ємнісним, тому що при активно-індуктивному навантаженні струм не може миттєво змінити напрям. При роботі схеми з активно-ємнісним навантаженням у момент починають проводити тиристори , ; в момент тиристори , вимикаються, а тиристори , вмикаються. Струм через навантаження змінює напрям. Під дією струму напруга на навантаженні змінюється по експоненті;

Автономні інвертори напруги[ред.ред. код]

Рис.3. Автономний інвертор напруги

Автономний інвертор напруги (АІН) формує в навантаженні напругу, а форма струму визначається параметрами навантаження. В схемі АІН використовуються повністю керовані ключі: транзистори або тиристори, що вимикаються за колом керування. Тиристори, що не вимикаються за колом керування, використовуються в комбінації з вузлами примусової комутації з попередньо зарядженим конденсатором.

Особливості АІН:

1. Джерело постійного струму працює в режимі джерела ЕРС. Для цього паралельно до входу АІН вмикається конденсатор достатньо великої ємності, що надає джерелу властивості генератору напруги (напруга на вході АІН незмінна). Ключі схеми комутують джерело, чим забезпечується зміна напрямку напруги на навантаженні. При цьому вхідний струм змінюється стрибком, що не припускає наявності індуктивності на вході АІН. Для запобігання впливу індуктивності вхідних кіл конденсатор фільтру встановлюється біля ключів АІН.

Рис.4. Діаграми напруги та струму при роботі АІН

2. Схема вентильного комутатора повинна мати двобічну провідність, що і забезпечує обмін енергією між активно-індуктивним навантаженням і джерелом (конденсатором на вході, якщо використовується випрямляч з однобічною провідністю).

Примітка: для передавання реактивної енергії (і активної) в мережу можна використовувати ведений мережею інвертор або активний випрямляч.

Принцип роботи схеми :

На вході АІН діє джерело ЕРС, напруга на виході вентильної групи прямокутна, а форма струму визначається характером навантаження. Напруга на навантаженні перемикається миттєво, тому навантаження може бути активним або активно-індуктивним. (рис.3, 4).При роботі схеми з активно-індуктивним навантаженням у момент починають проводити тиристорі , . Під дією прикладеної напруги струм наростає по експоненті. У момент тиристори , вимикаються, але струм через навантаження йде в тому ж напрямку через діоди , за рахунок енергії, запасеної в індуктивності, при цьому напруга на навантаженні вже змінила знак, а струм поступово спадає. У момент струм дорівнює нулю і вмикаються тиристори і , полярність напруги при цьому не змінюється, а струм змінює напрямок. Діоди призначені для повернення реактивної енергії в джерело живлення. Конденсатор її приймає.

Рис.5. Мостова схема транзисторного інвертора напруги
Рис.6. Діаргами управління ключовими елементами інвертора напруги

Транзисторні інвертори напруги[ред.ред. код]

  • Мостова схема транзисторного інвертора напруги

Мостова схема інвертора напруги застосовується на великих потужностях при підвищеному рівні напруги джерела живлення. Сигнали управління ... надходять таким чином, що в кожному напівперіоді два транзистора увімкнені, а два інших вимкнені.

Існує два алгоритму управління ключовими елементами інвертора напруги: симетричний і несиметричний. На малюнку наведено часові залежності струмів і напруг для цих двох алгоритмів. Розглянемо принцип дії інвертора при симетричному управлінні.

При подачі керуючих імпульсів , на транзистори , на інтервалі часу ... струм протікає по контуру: "+" ; колектор емітер ; обмотка трансформатора () в первинному колі; колектор-емітер ; "-" . На цьому ж інтервалі накопичується реактивна енергія в ланцюзі намагнічування трансформатора , відбувається плавне наростання струму в первинної ланцюга за експоненціальним законом.

На інтервалі ... здійснюється рекуперація енергії в джерело через зворотні діоди по контуру: "+" ; ; протилежний зміст по відношенню до ; ; "-" . Струму джерела спадає до нуля.

У плечі моста інвертора напруги досить управляти одним ключем для здійснення стабілізації напруги на виході інвертора (), інший ключ можна утримувати в відкритому стані, що виключає вплив інвертора на вхідне джерело. Розглянемо принцип дії інвертора при несиметричному алгоритмі управління.

На інтервалі часу ... за період роботи другого і третього ключів в ланцюзі намагнічування трансформатора накопичилася реактивна енергія. На інтервалі ... відбувається рекуперація енергії в навантаження по контуру: "+" ; ; колектор-еммітер ; "-" . Якщо на даному інтервалі струм не знизився до нуля (тобто струм не поміняв свій знак), то на інтервалі ... енергія передається в джерело по контуру: "+" ЕРС (); ; протилежний зміст по відношенню до ; ; "-" , при цьому утворюється "поличка" в формі напруги .

  • Напівмостовий транзисторний інвертор напруги
Рис.7. Напівмостовий транзисторний інвертор напруги

Принцип роботи схеми полягає в почерговому підключенні транзисторами , первинної обмотки трансформатора до конденсаторів і . На інтервалі часу ... відбувається заряд кондесатора по ланцюгу: "+"; ; З 1; обмотка трансформатора первинної ланцюга ; колектор-емітер ; "-" . На цьому ж інтервалі відбувається розряд конденсатора по колу: "+" ; обмотка трансформатора первинної ланцюга ; колектор-емітер ; "-" .

До переваг схеми інвертора можна віднести: малі втрати в силовому ланцюзі за рахунок комутації одного ключа на кожному такті роботи схеми. За рахунок кондесатору підтримується баланс струмів в схемі за період роботи, що виключає виникнення асиметричного режиму намагнічування трансформатора. Крім того, в цій схемі малий рівень зворотної напруги на ключах, тому схема може використовуватися при високих вхідних напругах.

  • Транзисторний інвертор напруги з середньою точкою
Рис.8. Транзисторний інвертор напруги з середньою точкою

Ця схема інвертора найбільш розповсюджена в низьковольтних перетворювачах-інверторах. Особливістю даної схемі є те, що первинна обмотка вихідного трансформатора має вивід від середини. За кожен напівперіод напруги по черзі працює один транзистор і одна напівобмотка трансформатора. Дана схема відрізняється найбільшим ККД, низьким рівнем пульсацій. Досягається це за рахунок зменшення струму в первинній обмотці і зменшення потужності, що розсіюється в ключових транзисторах.

Незважаючи на те, що в цьому инверторі використовується трансформатор з виводом від середньої точки первинної обмотки і до транзисторів прикладається подвійна напруга, він має певні переваги перед мостовим і полумостовим инверторами. У порівнянні з ним в мостовому инверторі використовується в два рази більшу кількість ключів, а в напівмостового ключі навантажені подвоєним струмом навантаження. Обов'язковим елементом інвертора є трансформатор, що має відвід від середньої точки первинної обмотки. При виготовленні такого трансформатора гостро встає проблема забезпечення гарної магнітної зв'язку між половинками первинної обмотки (низької індуктивності розсіювання). Зазвичай, в малопотужних перетворювачах, цей трансформатор має тороїдальную конструкцію і обидві половинки первинної обмотки мотаються разом (в два дроти). Якщо ж обмотку неможливо мотати в два дроти (наприклад в потужних трансформаторах), то її секціонуючою і окремі секції половинок первинній обмотки мотають упереміш. Зазвичай, в намотаних такими способами трансформаторах вдається знизити індуктивність розсіювання між половинками первинної обмотки до деяких допустимих меж. Але навіть в цьому випадку, якщо не вживати особливих заходів, на що замикаються транзисторах з'являються небезпечні викиди напруги, здатні пошкодити транзистор.

Амплітуда напруги імпульсів в половині первинної обмотки зростає до значення , а напруга на кожному транзисторі досягає значення (ЕРС самоіндукції + ).Середній струм через кожен транзистор дорівнює половині струму живлення від мережі живлення.

Резонансні автономні інвертори[ред.ред. код]

Рис.9. Резонансний автономний інвертор

Резонансний автономний інвертор (РАІ) - це інвертор, на вході і на виході вентильної групи якого струм преривчастий, а форма напруги на виході визначається навантаженням (рис.5, 6). У цих інверторів періодичний характер електромагнітних процесів в навантаженні обумовлений коливальними властивостями LC-контура інвертора. При цьому можливі три варіанти композіціі LC-контуру і навантаження:

  • послідовне включення навантаження в послідовний LC-контур - послідовні резонансні інвертори;
  • паралельне підключення навантаження до L або С частини LC-контура;
  • підключення навантаження паралельно до частини С контуру.

Ці три види підключення навантаження визначають три види резонансних інверторів:

  • паралельний;
    Рис.10. Діаграми напруги та струму при роботі РАІ
  • послідовно-паралельний;
  • послідовний.

Принцип роботи схеми :

У РАІ повинна виконуватися умова :

При виконанні данної умови процеси при включенні тиристорів носять коливальний характер. При включенні і проходить півхвиля струму і конденсатор заряджається з вказаною полярністю. Після переходу струму через нуль тиристор запирається. При включенні і напруга джерела і напруга на конденсаторі діють узгоджено, струм проходить в протилежному напрямку, конденсатор перезаряджається і закриваються при спаді струму до нуля. Напруга на навантаженні повторює форму струму.

Застосування інверторів[ред.ред. код]

Завдяки своїм властивостям інвертори знаходять широке застосування. В регульованих електроприводах з асинхронними двигунами трифазного струму інвертори застосовують у тягових електроприводах електровозів, електропоїздів, тепловозів, системах кондиціювання (див. інверторний кондиціонер), зварювальних апаратах, побутових світильниках денного світла, системах живлення комп'ютерів, телевізорів тощо.

Вимоги до інверторів[ред.ред. код]

До автономним інверторів і перетворювачів частоти, висуваються такі вимоги:

  • забезпечення максимального ККД .;
  • мінімальна встановлена ​​потужність окремих вузлів і елементів;
  • можливість широкого регулювання вихідної напруги;
  • забезпечення стабільності вихідної напруги при зміні величини і характеру навантаження, а також вхідної напруги;
  • забезпечення синусоїдальної або близької до синусоїдальної форми кривої вихідної напруги;
  • можливість регулювання в певних межах вихідний частоти, що перш за все необхідно в установках вентильного електроприводу;
  • можливість роботи в режимі холостого ходу;

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • В.С.Руденко, В.Я.Ромашко, В.Г.Морозов. Перетворювальна техніка. Частина 1: Підручник. - К.: ІСДО, 1996. - 262 с.
  • Ирвинг М., Готтлиб. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы.. — 2-е изд. — М.: Постмаркет, 2002. — 544 с.
  • Горбачёв Г.Н., Чаплыгин Е.Е Промышленная электроника. - М:. Энергоатомиздат , 1988 - 320c.
  • Криштафович А.К., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 287 с.

Посилання[ред.ред. код]