Общие сведения об инверторах и конверторах

Первичные источники вырабатывают электрическую энергию постоянного тока одного напряжения. Для функционирования устройств электроники необходимо напряжение постоянного и переменного тока разного значения. Для его получения используют преобразователи постоянного напряжения, которые формируют либо требуемое переменное напряжение, либо постоянное напряжение заданного значения, либо несколько постоянных напряжений разных значений.

Преобразователи, у которых на выходе есть переменное напряжение, называют инверторами. Преобразователи, имеющие на выходе постоянное напряжение одного или нескольких значений, называют конверторами.

Основными элементами инверторов и конверторов являются транзисторы и тиристоры, работающие в вентильном режиме «открыто-закрыто», которые периодически прерывают ток или изменяют его направление. Благодаря этому КПД инверторов и конверторов может достигать 99 %.

Инверторы

Инверторы классифицируют по ряду признаков:

- по типу коммутирующих устройств (тиристорные и транзисторные);

- по принципу коммутации (ведомые питающей сетью и автономные инверторы);

- по роду преобразуемой величины (инверторы тока и инверторы напряжения).

Тиристорные инверторы – это инверторы большой мощности; транзисторные инверторы выполняют на малую и среднюю мощность, не превышающую нескольких киловатт.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

На рисунке 15.23 представлена схема такого инвертора, являющегося однофазным двухполупериодным инвертором с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол управления α < 90 ⁰(рисунок15.23 б). При α = 90 ⁰ среднее значение напряжения равно нулю.

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток i₁ и напряжение u₁ находились в противофазе. Это возможно, если тиристоры поочерёдно будут открываться при отрицательной полярности напряжений u_2a и

u_2b, т.е. происходит поочерёдное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е. Однако, если очередной тиристор открывать точно при угле управления

α =180 ⁰, то в такой ситуации второй тиристор не успевает закрыться (ему необходимо для этого определённое время) и создаёт короткое замыкание по цепи вторичной обмотки трансформатора, электрическое сопротивление которой очень мало.

Это явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Для устранения срыва инвертирования делают угол управления α меньше 180 ⁰ на угол, называемый углом опережения открытия тиристора. Закрытие и открытие тиристоров происходит под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Отсюда и термин инвертор, ведомый сетью.

 

Рисунок 15.23 - Схема однофазного двухполупериодного инвертора, ведомого сетью,

работающего выпрямителем (а); и графики изменения изменения

напряжении во времени при фиксированных углах управления α.

 

 

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоянного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие электроэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекуперацией.

Наиболее экономичным является применение так называемых реверсивных преобразователей. В этом случае тиристоры инвертора включают в две трёхфазные группы обмоток I и II, которые соединены «зигзагом». Выходы преобразователей соединяют с зажимами машины постоянного тока встречно, т.е. нейтральную точку О₁ группы обмоток I подключают к зажиму «-«машины, а нейтральную точку О₂ группы обмоток II - к зажиму «+». При таком соединении группа обмоток I работает в выпрямительном режиме, а группа обмоток II – в инверторном режиме, который обеспечивает генераторное торможение двигателя. Для изменения направления вращения двигателя (реверс) изменяют функции групп обмоток: I группа обмоток работает как инвертор, а II группа – как выпрямитель.

Для обеспечения надёжной работы реверсивного преобразователя нельзя допускать увеличения напряжения генератора постоянного тока и уменьшения напряжения сети переменного тока. В противном случае, увеличится время коммутации тиристоров, что может привести к короткому замыканию через обмотки трансформатора. Таким образом, в реверсивном преобразователе необходимы регуляторы напряжения питающей сети и напряжения генератора постоянного тока.

 

Рисунок 15.24 - Схема реверсивного преобразователя для электропривода

постоянного тока

 

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо:

1) Получить переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии – топливные элементы, МГД – генераторы, термо- и фотоэлектрические генераторы, контактная сеть электрического транспорта постоянного тока, аккумуляторы и т.д.;

2) преобразовать переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты, например, в частотных преобразователях для асинхронных и синхронных двигателей;

3) получить переменный ток высокой частоты для электротермических установок, с помощью которых плавят металлы, нагревают и закаливают изделия, производят сушку зерна и зерновых продуктов и т.д.

Автономные инверторы классифицируют как автономные инверторы тока (АИТ),

автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). В АИТ источник питания работает в режиме источника тока, в АИН источник питания работает в режиме источника напряжения, а в АИР источник питания работает в режиме резонанса токов или напряжений.

Для устойчивой работы АИТ используют «отсекающие» диоды, схема такого инвертора представлена ниже. Диоды используют для недопущения работы инвертора в режиме холостого хода. Они включены между конденсатором С_К и первичной обмоткой трансформатора и исключают возможность разряда конденсатора через трансформатор.

Рисунок 15.25 - Схема автономного инвертора тока с «отсекающими» диодами

 

Для улучшения формы выходного переменного напряжения применяют мостовые инверторы. Схема однофазного мостового инвертора показана ниже.

 

Рисунок 15.26 - Принципиальная схема однофазного автономного инвертора напряжения

 

Тиристоры в этой схеме включаются попарно через активно-индуктивную нагрузку Z_Н. При переключении тиристоров ток через нагрузку плавно уменьшается до нуля какое-то время и лишь затем ток меняет своё направление на обратное. В этот период времени работавшие тиристоры уже закрыты, а другая пара тиристоров уже открыта и существующий ток нагрузки для них имеет противоположное направление, что может привести к повреждению тиристоров. Включённые параллельно тиристорам в обратном направлении диоды как раз и предназначены для того, чтобы пропустить этот обратный ток нагрузки. Поэтому диоды называют обратными.

 

Конверторы

Конвертором называют преобразователь постоянного тока одного напряжения в постоянный ток, имеющий другое значение напряжения.

В основном применяют два типа конверторов:

1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;

2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением бывают малой и средней мощности. Структурная схема такого преобразователя изображена ниже.

 

Рисунок 15.27 - Структурнаясхема преобразователя постоянного

напряжения с самовозбуждением

 

Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до нужного значения. После выпрямления в выпрямителе В оно подаётся на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Z_Н.

В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы с общим эмиттером, включаемым по двухтактной схеме.

 

Рисунок 15.28 - Релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы

с трансформаторной положительной обратной связью

 

Для обеспечения прямоугольной формы генерируемых колебаний материал магнитопровода трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы. Частота переменного тока на выходе релаксационного генератора может достигать значений близких к 50 кГц. Поэтому силовые диоды для выпрямителя необходимо выбирать с учётом частоты переменного тока. В противном случае при выпрямлении напряжений с крутыми фронтами диоды теряют свои выпрямительные свойства и возможна потеря работоспособности конвертора.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение путём изменения параметров входных импульсов. Чаще всего применяют широтно-импульсную (ШИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ) модуляцию при регулировании. ШИМ – это изменение длительности импульсов, а ЧИМ – изменение частоты импульсов.

Рисунок 15.29 - Схема (а) и динамические диаграммы тока нагрузки (б)

импульсного однотактного преобразователя постоянного напряжения

 

В качестве ключа используется тиристор. Между нагрузкой Z_Н и тиристором включён сглаживающий LC-фильтр. Диод необходим для пропускания тока нагрузки при выключенном тиристоре. Принцип действия данного ИППН таков: когда тиристор открыт, всё напряжение U₀ поступает на сглаживающий фильтр и далее на нагрузку Z_Н; при этом диод VD не пропускает ток; когда тиристор закрыт, ток через нагрузку проходит за счёт энергии накопленной в конденсаторе С_Ф и в катушке L_Ф.

Однотактные ИППН работают при мощности не более 100 кВт. Если требуется мощность больше, то используют многотактные ИППН, которые содержат несколько параллельно включённых однотактных ИППН. Для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры включают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/n (n – количество однотактных ИППН). Поэтому тиристоры работают поочерёдно или с некоторым перекрытием.

В качестве примера ИППН ниже приведена схема импульсного источника питания, реализованная на микросхеме VIPerX7.

 

Рисунок 15.30 - Принципиальная электрическая схема ИППН с обратной связью

Зависимый от сети инвертор при трехфазной однополупериодной схеме преобразования. Основные соотношения по выбору элементов схемы.

Однофазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель при идеальных и реальных параметрах элементов схемы. Основные соотношения по выбору элементов схемы. Преимущества и недостатки схемы.

Если энергия передается от сети к нагрузке, то преобразователь является управляемым выпрямителем; если энергия передается от источника постоянного тока в сеть, то преобразователь называют ведомым сетью инвертором.

Зависимые инверторы (другое название – инверторы, ведомые сетью) требуют наличия внешних источников переменного напряжения. Такие инверторы используют в электроприводах.

Инвертор – устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т. е. выполняет функцию, обратную той, которую выполняет выпрямитель.

 

 

 

В УВ можно организовать режим работы, при к-ом энергия будет передаваться от сети пост тока в сеть. Условия этого режима:

1. в нагрузке должна быть включена большая L

2. должен отсутствовать обратный диод

3. ЭДС нагрузки должна быть направлена согласно с U на выходе УВ.

Такие условия возникают в реверсивных УВ. Показателем потребления энергии служит фазовый сдвиг на 180⁰ I₁относит-но U₁. Это означает, что тиристор в режиме инвертирования должен находится в открытом состоянии при отрицательной полярности U вторичных обмоток транса. Т2-при отрицат полярности U₂₂, а Т1-при отрицат поляр­ности U₂₁ (гр (б)). При таком режиме отпирания происходит поочередное подключение транса ч/з дроссель Ld к источнику пост тока Þ происходит преобразование пост тока в переменный, и передача энергии в сеть.

Запирание ранее проводившего тиристора при отпирании другого происходит под действием Uобр., к-ое создается U-ем сети со стороны вторичных обмоток транса. При к ранее проводившему тиристору будет приложено Uобр.=SU-ий вторичных обмоток. Значение Ða должно быть меньше 180⁰ на Ðb. b=p-a. Если тиристор отпирать при b=0, то ранее проводящий тиристор останется в открытом состоянии – опрокидывание инвертора. Для перехода из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо обеспечить протекание тока ч/з тиристоры при отрицат-ой полярности вторичных U-ий, проводя их отпирание с углом опережения b.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = Ud · Id преобразователя. Поскольку ток Id не может изменить своего направления из-за односторонней проводимости тиристоров, изменение знака мощности достигается за счет изменения знака напряжения Ud. Для этого необходимо обеспечить увеличение угла управления до α > 900. Рассмотрим кратковременный режим инвертирования (ключ К на рис. замкнут).

Пусть в некоторый момент времени угол управления скачком изменяется от a1< 900 до a2> 900. Тогда, благодаря большой постоянной времени нагрузки, ток id в течение некоторого времени (до момента wtэм) протекает в прежнем направлении при отрицательной полярности напряжения Udи. В момент wtэм энергия в индуктивности полностью израсходована и ток id= 0. При wt>wtэм имеет место режим прерывистого тока, при котором Ud= 0. В течение интервала с отрицательным значением Udэнергия, накопленная в индуктивности отдается в сеть – имеет место кратковременный режим инвертирования.