Автономный инвертор напряжения предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное. Существую еще и инверторы тока, они преобразуют постоянный ток в переменный. Однако наиболее широкое применение нашли инверторы напряжения. Они применяются для преобразования постоянного напряжения, например выпрямительных установок, аккумуляторных или солнечных батарей, в переменное напряжение, чаще всего частотой 50 Гц или любой другой частоты с возможностью ее регулирования.

Однофазный автономный инвертор напряжения. Принцип действия

Переменное напряжение на нагрузке формируется путем кратковременных чередующихся подключений источника питания постоянного напряжения к противоположным клеммам нагрузки, то есть в один момент времени источник питания своими клеммами 1-2 подключен к клеммам нагрузки 3-4 , а в следующий – к клеммам 4-3 . (рис. 1 ) В результате чего ток через нагрузку сначала протекает в одном направлении, а затем – в другом. С повышением частоты таких переключений возрастает частота переменного тока на нагрузке.

Рис. 1 – Автономный инвертор напряжения. Принцип действия

Еще проще понять процесс формирования переменного напряжения из постоянного можно если представить, что в одной руке находится резистор, а в другой батарейка. При этом резистор все время находится в одном фиксированном положении, а батарейка подключается то полюсом, то минусом к одному и тому же выводу резистора. Таким образом ток через резистор будет протекать то в одном, то в противоположном направлении. В действительности роль переключателей выполняют полупроводниковые ключи.

Принципиальная схема автономного инвертора напряжения показана на рис. 2.

Рис. 2 – Автономный инвертор напряжения. Принципиальная схема

Рассмотрим работу инвертора на примере активно-индуктивной нагрузки, как наиболее распространённой

В некоторый момент времени t 1 (рис. 3 ) одна пара диагонально противоположных транзисторов VT 1 , VT 4 открыта, а вторая VT 2 , VT 3 закрыта. Ток, протекающий через инвертор напряжения и нагрузку, нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени τ= L Н / R Н по пути «+» U ИП – VT 1 – L Н R Н – VT 4 – «-» U ИП . В следующий момент t 2 (рис. 4 ) транзисторы VT 1 , VT 4 закрыты, а VT 2 , VT 3 открыты.

Рис. 3 – Путь протекания тока через элементы инвертора на интервале времени t1-t2

Рис. 4 – Путь протекания тока через элементы инвертора на интервале времени t 2- t 3

Однако из-за наличия индуктивности L Н ток не может мгновенно изменить свое направление. Поэтому в момент t 2 закрытия транзисторов VT 1 , VT 4 и открытия VT 2 , VT 3 ток продолжает протекать через инвертор в том же направлении до тех пор, пока запасенная в индуктивности энергия магнитного поля W L н = L Н I 2 /2 не снизится до нуля (промежуток времени t 2 — t 3 ) (см. рис. 4 ). Поскольку транзисторы VT 1 , VT 4 уже закрыты, то ток будет протекать по такой цепи: L Н R Н – VD 2 – U ИП – VD 3 . На протяжении этого интервала времени энергия с нагрузки отдается источнику питания U ИП .

Если источником питания служит выпрямитель, то его необходимо шунтировать конденсатором C . Это позволит току протекать в обратном направлении.

В момент t 3 (рис. 5 ) ток снизится до нуля, после чего изменится его направление. В промежутке времени t 3 < t < t 4 ток будет нарастать, протекая по пути: «+» U ИП – VT 2 – L Н R Н – VT 3 – «-» U ИП . В монет времени t 4 транзисторы VT 2 , VT 3 снова закроются, VT 1 , VT 4 откроются. Ток на отрезке времени t 4 < t < t 5 останется протекать в прежнем направлении, пока не снизится до нуля. Путь прохождения тока: L Н R Н – VD 1 – U ИП – VD 4 .

Рис. 5 – Путь прохождения тока по элементам инвертора на интервале времени t 3- t 4

В следующий момент времени t 5 (рис. 6 ) ток станет равным нулю, а затем, изменив свое направление, начнет возрастать в промежутке времени t 5 < t < t 6 . В момент t 6 снова произойдет переключение транзисторов и процессы повторятся.

Рис. 6 – Путь прохождения тока по элементам инвертора на интервале времени t 5- t 6

Ток протекает по цепи «+» U ИП – VT 2 –R Н L Н – VT 3 – «-» U ИП . Таким образом транзисторы VT 1 …VT 4 попеременно подключают источник питания U ИП к клеммам нагрузки: сначала плюс U ИП подключен к 3 -й клемме, а минус к 4 -й клемме, затем наоборот.

Рассмотренный выше алгоритм управления транзисторами позволяет сохранять величину выходного напряжения инвертора и соответственно тока нагрузки постоянными, однако в большинстве случаев необходимо изменять напряжения с целью получения требуемой величины тока в нагрузке.

Способы регулирования напряжения автономного инвертора

Существуют два способа регулирования выходного напряжения инвертора:

1) первым способом является изменение величины напряжения источника питания U ИП;

2) второй способ реализуется с помощью так называемых внутренних средств инвертора, а именно за счет изменения формы выходного напряжения.

Первый способ достаточно прост и требует всего лишь регулируемого источника питания. Суть второго способа заключается в следующем. Для изменения напряжения на выходе инвертора необходимо сдвинуть управляющие импульсы, подаваемые на базы транзисторов VT 2 и VT 4 , относительно управляющих импульсов на VT 1 и VT 3 на угол управления α (рис. 7 ).

Рис. 7 – Алгоритмы управления транзисторами однофазного инвертора напряжения

Рассмотрим работу инвертора на при регулировании величины выходного напряжения

На интервале времени t 1 < t < t 2 (рис. 8 ).открыты транзисторы VT 1 и VT 4 напряжение на нагрузке равно источнику питания u н = U ИП . В следующий момент t 2 закрывается VT 1 и открывается VT 3. В течение времени t 2 < t < t 3 (рис. 9 ) ток протекает по цепи R Н L Н – VT 4- VD 3 и происходит закорачивание нагрузки вследствие чего напряжение на ней равно нулю u н =0 . В момент t 3 отпирающий сигнал подается на базу транзистора VT 2 и снимается с базы VT 4 .

В результате этого к нагрузке прикладывается напряжение источника питания u н = — U ИП . Наличие в цепи индуктивности приводит к тому, что на интервале времени t 3 < t < t 4 (рис. 10 ) ток через инвертор продолжает протекать в прежнем направлении: L Н R Н – VD 2 – U ИП – VD 3 , а после того, как спадет до нуля, он изменит свое направление и потечет по цепи: U ИП – VT 2 – R Н L Н – VT 3 (рис. 11 ).

Рис. 8 – Путь прохождения тока на интервале времени t 1- t 2

Рис. 9 – Путь прохождения тока на интервале времени t 2- t 3

Рис. 10 – Путь прохождения тока на интервале времени t 3- t 4

Рис. 11 – Путь прохождения тока на интервале времени t > t 4

В результате применения такого алгоритма управления транзисторами в кривой напряжения возникает пауза, что влечет за собой снижение действующего значения напряжения. Следовательно, для регулирования величины напряжения на выходе инвертора необходимо изменять угол управления α.

В данной статье рассмотрен принцип работы однофазного двухуровневого инвертора напряжения, однако существуют еще многофазные и многоуровневые инверторы, но основой их работы является принцип действия рассмотренного 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.

Техническая сторона

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 системах с «зелеными» источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветряки) для подачи электроэнергии напрямую в общую сеть, применяют Grid-tie – инверторы, способные работать синхронно с промышленной сетью.

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.)

Схемотехника инверторов

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 .

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).

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 .

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.

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 . 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.

Сварочный аппарат – одно из самых востребованных оборудований в мире. Сварные работы проводятся повсеместно и в очень большом масштабе.

Конечно же, существует большое множество разновидностей данных устройств, различающихся по принципу работы, габаритам, выдаваемым амперажом и прочими техническими характеристиками. Существует также оборудование, работающее на переменном и постоянном токе.

Сварочный аппарат постоянного тока наиболее распространён, т.к. поддерживает 2 режима работы – сварка прямой (на электроде минус, а на детали плюс) и обратной (наоборот, на электроде плюс, на детали минус) полярности. Очень часто требуется менять режимы работы, т.к. одни металлы хорошо схватываются на прямой, а другие на обратной полярности.

Выбор того или иного аппарата тесно связан с тем, каких целей придерживается сам сварщик:

• Какой металл будет свариваться (тип и толщина);
• Какой ток (его напряжение и сила) присутствует на месте проведения работ;
• Какое время должен будет работать сварочный аппарат без отдыха;
• И прочие ситуации.

Сварочные аппараты, используемые в промышленности, на производстве, на строительстве и т.д. отличаются от тех, что применяются в домашних условиях. Основным отличием между ними является мощность и, соответственно, стоимость.

Сегодня на рынке большим успехом пользуются, так называемые, инверторы – аппараты электродуговой сварки. Они отлично подходят для проведения практически любых сварочных работ, любой сложности и объёмов. Их также чаще всего используют в быту по двум простым причинам – они имеют небольшие габариты и невысокую стоимость. Кроме того, инверторы легки в обращении и хорошо поддаются ремонту. А электронщик, даже с базовым набором знаний, способен создать самодельный сварочный аппарат постоянного тока из многочисленных схем, доступных в сети.

Рассмотрим вышеназванные критерии выбора инверторов более подробно.

Некоторые факты об инверторах и какой выбрать для дома

Начнём со свариваемого металла. К примеру, на производстве или в строительстве, часто требуется сварка толстых металлических деталей либо металлов с низким коэффициентом свариваемости (способность металлов поддаваться сварке). В таких ситуациях не обойтись без мощного сварочного аппарата с амперажом на выходе порядка 300-500 А или более. Однако в быту очень редко встречаются металлические листы или детали толщиной более 5мм. А для их сваривания вполне подойдёт инвертор с силой тока от 160 А.

Напряжения, которым оснащён дом, гараж и т.д., зачастую не хватает для нормального функционирования высокомощных сварочных аппаратов, т.к. им требуется 380 В (3 фазы). Перед покупкой того или иного инвертора необходимо замерить напряжение в том месте, где будут проводиться сварочные работы. Очень часто случается такое, что владелец проверяет товар перед покупкой в магазине на работоспособность, а приехав домой оказывается, что он не работает. Всё дело в нехватке напряжения. Поэтому нужно покупать инвертор с такими техническими характеристикам, которые подойдут для его нормальной работы в домашних условиях.

Инвертор – это чаще всего сварочный аппарат постоянного тока, особенно если его будут использовать в домашних условиях. Для того, чтобы на выходе получить постоянное напряжение, используются специальные высоковольтные преобразователи. Именно они во время своей работы очень сильно нагреваются, что требует использования качественного охлаждения. В более дешёвых моделях в инверторах используются металлические (алюминиевые или медные) теплоотводы – радиаторы. В более дорогих моделях применяется воздушное, либо водяное охлаждение, благодаря которому аппараты способны работать очень длительное время без выключения. Однако для бытовых целей вполне подойдут инверторы с радиаторным охлаждением электронных элементов.

Точно определившись со всем вышесказанным, можно смело покупать ту или иную модель инвертора.

Тиристорные инверторы – это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты. Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 1).

Рис.1 Диаграмма постоянного и переменного тока.

Применение:

1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).

2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ).

3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.

4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.

5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.

Инверторы подразделяют на:

1. Автономные инверторы и преобразователи частоты.

2. Инверторы, ведомые сетью.

Автономные инверторы и преобразователи частоты.

Автономные инверторы - это устройства, преобразующие посто­янный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет другого источника энергии той же частоты, кроме самого инвертора.

Преобразователи частоты - это устройства, преобразующие пере­менный ток одной частоты в переменный ток другой частоты.

К автономным инверторам и преобразователям частоты , работаю­щим в конкретной установке, предъявляются следующие требования :

1) обеспечение максимального к. п. д.;

2) минимальная установленная мощность отдельных узлов и эле­ментов;

3) возможность широкого регулирования выходного напряжения;

4) обеспечение стабильности выходного напряжения при изменении величины и характера нагрузки, а также входного напряжения;

5) обеспечение синусоидальной или близкой к синусоидальной формы кривой выходного напряжения;

6) возможность регулирования в определенных пределах выход­ной частоты, что прежде всего необходимо в установках вентильного электропривода;

7) отсутствие срывов инвертирования при перегрузках;

8) возможность работы в режиме холостого хода;

9) обеспечение максимальной надежности и устойчивости. Естественно, что требования, предъявляемые к схемам автономных инверторов, зависят от конкретного назначения инвертора. Поэтому оптимальный вариант схемы инвертора необходимо выбирать, учиты­вая режим работы питающихся от него нагрузок.

Автономные инверторы можно классифицировать по следующим основным признакам:

1) по схеме преобразования;

2) по способу ком­мутации (запирания);

3) по способу управления;

4) по характеру про­текания электромагнитных процессов.

Различают следующие основные схемы преобразования :

1) одновентильную (рис. 2.1, а);

2) однофазную с нулевым выводом (рис, 2.1, б );

3) однофазную с нулевым выводом источника питания (рис. 2.1, в);

4) однофазную мостовую (рис. 2.1, г);

5) трехфазную мосто­вую (рис. 2.1, д);

6) трехфазную с нулевым выводом (рис. 2.1, е).

Все остальные схемы являются производными перечисленных групп. Наибольшее распространение в преобразовательной технике находят мостовые схемы. По способу коммутации автономные инвер­торы можно разделить на несколько групп.

Рис. 2 .1. Схемы преобразования

Инверторы с индивидуальной коммутацией. Коммутирующее ус­тройство инвертора служит для запирания одного тиристора (вен­тильного плеча) инвертора. К данному типу инверторов относятся инверторы на полностью управляемых вентилях - двухоперацион­ных тиристорах и силовых транзисторах.

Инверторы с пофазной коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания тиристоров двух вен­тильных плеч, относящихся к одной фазе инвертора.

Инверторы с групповой коммутацией. В таких инверторах для запирания всех вентильных плеч одной группы (анодной или катод­ной) служит отдельное коммутирующее устройство.

Инверторы с общей коммутацией. Коммутирующее устройство является общим для всех вентильных плеч инвертора. В коммутирую­щем устройстве инвертора содержится один коммутирующий конден­сатор.

Инверторы с межвентильной коммутацией. В таких инверторах запирание каждого рабочего тиристора происходит при отпирании следующего по порядку работы тиристора другой фазы, но этой же группы.

Инверторы с межфазовой коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания двух тиристоров разных фаз.

По способу управления инверторы разделяются на инверторы с самовозбуждением и с внешним (независимым) возбуждением .

В инверторах с самовозбуждением управляющие импульсы, пода­ваемые на тиристоры, формируются из выходного напряжения инвер­тора. Частота выходного напряжения определяется параметрами на­грузки.

В инверторах с независимым возбуждением управляющие им­пульсы формируются внешним генератором, который и задает частоту выходного напряжения. Ввиду того что частота выходного напряже­ния не зависит от параметров нагрузки, данный тип инверторов полу­чил наиболее широкое распространение в преобразовательной тех­нике.

В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы можно разделить на три основных типа: инверторы тока (рис. 2.2, а); инверторы напряжения (рис. 2.2, в); резонансные инверторы (рис. 2.2, д).

Для инверторов тока характерно то, что они формируют в нагрузке ток (i вых) а форма и фаза напряжения зависят от параметров на­грузки.

Источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включается реактор L d с большой индуктив­ностью. Кроме того, реактор L d выполняет функции фильтра высших гармонических напряжения, так как к нему в любой момент времени прикладывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора; препят­ствует разряду конденсатора на источник питания во время коммута­ции тока в тиристорах и обеспечивает апериодический режим работы инвертора, характерный малыми пульсациями входного тока. Следует отметить, что при питании инвертора от источников с характеристи­ками, близкими к источнику тока, дроссель L d может отсутствовать.

Инвертор тока должен обеспечивать режим работы, при котором между анодом и катодом закрывшегося тиристора в течение некото­рого времени поддерживается отрицательное напряжение, необходи­мое для восстановления запирающих свойств тиристора. Это время t выкл называется временем запирания (рис. 2.2, б ).

При активно-индуктивном характере потребителя баланс реак­тивной мощности обеспечивается коммутирующими и компенсирую­щими конденсаторами. Конденсаторы по отношению к нагрузке могут быть включены параллельно, последовательно, последовательно-па­раллельно.

Для инверторов тока характерен энергообмен между коммутирую­щими и компенсирующими конденсаторами, включенными в цепи пере­менного тока, реактивностями цепи нагрузки и дросселем L d в цепи входного тока.

В режиме холостого хода инвертор тока неработоспособен вслед­ствие роста амплитуды обратных и прямых напряжений на тиристо­рах. При перегрузках его работа затруднена из-за недостаточного вре­мени для восстановления запирающих свойств тиристоров. Инверторы тока имеют близкую к синусоидальной форму выходного напряжения, относительно малые пульсации входного тока, возможность реверса направления потока мощности без изменения направления тока (при переходе в выпрямительный режим). Внешняя характеристика инвер­тора тока мягкая.

Рис. 2.2. Однофазная мостовая схема инвертора тока (а ) и инвертора напряжения (в ); временные диаграммы тока и напряжения на выходе инвертора тока (б ), инвертора напряжения (г ) и резонансного инверто­ра (д ) при активно-индуктивной нагрузке

Инверторы напряжения формируют в нагрузке напряжение, а форма и фаза тока зависят от характера нагрузки. Источник питания инвертора напряжения работает в режиме генератора напряжения. Если инвертор питается от выпрямителя, то на его входе ставится конденсатор достаточно большой емкости для обеспечения проводи­мости источника постоянного напряжения в обратном направлении. Это необходимо, когда в составе нагрузки имеются реактивные эле­менты любого типа. Через обратный выпрямитель (Д1...Д4) осуще­ствляется энергообмен между накопителями, имеющимися в составе нагрузки, и источником питания или конденсатором С 0 , а в много­фазных инверторах - также и энергообмен между фазами нагрузки. Конденсатор С 0 выполняет функции фильтра высших гармонических тока, так как по нему протекает разность между выходным и постоян­ным в пределах полупериодов входным током. Инвертор напряжения может работать в режиме холостого хода. Работоспособность инвер­тора напряжения в режиме, близком к короткому замыканию, опре­деляется коммутационными свойствами полностью управляемых вен­тилей или принятым способом коммутации и параметрами коммути­рующих элементов обычных тиристоров. Инверторы напряжения работоспособны, имеют малые изменения формы кривой и величины выходного напряжения при изменении выходной частоты в широких пределах. Коммутационные процессы в них мало влияют на форму кривой выходного напряжения, а установленная мощность коммути­рующих элементов сравнительно небольшая. Внешняя характеристика инвертора напряжения жесткая.

Основными областями применения инверторов тока и инверторов напряжения являются: стабилизированные по выходным параметрам преобразователи частоты; вторичные источники питания переменным током; установки частотно-регулируемого электропривода.

В резонансных инверторах нагрузка, имеющая, как правило, зна­чительную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. Выклю­чение тиристоров инвертора происходит благодаря плавному спаданию до нуля анодного тока тиристора (тока колебательного контура) на каждом полупериоде (рис. 2.2, д). Собственная частота контура в резонансных инверторах должна быть выше или равна рабочей час­тоте инвертора. Конденсаторы, входящие в состав колебательного кон­тура, могут быть включены последовательно с нагрузкой, параллельно ей или последовательно-параллельно, а дроссели - в цепи входного тока, в анодных цепях вентилей или последовательно с нагрузкой.

Для резонансных инверторов характерен интенсивный энергооб­мен между накопителями, входящими в состав схемы. Резонансные инверторы могут питаться от источников, работающих в режиме ге­нератора э. д. с. или тока. Инверторы, питающиеся от генератора э. д. с., называются инверторами с открытым входом, а питающиеся от генератора тока - с закрытым входом.

Резонансные инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в нагрузке, плавное нарастание (в большинстве схем без обратных диодов) и спад тока через вентили, что обеспечивает малые коммутационные потери мощности в последних. Данный тип инверторов целесообразно применять при повышенных частотах вы­ходного напряжения (единицы кГц, десятки кГц).

Следует подчеркнуть, что конкретные схемы автономных инверто­ров зачастую обладают одновременно признаками разных классифи­кационных групп в зависимости от соотношения параметров, режима работы и т. д.

Инверторы, ведомые сетью.

Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение – напряжению сети.

Принцип работы инвертора, ведомого сетью, можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного инвертора , приведенного на рис. 3, а. Цепь содержит источник постоянной инвертируемой э. д. с. U d . последовательное которым включены тиристор В, дроссель L d и выходной трансформатор Тр . Первичная обмотка Тр подключена к сети переменного тока, создающего на вторичной обмотке напряже­ние u 2 . По отношению к тиристору В это напряжение периодически меняет знак, в одну часть периода складываясь с напряжением U d в другую - вычитаясь из него. По отношению к инвертируемому напряжению тиристор В всегда включен в проводящем направлении.

Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда, когда направления инвертированного тока i B и переменного напряжения u 2 ; противоположны, т. е. когда u 2 и U d встречны.

Процесс инвертирования возможен, если U 2 m > U d . Для инвер­тирования необходимо отпирать тиристор до момента O 1 , когда на­пряжение на аноде будет еще больше нуля. Это имеет место для всех углов управления г < < 0 , где г - граничный угол управления, при котором достигается предельный режим работы инвертора.

Рис. 3 Схемы однофазного (а) и двухфазного (в) инвертора, ведомого сетью; временные диаграмы токов и напряжений (б, г), семейство входных характеристики инвертора (д).

Пренебрегая потерями в схеме, можно записать

где x d - реактивное сопротивление контура.

Из уравнения следует, что скорость изменения тока i B будет прямо пропорциональна разности U d - u 2 .

Если , , ток i B возрастает (рис. 3, б). При U d - u 2 = 0 i B достигает макси­мума, при U d - u 2 < 0 i B уменьшается и поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности дросселя L d . Продолжитель­ность работы тиристора после точки O 1 определяется временем, в течение которого эта энергия будет рассеяна. Величина накоп­ленной энергии пропорциональна площадям S 1 и S 2 , а рассеянной - S 1 ’ и S 2 ’ . Поэтому прерывание тока в цепи инвертора определится моментом, когда при заданном угле управления обе площади (S 1 и S 1 ’ или S 2 и S 2 ’ ) становятся равны между собой.

При изменении угла управления в сторону его уменьшения пло­щадь S 1 будет все время возрастать. В соответствии с этим должна возрастать и площадь S 1 ’ . Однако рост этой площади при указанных значениях U 2 m и U d ограничен участком синусоиды O 1 … O 1 " . Как только будет израсходован весь резерв этой площади, тиристор, раз включившись, уже больше выключиться не сможет, и с точки O 1 ’ его ток начнет снова возрастать под действием напряжения U d - u 2 > 0, инвертор перейдет в режим короткого замыкания. Точка O 1 ’, которая определяет границу устойчивой работы инвертора, на­зывается граничной,

Потеря устойчивости инвертором (опрокидывание) в реальных инверторах наступает раньше, чем это определяется точкой O 1 " , так как для восстановления запирающих свойств тиристора после его вы­ключения необходим некоторый промежуток времени () для расса­сывания электрических зарядов в p-­­ n- переходах. Следовательно, в реальной схеме инвертора тиристор должен выключаться раньше на угол , чем будет достигнута точка O 1 " , причем это опережение долж­но всегда соответствовать наиболее тяжелому режиму работы тирис­тора, при котором = max .

Аналогичную картину можно получить и если = const, a U d = var.

Рассмотренная схема содержит те же элементы, что и управляемый выпрямитель, работающий на противо-э. д. с. Однако роль противо-э. д. с. в инверторном режиме выполняет не U d , а напряжение сети переменного тока. Для того чтобы это могло иметь место, необходимо при переходе от выпрямительного режима к инверторному изменить знак U d и увеличить угол управления за пределы граничного.

Соотношения между основными параметрами схемы при этом не изменяются, и, следовательно, рабочий режим инвертора будет описы­ваться теми же уравнениями, что и рабочий режим управляемого вы­прямителя, с той разницей, что источник U d выступает в этом случае­­­­ не как потребитель, а как генератор активной мощности. За счет этого источника и покрываются все потери в инверторе. Таким образом, обозначив собственную э. д. с. инвертора в режиме холостого хода че­рез U d получим:

где U x и U a - реактивные и активные потери напряжения.

В инверторе, ведомом сетью, U x >> U a . Простейший однофаз­ный инвертор, ведомый сетью, характеризуется весьма низкими энер­гетическими показателями из-за плохого использования выходного трансформатора и значительного искажения формы токов как на сто­роне переменного, так и на стороне постоянного напряжений. По этой причине инверторы, ведомые сетью, как правило, выполняются много­фазными.

На рис. 3, в, г представлены двухфазная схема инвертора и вре­менные диаграммы токов и напряжений, поясняющие его работу.

Выбор требуемых участков рабочего напряжения, при которых обеспечивается поочередный пропуск тока тиристорами В1 и В2 в пределах каждого из периодов переменного напряжения, достигается выбором момента отпирания тиристоров при помощи импульсов управ­ления. При подаче импульса управления на тиристор В1 незадолго до того, как напряжение на фазе А становится отрицательным, этот тиристор отпирается и пропускает ток преимущественно при отрица­тельном напряжении фазы А.

Встречное направление отрицательного напряжения е 21 по отноше­нию к анодному току i 21 свидетельствует о приеме данной фазой мощ­ности от источника постоянного тока. Эта мощность в процессе транс­формации тока передается через вторичную и первичную обмотки трансформатора в сеть однофазного тока. Такая же передача мощнос­ти происходит в следующий полупериод через фазу В вторичной об­мотки, когда через нее и тиристор В2 протекает ток.

Переход (коммутация) тока с тиристора В1 на тиристор В2 проис­ходит так же, как и при выпрямительном режиме, в течение некоторого промежутка времени, называемого углом коммутации .

Роль тиристоров при инвертировании тока сводится к роли пере­ключателей, попеременно замыкающих цепь источника постоянного тока на одну из вторичных обмоток, а именно на ту, которая обеспе­чивает в данную часть периода наиболее отрицательное напряжение. Для того чтобы имела место естественная коммутация тока, характе­ризующаяся переходом тока от одного тиристора к другому, отпира­ние очередного тиристора должно происходить с некоторым опереже­нием против начала отрицательного полупериода. Это опережение в угловом измерении носит название угла опережения .

Угол опережения должен быть достаточен не только для того, чтобы могла совершиться естественная коммутация токов тиристоров (угол ), но и для того, чтобы после коммутации токов оставался до появления положительного напряжения достаточный по величине угол , в течение которого закончивший свою работу тиристор должен успеть восстановить свои запирающие свойства.

Если послекоммутационный угол меньше, чем требуется для восстановления запирающих свойств тиристора, то с появлением поло­жительного напряжения на аноде тиристора, закончившего работу, он вновь отпирается, и ток продолжает протекать при положительном полупериоде переменного напряжения, что приводит к опрокидыванию инвертора.

Таким образом, для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы

где - угол опережения (управления), отсчитываемый от точки пе­ресечения фазовых напряжений в сторону опережения; t восс - время восстановления управляющих свойств тиристора.

Соотношение между токами и напряжениями для ведомого ин­вертора можно получить из соотношений для аналогичной схемы управляемого выпрямителя, в которых вместо подставлено значение ( - ).

Выражение для расчета тока инвертора имеет вид:

Среднее значение входного напряжения инвертора (собственная противо-э. д. с.) суммируется из напряжения холостого хода и прираще­ния напряжения в период коммутации:

Напряжение холостого хода определяется выражением:

(1)

Приращение напряжения, обусловленное явлением коммутации, равно:

или в функции входного тока

(2)

Из выражения (1) и (2) получаем выражение входной ха­рактеристики инвертора:

Из выражения (3) видно, что в отличие от внешней характерис­тики выпрямителя, где второе слагаемое определяет ее спад с ростом тока, у инвертора второе слагаемое определяет подъем входной харак­теристики. Повышение входного напряжения U d b с ростом входного тока I d b объясняется добавлением коммутационной площадки к си­нусоидальному выходному напряжению холостого хода.

На рис. 3, д приведено семейство входных характеристик ин­вертора. Начальные точки на оси ординат соответствуют напряжению Холостого хода. Верхнее ограничение характеристик определяется величинами токов, при которых послекоммутационный угол при за­данном угле становится min , т. е. углом, достаточным для на­дежного восстановления запирающих свойств тиристоров (). Точки A 1 , A 2 , А 3 на входных характеристиках соот­ветствуют предельным токам нагрузки I d b max и предельным напряже­ниям U d b max . Определяя ограничительную характеристику инвертора.

Х арактерные особенности инверторного режима следующие:

а) инвертор может быть построен только на управляемых вентилях, так как большую часть нерабочего интервала к ним приложено поло­жительное напряжение;

б) угол отпирания а должен превышать 90°;

в) полярность напряжения на стороне постоянного тока противопо­ложна полярности выпрямителей;

г) во всем диапазоне изменения тока нагрузки и входного напряжения должно быть выполнено следующее условие: > + min .

Инвертор в электронике что это такое

Инвертором в электронике и электротехнике называется устройство для преобразования постоянного тока в переменный с регулируемыми или постоянными значениями напряжения и частоты на выходе. Если инвертор расчитан на нагрузку, не имеющую альтернативного источника питания, он называется автономным. Они нашли широкое применение для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников, для электроприводов с частотным регулированием, в различных системах прямого преобразования энергии, в сварочных аппаратах в силовой и медицинской технике и т. п.

Отдельно можно выделить понятие инвертор : это - логический элемент, выполняющий логическую операцию отрицания (инверсия)

Работа инвертора основана на переключении источника постоянного напряжения с определенной частотой с целью периодического изменения полярности напряжения на выходе устройства. Частота задается управляющими сигналами управления, формируемыми специальной схемой, называемой контроллером. От также можеть выполнять следующие функции: регулировка уровня напряжения, синхронизация частоты переключения, защита от перегрузок и т.п.

По принципу работы инверторы можно разделить на:

Автономные делятся на инверторы напряжения (АИН), например - в компьютерных ИБП и инверторы тока (АИТ)
Зависимые - ведомые сетью, например - силовой преобразователь рентгеновского .

В роли переключательных элементов в автономных инверторах (АИ) нашли широкое применение все виды транзисторов, а также стандартные и двухоперационные тиристоры. Транзисторные ключи на биполярных и полевых транзисторах применяются в устройствах небольшой и средней мощности. Тиристоры и чаще используют в мощных схемах.

Все АИ можно поделить на ряд видов.

По схеме преобразования: однофазные, трехфазные, разновидности схемы питания и некоторым другим свойствам.
По способу коммутации : полностью коммутируемые по цепям управления и с коммутирующими конденсаторами, подсоединенными параллельно нагрузке и последовательные инверторы с двухступенчатой коммутацией
А также АИ напряжения (АИН) и тока (АНТ) в зависимости от вида источника питания и его связи с АИ

Автономный инвертор напряжения (АИН)

Устройства этого типа генерируют в нагрузке переменное напряжение с помощью периодического подсоединения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного подключения вентилей смотри рисунок ниже.

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумулятор или выпрямитель с емкостным фильтром).

Каждый тиристор снабжен схемой коммутации. При работе схемы на нагрузке образуются импульсы напряжения прямоугольной формы, а форма тока зависит от ее характера нагрузки. Если она чисто активная, то форма токовых импульсов повторяет форму напряжения (пунктир на диаграме), если нагрузка активно-индуктивная, ток i н меняется по экспоненте с постоянной времени:

При запирании очередной пары тиристороы (VD1 и VD4) и отткрытии другой Uн меняется скачком, а ток некоторое время продолжает сохранять свое направление. Для обеспечения протекания этого тока нужны обратные диоды VD5- VD8, затем ток замыкается через емкость С.

Частота тока в нагрузке задается управляющей схемой, нагрузочная характеристика инвертора - жесткая, т.к напряжение на нагрузке Un = Е.

Поэтому входной ток АИН будет (при RL-нагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя требуется конденсатор С большим номиналом емкости. Такая схема способна работать в огромном диапазоне нагрузок - от холостого хода (ХХ) до значений, при которых вероятна перегрузка вентилей.

Максимальные токовые уровни в нагрузке при симметричном характере выходного напряжения будут равны:

I нmax =I 0 ×(1-e -T/2τ / 1+e -T/2τ)

Где, I 0 = E/R н; τ = Lн/Rн; T - период

Регулировать напряжение на выходе инвертора можно, либо изменяя Е, либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее можно осуществить несколькими способами:

каждый импульс напряжения в нагрузке АИН образуется из нескольких, изменяющих свою длительность (рисунок а);
сокращение времени работы в каждый полупериод за счет закрывания одной пары тиристоров и включения другой пары с задержкой (рисунок б);
Использованием 2-х инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений с помощью регулировки фазы в управляющих схемах (в).

В первых двух вариантах возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом случае можно по лучить выходное напряжение, близкое к синусоидальной форме.

Автономный инвертор тока (АИТ)

Схема получает питание через индуктивность большого номинала, поэтому потребляемый ток практически не изменяется. При поочередном переключении вентельных пар (не запираемых) в нагрузке генерируются прямоугольные токовые импульсы, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая обычно бывает активно-емкостной.

Как видно из схемы ниже при очередном переключении тиристоров (допустим, работали VD1 и VD4, а включаются VD2 и VD3) через нагрузку ток изменяется скачкообразно, а за счет перезаряда емкости С в течение некоторого временного интервала ранее работавшие тиристоры окажутся под обратным напряжением и поэтому запираются. Необходимо добится того, чтобы этот интервал был больше времени отключения полупроводникового вентиля. Чем больше постоянная времени тау, тем медленнее изменяется напряжение на нагрузке, закон его изменения при этом практически приближается к линейному, а форма импульсов стремится к треугольной. Внешняя характеристика токового инвертора - мягкая (крутопадающая), режим холостого хода полностью невозможен.

Относительное значение напряжения на нагрузке и внешней вид характеристики могут быть приблизительно вычеслены по формуле:

Следует добавить, что при активно-индуктивной нагрузке устройство неработоспособно и такую нагрузку следует обязательно шунтировать конденсатором.

Так как в реальных условиях трудно обеспечить L= ∞ или С= ∞ реальные схемы АИН и АИТ обладают некоторыми промежуточнымисвойствами.

Для питания однофазной маломощной нагрузки с напряжением, заметно отличающимся от уровня источника питания, удобно использовать схему, в которой одна пара полупроводниковых вентилей заменена полуобмотками трансформатора, а сам он позволяет согласовать U n и U н.

При включении вентиля VD1 ток протекает от блока питания через индуктивность, полуобмотку трансформатора W1 и собственно VD1. Во вторичной обмотке наводится ЭДС, и генерируется ток в подключенной нагрузке.

Коммутирующая емкость С заряжается почти до уровня удвоенного сетевого напряжения (за счет возникающей ЭДС самоиндукции в W2). Когда схема управления СУ включит второй тиристор, конденсатор оказывается подсоединенным параллельно VD1, тот запирается и алгоритм работы повторяется.

В нагрузке генерируется напряжение с частотой, задаваемой схемой управления. Форма напряжения зависит от сопротивления нагрузки Rн (при больших значениях она ближе к треугольной, при более низких - к прямоугольной), величина -от коэффициента трансформации, Е и значения R н.

Напряжение на индуктивности определяется разностью между U c (пересчитанным к половине первичной обмотки) и Е. В режимах, приближенных к ХХ, емкость заряжается неизменным током, причем U c может достигать огромных (> Е) значений, что опасно для полупроводниковых элементов.

В роли управляющей схемы можно использовать транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подсоединенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же блока питания.

Последовательные инверторы в отдельных случаях используются для получения переменного тока частотой (f= 2...50 кГц). Они имеют собственную резонансную цепочку, при помощи которой осуществляется коммутация тиристоров. Схема на рисунке ниже работает следующим образом. При подаче управляющего сигнала открывается VD1, ток идет через L1, Rн, С. В следующий полупериод включается тиристор VD2 и конденсатор С, заряженный во время первого полупериода, разряжается через Rн, L2 и второй тиристор. Схема способна работать в нескольких режимах.

В режиме прерывистых токов (смотри график б) VD1 выключается после спадания тока заряда емкости С, т. е. до того момента, когда управляющая схема включает второй тиристор (и наоборот). В результате появляется временной интервал, когда оба тиристора ток не проводят и Iн = 0.

В режиме непрерывных токов (график, г) первый тиристор отключается в момент включения VD2, т. е. появляется состояние, когда ток пропускают оба тиристора. Выключение VD1 при этом происходит за счет того, что при включении VD2 и протекании тока разряда конденсатора через L2 в L1 генерируется противо-ЭДС, достаточная для снижения тока открытого первого тиристора до нуля. Для этого требуется, чтобы включение VD2 былоо тогда, когда ток через VD1 уже начал падать. Иначе неизбежен режим "сквозного" тока протекающего через VD1, L1, L2 и VD2, т. е. режим короткого замыкания.

Оптимальным считается граничный режим (график, в), при котором форма тока в нагрузке стремится к синусоидальной. Такие инверторы целесообразно использовать при постоянных значениях всех параметров, в.т.ч нагрузки, при этом обеспечивается жесткая внешняя характеристика. Так как при низких нагрузках инвертор способен выпасть из режима, параллельно R н подключают конденсатор С 0 и инвертор превращается в последовательно-параллельный.

Если подсоединить еще одну емкость С1, то инвертор из однотактного трансформируется в двухтактный, в то время, когда заряжается С, разряжается С1 и наоборот. Это существенно повышает эффективность работы схемы. Последовательные инверторы бывают и многофазными.