Инвертор напряжения

Схема инвертора напряжения

Наиболее распространённая схема инвертора напряжения состоит из четырех IGBT транзисторов VT₁…VT₄, включенных по схеме моста, и четырех обратных диодов, обозначенных VD₁…VD₄, параллельно соединенных с управляемыми полупроводниковыми ключами во встречном направлении. Преобразователь питает активно-индуктивную нагрузку. Именно она является самой распространенной, поэтому была взята за основу.

Входные клеммы инвертора подключаются к U_ип. Если таким источником служит диодный выпрямитель, то выход его обязательно шунтируется конденсатором C.

В силовой электронике наибольшее применение нашли транзисторы с изолированным затвором IGBT (именно они показаны на схеме) и GTO, IGCT тиристоры. При оперировании меньшими мощностями вне конкуренции полевые транзисторы MOSFET.

В момент времени t₁ открываются VT₁ и VT₄, а VT₂ и VT₃ – закрыты. Образуется единственный путь для протекания тока через нагрузку: «+» U_ип – VT₁ – нагрузка R_нL_н – VT₄ – «-» U_ип. Таким образом, на интервале времени t₁ ‑ t₂ создается замкнутая цепь для протекания i_н в соответствующем направлении.

Режим работы схемы

Для изменения направления i_н снимаются управляющие импульсы с баз VT₁ и VT₄ и подаются сигналы на открытие второго и третьего VT_2,3. В точке t₂ на оси времени t, первый и четвертый VT_1,4 закрыты, а второй и третий – открыты. Однако, поскольку нагрузка активно-индуктивная, то i_н не может мгновенно изменить направление на противоположное. Этому будет препятствовать энергия, запасенная на индуктивности L_н. Поэтому он будет сохранять прежнее направление до тех пор, пока не рассеется все энергия, запасенная на индуктивности в виде магнитного поля, равная W_м = (L_н∙i2)/2.

В связи с этим, на отрезке времени t₂ – t₃ ток будет протекать через диоды VD₂ и VD₃, сохраняя прежнее направление на R_нL_н, но пройдет в обратном направлении через U_ип или конденсатор C, если источником энергии является диодный выпрямитель. Поэтому следует обязательно установить конденсатор C, если преобразователь подключен к диодному выпрямителю. Иначе прервется путь протекания i_н, в результате чего возникнут сильное перенапряжение, которое может повредить изоляцию потребителя и выведет из строя полупроводниковые приборы.

В момент времени t₃ вся запасенная на индуктивности энергия снизится до нуля. Начиная с момента t₃ до момента t₄ под действием приложенного U_ип через открытые полупроводниковые ключи VT₂ и VT₃ будет протекать i_н через L_нR_н уже в другую сторону.

В точке t₄, расположенной на оси времени t, снимается управляющий сигнал с VT_1,3, а VT₁ и VT₄ открываются. Однако i_н продолжает протекать в ту же сторону, пока не расходуется энергия, запасенная в индуктивности. Это будет происходить на интервале времени t₄ – t₅.

Работа схемы

Начиная с момента t₅ i_н изменить направление и потечет от U_ип через L_нR_н по пути через VT₁ и VT₄. Далее все процессы, протекающие в электрической цепи, будут повторяться. На L_нR_н форма напряжения будет прямоугольной, но ток на активно-индуктивной нагрузке будет иметь пилообразную форму за счет наличия индуктивности, которая не позволяет ему мгновенно вырасти и снизиться. Если потребитель имеет чисто активный характер (индуктивность и емкость практически равны нулю), то формы i_н и u_н будет в виде прямоугольников.

Поскольку VT₁…VT₄ попарно открывались на всей протяженности соответствующих полупериодов, то на выходе преобразователя формировалось максимально возможное u_н, поэтому через L_нR_н протекал i_н максимальной величины. Однако часто требуется обеспечить плавное нарастание мощности на потребителе, например для постепенного увеличения яркости освещения или частоты вращения вала двигателя.

Следует пояснить, что сигналы, поступающие из системы управления СУ, подаются не сразу на базы полупроводниковых ключей, а посредством драйвера. Так как современные СУ построены на безе микроконтроллеров, которые выдают маломощные сигналы, не способные открыть IGBT, то для увеличения мощности открывающего импульса применяется промежуточное звено – драйвер. Кроме того на часто драйвер выполняет множество дополнительных функций – защищает транзистор от короткого замыкания, перегрева и т.п.

Свойства инверторов

• Инверторы напряжения позволяют устранить или по крайней мере ослабить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока. Например, в персональных компьютерах при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора, образующих источник бесперебойного питания (ИБП), 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 неё.
• 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 элементная 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. Кроме того, он должен 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.
• В системах чистого измерения Grid-tie инвертор используется для подачи энергии от солнечных батарей, ветрогенераторов, гидроэлектростанций и других источников зелёной энергии в общую электрическую сеть.

Правила эксплуатации инвертора

Уровень напряжения и частоты электросети определяется в рамках допустимых значений для России.

Требуемое значение силы тока для сварочных работ поддерживается благодаря плавной настройке инвертора или стабилизатором, который встроен в прибор.

процесс выпрямления тока

Инвертор нуждается в периодическом уходе, который заключается в удалении пыли и загрязнений

Этому моменту уделяется пристальное внимание, поэтому следует заранее спросить у продавца об особенностях ухода за аппаратом, а также специфику ремонта. Ведь прибор многофункционален и применяется в условиях промышленности и для домашних нужд, так как предусматривает разные типы сварки

тщательно следить за плавностью шва

С появлением инвертора значительно облегчилась работа у сварщиков-профессионалов и новичков. Он позволил совершить качественный скачок в этом виде деятельности. Сегодняшний аппарат значительно потерял в весе, по сравнению с неподъемными трансформаторами и выпрямителями, которые выпускались ранее. А это позволило повысить производительность сварочных работ. Инверторы — это современные приборы, которые практически полностью вытеснили классические сварочные агрегаты.

Что предстваляет собой инвертор

Одним из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса Westinghouse Electrical Company) является то, что большинство приборов, которые мы имеем в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, нуждающиеся в постоянном токе, но потребляющие электроэнергию от розетки переменного, нуждаются в дополнительной части оборудования, называемой выпрямителем, как правило, из электронных компонентов, называемых диодами, для преобразования AC в DC.

Инвертор выполняет противоположную работу, и довольно легко понять ее суть. Предположим, у вас есть аккумулятор в фонарике, а переключатель закрыт, поэтому DC течет по цепи всегда в том же направлении, что и гоночный автомобиль вокруг дорожки. Теперь, если вы вытащите батарею и развернете ее, предполагая, что это соответствует другому способу, он почти наверняка все еще подаст свет, и вы не заметите какой-либо разницы в освещение, которое вы получаете, — но электрический ток будет протекать противоположным образом.

Предположим, у вас были молниеносные руки, и они были достаточно ловкими, чтобы переворачивать батарею 50−60 раз в секунду. Тогда бы вы стали своего рода механическим инвертором, превратив питание постоянного тока батареи в переменный на частоте 50−60 Гц.

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в электрических магазинах, работают не так, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые быстро переключаются на текущее направление. Инверторы, подобные этому, часто производят так называемый прямоугольный выход: ток либо протекает в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями.

Такие внезапные перемены направления опасны для некоторых видов электрооборудования. При нормальной мощности AC, он постепенно переходит с одной стороны в другую в виде синусоидальной волны.

Электронные инверторы могут использоваться для создания такого рода плавно изменяющегося выхода переменного от входа постоянного тока. Они используют электронные компоненты, называемые индукторами и конденсаторами, для увеличения и снижения выходного тока, чем резкий, прямоугольный выходной сигнал включения / выключения, который вы получаете с помощью базового инвертора.

Инверторы также могут использоваться с трансформаторами для изменения определенного входного напряжения DC на совершенно другое выходное напряжение переменного (выше или ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше входной мощности. Из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не может выдавать больше энергии, чем они потребляют, и некоторая энергия должна быть потеряна как тепло, поскольку электричество протекает через различные электрические и электронные компоненты. На практике эффективность инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что какая-то часть энергии — какой бы она ни была — всегда где-то теряется.

Применение конденсаторов и обратных диодов в схемах автономных резонансных инверторов

Определенное увеличение КПД преобразования достигается введением в состав схемы резонансных инверторов различных дополнительных элементов. Чаще всего используют конденсаторы и т.н. обратные диоды.

Конденсатор С1 на рисунке 6 включается параллельно нагрузке при наличии у нее существенной индуктивности. Назначение этого элемента – максимизация параметра cosφ.

Суть применения т.н. обратных диодов, которые включают встречно-параллельно каждому ключевому элементу, состоит в создании условий для рекуперации энергии, накопленной в реактивных элементах, за счет возврата ее в источник постоянного напряжения.

Любой из обратных диодов заперт в открытом состоянии ключевого элемента и открывается при переходе в запертое, что позволяет “сбросить” энергию реактивных элементов L и С обратно в источник «И».

Принцип построения инверторов

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.

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»). 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. Причём длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по синусоидальному закону . Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора..

При использовании однополярного источника постоянного напряжения (доступны уровни 0 и U_d, где U_d — напряжение постоянного тока, питающего инвертор) эффективное значение первой гармоники фазного напряжения

При использовании двуполярного источника постоянного напряжения (доступны уровни 0, -U_d/2 и U_d/2) амплитудное значение первой гармоники фазного напряжения

соответственно, эффективное значение

Инверторы с самовозбуждением (автогенераторы) относятся к числу простейших устройств преобразования энергии постоянного тока. Относительная простота технических решений при 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. 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 f{\displaystyle f} 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).

Преобразователь с новейшими деталями

Самодельный инвертор может работать в стабильном режиме, если на выходах транзистор работает от усиленного источника с основным генератором. Для этого допускается использование элементов серий КТ819ГМ, установленных на габаритных радиаторах.

При создании преобразователей применяется упрощенная схема. По ходу процесса следует позаботиться о приобретении необходимых материалов:

• микросхемы КР121ЕУ1;
• транзистороов IRL2505;
• паяльника;
• олова.

Микросхемы КР12116У1 обладают примечательным свойством: они содержат пару каналов для регулирования ключа и позволяют достаточно просто сделать несложный преобразователь напряжения. Микросхемы в температурном диапазоне от +25 до +30°С  выдают предельную величину напряжения  в пределах 3 и 9 В.

Частоту задающих генераторов определяют параметром элемента в цепях. Транзистор IRL2505 устанавливается при использовании на выходах. На него должно осуществляться поступление сигнала с должным уровнем, благодаря которому происходит регулировка выходного транзистора.

Сформировавшиеся низкие уровни не позволяют транзистору переходить из закрытых видов в какие-либо другие состояния. В итоге в полной мере происходит исключение возникновения мгновенных поступлений тока при одновременном открытии ключей. Если наблюдается попадание высоких уровней к первому выводу, то это способствует отключению импульсных генераций. Схема определяет присоединение общего провода до вывода 1.

Чтобы выполнить монтаж двухтактных каскадов применяются трансформаторы Т1 и транзисторы, в количестве двух штук: VT1 и VT2. В открытых каналах можно увидеть величину сопротивления от 0,008 Ом. Оно является незначительным, в связи с этим значение мощности транзистора небольшое, даже в том случае если проходит большой ток. Выходные трансформаторы, обладающие мощностью в 100 Вт, позволяют применять ток IRL2505 к 104 А, а импульсные составляют 360 А.

К основным особенностям инверторов можно отнести, возможность использования любого трансформатора, имеющего на выходах две обмотки на 12 В.

Если выходная мощность составляет около 200 Вт, то в таких случаях установку транзистора на радиатор не производят

Важно учитывать, что значение электротока с мощностью 400 Вт достигает около 40 А