Pretvarač za pretvorbu istosmjernog u izmjenični. Autonomni pretvarač napona. Princip rada

Riječ "pretvarač" u odnosu na elektrotehničko sredstvo uređaj za pretvaranje napona istosmjerna struja na izmjeničnu struju... U tom slučaju amplituda napona može varirati prema gore ili dolje.

Pretvarači mogu biti zasebni uređaji (zavarivanje ili pretvarač napona brodske mreže vozila na napon od 220 V naizmjenična struja), i kao zasebna jedinica ili dio sklopa (napajanje računala, televizora). Sada ćemo razgovarati o uređajima koji se koriste za napajanje u hitnim situacijama povezanim s gubitkom mrežnog napona.

Kamo nestaje napetost i kada će se vratiti?

Nema mreža sa 100% pouzdanošću... Odjednom se svjetlo u stanu ili kući ugasi. To je zbog oštećenja kabela ili nadzemni vodovi, električna oprema za trafostanice. Nesreće u gradu, ako nisu povezane s prirodnim katastrofama, relativno brzo se eliminiraju. U tu svrhu rade dispečerske službe i operativni timovi. I izuzeti oštećeno područje i zamijeniti ga drugim moguće je zbog njihove međusobne suvišnosti.

U ruralnim područjima i farmi dacha sve je drugačije. Samo je jedan dalekovod, brigada mora putovati daleko. Nakon uragana ili grmljavinskih oluja, broj srušenih drveća na mrežnim žicama povećava šanse da dugo ostanu u mraku. I ako je oštećen energetski transformator morat će pričekati više od jednog dana.

Vrijeme prolazi, hrana u hladnjaku se pokvari. Ne kuhajte kuhalo za vodu - električno je. Nema se s čime skuhati večeru. Prazna baterija mobitel - nemoguće je nazvati Ministarstvo za hitne slučajeve. Ne postoji lijek za baku u mraku. Uređaji za grijanje se hlade, a s njima i sama kuća.

Da se to ne dogodi trebate osobno napajanje o mreži neovisno... U tu svrhu koristi se pretvarač.

Kako funkcionira besprekidno napajanje

Najjednostavniji pretvarač - računalo za neprekidno napajanje (UPS)... U njemu se nalazi baterija koja sprema energiju. Djeluje u načinu punjenja. U tu svrhu UPS uključuje punjač koji nadgleda razinu napona na bateriji. Ovisno o tome, regulira struju punjenja ili odspaja bateriju.

Čim nestane napona napajanja, upravljačka jedinica odvaja teret od mreže. Istodobno je povezan s baterijom preko pretvarača koji je dio UPS-a.

Postoje punjive baterije od 220 V, ali one zauzimaju prostoriju veličine sobe. Stoga se u svim UPS-ovima baterije proizvode niski napon... Pretvarač, pretvarajući ga u sinusni, istovremeno povećava ovu vrijednost na nazivnog napona mrežama.

Ovo napajanje je dobro jer uvijek spreman za rad i trenutno se prebacuje... No, evo njegovih glavnih nedostataka koji ne dopuštaju upotrebu UPS-a za nesmetano napajanje kuće ili dijela kuće:

Pretvarač za neprekidno napajanje kod kuće

Pretvarač je logičan razvoj neprekidnog napajanja računala, lišen njemu svojstvenih nedostataka.

Povećanje kapaciteta baterije izravno je povezano s njezinim ukupnim dimenzijama. Postaje nepraktično smjestiti ga u kućište pretvarača. Stoga se ističe kao neovisni uređaj koji rješava tri glavna zadatka:

• kontrola punjenja akumulatora i mrežnog napona;
• prebacivanje izvora napajanja;
• pretvaranje napona baterije u 220 V izmjeničnu struju.

Glavna karakteristika pretvarača je njegova vlast... Ali pri odabiru uzima se u obzir jedna nijansa. Već smo rekli da UPS ne može podnijeti preopterećenje. Isto vrijedi i za pretvarač. Ako su hladnjak, elektromotori pumpi kotlova za grijanje planirani kao dio tereta, onda uzimaju se u obzir njihove polazne struje... U trenutku pokretanja električni motori troše struju 3-5 puta veću od nazivne. Ako ukupna struja opterećenja kada je hladnjak prelazi nazivna struja pretvarač, isključit će zaštitu.

Sljedeća karakteristika pretvarača, na koju se vrijedi usredotočiti, je kvaliteta pretvorbe istosmjernog u izmjenični. Napon u mreži mijenja se tijekom vremena prema sinusnom zakonu. Nijedan poluvodički uređaj za kućanstvo neće generirati sinusoidalni napon tako da točno ponavlja mrežu. Vrijednost napona na izlazu ne mijenja se glatko, već diskretno, u koracima. Što se češće događa ta promjena (viša učestalost uzorkovanja), što točnije generirani signal ponavlja sinusoidni.

Ali povećanje brzine uzorkovanja povećava cijenu uređaja. A napon koraka neprihvatljiv je za rad elektromotora i nekih poluvodičkih uređaja. Takvi pretvarači koji proizvode tzv modificirani sinusoid, koriste se samo za napajanje aktivnog opterećenja: grijaći elementi, žarulje sa žarnom niti. Za uređaje koji su kritični za oblik opskrbnog napona morat ćete kupiti skuplji pretvarač.

Odabir baterija za pretvarač

Baterije za pretvarač kupuju se zasebno... Ali ovdje postoji i jedna osobitost: baterije mogu biti kisele ili alkalne. Stoga imaju različita načela punjenja svaki pretvarač prikladan je samo za rad s određenim tipom baterija... Inače će pogrešno odrediti stanje napunjenosti baterija i napuniti ih.

Upotreba akumulatora u pretvaračima nije opravdana. Iako su sposobni kratkotrajno isporučiti snažni impuls struje (u automobilu je to potrebno da bi starter radio), ne podnose duboka pražnjenja. I pražnjenja su neizbježna tijekom dugotrajnog rada pretvarača. Stoga su resursi takvih baterija u sustavima napajanja ograničeni.

Optimalno za rad s pretvaračima gel ili stakloplastike baterije. Izrađene su pomoću posebne tehnologije i sposobne su više puta prenijeti duboka pražnjenja bez gubitaka. I opet: pretvarač punjača mora podržavati način punjenja takvih baterija.

Odabirom kapaciteta baterija, pođite od željeno trajanje baterije uređaj (T). Lako je izračunati, znajući kapacitet (C), snagu planiranog opterećenja (P) i napon akumulatora (U):

Primjer izračunavanja vijeka trajanja baterije
Napon akumulatora, V	Kapacitet baterije, A ∙ h	Radno vrijeme, h
12	55	150	4
12	190	150	15

Brojevi u posljednjoj koloni nisu impresivni. A trošak pretvarača i baterija za njih nije tako mali.

Pa ima li pretvarač smisla?

Prednosti i nedostaci pretvarača

Alternativa pretvaračima su dizel ili generatori benzina... Stoga ćemo prepoznati njihove zasluge uspoređujući ih s proizvodnjom električne energije pomoću motora s unutarnjim izgaranjem. Mi nabrajamo nedostaci generatora koji se mogu ukloniti pretvaračima:

• potreba za izgradnjom zasebne prostorije s ventilacijom i grijanjem zimi;
• skladištenje zaliha goriva (i za dizelski motor - zamjena ljetnog goriva zimskim gorivom kada nastupi hladno vrijeme);
• buka tijekom rada, stvarajući neugodnosti ne samo vlasnicima, već i susjedima;
• potreba za periodičnim održavanjem (provjera razine ulja, zamjena svijeća, filtara);
• ručni start, potreba za kontrolom parametara tijekom rada.

Pretvaraču nije potrebna posebna prostorija, ne stvara buku tijekom rada (rad ventilatora za hlađenje se ne računa). U procesu rada nije potrebna intervencija korisnika. Kad se baterija isprazni (napon na bateriji padne na najnižu moguću razinu), uređaj će se sam isključiti i zamrznuti dok čeka da se mrežni napon oporavi. Zatim će napuniti bateriju i pričekati dok ponovno ne bude korisna.

I automatski prelazak s napajanja na bateriju očarava. Ali vijek trajanja baterije pretvarača je kratak... Čak i ako opterećenje smanjite na najniže moguće, baterija će se prije ili kasnije isprazniti. „Kraj svijeta“ je odgođen, ali neizbježan.

Stoga se prilikom odlučivanja što koristiti za napajanje kuće u nuždi - generatora ili pretvarača, uzima u obzir niz čimbenika.

Pretvarač ili generator?

Početi prikupljati statistiku o tome koliko često i koliko dugo napon nestaje u gradu ili selu. Ako se ti događaji dogode vrlo rijetko, onda nema smisla kupiti generator, za njega napraviti posebnu sobu, u kojoj će on besposleno čekati svoj sat.

Zatim odrediti ukupnu snagu električnih uređaja, čije se napajanje planira iz pretvarača u režimu rada u nuždi. Nema smisla uključiti vanjsku i podrumsku rasvjetu na ovaj popis, a ako su u kući tri televizora, dovoljan je jedan. Kako bi uštedjeli novac, doniraju one električne uređaje bez kojih možete preživjeti dan ili dva. Ostatak, kad nestane napona napajanja, morat će se ručno odvojiti od mreže ili u tu svrhu osigurati automatizaciju.

Ali s druge strane, oni uzimaju u obzir sustav opskrbe toplinom (kotao za grijanje), ako postoji. Štoviše, uzimajući u obzir sve startne struje njegovih elektromotora, moguće je da će morati pokrenuti kada se kuća napaja iz pretvarača.

I ne zaboravite glavnu stvar - hladnjak sa svojim polazna strujaako je kompresor. Na popis dodajte i mikrovalnu pećnicu ili električni štednjak, kuhalo za vodu.

Prema ukupnoj snazi \u200b\u200bopterećenja odaberite model pretvarača, dodatno razmatrajući kakvu će kvalitetu sinusnog napona generirati.

Zatim odabirljive baterije uzimajući u obzir željeno vrijeme rada pretvarača za prethodno izračunato opterećenje. I ovdje vam treba razuman pristup. Ako financije nisu dovoljne, morat ćete unaprijed razmisliti što možete donirati. U prvom planu su ona opterećenja za koja je potreban stalni rad: hladnjak, bojler, uređaji za grijanje. Računala i TV morat će biti isključeni u određenom trenutku kako bi baterija pretvarača dulje trajala.

Preostaje zbrajanje cijena, dobivanje ukupnog iznosa. I učini isto izračun za generator set... Ovdje također možete uštedjeti novac: s rijetkim prekidima veze s mrežom, uopće nije potrebno za nju graditi sobu. Možete ga spremiti u šupu, a po potrebi iznijeti van i spojiti na mrežu pomoću fleksibilnog kabela i odvojive veze. Obavezno dodajte na popis rezervne dijelove potrebne za servis jedinice tijekom vijeka trajanja alternativnog pretvarača. To je jedini način izračuna ekonomskog učinka, a ne početni trošak nabave opreme. Pretvarač ne zahtijeva dodatna kapitalna ulaganja tijekom cijelog svog vijeka trajanja, ali motor s unutarnjim izgaranjem uvijek treba brigu.

Sada uspoređujemo dobivene iznose i donosimo odluku. I upamtite: za udobnost uvijek morate dodatno platiti... Jeste li spremni za ovo ili ne, ovisi o vama.

Pretvarači se dijele na ovisne (mrežno upravljane) i autonomne (neovisne).

Samostalni pretvarač radi na autonomnom opterećenju koje ne sadrži druge izvore energije iste frekvencije kao izlazna frekvencija pretvarača.

Autonomni pretvarači, kao i oni ovisni, mogu raditi s prirodnom i umjetnom komutacijom. Prirodna komutacija autonomnog pretvarača odvija se tijekom njegovog rada na prekompenziranim sinkronim motorima, na namotima statora motora ventila itd. Međutim, najčešće se u autonomnim pretvaračima izrađenim na tiristorima koristi umjetna komutacija ventila.

Ovisno o načinu rada pretvarača i karakteristikama elektromagnetskih procesa u njemu, razlikuju se pretvarači napona, trenutno i rezonantni pretvarači... Najrasprostranjeniji su pretvarači napona i struje. Rezonantni pretvarači konstruirani su za frekvenciju izlaznog napona od nekoliko jedinica i desetaka kiloherca i uglavnom se koriste u elektrotermiji.

Klasične sheme autonomnih pretvarača napona i struje prikazane su na slici 2.13, i,b... Napon i struja opterećenja stvaraju se u tim krugovima naizmjeničnim prebacivanjem ventila VS1, VS2 i VSZ, VS4.

Lik: 2.13. Sheme i dijagrami autonomnih pretvarača napona (a) i struje (b)

Napajanje pretvarača napona (slika 2.13, i) proizvodi se iz izvora napona. S tim u vezi, oblik napona određuje algoritam prekida tiristora, a trenutni oblik ovisi o prirodi opterećenja. Reaktivna snaga opterećenja nadoknađuje se dovoljnim uvođenjem kondenzatora velikog kapaciteta... Izmjena jalove energije između opterećenja i kondenzatora moguća je zbog povezivanja takozvanog reverznog ispravljača (mosta reaktivne struje) koji je stvoren od nekontroliranih ventila.

Pretvarač struje (slika 2.13, 6 ) prima napajanje iz izvora struje, za koji je u istosmjerni krug uključena dovoljno velika induktivnost L, pa prema tome. Oblik izlazne struje određen je samo redoslijedom uključivanja tiristora, a oblik napona ovisi o prirodi opterećenja. Prikazano na slici 2.13, b oblik krivulje struje podrazumijeva mogućnost trenutne promjene struje u krugu opterećenja, što je nemoguće ako je opterećenje pretvarača induktivno. Međutim, ako se opterećenje zakloni kondenzatorom dovoljno velikog kapaciteta, tada postaje moguća trenutna promjena struje. Stoga ukupno opterećenje pretvarača struje mora biti kapacitivno. U ovom slučaju, kondenzator mora kompenzirati ne samo jalova snaga opterećenja, ali i pretvarača. Potonje znači da se pod uvjetom trenutnog uključivanja tiristora na ventil koji se zaključava mora primijeniti negativni napon tijekom vremena određenog kutom i nužnog za vraćanje njegovih upravljačkih svojstava. Na slici 2.13, b prikazuje krivulje napona na kondenzatoru, koji je jednak naponu na opterećenju i na tiristoru.

Pri podešavanju frekvencije izlazne struje, potrebno je promijeniti kapacitivnost kondenzatora obrnuto proporcionalno kvadratu frekvencije kako bi se održao konstantan kut. To rezultira vrlo visokom vrijednošću kapacitivnosti na niskim frekvencijama. Stoga krug prikazan na slici 2.13, b, praktički se ne koristi, koriste se složenije sheme.

Ovisno
od toga kako se kondenzator uključuje u odnosu na opterećenje, pretvarači struje i napona se dijele na paralelno, dosljedan i serijsko-paralelni... U paralelnom pretvaraču (slika 2.13, b) sklopni kondenzator spojen je paralelno s opterećenjem.

Serijski i serijski paralelni pretvarači koriste se u uređajima gdje je potrebna povećana frekvencija izlaznog napona (2000 ... 50 000 Hz). Stoga u nastavku slijede principi rada paralelnih pretvarača napona i struje koji se koriste za upravljanje izmjeničnim električnim strojevima.

Autonomni tiristorski pretvarači, ovisno o organizaciji procesa prebacivanja, dijele se na pretvarače s fazom u fazu, fazu po fazu, grupnu, opću i pojedinačnu komutaciju. U budućnosti, na primjeru specifičnih sklopova autonomnih pretvarača, razmatraju se neke vrste komutacija koje su pronašle najširu primjenu.

Načelo rada, karakteristike i analiza elektromagnetskih procesa autonomnih pretvarača prvo ćemo razmotriti na primjeru pretvarača temeljenog na tranzistoru. Značajke rada povezanih s procesima prebacivanja u pretvaraču izložene su u analizi tiristorskih pretvarača napona i struje.

Za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu koriste se posebni elektronički uređaji za napajanje koji se nazivaju pretvarači. Invertor najčešće pretvara stalni napon od jedne veličine u izmjenični napon druge veličine.

Na ovaj način, pretvarač je generator povremeno mijenjajućeg napona, dok valni oblik napona može biti sinusoidan, blizak sinusnom ili impulsni... Pretvarači se koriste i kao neovisni uređaji i kao dio sustava neprekidnog napajanja (UPS).

Kao dio izvora neprekidnog napajanja (UPS), pretvarači omogućuju, na primjer, kontinuirano napajanje računalnih sustava, a ako napon u mreži iznenada nestane, pretvarač će odmah početi opskrbljivati \u200b\u200bračunalo energijom primljenom iz rezervne baterije. Korisnik će barem imati vremena da elegantno isključi i isključi računalo.

U većim uređajima za neprekidno napajanje koriste se snažniji pretvarači s baterijama velikog kapaciteta, sposobni autonomno opskrbljivati \u200b\u200bpotrošače satima, bez obzira na mrežu, a kada se mreža vrati u normalu, UPS će automatski prebaciti potrošače izravno na mrežu, a baterije će se početi puniti.

Tehnička strana

U moderne tehnologije pretvarajući električnu energiju, pretvarač može djelovati samo kao međupoveznica, gdje je njegova funkcija pretvaranje napona pretvorbom na visokoj frekvenciji (deseci i stotine kiloherca). Srećom, danas je moguće takav problem riješiti lako, jer su za razvoj i dizajn pretvarača dostupni i poluvodički prekidači sposobni izdržati struje stotina ampera, magnetske jezgre potrebnih parametara i elektronički mikrokontroleri posebno dizajnirani za pretvarače (uključujući i rezonantne).

Zahtjevi za pretvarače, poput ostalih pogonskih uređaja, uključuju: visoku učinkovitost, pouzdanost, što je moguće nižu dimenzije i težine. Također je potrebno da pretvarač podnese dopuštenu razinu viših harmonika u ulaznom naponu i da ne stvara neprihvatljivo jaku impulsnu buku za potrošače.

U sustavima s "zelenim" izvorima električne energije (solarni paneli, vjetrenjače) za opskrbu električnom energijom izravno u opću mrežu, upotrijebite mrežne pretvarače koji mogu raditi sinkrono s industrijskom mrežom.

Tijekom rada pretvarača napona, izvor stalnog napona povremeno se spaja na krug opterećenja naizmjeničnom polarnošću, dok učestalost veza i njihovo trajanje formira upravljački signal koji dolazi iz regulatora.

Regulator u pretvaraču obično izvodi nekoliko funkcija: podešavanje izlaznog napona, sinkroniziranje rada poluvodičkih prekidača, zaštitu kruga od preopterećenja. U principu, pretvarači se dijele na: samostalne pretvarače (pretvarači struje i napona) i ovisne pretvarače (mrežni pogon, mrežni kabel itd.)

Strujni krug pretvarača

Poluvodičkim prekidačima pretvarača upravlja regulator i imaju obrnute diode. Napon na izlazu pretvarača, ovisno o trenutnoj snazi \u200b\u200bopterećenja, regulira se automatskom promjenom širine impulsa u visokofrekventnoj jedinici pretvarača, u najjednostavnijem slučaju.

Poluvalovi izlaznog niskofrekventnog napona moraju biti simetrični, tako da krugovi opterećenja ni u kojem slučaju ne primaju značajnu istosmjernu komponentu (za transformatore je to posebno opasno), zbog toga se širina impulsa LF jedinice (u najjednostavnijem slučaju) čini konstantnom.

U upravljanju izlaznim tipkama pretvarača koristi se algoritam koji osigurava sekvencijalnu promjenu struktura strujni krug: ravno, kratko spojeno, inverzno.

Na ovaj ili onaj način, vrijednost trenutne snage opterećenja na izlazu pretvarača ima karakter pulsacija s udvostručenom frekvencijom, stoga primarni izvor mora dopustiti takav način rada kad kroz njega prolaze pulsirajuće struje i podnijeti odgovarajuću razinu smetnji (na ulazu pretvarača).

Ako su prvi pretvarači bili isključivo mehanički, danas postoji mnogo opcija za sheme pretvarača temeljenih na poluvodičima, a postoje samo tri tipične sheme: most bez transformatora, push-pull s nultom stezaljkom transformatora, most s transformatorom.

Mostovni krug bez transformatora nalazi se u neprekidnim napajanjima snage 500 VA i u automobilskim pretvaračima. Push-pull krug s nultom stezaljkom transformatora koristi se u UPS-u male snage (za računala) snage do 500 VA, gdje je napon na rezervnoj bateriji 12 ili 24 volta. Mostni sklop s transformatorom koristi se u snažnim neprekidnim napajanjima (za jedinice i desetke kVA).

U pretvaračima napona pravokutnog oblika na izlazu, skupina sklopki s diodama sa slobodnim kotačima prebacuje se tako da se dobije izmjenični napon na opterećenju i osigura način kontrolirane cirkulacije u krugu.

Za proporcionalnost izlaznog napona odgovorni su: relativno trajanje upravljačkih impulsa ili fazni pomak između upravljačkih signala ključnih skupina. U nekontroliranom načinu cirkulacije reaktivne energije, potrošač utječe na oblik i veličinu napona na izlazu pretvarača.

U pretvaračima napona s koračnim oblikom na izlazu, visokofrekventni pretvarač oblikuje jednopolarnu krivulju napona koraka, približno približavajući se obliku sinusoidi, čije je razdoblje polovica razdoblja izlaznog napona. Niskotonski most tada pretvara unipolarnu stepenastu krivulju u dvije polovice bipolarne krivulje, otprilike nalik sinusnom obliku.

U pretvaračima napona sinusnog (ili gotovo sinusoidnog) oblika na izlazu, visokofrekventni pretvarač generira konstantni napon blizu veličine po veličini do amplitude budućeg sinusoida na izlazu.

Nakon toga, mostni sklop formira varijablu niske frekvencije od konstantnog napona, višestrukim PWM-om, kada se svaki par tranzistora u svakom poluciklulu izlaznog sinusnog vala otvara nekoliko puta tijekom vremena koje varira prema harmoničkom zakonu. Tada niskopropusni filtar izvlači sinus iz rezultirajućeg oblika.

Najjednostavniji visokofrekventni krugovi pretvorbe u pretvaračima se sami generiraju. Prilično su jednostavni u tehničkom smislu i prilično su učinkoviti pri malim snagama (do 10-20 W) za opskrbu opterećenjima koja nisu kritična za proces opskrbe energijom. Frekvencija oscilatora nije veća od 10 kHz.

Pozitivne povratne informacije kod takvih uređaja dobivaju se zasićenjem magnetskog kruga transformatora. Ali za snažne pretvarače takvi shemi nisu prihvatljivi, jer se gubici u tipkama povećavaju, a učinkovitost je u konačnici niska. Štoviše, svaki kratki spoj na izlazu razbija samo-oscilacije.

Bolji krugovi preliminarnih visokofrekventnih pretvarača su povratni (do 150 W), push-pull (do 500 W), polu-most i most (više od 500 W) na PWM kontrolerima, gdje frekvencija pretvorbe doseže stotine kiloherca.

Vrste pretvarača, načini rada

Jednofazni pretvarači napona podijeljeni su u dvije skupine: s čistim sinusnim valom na izlazu i s modificiranim sinusnim valom. Većina modernih uređaja omogućuje pojednostavljeni oblik mrežnog signala (modificirani sinusni val).

Čisti sinusni val važan je za uređaje koji na ulazu imaju elektromotor ili transformator ili ako je ovo poseban uređaj koji radi samo s čistim sinusnim valom na ulazu.

Za izradu se obično koriste trofazni pretvarači trofazna struja za električne motore, na primjer za napajanje. U tom su slučaju namoti motora izravno povezani s izlazom pretvarača. Što se tiče snage, pretvarač se odabire na temelju njegove vršne vrijednosti za potrošača.

Općenito postoje tri načina rada pretvarača: pokretanje, kontinuirano i preopterećenje. U načinu pokretanja (punjenje kapaciteta, pokretanje hladnjaka), snaga može udvostručiti ocjenu pretvarača za djelić sekunde, što je dopušteno za većinu modela. Neprekidni način rada - odgovara nazivu pretvarača. Preopterećeni način rada - kada je snaga potrošača 1,3 puta veća od nominalne - u ovom načinu rada prosječni pretvarač može raditi oko pola sata.

Pretvarač u elektronici što je to

Pretvarač u elektronici i elektrotehnici je uređaj za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu s podesivim ili konstantnim vrijednostima napona i frekvencije na izlazu. Ako je pretvarač dizajniran za opterećenje koje nema alternativni izvor napajanja, naziva se autonomnim. Pronašli su široku primjenu za napajanje potrošača izmjeničnom strujom iz akumulatora ili drugih izvora, za električne pogone s regulacijom frekvencije, u različitim sustavima izravne pretvorbe energije, u aparati za zavarivanje u energetici i medicinskoj tehnologiji itd.

Koncept pretvarača može se zasebno razlikovati: on je logični element koji izvodi logičku operaciju negacije (inverzije)

Rad pretvarača temelji se na prebacivanju izvora konstantnog napona s određenom frekvencijom radi povremene promjene polariteta napona na izlazu uređaja. Frekvenciju postavljaju upravljački signali generirani posebnim krugom koji se naziva kontroler. Također može obavljati sljedeće funkcije: regulacija razine napona, sinkronizacija frekvencije prebacivanja, zaštita od preopterećenja itd.

Prema principu rada, pretvarači se mogu podijeliti na:

Autonomna podijeljeni su u pretvarače napona (AVI), na primjer - u računalni UPS i pretvarače struje (AIT)
Ovisan - upravljan mrežom, na primjer - pretvarač snage X-zraka.

Sve vrste tranzistora, kao i standardni i tiristori s dva rada, naširoko se koriste u ulozi preklopnih elemenata u autonomnim pretvaračima (AI). Tranzistorski prekidači na bipolarnim i poljskim tranzistorima koriste se u uređajima male i srednje snage. Tiristori se često koriste u krugovima velike snage.

Svi se AI mogu podijeliti u nekoliko vrsta.

Prema shemi pretvorbe: jednofazni, trofazni, razni krugovi napajanja i neka druga svojstva.
Metodom prebacivanja: u potpunosti komutirani u upravljačkim krugovima i s komutacijskim kondenzatorima spojenim paralelno s opterećenjem i u serijskim pretvaračima s dvostupanjskom komutacijom
A također i AI napon (AIN) i struja (ANT), ovisno o tome o vrsti izvora napajanja i njegovoj povezanosti s AI

Samostalni pretvarač napona (AVI)

Uređaji ove vrste generiraju izmjenični napon u opterećenju povremenim spajanjem na izvor napona izmjeničnim spajanjem ventila u parovima, pogledajte donju sliku.

Napajanje djeluje kao generator napona (baterija ili ispravljač s kapacitivnim filtrom).

Svaki je tiristor opremljen komutacijskim krugom. Kada krug radi na opterećenju, stvaraju se naponski impulsi pravokutnog oblika, a oblik struje ovisi o njegovoj prirodi opterećenja. Ako je čisto aktivan, tada oblik impulsa struje ponavlja oblik napona (isprekidana crta na dijagramu), ako je opterećenje aktivno induktivno, struja i n se mijenja eksponencijalno s vremenskom konstantom:

Kad se sljedeći par tiristora (VD1 i VD4) isključi i otvori drugi par, Un se naglo mijenja, a struja nastavlja zadržavati smjer neko vrijeme. Da bi se osigurao protok ove struje, potrebne su reverzne diode VD5-VD8, a zatim se struja zatvori kroz kondenzator C.

Učestalost struje u opterećenju postavlja upravljački krug, karakteristika opterećenja pretvarača je kruta, jer je napon na opterećenju Un \u003d E.

Stoga će ulazna struja AVI biti (pri RL opterećenju) naizmjenična, a onda kada AVI radi iz ispravljača, potreban je kondenzator s velikim kapacitetom. Takav je krug sposoban raditi u velikom rasponu opterećenja - od broja okretaja u praznom hodu (XX) do vrijednosti kod kojih je vjerojatno preopterećenje ventila.

Maksimalne razine struje u opterećenju sa simetričnom prirodom izlaznog napona bit će:

I nmax \u003d I 0 × (1-e -T / 2τ / 1 + e -T / 2τ)

Gdje je I 0 \u003d E / R n; τ \u003d Ln / Rn; T - točka

Napon na izlazu pretvarača moguće je regulirati promjenom E ili regulacijom širine impulsa. Potonje se može učiniti na nekoliko načina:

svaki impuls napona u AVI opterećenju formiran je od nekoliko koji mijenjaju svoje trajanje (slika a);
smanjenje radnog vremena u svakom poluciklusu zatvaranjem jednog para tiristora i uključivanjem drugog para s odgodom (slika b);
Korištenje 2 pretvarača koji rade na zajedničko opterećenje preko transformatora s geometrijskim dodavanjem izlaznih napona podešavanjem faze u upravljačkim krugovima (c).

U prve dvije verzije amplitude viših harmonika povećavaju se, ali u prvom se slučaju može dobiti izlazni napon blizu sinusnog oblika.

Autonomni pretvarač struje (AIT)

Krug se napaja kroz veliku induktivnost, tako da trenutna potrošnja ostaje praktički nepromijenjena. Pri naizmjeničnom prebacivanju ventelskih parova (koji se ne mogu zaključati), u opterećenju se generiraju pravokutni strujni impulsi, a oblik napona ovisi o prirodi tereta, koji je obično aktivno-kapacitivan.

Kao što se može vidjeti iz donjeg dijagrama, pri sljedećem prebacivanju tiristora (na primjer, VD1 i VD4 su radili, a VD2 i VD3 su uključeni) kroz opterećenje, struja se naglo mijenja, a zbog prenapunjenja kapacitivnosti C u određenom vremenskom intervalu, prethodno radni tiristori bit će pod povratnim naponom i stoga zaključani ... Potrebno je osigurati da je taj interval duži od vremena isključivanja poluvodičkog ventila. Što je veća vremenska konstanta tau, to se sporiji napon na opterećenju mijenja, zakon njegove promjene praktički se približava linearnom, a oblik impulsa teži trokutastom. Vanjska karakteristika pretvarača struje je mekana (strmo pada), režim praznog hoda je potpuno nemoguć.

Relativna vrijednost napona na opterećenju i izgled karakteristike se mogu približno izračunati formulom:

Treba dodati da s aktivno-induktivnim opterećenjem uređaj ne radi i takvo opterećenje mora biti kondenzator.

Budući da je u stvarnim uvjetima teško osigurati L \u003d ∞ ili C \u003d ∞, stvarni AIN i AIT sheme imaju neka posredna svojstva.

Za napajanje jednofaznog opterećenja male snage naponom koji se osjetno razlikuje od razine izvora napajanja prikladno je koristiti sklop u kojem je jedan par poluvodičkih ventila zamijenjen polunamotima transformatora, a sam vam omogućuje usklađivanje U n i U n.

Kad je ventil VD1 uključen, struja teče iz napajanja kroz induktivitet, polovični namotaj W1 transformatora i samog VD1. U sekundarni namot EMF se inducira i struja se generira u priključenom opterećenju.

Preklopni kapacitet C napunjen je gotovo do razine dvostrukog mrežnog napona (zbog nastajućeg samoindukcijskog EMF u W2). Kada upravljački krug CS-a uključi drugi tiristor, ispada da je kondenzator povezan paralelno s VD1, koji je zaključan i algoritam rada se ponavlja.

Opterećenje generira napon na frekvenciji određenoj upravljačkim krugom. Oblik napona ovisi o otporu opterećenja Rn (pri velike vrijednosti bliži je trokutastom, na nižim - pravokutnom), vrijednost je iz omjera transformacije, E i vrijednosti R n.

Napon na induktivitetu određuje se razlikom između U c (skalirano na pola primarni namot) i E. U načinima bliskim XX, kapacitivnost se puni konstantnom strujom, a U c može doseći ogromne (\u003e E) vrijednosti, što je opasno za poluvodičke elemente.

U ulozi upravljačkog kruga možete koristiti tranzistorski simetrični multivibrator s emiterskim sljedbenicima spojenim na upravljačke elektrode tiristora, napajani istim napajanjem.

Sekvencijalni pretvarači u nekim se slučajevima koriste za dobivanje izmjenične struje s frekvencijom (f \u003d 2 ... 50 kHz). Oni imaju svoj vlastiti rezonantni krug, uz pomoć kojeg se prebacuju tiristori. Krug na donjoj slici radi na sljedeći način. Kada se primijeni upravljački signal, VD1 se otvori, struja teče kroz L1, Rn, C. U sljedećem poluciklu se tiristor VD2 uključuje i kondenzator C, napunjen tijekom prvog poluciklusa, prazni kroz Rn, L2 i drugi tiristor. Krug je sposoban raditi u nekoliko načina.

U načinu isprekidane struje (vidi grafikon b), VD1 se isključuje nakon pada struje naboja kondenzatora C, odnosno do trenutka kada upravljački krug uključi drugi tiristor (i obrnuto). Kao rezultat, pojavljuje se vremenski interval kada oba tiristora ne provode struju i In \u003d 0.

U načinu kontinuiranih struja (graf, d), prvi se tiristor isključuje u trenutku kada je VD2 uključen, odnosno pojavljuje se stanje kada oba tiristora prolaze struju. U ovom se slučaju VD1 isključuje zbog činjenice da kada se VD2 uključi i struja pražnjenja kondenzatora prolazi kroz L2, u L1 se generira stražnji EMF, dovoljan da smanji otvorenu struju prvog tiristora na nulu. To zahtijeva da se VD2 uključi kada je struja kroz VD1 već počela padati. Inače, način "prolazne" struje koja teče kroz VD1, L1, L2 i VD2 je neizbježan, odnosno način kratkog spoja.

Optimalnim načinom rada smatra se granični način (graf, c), u kojem oblik struje u opterećenju teži sinusoidnom. Preporučljivo je koristiti takve pretvarače s konstantnim vrijednostima svih parametara, uključujući opterećenje, istodobno pružajući krute vanjske karakteristike. Budući da pri malim opterećenjima pretvarač može pasti iz načina rada, kondenzator C 0 spojen je paralelno s R n, a pretvarač se pretvara u serijski paralelni.

Ako spojite drugi kondenzator C1, tada se pretvarač pretvara iz jednotaktnog u push-pull, dok se C puni, C1 se prazni i obrnuto. To značajno povećava učinkovitost kruga. Serijski pretvarači su također višefazni.

AUTONOMNI INVERTERI

Pretvaračnaziva se uređajem za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu s konstantnim ili podesivim vrijednostima izlaznog napona i frekvencije. Ako pretvarač radi na opterećenju koje nema drugi izvor napajanja, naziva se autonomnim. Autonomni pretvarači (AI) koriste se za napajanje potrošača izmjeničnom strujom iz akumulatora ili drugih izvora istosmjerne struje, za električni pogon s regulacijom frekvencije, u sustavima izravne pretvorbe energije, na primjer iz gorivih ćelija, MHD generatora itd.

Osnovni zahtjevi za AI: maksimalna učinkovitost pretvorbe, minimalni pokazatelji težine i veličine i trošak, mogućnost upravljanja U n i Ja van unutar prilično širokog raspona, osiguravajući zadani oblik izlaznog napona, bez smetnji u radu tijekom preopterećenja i u praznom hodu itd.

Kao preklopni elementi u autonomnim pretvaračima koriste se tranzistori, konvencionalni i dvostruki tiristori. Prvi se koriste u uređajima s relativno malom snagom, drugi su najprikladniji u AI naponima i u reguliranim pretvaračima. Konvencionalni tiristori ponekad se moraju koristiti zajedno s prisilnim sklopnim krugovima.

Svi se AI mogu podijeliti u više tipova. Prema shemi pretvorbe, AI se razlikuju po broju faza, krugu napajanja i nekim drugim parametrima, koji će biti navedeni u nastavku. Metodom prebacivanja ventila oni mogu biti sljedeći:

pretvarači, u potpunosti komutirani upravljačkim krugovima (na tranzistorima i DOT-u);

pretvarači s preklopnim kondenzatorima spojenim paralelno s opterećenjem;

serijski pretvarači;

AI s dvostupanjskom komutacijom, koja omogućuje regulaciju izlaznog napona.

Međutim, najznačajnija podjela autonomnih pretvarača u dvije vrste - autonomni pretvarači napona (AVI) i AI struja (ANT), ovisno o prirodi izvora napajanja i njegovoj povezanosti s AI (uz to postoje i rezonantni AI, ali oni se rijetko koriste).

Autonomni pretvarač napona.

AIN generira izmjenični napon u opterećenju povremenim povezivanjem s izvorom napona uslijed naizmjeničnog parnog uključivanja ventila (slika 1, a).

Napajanje radi u načinu generatora napona (akumulator ili ispravljač s kapacitivnim filtrom), svrha kondenzatora bit će dalje objašnjena.

Lik: 1. Autonomni pretvarač napona (a) i njegov radni dijagram (b)

Vrata moraju biti u potpunosti kontrolirana (DOT) ili se svaki tiristor isporučuje s prisilnim komutacijskim krugom. Kada krug radi na opterećenju, stvaraju se pravokutni impulsi napona (slika 1, b), a oblik struje ovisi o njezinoj prirodi. Ako je opterećenje isključivo aktivno, tada se trenutni oblik podudara s naponskim oblikom (isprekidana crta na slici 1, b), ako je opterećenje aktivno-induktivno, struja ja n mijenja se eksponencijalno s vremenskom konstantom

... Pri zatvaranju sljedećeg para ventila (na primjer, VD1 i VD4 ) i otključavanje napona drugog para U n naglo se mijenja, a struja neko vrijeme

drži svoj smjer. Da bi se osigurao prolaz ove struje, koriste se takozvane reverzne diode. VD5... VD8, tada se kroz kondenzator zatvara struja IZ.

Učestalost struje u opterećenju određuje se upravljačkim krugom, karakteristika opterećenja AVI je kruta, jer je napon na opterećenju praktički jednak U n \u003d E.

Budući da ulazna struja samog pretvarača postaje (at RL- opterećenje) naizmjenično, a onda kada AVI radi iz ispravljača, potreban je kondenzator IZvelikog kapaciteta. AVI može raditi u širokom rasponu opterećenja - od praznog hoda do vrijednosti pri kojoj se ventili mogu preopteretiti.

Maksimalna vrijednost struje opterećenja sa simetričnom prirodom izlaznog napona je

,

Gdje

;

;T-razdoblje.

Možete prilagoditi napon na izlazu AVI, bilo promjenom E, ili pomoću kontrole širine impulsa. Potonje se provodi na nekoliko načina: 1) svaki impuls napona u opterećenju formira se od nekoliko koji mijenjaju svoje trajanje (slika 2, a); 2) smanjenje radnog vremena AVI u svakom poluperiodu zbog zatvaranja jednog para ventila i uključivanja drugog para sa zakašnjenjem (slika 2, b); 3) uporaba dva pretvarača koji rade na zajedničko opterećenje putem transformatora s geometrijskim zbrajanjem izlaznih napona upravljanjem faze u upravljačkim krugovima (slika 2, c). U prva dva slučaja amplitude viših harmonika povećavaju se, ali u prvoj se verziji može dobiti izlazni napon blizu sinusoidnog oblika.

Lik: 2. Regulacija napona u AIN

Autonomni pretvarač struje.

AIT (slika 3) dobiva snagu iz izvora napajanja kroz dovoljno veliku induktivnost, tako da se struja koju troši pretvarač praktički ne mijenja. Pri naizmjeničnom prebacivanju parova tiristora (koji se ne zaključavaju) u opterećenju nastaju pravokutni strujni impulsi, a oblik napona ovisi o prirodi opterećenja, koje je u pravilu aktivno-kapacitivno. Metodom spajanja kondenzatora na opterećenje AIT se naziva paralelnim.

Kao što se vidi sa Sl. 3, pri sljedećem prebacivanju parova tiristora (na primjer, VD1 i VD4, a obuhvaćeni su upravljačkim krugom VD2 i VD3 ) kroz opterećenje, struja se naglo mijenja, a uslijed prekomjernog punjenja kondenzatora IZtijekom određenog vremenskog intervala, prethodno radni tiristori su pod obrnutim naponom i, naravno, zaključani su. Potrebno je da taj interval bude duži od vremena isključenja tiristora. Što je vremenska konstanta veća

, što se sporiji napon na opterećenju mijenja, zakon njegove promjene približava se linearnom, a oblik - trokutnom. Vanjska karakteristika AIT-a je mekana (strmo pada), režim mirovanja je nemoguć.

Lik: 3. Autonomni pretvarač struje (a) i njegov dijagram rada (b)

Relativna vrijednost napona na opterećenju i vrsta vanjske karakteristike mogu se približno pronaći iz formule

gdje - Učinkovitost AIT-a;

.

Treba imati na umu da s aktivno-induktivnim opterećenjem AIT ne radi i takvo opterećenje mora kondenzator izbjeći.

Budući da je u praksi to teško osigurati

za AIT ili

IZza AIN, stvarni krugovi imaju neke srednje kvalitete.

Za napajanje jednofaznog opterećenja relativno male snage naponom koji se osjetno razlikuje od napona napajanja prikladno je upotrijebiti krug u kojem je jedan par tiristora zamijenjen polunamotima transformatora, a sam dopušta U n i U n (slika 4).

Lik: 4. Paralelni tranzistorski pretvarač

Na primjer, kad je uključen, VD1 struja teče iz napajanja kroz L, polu-navijanje W1 transformator Tr i VD1. U sekundarnom namotu inducira se EMR, a u opterećenju se pojavljuje struja. Preklopni kondenzator IZpuni se gotovo dvostruko od mrežnog napona (zbog EMF samoindukcije u namotu W2). Kada će se uključiti upravljački krug SU VD2, ispada da je kondenzator spojen paralelno VD1, trenutno se zaključava (budući da se napon primjenjuje u smjeru zaključavanja) i postupak se ponavlja.

Opterećenje generira napon s frekvencijom određenom upravljačkim krugom. Oblik napona ovisi o R n (za velike R n bliži je trokutastom, s manjim R n - do pravokutnog), vrijednost - od E,omjer transformacije i vrijednosti R n .

Napon uključen L jednaka je razlici između U c (pretvoreno u polovicu primarnog namota) i E.U načinima rada blizu praznog hoda, kondenzator se puni konstantnom strujom i U c mogu doseći velike (mnogo više E)vrijednosti, što je opasno za tiristore.

Kao upravljački krug možete koristiti tranzistorski simetrični multivibrator s emiterskim sljedbenicima povezanim na upravljačke elektrode tiristora, napajane istim izvorom napajanja. Krug je pogodan za E= 12 ... 250 V, Ja n \u003d 1 ... 50A, f\u003d 10 ... 2000 Hz.

Serijski pretvarači se u nekim slučajevima koriste za dobivanje izmjenične struje povećane frekvencije ( f\u003d 2 ... 50 kHz). Imaju rezonantni krug kojim se prebacuju ventili. Krug radi na sljedeći način (slika 5). Kada se primijeni upravljački signal, on se otvara VD1, struja teče kroz L1, R n , OD.U sljedećem poluperiodu uključuje se VD2 i kondenzator IZ,napunjen tijekom prvog poluciklusa, prazan nakon R n , L2 i VD2. Krug može raditi u nekoliko načina.

Lik: 5. Serijski pretvarač (a) i načini rada (b-d)

U načinu isprekidane struje (slika 5, b) VD1 isključuje se nakon pada struje punjenja kondenzatora IZ, tj. do trenutka kada shema upravljanja uključuje VD2 (i obrnuto). Kao rezultat, postoji vremenski interval kada oba ventila ne provode struju i Ja n = 0.

U načinu kontinuiranih struja (slika 5, d) VD1 isključuje se kad je uključen VD2, odnosno postoji stanje kada oba ventila vode struju. Ugasiti VD1 u ovom se slučaju provodi zbog činjenice da kada uključite VD2 i prolaz struje pražnjenja IZkroz L2 u L1 formira se povratni EMF dovoljan za smanjenje otvorene struje VD1 na nulu. Za to je potrebno da uključivanje VD2 dogodila se kada je struja kroz VD1 već počeo propadati. Inače, način "kroz" struje kroz VD1, L1, L2 i VD2 , tj. način kratkog spoja.

Optimum je granični način (slika 5, c), u kojem je oblik struje u opterećenju blizak sinusoidi. Preporučljivo je koristiti takve pretvarače pri konstantnim vrijednostima svih parametara, uključujući opterećenje, uz istovremeno pružanje prilično krutih vanjskih karakteristika. Budući da pri malim opterećenjima pretvarač može paralelno pasti iz načina rada R n uključuju IZ 0 a pretvarač se pretvara u serijski paralelni.

Ako spojite drugi kondenzator IZ 1 , tada se pretvarač iz jednotaktnog pretvara u dvotaktni, dok se puni IZ,ispražnjen IZ 1 i obrnuto. To poboljšava učinkovitost sklopa.

Serijski pretvarači mogu biti i višefazni.