Инверторы тока – Инвертор (электротехника) — Википедия

3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Инверторы подразделяются на зависимые (ведомые сетью) и автономные (независимые).

Автономный инвертор работает на автономную нагрузку, не содержащую других источников энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора.

Автономные инверторы, так же как и зависимые, могут работать с естественной и искусственной коммутацией. Естественная коммутация автономного инвертора имеет ме­сто при его работе на перекомпенсированные синхронные двигатели, на статорные обмотки вентильного двигателя и т. д. Однако чаще всего в автономных инверторах, выполненных на тиристорах, применяется искусственная коммута­ция вентилей.

В зависимости от режима работы источника питания ин­вертора и особенностей протекания в нем электромагнитных процессов различают инверторы напряжения, тока и резо­нансные инверторы. Наиболее широкое применение получили инверторы напряжения и тока. Резонансные инверторы вы­полняются на частоту выходного напряжения в несколько единиц и десятков килогерц и используются в основном в электротермии.

Классические схемы автономных инверторов напряжения и тока приведены соответственно на рис.2.13,а,б. Напряже­ние  и ток  нагрузки формируются в этих схемах при поочередном переключении вентилей VS1, VS2 и VSЗ, VS4.

Рис. 2.13. Схемы и диаграммы автономных инверторов напряжения (а) и тока (б)

Питание инвертора напряжения (рис.2.13,а) производится от источника напряжения. В связи с этим форма напряже­ния  определяется алгоритмом переключения тиристоров, а форма тока  зависит от характера нагрузки. Реактивная мощность нагрузки компенсируется за счет введения конден­сатора  достаточно большой емкости. Обмен реактивной энергией между нагрузкой и конденсатором возможен бла­годаря подключению так называемого обратного выпрями­теля (моста реактивного тока), образованного из неуправ­ляемых вентилей.

Инвертор тока (рис.2.13,6) получает питание от источни­ка тока, для чего в цепь постоянного тока включена доста­точно большая индуктивность L, и поэтому . Фор­ма выходного тока  определяется только порядком пере­ключения тиристоров, а форма напряжения

 зависит от характера нагрузки. Изображенная на рис.2.13,б форма кри­вой тока  предполагает возможность мгновенного измене­ния тока в цепи нагрузки, что невозможно, если нагрузка инвертора носит индуктивный характер. Однако, если на­грузку зашунтировать конденсатором достаточно большой емкости, то мгновенное изменение тока  оказывается воз­можным. Таким образом, общая нагрузка инвертора тока должна иметь емкостный характер. При этом конденсатор  должен компенсировать не только реактивную мощность на­грузки , но и инвертора. Последнее означает, что при усло­вии мгновенной коммутации тиристоров к запираемому вен­тилю должно быть приложено отрицательное напряжение в течение времени, определяемого углом  и необходи­мого для восстановления его управляющих свойств. На рис.2.13,б изображены кривые напряжения на конденсаторе , которое равно напряжению на нагрузке, и на тиристо­ре .

При регулировании частоты выходного тока необходимо изменять емкость конденсатора  обратно пропорционально квадрату частоты для сохранения постоянства угла

. Это приводит к очень большой величине емкости при низких частотах. Поэтому схема, представленная на рис.2.13,б, практи­чески не применяется, используются более сложные схемы.

В зависи
мости от того, как включен конденсатор по от­ношению к нагрузке, инверторы тока и напряжения разделя­ются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные. В параллельном инверторе (рис.2.13,б) коммутирующий конденсатор подключается параллельно на­грузке.

Последовательные и последовательно-параллельные ин­верторы находят применение в устройствах, где требуется повышенная частота выходного напряжения (2000…50000 Гц). Поэтому далее излагаются принципы работы параллельных инверторов напряжения и тока, используемых для управления электрическими машинами переменного тока.

Автономные тиристорные инверторы в зависимости от ор­ганизации процесса коммутации разделяются на инверторы с междуфазовой, пофазной, групповой, общей и индивидуаль­ной коммутацией. В дальнейшем на примере конкретных схем автономных инверторов рассматриваются некоторые виды коммутаций, нашедших наиболее широкое применение.

Принцип работы, характеристики и анализ электромаг­нитных процессов автономных инверторов рассмотрим снача­ла на примере преобразователя, выполненного на транзисто­рах. Особенности работы, связанные с коммутационными процессами в преобразователе, излагаются при анализе тиристорных инверторов напряжения и тока.

electrono.ru

Инверторы напряжения - это... Что такое Инверторы напряжения?

Инверторы напряжения — инвертором напряжения (по зарубежной терминологии DC/AC converter) называют устройство, преобразующие электрическую энергию источника напряжения постоянного тока в электрическую энергию переменного тока.

  • Инверторы напряжения (ИН) могут применяться в виде отдельного законченного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией переменного тока.[1][2] Потребность в таких устройствах связана с широким внедрением в различных отраслях промышленности и бизнесе компьютерных технологий.[3]
    [4]
    [5] При этом недостаточная надежность сетей переменного тока является основным источником нарушения технологического цикла производственных процессов и связана с большими экономическими рисками. По оценкам специалистов ущерб от «перебоя» электрической энергии в течение одного часа в таких сферах, как финансы (брокерские операции, продажа кредитных карточек), медиа-услуги, исчисляются сотнями тысяч долларов.[6][7]

Свойства инверторов

  • 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 ответственных системах инверторные устройства могут работать в длительном контролируемом режиме параллельно с сетью или независимо от нее.[8][9]
  • Кроме «самостоятельных» приложений, где инвертор выступает в качестве источника питания потребителей переменного тока, широкое развитие получили технологии преобразования энергии, где инвертор является промежуточным звеном в цепочке преобразователей.
Принципиальной особенностью инверторов напряжения для таких приложений является высокая частота преобразования (десятки-сотни килогерц). Для эффективного преобразования энергии на высокой частоте требуется более совершенная элементарная база (полупроводниковые ключи, магнитные материалы, специализированные контроллеры).
  • Как и любое другое силовое устройство, инвертор должен иметь высокий КПД, обладать высокой надежностью и иметь приемлемые массо-габаритные характеристики.[10][11]
Кроме того, ИН длжен иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения (допустимое значение коэффициентов гармоник) и не создавать при работе недопустимый для других потребителей уровень пульсации на зажимах источника энергии.

Работа инвертора

Работа инвертора напряжения (ИН) основана на переключении источника постоянного напряжения с целью периодического изменения полярности напряжения на зажимах нагрузки. Частота переключения «задается» сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером). Контроллер также может решать дополнительные задачи:

  1. регулирование напряжения;
  2. синхронизация частоты переключения ключей;
  3. защитой их от перегрузок; и др.

Методы технической реализации инверторов и особенности их работы

  1. Ключи инвертора должны быть управляемыми (включаются и выключаются по сигналу управления), а также обладать свойством двухсторонней проводимости тока.[12] Как правило такие ключи получают шунтированием транзисторов обратными диодами. Исключение составляют полевые транзисторы, в которых такой диод является внутренним элементом его полупроводниковой структуры.
  2. Регулирование выходного напряжения инверторов достигается изменением площади импульса полуволны. Наиболее простое регулирование достигается регулирование длительности (шины) импульса полуволны. Такой способ является простейшим вариантом метода широтно-импульсной модуляции сигналов (ШИМ).
  3. Нарушение симметрии полуволн выходного напряжения порождает побочные продукты преобразования с частотой ниже основной, включая возможность появления постоянной составляющей напряжения, недопустимой для цепей, содержащих трансформаторы.
  4. Для получения управляемых режимов работы инвертора, ключи инвертора и алгоритм управления ключами должны обеспечить последовательную смену структур силовой цепи, называемых прямой, коротко замкнутой и инверсной.
  5. Мгновенная мощность потребителя пульсирует с удвоенной частотой. Первичный источник питания должен допускать работу с пульсирующими и даже изменяющими знак токами потребления. Переменные составляющие первичного тока определяют уровень помех на зажимах источника питания.

Типовые схемы инверторов напряжения

Существуют большое число вариантов построения схем инверторов.[13][14] Исторически первыми были механические инверторы, которые в эпоху развития полупроводниковых технологий заменили более технологичные инверторы на базе полупроводниковых элементов, и цифровые инверторы напряжения. Но все же, как правило, выделяют три основные схемы инверторов напряжения:

  • Мостовой ИН без трансформатора

Мостовой ИН без трансформатора

Область применения: устройства бесперебойного питания мощностью более 500 ВА, установки с высоким значением энергии (220..360 В).
  • С нулевым выводом трансформатора

Инвертор напряжения с нулевым выводом трансформатора

Область применения: Устройства бесперебойного питания компьютеров мощностью (250.. 500 ВА), при низком значении напряжения (12..24 В), преобразователи напряжения для подвижных систем радиосвязи.
  • Мостовая схема с трансформатором

Мостовой инвертор напряжения с трансформатором

Область применения: Устройства бесперебойного питания ответственных потребителей с широким диапазоном мощностей: единицы - десятки кВА.[15]

Принцип построения инверторов

  • Инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения
Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах гарантируется пропорциональность выходного напряжения. В зависимости от конструктивного исполнения модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий, таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей. В случае неконтролируемых режимов циркуляции реактивной энергии реакция потребителя с реактивными составляющими нагрузки влияет на форму напряжения и его выходную величину.
[16]
[17]
  • Инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой выходного напряжения
Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.
  • Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения
Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора (принципы так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции»).[18][19] Идея этой «многократной» ШИМ заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора коммутируется на высокой частоте (многократно) при широтно-импульсном управлении. Причем длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по синусоидальному закону . Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора.[16]
  • Инверторы напряжения с самовозбуждением
Инверторы с самовозбуждением (автогенераторы) относятся к числу простейших устройств преобразования энергии постоянного тока. Относительная простота технических решений или достаточно высокой энергетической эффективности привело к их широкому применению в маломощных источниках питания в системах промышленной автоматики и генерировании сигналов прямоугольной формы, особенно в тех приложениях, где отсутствует необходимость в управлении процессом передачи энергии. В этих инверторах используется положительная обратная связь, обеспечивающая их работу в режиме устойчивых автоколебаний, а переключение транзисторов осуществляется за счет насыщения материала магнитопровода трансформатора.[20][21] В связи со способом переключения транзисторов, с помощью насыщения материала магнитопровода трансформатора, выделяют недостаток схем инверторов, а именно низкий КПД, что объясняется большими потерями в транзисторах. Поэтому такие инверторы применяются при частотах не более 10 кГц и выходной мощности до 10 Вт. При существенных перегрузках и коротких замыканиях в нагрузке в любом из инверторов с самовозбуждением происходит срыв автоколебаний (все транзисторы переходят в закрытое состояние).

Примечания

  1. Luo, Fang Lin & Ye, Hong (2004), «Advanced DC/DC Converters», CRC Press, ISBN 0-8493-1956-0 
  2. Luo, Fang Lin; Ye, Hong & Rashid, Muhammad H. (2005), «Power Digital Power Electronics and Applications», Elsevier, ISBN 0-12-088757-6 
  3. Pressman 1998, p. 306
  4. DC Power Production, Delivery and Utilization, An EPRI White Paper (PDF). Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012. Page 9 080317 mydocs.epri.com
  5. DC-DC CONVERTERS: A PRIMER. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012. 090112 jaycar.com.au Page 4
  6. Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol. XV, No. 2, 2009: Estimation of Optimum Value of Y-Capacitor for Reducing Emi in Switch Mode Power Supplies
  7. High-efficiency power supplies for home computers and servers. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012.
  8. Maniktala, Sanjaya (2007), «Troubleshooting Switching Power Converters: A Hands-on Guide», Newnes/Elsevier, ISBN 0-7506-8421-6 
  9. Nelson, Carl (1986), «LT1070 design Manual», vol. AN19 publisher= Linear Technology, <http://www.linear.com/docs/4176>  Application Note giving an extensive introduction in Buck, Boost, CUK, Inverter applications. (download as PDF from http://www.linear.com/designtools/app_notes.php)
  10. Irving, Brian T. & Jovanović, Milan M. (2002), «Analysis and Design of Self-Oscillating Flyback Converter», Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf. (APEC), сс. 897–903, <http://www.deltartp.com/dpel/dpelconferencepapers/S19P6.pdf>. Проверено 30 сентября 2009. 
  11. Energy Savings Opportunity by Increasing Power Supply Efficiency. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012.
  12. Foutz, Jerrold. Switching-Mode Power Supply Design Tutorial Introduction. Проверено 6 октября 2008.
  13. Switching Regulators for Poets
  14. Переводчик Google
  15. http://www.compeljournal.ru/images/articles/2009_15_6.pdf
  16. 1 2 MIT open-courseware, Power Electronics, Spring 2007
  17. Switch Mode Power Supplies
  18. Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), «Switching Power Supply Design» (Third ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5 
  19. Rashid, Muhammad H. (2003), «Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications», Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3 
  20. Basso, Christophe (2008), «Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs», McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9 
  21. Erickson, Robert W. & Maksimovic, Dragan (2001), «Fundamentals of Power Electronics» (Second ed.), ISBN 0-7923-7270-0 

См. также

Литература

  • Бушуев В.М., Деминский В. А., Захаров Л.Ф., Козляев Ю.Д., Колканов М.Ф. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. — М.: Горячая линия - Телеком, 2009. — 384 с. — ISBN 978-5-9912-0077-6
  • Китаев В.Е., Бокуняев А. А., Колканов М.Ф. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с.
  • Ирвинг М., Готтлиб Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы.. — 2-е изд. — М.: Постмаркет, 2002. — 544 с. — ISBN 5-901095-05-7
  • Раймонд Мэк Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению. — М.: Додэка-ΧΧΙ, 2008. — 272 с. — ISBN 978-5-94120-172-3
  • Угрюмов Е. П. Теория и практика эволюционного моделирования. — 2-е изд. — СПб: БХВ-Петербург, 2005. — С. 800. — ISBN 5-94157-397-9
  • Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — 128 с. — 60 000 экз.
  • Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3

Ссылки

dic.academic.ru

Преобразователи частоты. Различие между ними.

Настоящим прорывом в области регулируемого электропривода стало появление силовых преобразователей частоты или как их именуют в профильной среде — частотников. Это открытие кардинально изменило подход в проектировании систем электроприводов. Если относительно недавно при проектировании сложных механизмов, где без точного регулирование параметров (скорость, момент) не обойтись, выбирались двигатели постоянного тока — ДПТ, то с появлением частотников привода переменного тока начали активно вытеснять двигатели постоянного тока из данных систем. Даже в тяговых электроприводах асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором вытесняет ДПТ последовательного возбуждения.

Содержание:

Классификация преобразователей частоты

Техническое устройство, преобразующее переменное напряжения  одной частоты на входе, в изменяющееся по определенному закону переменное напряжение, но уже другой частотой на выходе называется преобразователем частоты (ПЧ). Бывают двух типов:

  • Непосредственные
  • Двухзвенные

Непосредственные – это реверсивный тиристорный преобразователь. Главное его достоинство в том, что он подключается напрямую в сеть без дополнительных устройств.

Двухзвенные – представляют собой транзисторный или тиристорный преобразователь. Но главное их отличие от непосредственных преобразователей в том, что для корректной и безопасной работы инвертора необходимо звено постоянного напряжения. Соответственно для подключения их к общепромышленным сетям необходим выпрямитель. Как правило изготавливаются комплектными (инвертор и выпрямитель поставляются вместе и работают от одной системы управления).

Двухзвенные преобразователи частоты

Двухзвенный или как его еще называют со звеном постоянного тока, созданный на базе АИН (автономный инвертор напряжения), содержит в комплекте выпрямитель и фильтр:

ЭМ – электрическая машина, АИН – автономный инвертор напряжения, Lф, Сф – индуктивности и емкости фильтра, fнз – задание частоты выхода инвертора, udз – задание выходного напряжения для выпрямителя, если используются управляемые выпрямители, СУВ, СУИ – системы управления выпрямителем и инвертором соответственно, uнз – задание выходного напряжения инвертора, В – выпрямитель. Пунктиром показаны связи, которые включаются в систему в зависимости от типа устройства.

Для улучшения качества энергии в звене постоянного напряжения и сглаживании пульсаций напряжения и тока используют L-C фильтр. Зачастую он имеют Г – образную схему включения, как показано выше. Также иногда используют фазовый сдвиг в цепи переменного напряжения путем включения обмоток трансформатора в треугольник и звезду:

Данная схема более дорогостоящая и может применяться только при использовании индивидуального трансформатора.

В данной системе выпрямитель может быть управляем или не управляем. Если он управляем, то функция регулирования напряжения ложится на него, если нет, то на АИН. Для рекуперации энергии в сеть выпрямитель должен быть полностью управляем и реверсивен (двухкомплектный). Управление частотным преобразователем производится импульсным методом. Самые распространенные методы это ШИР (широтно-импульсное регулирование) и ШИМ (широтно-импульсная модуляция).

Еще более широкое применение получили автономные инверторы тока (АИТ):

АИТ – автономный инвертор тока, СУИ, СУВ – системы управления преобразователями, УВ – управляемый выпрямитель, Lф – индуктивность фильтра, fнз – задание частоты выходного тока, іdз – задание выходного тока в звене постоянного тока.

В отличии от АИН, где регулируемой выходной величиной является напряжение, в АИТ регулируемой величиной является ток. Немаловажную роль в формировании выходного сигнала заданной частоты является частота коммутации транзисторов или тиристоров. Чем выше частота коммутации, тем лучше качество синусоиды на выходе частотника, но возрастают потери в преобразователе. Ниже приведен результат моделирования работы АИТ (на IGBT транзисторах) на активно-индуктивную нагрузку при различных частотах коммутации:

Частота коммутации 800 ГцЧастота коммутации 2000 Гц 

Частота коммутации 8000 Гц

Как видно из графиков уменьшение частоты коммутации очень плохо влияет на выходное качество тока. Поэтому для каждого устройства необходимо подбирать частоту коммутации частотника соответственно качеству выходного напряжения или тока. Для оптимизации данных процессов на выходе преобразователя частоты иногда ставят L-C фильтр, для сглаживания пульсаций токов и напряжений:

Как видим из схемы —  последовательно подключают индуктивность, для сглаживания пульсаций тока, и параллельно емкость, для сглаживания пульсаций напряжения.

Также работа частотника генерирует высшие гармоники в питающей сети:

Ток двух фаз питающего напряжения

Для уменьшения влияния высших гармоник на сеть используют фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ)

Ниже показаны принципиальные схемы преобразователей частоты.

Автономный инвертор напряжения с управляемым выпрямителем

Тиристоры VS1-VS6 выполняют роль выпрямителя. Транзисторы VT1-VT6 преобразуют постоянное напряжение в переменное заданной частоты. Диоды VD1-VD6 защищают транзисторы от перенапряжений, а также играет роль обратного выпрямителя при торможении машины. Транзистор VT7 выполняет роль ключа для резистора торможения Rб. При увеличении напряжения на емкости Сф выше заданного, транзистор VT7 открывается и вводится в работу тормозной резистор Rб, на котором рассеивается энергия переданная от электрической машины. При глубоком регулировании VD0 повышает коэффициент мощности выпрямителя.

Данный ПЧ не может рекуперировать энергию в сеть, а также насыщает выходное напряжение высшими гармониками и усложняет систему управления из-за необходимости управления УВ. При исполнении УВ двухкомплектным, рекуперирует энергию в сеть, но усложняет систему и делает ее более дорогостоящей. В настоящее время является устаревшим.

Автономный инвертор напряжения с неуправляемым выпрямителем

Диоды VD7-VD12 выполняют роль выпрямителя. Транзисторы VT1-VT6 преобразуют постоянное напряжение в переменное заданной частоты. Диоды VD1-VD6 защищают транзисторы от перенапряжений, а также играет роль обратного выпрямителя при торможении машины. Транзистор VT7 выполняет роль ключа для резистора торможения Rб. За счет использования ШИМ происходит регулирование амплитуды выходного напряжения и его частоты.

При использовании неуправляемого выпрямителя  для торможения двигателя АИН переводится в режим управляемого выпрямителя, работающего таким образом, что напряжение на емкости Сф выше заданного, несмотря на уменьшение скорости вращения двигателя. При увеличении напряжения на емкости Сф открывается транзистор VT7 и энергия выделяемая электродвигателем гасится на тормозном резисторе.

Данный способ торможения получил названия инверторного торможения, хотя инвертирования на самом деле нет. Это связано с тем, что термин динамическое торможение для систем с асинхронным двигателем занят, под ним понимается пропускания постоянного тока через обмотки двигателя.

Главным недостатком такой системы есть отсутствие возможности рекуперировать энергию в сеть, но она получила широкое применение для систем, где не требуется частое торможение.

Рекуперирующий двухзвенный преобразователь частоты на основе обратимого преобразователя напряжения

ОПН – обратимый преобразователь напряжения. В данной схеме имеется два ОПН. ОПН1 работает в выпрямительном режиме и передает энергию через ОПН2, работающий в инверторном режиме, к двигателю. При торможении ОПН2, подключенный к двигателю переходит в выпрямительный режим, а ОПН1, подключенный к сети, в инверторный режим. При этом происходит рекуперация энергии в сеть. Если задать схеме управления на входе cosφ = ± 1, то во всех режимах при регулировании и торможении двигателя из сети будет потребляться или в сеть будет отдаваться практически только активная мощность, а ток будет практически синусоидален, что определяет минимальное вредное влияние на питающую сеть. Эти преобразователи на сегодняшний день являются самыми близким к идеальным.

Ниже приведена функциональная схема данного устройства:

В схеме имеются следующие элементы: ОПН1, подключенный к сети, ОПН2, подключенный к двигателю, датчики тока и напряжения ДТ1 и ДН1 на стороне сети и ДТ2 и ДН2 на стороне постоянного напряжения. Требуемая мощность на стороне постоянного напряжения определяется измерением средних значений Ud и Id, а затем и мощности Pd с помощью вычислителя ВМ, куда поступают сигналы с ДН2 и ДТ2 через фильтр Ф. По действующему значению напряжения сети U1, определенному с помощью вычислителя напряжения ВН, и с учетом заданного угла φ1 определяется ток I1зад, обеспечивающий заданную мощность. Блок ФСН формирует синусоидальное напряжение, повторяющее напряжение сети, а блок «φ1» формирует заданную синусоиду с учетом фазового сдвига φ1. В блоке «ЗАД i1» формируется заданная синусоида тока. В модуляторе М она сравнивается с сигналом датчика тока ДТ1 i1, и формируются управляющие импульсы, которые через усилитель мощности УМ поступают на транзисторы. Блок НТ определяет направление тока (выпрямительный или инверторный режим). Блок выбора режима ВР в соответствии с сигналом от НТ задает угол φ1.

Преимущества двухзвенного рекуперирующего ПЧ: независимость выходной частоты от входной, возможность получения высокого коэффициента мощности на стороне сети. К недостаткам можно отнести: высокая стоимость, сложность системы управления.

Рекуперирующие двухзвенный преобразователь частоты на основе инверторов тока

Автономный инвертор тока, преобразовывает постоянный ток, подаваемый на его вход, в пропорциональный по величине переменный ток. Режим источника тока на входе обеспечивается за счет большой индуктивности L и применения токостабилизирующей обратной связи, поддерживающей заданное значение тока Idз. АИТ выполнен по схеме с отсекающими диодами. Рекуперация энергии при торможении в АИТ возможна при сохранении направления тока за счет сдвига токов и напряжений, т.е. переводом АИТ в режим выпрямления за счет сдвига управляющих импульсов относительно фазных ЭДС электрической машины.

Энергия, передаваемая от электрической машины на сторону постоянного напряжения, должна быть далее передана в сеть переменного напряжения. Для этого управляемый выпрямитель на входе ПЧ должен быть переведен в инверторный режим. При этом сохраняется направление тока и не требуется установка дополнительного комплекта вентилей. Схема применяется в двигателях достаточно большой мощности. Недостатками схемы являются ее не очень хорошие характеристики, поэтому она не является перспективной.

Появление запираемых тиристоров позволило улучшить характеристики ДПЧ на основе АИТ.

Формирование выходного тока осуществляется совместно управляемым выпрямителем и автономным инвертором тока.

Показана временная диаграмма, отражающая моменты включенного и выключенного состояний тиристора V1. На участке соответствующим зоне 2, ключ V1 включен постоянно, и ток сглаживающего дросселя непрерывно поступает в фазу А двигателя. Для формирования тока в зонах 1 и 3 необходимо соответствующим образом переключать тиристоры. Для обеспечения нарастания и спадания тока (зоны 1 и 3) обычно используется два метода – трапецеидальный и метод выборочного исключения гармоник.

При использовании первого метода моменты коммутации ключей АИТ определяются по пересечению линейно нарастающего сигнала и опорного сигнала пилообразной формы следующего с несущей частотой, при втором методе моменты коммутации ключей рассчитываются заранее исходя из условия подавления высших гармоник определенного порядка (5 и 7 и т.д.). В этой схеме улучшается синусоидальность тока, протекающего по фазам двигателя. Но сохраняются все недостатки, возникающие при питании от сети управляемых выпрямителей напряжения. Преобразователи частоты на основе инверторов тока наиболее применимы в электроприводе синхронных машин, где на выходе вместо автономного инвертора тока включается инвертор тока, ведомый электрической машиной.

Таким образом, на входе и на выходе ПЧ включаются однокомплектные рекуперирующие преобразователи (ОРП) на тиристорах. При этом ведомый инвертор полностью аналогичен выпрямителю, подключенному к сети. Коммутация вентилей ведомого инвертора осуществляется за счет ЭДС электрической машины.При низкой скорости вращения электрической машины эта ЭДС недостаточна для коммутации вентилей. Поэтому при пуске коммутация осуществляется путем прерывания тока в цепи постоянного тока включением и запиранием выпрямителя.


Непосредственные преобразователи частоты

При использовании НПЧ напряжение из сети подается через управляемые вентили на двигатель. В каждой фазе НПЧ установлен реверсивный двухкомплектный преобразователь с совместным или раздельным управлением силовыми комплектами.

На рис. 1а приведена схема трехфазно-однофазного НПЧ на основе трехфазных нулевых схем. Он преобразует трехфазное напряжение в однофазное, но с регулируемой частотой.Комплекты В и Н переключаются, и на выходе получается двуполярное напряжение. Для управления преобразователями используют определенные законы управления — прямоугольный и синусоидальный. Если используют прямоугольный принцип управления, то алгоритм работы будет таков: при прохождении одной полуволны напряжения, на один из комплектов подаются управляющие импульсы с углом управления (углом задержки) a = const. Этот комплект будет работать в режиме выпрямителя, а затем с углом управления (углом опережения) b = a. Чтоб снизить ток необходимо перейти в инверторный режим (рис. 1 б). Для избежания короткого замыкания в самом инверторе необходимо чтоб ток снизился до нуля – это называется бестоковой паузой. После осуществления бестоковой паузы в работу включается второй комплект.

Если используют синусоидальное управление, то гладкая составляющая выходного напряжения должна изменятся по синусоидальному закону, для этого угол управления a непрерывно меняется (рис. 1 в).

Рисунок 1. 

Схема трехфазно-трехфазного НПЧ, выполненного на основе трехфазных мостовых схем. Ниже приведена схема.

Данный тип преобразователей не получил широкого применения из-за ряда недостатков при его применении. А это: невозможность полного регулирования выходной частоты (при использовании трехфазных мостовых схем диапазон регулирования 25-45 Гц, а при нулевых 15-45 Гц). Постоянная коммутация вентилей, что приводит к ухудшению коэффициента мощности, а также плохое качество выходного напряжения и большое влияние на питающую сеть.

Преимуществом можно признать то, что у таких преобразователей более высокий КПД, из-за однократного преобразования энергии.

Наиболее распространены преобразователи частоты на базе АИТ и АИН на IGBT транзисторах, в силу лучших показателей качества энергии на выходе преобразователя и их влияния на сеть.

elenergi.ru

Что такое инвертор напряжения: применение и схема управления

Содержание:

  1. Определение инвертора напряжения
  2. Практическое применение
  3. Принцип работы инверторных устройств
  4. Схема управления
  5. Основные типы преобразователей
  6. Форма выходного напряжения
  7. Напряжение холостого хода в сварочных инверторах

Довольно часто возникают ситуации, когда требуется получить переменный ток путем преобразования постоянного тока. Для этих целей существует специальный прибор – инвертор напряжения, в котором находится встроенный микропроцессор, позволяющий автоматически выбрать необходимый режим работы, преобразованием напряжения в сети. Он может постоянное напряжение в 12 или 24 Вольт, которое производит аккумуляторная батарея, преобразовывать в стандартное 220 Вольт для работы большинства электроприборов. Таким образом, инвертор напряжения служит для приборов, использующих стандартную электросеть, бесперебойным источником питания.


Определение инвертора напряжения

Инвертор напряжения, в том числе и сделанный своими руками — неотъемлемая часть различных генераторов, использующих энергию течения или падения воды, силу ветра или солнечное излучение. С помощью него все виды энергии могут преобразовываться в обыкновенные для бытовых приборов параметры напряжения в 220 вольт из напряжения 12В или из трёхфазного. Таким образом, данные приборы выполняют преобразование постоянного напряжения с одной величиной, в переменное напряжение с требуемой величиной.

По своей сути схема инвертора напряжения сама является генератором, с помощью которого можно подобрать и получить периодически изменяющееся напряжение. В отличие от стабилизаторов, выходные напряжения могут иметь синусоидальную, близкую к синусоидальной или импульсную формы. На практике эти устройства используются как самостоятельные устройства, или в качестве какой-то отдельной части в системах бесперебойного электроснабжения.

Пользу смогли оценить по достоинству обитатели регионов, которые испытали веерные отключения электроэнергии. Незаменим автономный инвертор напряжения в условиях стихийных бедствий. Очень важно его присутствие в медицинских и детских учреждениях, для безопасности банков, хранилищ, складов.


Применение инвертора на практике

Выбирая инвертор напряжения, следует помнить, что он поможет и освещение обеспечить при необходимости, и телевизор посмотреть, и даже чайник вскипятить. Для тех, кто вынужден длительное время проводить в дороге, автомобильный инвертор своими руками незаменимое устройство, позволяющее пользоваться обычными бытовыми приборами в поездках.

В большинстве случаев инверторы напряжения используются как запасные фазные источники электропитания. Если ток в розетке пропадает, приборы тут же начинают работать от аккумулятора в обычном режиме. Подача электроэнергии восстановилась — инвертор переходит к зарядке аккумулятора, при этом, не мешая приборам нормально работать от сети. При этом он беспрерывно контролирует ситуацию.

Особую популярность данные устройства приобрели при совместном использовании с компьютерными системами. В этом случае электроснабжение становится непрерывным, даже при внезапном исчезновении сетевого напряжения. В ход идет резервный аккумулятор, обеспечивающий корректное завершение работы и выключение компьютера.

Существуют большие источники бесперебойного питания АИН, оборудованные мощными инверторами с высокой емкостью аккумуляторов. Они способны подавать энергию потребителю в автономном режиме в течение нескольких часов. При возвращении сети в нормальный рабочий режим происходит автоматическое переключение потребителей на нормальное электроснабжение, а аккумуляторы переходят в режим зарядки.

Если же напряжение, которое выдает аккумулятор, падает ниже допустимого предела, в этом случае также начинается его подзарядка. При отсутствии такой возможности — просигнализирует о прекращении подачи электроэнергии и перейдёт в режим ожидания, до возобновления подачи электроэнергии.


Принцип работы инверторных устройств

Современные технологические схемы, связанные с преобразованиями электроэнергии, предполагают использование инверторов в качестве промежуточного звена совместно с другими устройствами. Их основной функцией является преобразование напряжения с высокой частотой трансформации, составляющей несколько десятков или даже сотен килогерц.

Подобная задача с технической точки зрения в настоящее время решается достаточно легко, поскольку принцип работы инверторов основан на полупроводниковых ключах, устойчивых к высоким токам. Специально для этих устройств были разработаны магнитопроводы с нужными параметрами и различные типы электронных микроконтроллеров.

Технические характеристики и физические свойства инверторов примерно такие же, как и у других компонентов, в том числе и силовых устройств. Они отличаются надежностью, высоким коэффициентом полезного действия, минимальной массой и габаритными размерами. Каждый такой прибор должен выдерживать все параметры входного напряжения. Импульсные помехи на выходе находятся в разумных пределах и не создают проблем потребителям.


Схема управления

В каждом инверторе имеются полупроводниковые ключи с обратными шунтирующими диодами в виде моста мостовая схема. Для управления данными элементами используется специальный контроллер. Регулировка и расчет выходного напряжения осуществляется автоматически, в соответствии с мощностью текущей нагрузки. С этой целью изменяется ширина импульса в преобразователе высокой частоты. Данный процесс известен в качестве широтно-импульсной модуляции – ШИМ.

Выходное напряжение низкой частоты отличается симметричными полуволнами за счет постоянной ширины импульса низкочастотного блока.

Выходные ключи инвертора управляются путем специального алгоритма, при котором происходит последовательная смена структур в силовой цепи. За прямой структурой идет короткозамкнутая и далее – инверсная. Таким образом, мгновенная мощность выходной нагрузки инвертора представляет собой пульсации, протекающие с удвоенной частотой. В связи с этим режим работы первичного источника при прохождении через него пульсирующих токов, должен учитывать расчет определенных помех, образующихся на входе инвертора.


Основные типы преобразователей

Все преобразователи напряжения с 12 до 220В разделяются на несколько типов:

  • Первый вариант осуществляет превращение напряжения 12 вольт в 220. Пользуются популярностью у автолюбителей из-за возможности подключения телевизоров, пылесосов и других стандартных электротехнических устройств.
  • Во втором варианте, наоборот, инверторы 220 вольт преобразуют в 12. В основном используется в сложных эксплуатационных условиях, обеспечивая электробезопасность. Например, в специальном оборудовании, предназначенном для помещений с повышенной влажностью.
  • Третий инвертор тока по своей сути является стабилизатором, выполненным на основе двух инверторов. Вначале происходит преобразование 220 вольт в 12, а затем эти 12В вновь преобразуются в 220. В результате двойного преобразования на выходе получается напряжение с идеальной синусоидой. Бытовая техника и оборудование, у которых микросхема с электронным управлением надежно работают совместно с такими преобразователями. Данное устройство используется как стабилизатор напряжения для сварочного инвертора.

Все инверторы имеют три рабочих режима – пусковой, длительный и перегрузочный. В первом случае мощность нагрузки лишь на доли секунды в два раза превышает номинал устройства. Во втором случае нагрузка соответствует номиналу выбранного прибора. В режиме перегрузки расчет мощности подключенных потребителей может быть выше номинала в 1.3 раза. Подобный режим модель среднего инвертора выдерживает около 30 минут.


Форма выходного напряжения

В разных инверторах напряжение на выходе отличается по форме. Если это прямоугольник, то расчет коммутации группы ключей, дополненных обратными диодами, осуществляется таким образом, чтобы на нагрузке возникло переменное напряжение и обеспечивался контроль над режимом циркуляции в цепях реактивной энергии.

Выходное напряжение становится пропорциональным за счет относительной продолжительности импульсов управления или между сигналами, управляющими группами ключей, сдвигаются фазы. Если же циркуляция реактивной энергии находится вне зоны контроля, в этом случае величина и форма напряжения находятся под непосредственным влиянием потребителя.

Преобразователь напряжения, имеющий на выходе ступенчатую форму, с помощью предварительного преобразователя высокой частоты, производит формирование ступенчатой однополярной кривой напряжения. По своей форме она приближена к синусоиде, у которой полный период составляет половину периода напряжения на выходе. Далее, под влиянием низкочастотной мостовой схемы однополярная ступенчатая кривая становится двумя стабилизированными половинками кривой с разной полярностью, форма которой приблизительно напоминает синусоиду.


Напряжение холостого хода в сварочных инверторах

При использовании преобразующих устройств в практических целях, встречается такое понятие, как напряжение холостого хода сварочного инвертора. Данное состояние образуется за счет изменения напряжения 220 или 380 вольт с частотой 50 Гц, то есть может использоваться и трехфазный инвертор напряжения. Вначале оно становится напряжением постоянного тока, а затем вновь превращается в переменное, но уже с высокой частотой на выходе – в пределах 20-50 кГц.

Далее осуществляется расчет и подача этого высокочастотного напряжения к регулятору. Данный элемент поддерживает нужный уровень тока и напряжения, необходимых для зажигания дуги. Напряжение холостого хода не опасно при случайном касании токоведущих частей во время работы со сваркой, тогда как завышенное напряжение может вызвать серьезные негативные последствия.

electric-220.ru

8.3. Инверторы тока

До промышленного изготовления управляемых силовых электронных ключей импульсная модуляция в инверторах тока практически не применялась. Использование полностью управляемых ключей (тран­зисторов, запираемых тиристоров и других электронных приборов) позволяет успешно осуществлять импульсную модуляцию в инверторах тока и напряжения [3]. Возможность использования практически идентичных методов модуляции в схе­мах инверторов тока и напряжения обусловлено дуальностью этих схем. След­ствием дуальности является идентичность процессов изменения выходного тока в инверторах тока и выходного напряжения в инверторах напряжения при импульс­ной модуляции.

Существенное различие в алгоритмах, реализующих импульсную модуляцию в схемах инвертора напряжения и инвертора тока, заключается в организации нулевых пауз для выходного напряжения или тока. Например, интервалы нуле­вого напряжения в однофазном мостовом инверторе напряжения (см. табл. 8.1) формируются переводом в проводящее состояние ключей S1 и S3 или S4 и S2 и выключением ключей S4, S2 или S1, S3 соответственно (см. рис. 8.3). При этом нагрузка шунтируется и отключается от источника напряжения Ud на стороне постоянного тока. Такая коммутация ключей не допустима в инверторе тока, (рис. 8.10), так как в его схеме на стороне постоянного тока включен реактор Ld с током id посту­пающим в нагрузку, и разрыв этой цепи приводит к недопустимым перенапряже­ниям, равным . На рис. 8.10, а представлена однофазная мостовая схема инвертора тока, выполненная на ключах однонаправленной проводимости (запи­раемых тиристорах) или дополненных последовательными диодами, защищаю­щими управляемый ключ, например транзистор, от воздействия обратных напря­жений. Эквивалентная схема для установившегося режима работы инвертора приведена на рис. 8.10, б, где источник напряжения Ud и реактор Ld представлены источником тока Id, а вентильная часть — источником с противо-ЭДС Uпэ. Интер­вал времени, в котором ток имеет нулевое значение в цепи нагрузки а-b, может быть создан одновременным включением ключей S1, S4 или S3, S2.

а б

Рис. 8.10. Однофазная мостовая схема инвертора тока

При этом в них протекает ток Id , а напряжение Uпэ становится равным нулю, т. е. источник тока Id шунтируется проводящими ключами. Поскольку в цепях нагрузки могут содержаться индуктивности, то для поглощения их энергии в схеме необходимо включать конденсаторы. Таким образом, в токе нагрузки возможно создать по определенному алгоритму интервалы тока со значениями: 0, Id и - Id. Применяя различные методы синусоидальной модуляции тока, аналогичные для инверторов напряжения, можно обеспечить синусоидальность переменного тока в инверторах тока. Для снижения в спектральном составе тока высших гармоник, обусловлен­ных модуляцией, также используются «легкие» выходные LC - фильтры, но с под­ключением конденсаторов на стороне переменного тока инверторного моста. На рис. 8.11 показана форма выходного тока в однофазном инверторе тока при сину­соидальной ШИМ.

Рис. 8.11. Выходной ток однофазного инвертора тока при синусоидальной модуляции

Однофазные инверторы тока широкого практического применения не полу­чили. Однако трехфазные инверторы тока, схема которого приведена на рис. 8.12, успешно используются в электроприводе средней и большой мощности. Поэтому обеспечение синусоидальности напряжения на их выходе является актуальной задачей, которая может решаться методами синусоидальной ШИМ тока, принцип реализации которых рассмотрен на примере однофазной мостовой схемы.

Рис. 8.12. Упрощенная схема трехфазного инвертора тока

В табл. 8.3 приведены состояния ключей и токи фаз в схеме трехфазного инвертора тока, при синусоидальной модуляции выходных токов.

Таблица 8.3

Состояние ключей и напряжений фаз а и b схеме трехфазного инвертора тока (0 — выключенное состояние ключа, 1 — включенное)

Номер

Состояние ключей

Значения токов

состояния

S1

S3

S5

S4

S6

S2

ia

ib

ic

I

1

0

0

0

0

1

Id

0

-Id

II

0

1

0

0

0

1

0

Id

-Id

III

0

1

0

1

0

0

-Id

Id

0

IV

0

0

1

1

0

0

-Id

0

Id

V

0

0

1

0

1

0

0

-Id

Id

VI

1

0

0

0

1

0

Id

-Id

0

VII

1

0

0

1

0

0

0

0

0

VIII

0

1

0

0

1

0

0

0

0

В отличие от инвертора напряжения, в трехфазном инверторе тока могут иметь место три состояния (VII, VIII, IX), в которых токи фаз равны нулю. Это отличие вытекает из принципа формирования интервалов тока с нулевыми значениями каж­дым из трех плеч инверторного моста.

Другим существенным отличием инвертора тока от инвертора напряжения является то, что в инверторе тока значение выходного напряжения непосред­ственно зависит от нагрузки. Для ее регулирования можно использовать разные способы, включая изменение индекса модуляции Ма.

Следует отметить, что формирование интервалов с нулевыми значениями токов можно эффективно использовать для селективного подавления отдельных гармоник в спектре выходного тока (рис.8.13), подобно тому как это делается в инверторах напряжения.

Рис. 8.13. Диаграмма избирательного исключения из спектрального состава выходного напряжения однофазного инвертора тока 3-й и 5-й гармоник

На рис. 8.13 представлена диаграмма избирательного подавления 3-й и 5-й гармоник тока в однофазном инверторе тока.

studfile.net

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о