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 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.)

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.

Источник

Требования к обратным диодам, которые работают в режиме выпрямления и инвертирования в преобразователях напряжения

Обратные диоды в преобразователях на IGBT или MOSFET должны удовлетворять различным требованиям, которые зависят от того, используются ли они в выпрямителях или в инверторах.

Обычно, средняя энергия передается в инверторе в направлении от постоянного напряжения к переменному, т.е. нагрузка потребляет переменное напряжение. С другой стороны, средняя энергия передается в выпрямителе со стороны переменного напряжения к постоянному. В этом случае преобразователь работает как импульсный выпрямитель, подсоединенный к сети переменного тока или к генератору. Хотя преобразование мощности в обоих случаях одинаково, в силовых полупроводниковых приборах различные потери, в основном из-за разного сдвига фаз при работе между напряжением и током на стороне переменного напряжения.

Это поясняется на примере основной схемы на рис.1.26.

Рис. 1.26

• если v_out = положительное и i_L > 0: ток идет через IGBT 1;
• если v_out = отрицательно и i_L > 0: ток идет через диод 2;
• если v_out = положительное и i_L j между напряжением и током основной частоты, а также от коэффициента модуляции m преобразователя (определяется рабочим циклом).

Работа при 0 m cos j 1. Потери мощности в преобразователе достигают предела, если m cos j = 1, потери в IGBT максимальны, потери в обратных диодах минимальны.

Работа при 0 m cos j -1. Потери мощности в преобразователе достигают предела, если m cos j = -1, потери в IGBT минимальны, а в диодах — максимальны.

Применительно к характеристике на рис.1.27, такая ситуация возникает, когда на основной частоте импульсного выпрямителя преобразуется чисто активная мощность, и средняя точка сети подключена к средней точке преобразователя.

Это представлено на графиках рис.1.27 в качестве примера.

Рис. 1.27. Потери в активном режиме и при переключении в IGBT и обратном диоде

При данном постоянном напряжении и среднеквадратичном значении переменного тока, потери на коммутацию зависят (линейно) только от частоты коммутации (рис.1.27).

Большинство модулей IGBT и MOSFET с внутренними обратными диодами рассчитаны на применение в инверторах с учетом потерь мощности, которая может быть рассеяна при номинальном токе (например, cos j = 0.6.1). Благодаря уменьшению общих потерь, диоды разработаны для значительно меньших потерь мощности, по сравнению с IGBT (отношение IGBT : диод: 2.3 : 1). Поэтому, использование силового модуля с большим значением номинального тока рекомендуется, если в импульсном выпрямителе такая же мощность преобразования, как и в соответствующем импульсном преобразователе.

• Питание (400 В/50 Гц) — импульсный выпрямитель (f_s = 10.12 кГц) — постоянное напряжение — инвертор (f_s = 10.12 кГц) — трехфазный двигатель (400 В/50 Гц/22 кВт)
• Импульсный источник питания — стандартные IGBT модули (phase leg) 1200 В/100 А (Т_с = 80°С)
• Инвертор — стандартные IGBT модули (phase leg) 1200 В/75 А (Т_с = 80°С)

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Обратный диод

По контуру, состоящему из обратных диодов , источника энергии и первичной цепи стабилизатора, замыкается входной ток ФСН за время перевода ( коммутации) этого тока с одного транзистора на другой. [31]

Для рассмотренных инверторов обязательна установка обратных диодов . Они выбираются по известной величине обратного напряжения 1 / я — Uc и допустимым токам. [32]

Это достигается введением в схему обратных диодов , предназначенных для пропускания индуктивного тока нагрузки, и включением параллельно источнику конденсатора Со, на который этот ток замыкается. [34]

Последовательные мостовые резонансные инверторы с обратными диодами широко используют для питания индуктивных нагрузок высокой добротности. [35]

Электромагнитные процессы в ШИП с обратным диодом на всех расчетных интервалах, кроме интервала разряда конденсатора, протекают аналогично процессам в схемах рис. 2 — 19, а-е без диода ДЗ. [36]

Поскольку ток нагрузки, протекающий через обратные диоды в течение этого времени, является одновременно зарядным током конденсатора фильтра Сф, изменение времени его заряда при пуске в какой-то мере будет сказываться на распределение напряжений между коммутирующей емкостью С и емкостью фильтра, а, следовательно, и на коэффициенте использования тиристоров по напряжению. [37]

Изучение переходных процессов в инверторах с обратными диодами [ V.8 ], работающих в установках для индукционного нагрева, показало, что время, предоставляемое тиристорам для восстановления запирающих свойств, в переходном и установившемся режимах существенно различается. [38]

В результате протекания тока t H через обратный диод на интервале fh — з происходит возврат энергии, накопленной в индуктивности нагрузки, в источник питания. В момент § 3 диод Д2 выключается, а тиристор Т2 включается ( для этого на его управляющем электроде должен присутствовать отпирающий импульс) и через него снова начинает протекать изменивший свое направление ток нагрузки. [39]

Для чего в схемах инверторов напряжения включаются обратные диоды . [40]

Нереверсивная схема с двумя коммутирующими транзисторами, шунтированными обратными диодами ( рис. 1 — 2, б), обеспечивает двусторонний обмен энергией между приемником и источником питания. [41]

Выпрямители по схеме рис. 1.46 не требуют включения обратного диода , так как его функции выполняют неуправляемые вентили В2 и Вя, образующие контур разряда энергии индуктивности нагрузки при закрытии тиристоров. Развязка цепей управления тиристорами, которая необходима при этой схеме, не вызывает особых затруднений, так как в применяемых в настоящее время системах управления большей частью используется трансформаторный выход. [42]

Существенное ослабление указанных недостатков достигается в АИР с обратными диодами . [43]

Таким образом, область рационального использования АСПН с обратным диодом принадлежит ИВЭП с малыми мощностями Рт; 10 — 50 Вт при повышенных выходных напряжениях / 20 В. [44]

Источник