Тема лекції: «Інвертори»
1. Призначення, класифікація, принцип дії і основні експлуатаційні характеристики інверторів.
2. Електромагнітні процеси та основні розрахункові співвідношення в транзисторному инверторе.
3. Електромагнітні процеси в тиристорному автономному инвертор струму.
Призначення, класифікація, принцип дії
і основні експлуатаційні характеристики інверторів
Призначення інверторів. На практиці часто виникає завдання перетворення постійної напруги в змінну напругу. Процес перетворення постійного струму в змінний отримав найменування инвертирования, а пристрої, які здійснюють це перетворення, називаються инверторами. Термін "інвертування" походить від латинського слова invercio - перевертання, перестановка. Вперше цей термін в перетворювальної техніки був застосований для позначення процесу, зворотного випрямлення, і характеризував процес, при якому потік електричної енергії джерела постійного струму по черзі змінював свій напрямок на протилежне таким чином, що в приймачі протікав змінний струм. Таким чином, пристрої, що перетворюють електричну енергію постійного струму в електричну енергію змінного струму з постійною або регульованою частотою, називаються инверторами.
Необхідність застосування такого типу пристрою виникає в наступних випадках:
- коли єдиним джерелом електричної енергії в РЕМ є хімічний джерело струму, а деякі приймачі вимагають для електроживлення тільки змінного струму;
- при необхідності перетворити змінну напругу однієї частоти в змінну напругу іншої частоти (вищою);
- при необхідності підвищити якість випрямленої напруги шляхом перетворення випрямленої напруги промислової частоти в змінну напругу підвищеної частоти з подальшим його випрямленням для зменшення коефіцієнта пульсацій (в ППН).
Фізична сутність процесу інвертування постійного струму полягає в тому, що за допомогою застосування напівпровідникових перемикачів, з'єднаних в схему инвертирования, і відповідним чергуванням замкнутого і розімкнутому їх стану здійснюється таке підключення резистора навантаження до джерела постійного струму, яке забезпечує зміну напрямку струму в цьому резисторі, подібне протіканню по ньому змінного струму. Шляхом такого перетворення створюється можливість електроживлення приймачів змінного струму від первинного джерела електричної енергії постійного струму.
Класифікація інверторів. Інвертори прийнято класифікувати по ряду ознак:
- по числу імпульсів протилежної полярності за період вихідної напруги;
- за схемою перетворення (інвертування);
- по числу фаз вторинної обмотки трансформатора;
- за типом застосовуваних переключающих вентильних пристроїв (ключів);
- за способом управління або комутації переключающими пристроями.
За кількістю імпульсів протилежної полярності за період вихідної напруги розрізняють однотактний і двотактні інвертори. У однотактний инверторах в приймач за період зміни вихідної напруги з первинної мережі постійної напруги передається один імпульс. У двотактних инверторах за один період зміни вихідної напруги таких імпульсів напруги передається два.
Під схемою перетворення (інвертування) розуміють схему з'єднання вентильних елементів і елементів для їх комутації, а також трансформатора і в окремих випадках вхідного або вихідного фільтра. Робота інвертора і його техніко-економічні показники в основному визначаються схемою інвертування, від якої залежать: форма кривої вихідної напруги; форма кривої споживаного струму; зовнішня (або навантажувальна) характеристика; ККД інвертора; припустима зміна коефіцієнта потужності навантаження (зазначених вище зазвичай по основній гармоніці напруги на навантаженні); максимальне або миттєве значення струму навантаження, що визначають для більшості схем поріг стійкої роботи інвертора.
На практиці знаходять застосування наступні схеми инвертирования:
- однофазная однотактна (рис. 5.1);
- однофазная двухтактная (рис. 5.2);
- однофазная бруківка (рис. 5.3);
- трифазна однотактна з нульовим виводом (рис. 5.4, а);
- трифазна мостова (рис. 5.4, б).
Залежно від вимог, що пред'являються до інверторів з боку їх приймачів, вони можуть бути з трансформаторним і бестрансформаторним (гальванічним) виходами. Як правило, трансформаторна схема застосовується в тих випадках, коли необхідно змінити величину вихідної напруги щодо напруги джерела живлення або забезпечити електричну розв'язку ланцюгів постійного і змінного струму. Приклади схем обох типів наведено на рис. 5.2, а, б.
За кількістю фаз вторинної обмотки трансформатора розрізняють однофазні, двофазні і трифазні інвертори.
За типом переключающих вентильних пристроїв (ключів) розрізняють транзисторні та тиристорні інвертори. Транзисторні інвертори застосовують для отримання вихідної потужності від 20. 50 Вт до 1000 Вт. При більшій вихідної потужності (від 1 до 100 кВт і більше), особливо при великому первинному напрузі застосовуються тиристорні інвертори.
Залежно від способу управління або комутації переключающими пристроями розрізняють два основні класи інверторів:
- інвертори з самозбудженням або автономні інвертори;
- інвертори з незалежним збудженням (ведені мережею).
Автономний інвертор - це напівпровідниковий інвертор, в якому комутація напівпровідникових приладів здійснюється під дією напруги, обумовленого елементами, що входять до складу напівпровідникового інвертора (ГОСТ 23414-84).
Ведений інвертор - це напівпровідниковий інвертор, в якому комутація напівпровідникових приладів здійснюється під дією напруги, обумовленого зовнішніми по відношенню до напівпровідникового инвертору джерелами електричної енергії (ГОСТ 23414-84).
Принцип инвертирования і схеми инвертирования. На схемах інверторів (рис.5.1, а - рис. 5.4) цифрами позначені умовні номери ключів-переривників. В однофазної однотактной схемою (рис. 5.1, а) при замиканні ключа S 1 джерело живлення підключається безпосередньо до навантаження. При періодичному замиканні і розмиканні ключа на приймачі отримаємо імпульси напруги прямокутної форми (рис. 5.1, б). Тривалість імпульсів напруги і їх частота слідування повністю визначається режимом роботи ключа. Для виділення змінної складової напруги в такій схемі доцільно застосувати трансформатор.
Малюнок 5.1 - Однофазна однотактна схема інвертора (а)
і тимчасова діаграма вихідної напруги (б)
Аналогічним чином працює однофазная двонапівперіодна схема з нульовим виводом (рис. 5.2, а, б). Відмінності полягають тільки в тому, що ключі S 1 і S 2 замикаються не одночасно, а по черзі таким чином, коли замкнутому станом ключа S 1 відповідає розімкнутий стан ключа S 2 і навпаки, тобто ключі працюють в протифазі.
Малюнок 5.2 - однофазні двотактні схеми з нульовим виводом:
а) бестрансформаторная; б) трансформаторна;
в) тимчасова діаграма вихідної напруги
Якщо інтервали часу замкнутого і розімкненого стану ключів S 1 і S 2 однакові, то в навантаженні отримаємо змінну напругу прямокутної форми.
У мостовій схемі інвертора (рис. 5.3) для отримання змінної напруги на виході необхідна одночасна комутація двох ключів S 1 і S 4 або S 2 і S 3.
Малюнок 5.3 - Однофазна бруківка схема
Малюнок 5.4. Трифазні схеми инвертирования:
а - з нульовим виводом; б-трифазна мостова схема
На рис. 5.4 представлені складніші схеми, що забезпечують перетворення постійної напруги в трифазне.
Автономні інвертори струму і напруги. Залежно від характеру протікання електромагнітних процесів в схемах автономних інверторів їх додатково підрозділяють на три основних типи:
Це поділ носить умовний характер. За визначальну ознаку при цьому приймається провідність ланцюга постійного струму з боку безпосередньо перетворюючої частини (наприклад, з боку тиристорів) щодо змінної складової вихідної напруги. Розглядаючи далі найпростіші схеми автономних інверторів (Рис.8.5), потрібно пам'ятати, що на них показані як би механічні ключі. Реально ж використовуються електронні ключі, автоматично забезпечують самозбудження інверторів.
Розглянемо автономні інвертори струму і напруги, які отримують живлення від джерела постійної напруги Ud (рис. 5.5). У ланцюзі постійного струму першого інвертора (рис. 5.5, а) включений дросель Ld з великою індуктивністю. Наявність такого дроселя забезпечує електромагнітну інерційність процесу зміни струму в нерозгалужене частини схеми в паузах між перемиканнями ключових елементів S 1. S 4 ток можна умовно вважати незмінним, постійним, а кидками струму в моменти перемикання можна знехтувати.
Процес комутації в цих умовах і сприймається як інвертування струму, а саме перетворювальне пристрій називається інвертором струму.
У схемі (рис.5.5, б) джерело постійної напруги підключений безпосередньо до ключових елементів, які періодично зі зміною полярності автоматично підключають цю напругу до приймача. В результаті приймач живиться як би від джерела змінної напруги. Така схема класифікується як інвертор напруги. Струм приймача в цьому випадку повинен носити зазвичай активний або індуктивний характер (якщо на виході інвертора не встановлені спеціальні фільтри з конденсаторами). При місткості характері навантаження через стрибкоподібного зміни напруги мають місце сплески струмів, що погіршує роботу інвертора.
У резонансних инверторах, що містять і конденсатори, приймач, що має велику індуктивність, утворює з ємнісними елементами схеми інвертора коливальний контур з резонансом напруг. При цьому власна частота контура повинна бути вище або дорівнює робочій частоті інвертора. Такі інвертори мають близьку до синусоїдальної форму напруги і струму в приймальнику і застосовуються для отримання змінної напруги або струму підвищеної частоти (більше 1000 Гц).
Малюнок 5.5 - Автономні мостові інвертори:
а - інвертор струму; б - інвертор напруги;
в, г - тимчасові діаграми
Таким чином, сутність процесу інвертування полягає в як би періодичному підключенні приймача або первинної обмотки трансформатора до джерела постійного струму з однієї і тієї ж полярністю в однотактний або з протилежного полярністю в двотактних схемах інверторів.
Характеристики інверторів. Основними характеристиками, які дозволяють порівнювати між собою різні схеми інверторів, є:
а) залежність величини вихідної напруги інвертора від величини напруги живлення постійного струму при заданому струмі приймача:
б) залежність частоти вихідної напруги інвертора від величини напруги живлення при заданому струмі навантаження:
в) зовнішня характеристика інвертора - залежність вихідної напруги інвертора від величини струму приймача при постійній напрузі харчування:
г) вихідний опір інвертора (внутрішнє), яке визначається по зовнішній характеристиці інвертора:
де DUвих - зміна напруги на виході інвертора;
DIвих - зміна струму приймача інвертора.
д) величина вихідної потужності інвертора Pвих;
е) коефіцієнт корисної дії інвертора.
Всі зазначені характеристики для реального інвертора можуть бути отримані експериментальним шляхом.