Зварювальний апарат постійного струму. Автономний інвертор напруги. Принцип дії

автономний інвертор

інверторомназивається пристрій для перетворення постійного струму в змінний з постійними або регульованими значеннями вихідної напруги і частоти. Якщо інвертор працює на навантаження, що не має іншого джерела живлення, він називається автономним. Автономні інвертори (АІ) застосовуються для живлення споживачів змінним струмом від акумуляторних батарей або інших джерел постійного струму, для електроприводу з частотним регулюванням, в системах прямого перетворення енергії, наприклад від паливних елементів, МГД-генераторів і т. П.

Основні вимоги до АІ: максимальний ККД перетворення, мінімальні масогабаритні показники і вартість, можливість регулювання U н і I вих в досить широких межах, забезпечення заданої форми вихідної напруги, відсутність зривів роботи при перевантаженні і на холостому ходу і т. п.

Як перемикальних елементів в автономних інверторах знайшли застосування транзистори, звичайні і двухопераціонние тиристори. Перші використовуються в пристроях відносно невеликої потужності, останні найбільш зручні в АІ напруги і в регульованих инверторах. Звичайні тиристори іноді доводиться застосовувати в сукупності зі схемами примусової комутації.

Все АІ можуть бути поділені на ряд видів. За схемою перетворення АІ розрізняються за кількістю фаз, схемою живлення і деяким іншим параметрам, про які буде згадано нижче. За способом комутації вентилів вони можуть бути наступними:

інвертори, повністю комутовані по керуючим ланцюгах (на транзисторах і ДОТ);

інвертори з коммутирующими конденсаторами, підключеними паралельно навантаженні;

послідовні інвертори;

АІ з двоступеневою комутацією, що дозволяють здійснювати регулювання вихідної напруги.

Однак найбільш істотно поділ автономних інверторів на два типи - автономні інвертори напруги (АІН) і АІ струму (АНТ) в залежності від характеру джерела живлення і його зв'язку з АІ (крім того, існують і резонансні АІ, але застосовуються вони рідко).

Автономний інвертор напруги.

АІН формує в навантаженні змінну напругу шляхом періодичного підключення її до джерела напруги за рахунок почергового попарного включення вентилів (рис. 1, а).

Джерело живлення працює в режимі генератора напруги (акумуляторні батареї або випрямляч з ємнісним фільтром), призначення конденсатора буде роз'яснено додатково.

Рис. 1. автономний інвертор напруги (а) і діаграма його роботи (б)

Вентилі повинні бути повністю керовані (ДОТ) або кожен тиристор забезпечується схемою примусової комутації. При роботі схеми на навантаженні формуються прямокутні імпульси напруги (рис. 1, б), а форма струму залежить від її характеру. Якщо навантаження чисто активна, то форма струму збігається з формою напруги (пунктир на рис. 1, б), якщо навантаження активно-індуктивна, ток i н змінюється по експоненті з постійною часу

. При замиканні чергової пари вентилів (наприклад, VD1 і VD4 ) і відмиканні другої пари напруга U н змінюється стрибком, а ток деякий час

зберігає свій напрямок. Для забезпечення проходження цього струму використовуються так звані зворотні діоди VD5... VD8, далі ток замикається через конденсатор С.

Частота струму в навантаженні визначається схемою управління, навантажувальна характеристика АІН - жорстка, так як напруга на навантаженні практично дорівнює U n \u003d Е.

Так як вхідний струм власне інвертора стає (при RL- навантаженні) знакозмінних, то при роботі АІН від випрямляча необхідний конденсатор Звеликої місткості. АІН можуть працювати в широкому діапазоні навантажень - від холостого ходу до значення, при якому можливе перевантаження вентилів.

Максимальне значення струму навантаження при симетричному характері вихідної напруги одно

,

де

;

;Т-період.

Регулювати напругу на виході АІН можна, або змінюючи Е, Або за допомогою широтно-імпульсного регулювання. Останнє здійснюють кількома способами: 1) кожен імпульс напруги в навантаженні формується з декількох, які змінюють свою тривалість (рис. 2, а); 2) скорочення часу роботи АІН в кожен напівперіод за рахунок закривання однієї пари вентилів і включення другої пари з затримкою (рис. 2, б); 3) застосування двох інверторів, які працюють на загальне навантаження через трансформатор з геометричним складанням вихідних напруг шляхом регулювання фази в схемах управління (рис. 2, в). У перших двох випадках зростають амплітуди вищих гармонік, але в першому варіанті можна по лучити вихідна напруга, близьке за формою до синусоидальному.

Рис. 2. Регулювання напруги в АІН

Автономний інвертор струму.

АІТ (рис. 3) отримує харчування від джерела живлення через досить велику індуктивність, тому споживаний інвертором струм практично не змінюється. При почерговому перемиканні пар тиристорів (не замикають) в навантаженні формуються прямокутні імпульси струму, а форма напруги залежить від характеру навантаження, яка, як правило, буває активно-ємнісний. За способом підключення конденсатора до навантаження так АИТ отримали назву паралельних.

Як видно з рис. 3, при черговому перемиканні пар тиристорів (наприклад, працювали VD1 і VD4, а включаються схемою управління VD2 і VD3 ) Через навантаження струм змінюється стрибком, а за рахунок перезарядження конденсатора Зпротягом деякого інтервалу часу раніше працювали тиристори виявляються під зворотною напругою і, природно, замикаються. Необхідно, щоб цей інтервал був більше часу вимикання тиристора. Чим більше постійна часу

, тим повільніше змінюється напруга на навантаженні, закон його зміни наближається до лінійного, а форма - до трикутної. Зовнішня характеристика АІТ - м'яка (крутопадаючих), режим холостого ходу неможливий.

Рис. 3. Автономний інвертор струму (а) і діаграма його роботи (б)

Відносне значення напруги на навантаженні і вид зовнішньої характеристики можуть бути наближено знайдені з формули

де - ККД АІТ;

.

Слід зазначити, що при активно-індуктивному навантаженні АИТ непрацездатний і таке навантаження необхідно шунтировать конденсатором.

Так як на практиці важко забезпечити

для АІТ або

Здля АІН, реальні схеми мають деякі проміжні якості.

Для харчування щодо малопотужною однофазного навантаження з напругою, помітно відрізняється від напруги живлення, зручно застосовувати схему, в якій одна пара тиристорів замінена полуобмоткі трансформатора, а сам він дозволяє узгодити U n і U н (Рис. 4).

Рис. 4. Паралельний інвертор на транзисторах

При включенні, наприклад, VD1 струм проходить від джерела живлення через L, полуобмоткі W1 трансформатора Тр і VD1. У вторинній обмотці індукується ЕРС, і з'являється струм в навантаженні. комутуючий конденсатор Ззаряджається майже до подвоєного напруги мережі (за рахунок ЕРС самоіндукції в обмотці W2). Коли схема управління СУ включить VD2, конденсатор виявляється включеним паралельно VD1, той миттєво закривається (так як подано напругу в замикаючому напрямку) і процес повторюється.

У навантаженні формується напруга з частотою, яка визначається схемою управління. Форма напруги залежить від R н (При великих R н вона ближче до трикутної, при менших R н - до прямокутної), величина - від Е,коефіцієнта трансформації і значення R н .

напруга на L дорівнює різниці між U c (Переліченим до половини первинної обмотки) і Е.В режимах, близьких до холостого ходу, конденсатор заряджається постійним струмом, причому U c може досягати великих (багато більше Е)значень, що небезпечно для тиристорів.

Як схеми управління можна застосовувати транзисторний симетричний мультивібратор з еміттерними повторителями, підключеними до керуючих електродів тиристорів, який живиться від того ж джерела живлення. Схема придатна для E= 12 ... 250 В, I н \u003d 1 ... 50А, f\u003d 10 ... 2000 Гц.

Послідовні інвертори в деяких випадках застосовуються для отримання змінного струму підвищеної частоти ( f\u003d 2 ... 50 кГц). Вони мають резонансну ланцюжок, за допомогою якої проводиться комутація вентилів. Схема працює в такий спосіб (рис. 5). При подачі керуючого сигналу відкривається VD1, ток йде через L1, R н , С.Наступний напівперіод включається VD2 і конденсатор С,заряджений під час першого напівперіоду, розряджається через R н , L2 і VD2. Схема може працювати в декількох режимах.

Рис. 5. Послідовний інвертор (а) і режими його роботи (б-г)

У режимі переривчастих струмів (рис. 5, б) VD1 вимикається після спадання струму заряду конденсатора З, Т. Е. До того моменту, коли схема управління включає VD2 (і навпаки). В результаті має місце інтервал часу, коли обидва вентилі струм не проводять і I н = 0.

У режимі безперервних струмів (рис. 5, г) VD1 вимикається в момент включення VD2, т. е. є стан, коли струм проводять обидва вентилі. вимкнення VD1 при цьому здійснюється за рахунок того, що при включенні VD2 і проходженні струму розряду Зчерез L2 в L1 формується протидії ЕРС, достатня для зниження струму відкритого VD1 до нуля. Для цього необхідно, щоб включення VD2 відбувалося тоді, коли струм через VD1 вже почав знижуватися. В іншому випадку неминучий режим "наскрізного" струму через VD1, L1, L2 і VD2 , Т. Е. Режим КЗ.

Оптимальним є граничний режим (рис. 5, в), при якому форма струму в навантаженні близька до синусоїди. Такі інвертори доцільно застосовувати при постійних значеннях всіх параметрів, в тому числі навантаження, при цьому забезпечується досить жорстка зовнішня характеристика. Так як при малих навантаженнях інвертор може випасти з режиму, паралельно R н включають З 0 і інвертор перетворюється в послідовно-паралельний.

Якщо підключити ще один конденсатор З 1 , то інвертор з однотактного перетворюється в двотактний, в той час, коли заряджає С,розряджається З 1 і навпаки. Це підвищує ефективність роботи схеми.

Послідовні інвертори можуть бути і багатофазними.

Інвертор в електроніці що це таке

Інвертором в електроніці та електротехніці називається пристрій для перетворення постійного струму в змінний з регульованими або постійними значеннями напруги і частоти на виході. Якщо інвертор розрахований на навантаження, що не має альтернативного джерела живлення, він називається автономним. Вони знайшли широке застосування для живлення споживачів змінним струмом від акумуляторних батарей або інших джерел, для електроприводів з частотним регулюванням, в різних системах прямого перетворення енергії, в зварювальних апаратах в силовий і медичній техніці і т. П.

Окремо можна виділити поняття інвертор: це - логічний елемент, що виконує логічну операцію заперечення (інверсія)

Робота інвертора заснована на перемиканні джерела постійної напруги з певною частотою з метою періодичної зміни полярності напруги на виході пристрою. Частота задається керуючими сигналами управління, які формувались спеціальної схемою, званої контролером. Від також можеть виконувати наступні функції: регулювання рівня напруги, синхронізація частоти перемикання, захист від перевантажень і т.п.

За принципом роботи інвертори можна розділити на:

автономні діляться на інвертори напруги (АІН), наприклад - в комп'ютерних ДБЖ та інвертори струму (RTA)
Зовсім - ведені мережею, наприклад - силовий перетворювач рентгенівського.

У ролі переключательних елементів в автономних інверторах (АІ) знайшли широке застосування всі види транзисторів, а також стандартні і двухопераціонние тиристори. Транзисторні ключі на біполярних і польових транзисторах застосовуються в пристроях невеликої та середньої потужності. Тиристори й частіше використовують у потужних схемах.

Все АІ можна поділити на ряд видів.

За схемою перетворення: однофазні, трифазні, різновиди схеми харчування і деяким іншим властивостям.
За способом комутації: Повністю комутовані по ланцюгах управління і з коммутирующими конденсаторами, приєднаними паралельно навантаженні і послідовні інвертори з двоступеневою комутацією
А також АІ напруги (АІН) і струму (АНТ) в залежності від виду джерела живлення і його зв'язку з АІ

Автономний інвертор напруги (АІН)

Пристрої цього типу генерують в навантаженні змінну напругу за допомогою періодичного під'єднання її до джерела напруги за рахунок почергового попарного підключення вентилів дивись малюнок нижче.

Джерело живлення працює в режимі генератора напруги (акумулятор або випрямляч з ємнісним фільтром).

Кожен тиристор забезпечений схемою комутації. При роботі схеми на навантаженні утворюються імпульси напруги прямокутної форми, а форма струму залежить від її характеру навантаження. Якщо вона чисто активна, то форма струмових імпульсів повторює форму напруги (пунктир на диаграма), якщо навантаження активно-індуктивна, ток i н змінюється по експоненті з постійною часу:

При замиканні чергової пари тірісторои (VD1 і VD4) і отткритіі інший Uн змінюється стрибком, а ток деякий час продовжує зберігати свій напрямок. Для забезпечення протікання цього струму потрібні зворотні діоди VD5- VD8, потім струм замикається через ємність С.

Частота струму в навантаженні задається керуючої схемою, навантажувальна характеристика інвертора - жорстка, т.к напруга на навантаженні Un \u003d Е.

Тому вхідний струм АІН буде (при RL-навантаженні) знакозмінних, то при роботі АІН від випрямляча потрібно конденсатор З великим номіналом ємності. Така схема здатна працювати в величезному діапазоні навантажень - від холостого ходу (ХХ) до значень, при яких можлива перевантаження вентилів.

Максимальні струмові рівні в навантаженні при симетричному характері вихідної напруги дорівнюватимуть:

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

Де, I 0 \u003d E / R н; τ \u003d Lн / Rн; T - період

Регулювати напругу на виході інвертора можна, або змінюючи Е, або за допомогою широтно-імпульсного регулювання. Останнє можна здійснити кількома способами:

кожен імпульс напруги в навантаженні АІН утворюється з декількох, що змінюють свою тривалість (рисунок а);
скорочення часу роботи в кожен напівперіод за рахунок закривання однієї пари тиристорів і включення іншої пари з затримкою (малюнок б);
Використанням 2-х інверторів, які працюють на загальне навантаження через трансформатор з геометричним складанням вихідних напруг за допомогою регулювання фази в керуючих схемах (в).

У перших двох варіантах зростають амплітуди вищих гармонік, але в першому випадку можна по лучити вихідна напруга, близьке до синусоїдальної формі.

Автономний інвертор струму (RTA)

Схема отримує харчування через індуктивність великого номіналу, тому струм практично не змінюється. При почерговому перемиканні вентельний пар (не замикають) в навантаженні генеруються прямокутні струмові імпульси, а форма напруги залежить від характеру навантаження, яка зазвичай буває активно-ємнісний.

Як видно зі схеми нижче при черговому перемиканні тиристорів (припустимо, працювали VD1 і VD4, а включаються VD2 і VD3) через навантаження струм змінюється стрибкоподібно, а за рахунок перезарядження ємності С протягом деякого тимчасового інтервалу раніше працювали тиристори виявляться під зворотною напругою і тому закриваються . Необхідно добитися того, щоб цей інтервал був більше часу відключення напівпровідникового вентиля. Чим більше постійна часу тау, тим повільніше змінюється напруга на навантаженні, закон його зміни при цьому практично наближається до лінійного, а форма імпульсів прагне до трикутної. Зовнішня характеристика токового інвертора - м'яка (крутопадаючих), режим холостого ходу повністю неможливий.

Відносне значення напруги на навантаженні і зовнішньої вид характеристики можуть бути приблизно вичесліть за формулою:

Слід додати, що при активно-індуктивному навантаженні пристрій непрацездатною і таке навантаження слід обов'язково шунтировать конденсатором.

Так як в реальних умовах важко забезпечити L \u003d ∞ або С \u003d ∞ реальні схеми АІН і АІТ володіють деякими промежуточнимісвойствамі.

Для живлення однофазної малопотужної навантаження з напругою, помітно відрізняється від рівня джерела живлення, зручно використовувати схему, в якій одна пара напівпровідникових вентилів замінена полуобмоткі трансформатора, а сам він дозволяє узгодити U n і U н.

При включенні вентиля VD1 струм протікає від блоку живлення через індуктивність, полуобмоткі трансформатора W1 і власне VD1. У вторинній обмотці наводиться ЕРС, і генерується струм в підключеній навантаженні.

Коммутирующая ємність С заряджається майже до рівня подвоєного напруги (за рахунок виникає ЕРС самоіндукції в W2). Коли схема управління СУ включить другий тиристор, конденсатор виявляється приєднаним паралельно VD1, той закривається і алгоритм роботи повторюється.

У навантаженні генерується напруга з частотою, що задається схемою управління. Форма напруги залежить від опору навантаження Rн (при великих значеннях вона ближче до трикутної, при більш низьких - до прямокутної), величина -від коефіцієнта трансформації, Е і значення R н.

Напруга на індуктивності визначається різницею між U c (переліченим до половини первинної обмотки) і Е. В режимах, наближених до ХХ, ємність заряджається постійним струмом, причому U c може досягати величезних (\u003e Е) значень, що небезпечно для напівпровідникових елементів.

У ролі керуючої схеми можна використовувати транзисторний симетричний мультивібратор з еміттерними повторителями, приєднаними до керуючих електродів тиристорів, який живиться від того ж блоку живлення.

Послідовні інвертори в окремих випадках використовуються для отримання змінного струму частотою (f \u003d 2 ... 50 кГц). Вони мають власну резонансну ланцюжок, за допомогою якої здійснюється комутація тиристорів. Схема на малюнку нижче працює наступним чином. При подачі керуючого сигналу відкривається VD1, ток йде через L1, Rн, С. Наступний напівперіод включається тиристор VD2 і конденсатор С, заряджений під час першого напівперіоду, розряджається через Rн, L2 і другий тиристор. Схема здатна працювати в декількох режимах.

У режимі переривчастих струмів (дивись графік б) VD1 вимикається після спадання струму заряду ємності С, т. Е. До того моменту, коли керуюча схема включає другий тиристор (і навпаки). В результаті з'являється часовий інтервал, коли обидва тиристора струм не проводять і Iн \u003d 0.

У режимі безперервних струмів (графік, г) перший тиристор вимикається в момент включення VD2, т. Е. З'являється стан, коли струм пропускають обидва тиристора. Вимкнення VD1 при цьому відбувається за рахунок того, що при включенні VD2 і протіканні струму розряду конденсатора через L2 в L1 генерується протидії ЕРС, достатня для зниження струму відкритого першого тиристора до нуля. Для цього потрібно, щоб включення VD2 було тоді, коли струм через VD1 вже почав падати. Інакше неминучий режим "наскрізного" струму що протікає через VD1, L1, L2 і VD2, т. Е. Режим короткого замикання.

Оптимальним вважається граничний режим (графік, в), при якому форма струму в навантаженні прагне до синусоїдальної. Такі інвертори доцільно використовувати при постійних значеннях всіх параметрів, в.т.ч навантаження, при цьому забезпечується жорстка зовнішня характеристика. Так як при низьких навантаженнях інвертор здатний випасти з режиму, паралельно R н підключають конденсатор С0 і інвертор перетворюється в послідовно-паралельний.

Якщо під'єднати ще одну ємність С1, то інвертор з однотактного трансформується в двотактний, в той час, коли заряджається С, розряджається С1 і навпаки. Це істотно підвищує ефективність роботи схеми. Послідовні інвертори бувають і багатофазними.

Інвертори представляють собою перетворювачі постійної напруги в змінну. Основними елементами інверторів (і конверторів теж) є комутаційні прилади, які періодично переривають струм або змінюють його напрямок. Інвертори класифікують за типом комутуючого приладу (транзисторні або тиристорні), за родом перетворюється величини (інвертори струму або напруги), за принципом комутації (автономні або ведені мережею). Транзисторні інвертори використовуються при малих потужностях, що не перевищують сотні Вт, тиристорні - при великих потужностях і токах, що доходять до сотень ампер.

В перетворювальних установках інверторний режим може чергуватися з випрямним режимом, особливо в електроприводах постійного струму. У руховому режимі перетворювач працює як випрямляч, передаючи потужність двигуна постійного струму. При переході електродвигуна в генераторний режим (спуск вантажу, рух під ухил і т.п.) перетворювач працює як інвертор, віддаючи енергію постійного струму, що генерується електричної машиною, В мережу змінного струму. При інвертуванні джерело постійної напруги працює як генератор енергії, що характеризується тим, що напрямок цього ЕРС і струму збігаються, а навантаження змінного струму - як споживач, у якого ЕРС і струм зустрічного.

Інвертори, ведені мережею. На ріс.3.41 показано схема однофазного двухполуперіодного інвертора з нульовим виводом. Тиристори відмикаються по черзі схемою управління через кожну половину періоду a \u003d p, а замикання їх відбувається вторинним напругою U 2 трансформатора, створюваним мережею. Тому інвертор називається веденим. По відношенню до E тиристори включені в прямому напрямку. напруги U 2-1 , U 2-2 на вторинних обмотках періодично змінюють знак, в одну половину періоду складався з E, А в іншу - віднімаючи з нього. Енергія передається від інвертора в мережу змінного струму тоді, коли напрямок струму i 2 і змінної напруги U 2 протилежні, тобто коли і U 2 і Е Зустрічні.

Процес инвертирования можливий тільки тоді, коли U 2 > Е. У режимі інвертування U 2 (U 1) і I 2 (I 1) противофазно, що і є показником передачі енергії в мережу.

При a \u003d 0 (в загальному випадку при 0< a < p/2) инвертор может работать как выпрямитель.

Для перекладу схеми з режиму випрямлення в режим інвертування необхідно:

1) підключити джерело постійного струму полярністю, зворотної режиму випрямлення;

2) забезпечити відкривання тиристорів при негативної полярності напруги на полуобмоткі U 2-1 , U 2-2 .

Але якщо черговий тиристор відмикати точно при вугіллі управління a \u003d p, то інший тиристор ще не встигне закритися, тому що для закривання необхідно час, що дорівнює t викл тиристора. Тоді на час t викл утворюється ланцюг короткого замикання по ланцюгу: вторинна обмотка - закривається тиристор - джерело Е. Зазначене явище називають зривом инвертирования або перекиданням інвертора. Щоб уникнути цього небажаного процесу необхідно кут регулювання a зробити менше p на деякий кут b, Званий кутом випередження відмикання - ріс.3.42.

Кут випередження повинен бути достатнім для того, щоб могла відбутися комутація струмів тиристорів (період комутації γ) і для того, щоб після комутації закривається тиристор встиг відновити свої замикаючі властивості.

Потужність, що віддається в мережу інвертором, може регулюватися 3-ма способами: зміною кута випередження при постійному Е; зміною напруги джерела живлення Е при постійному випередженні b зміною напруги змінного струму U 2 .

Автономний інвертор струму показаний на рис. 3.43. Джерело живлення Е працює в режимі джерела струму, через наявність дроселя L o великий індуктивності. тиристори T 1 , T 2 відкриваються поперемінно запускають імпульсами U вх.1, U вх.2, які надходять з системи управління.

Відкрившись, тиристор T 1 підключає ліву на кресленні полуобмоткі w 1-1 до джерела живлення Е і в ній виникає струм i т1. Цей струм наводить ЕРС у другій (правої) полуобмоткі w 1-2 і у вторинній обмотці w. конденсатор З до, заряджається до подвоєного значення напруги живлення Е. Після надходження вхідного керуючого імпульсу U вх.2 тиристор T 2 відкривається і напруга на конденсаторі замикає перший тиристор T 1. конденсатор З до, розряджається через первинну обмотку і деякий час ( t викл) - через обидва відкритих тиристора. Як тільки тиристор T 2 закриється, розряд З до, припиняється і починається його перезарядка до 2 Е інший полярністю.

У режимі холостого ходу при перемиканні тиристорів можуть виникнути великі перенапруги, несприятливо позначаються на тиристорах і конденсаторі. Щоб цього не сталося, застосовують вдосконалену схему з відсікають діодами.

тиристорні інвертори - це пристрої, які працюють на автономну навантаження і призначені для перетворення напруги постійного струму в напругу змінного струму заданої або регульованої частоти. інвертуванням називають процес перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму (рис. 1).

Рис.1 Діаграма постійного і змінного струму.

застосування:

1. У системах електропостачання споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом харчування є джерело напруги постійного струму (наприклад: акумуляторна або сонячна батарея).

2. У системах гарантованого електропостачання при зникненні напруги мережі живлення (наприклад: для особистих потреб електростанцій, ЕОМ).

3. Для частотного регулювання швидкості асинхронних двигунів.

4. Для живлення споживачів змінного струму від ліній електропостачання постійного струму.

5. У конверторах для перетворення постійної напруги однієї величини в постійну напругу іншої величини.

Комутаційними елементами в інверторах є тиристори або силові транзистори.

Інвертори поділяють на:

1. Автономні інвертори і перетворювачі частоти.

2. Інвертори, ведені мережею.

Автономні інвертори і перетворювачі частоти.

автономні інвертори - це пристрої, що перетворюють постійний струм в змінний з постійною або регульованою частотою і працюють на автономну навантаження. На відміну від інверторів, ведених мережею, у автономного інвертора на стороні змінного струму немає іншого джерела енергії тієї ж частоти, крім самого інвертора.

перетворювачі частоти - це пристрої, що перетворюють змінний струм однієї частоти в змінний струм іншої частоти.

До автономним інверторів і перетворювачів частоти, Які працюють в конкретній установці, ставляться такі вимоги:

1) забезпечення максимального к. П. Д .;

2) мінімальна встановлена \u200b\u200bпотужність окремих вузлів і елементів;

3) можливість широкого регулювання вихідної напруги;

4) забезпечення стабільності вихідної напруги при зміні величини і характеру навантаження, а також вхідної напруги;

5) забезпечення синусоїдальної або близької до синусоїдальної форми кривої вихідної напруги;

6) можливість регулювання в певних межах вихідний частоти, що перш за все необхідно в установках вентильного електроприводу;

7) відсутність зривів інвертування при перевантаженнях;

8) можливість роботи в режимі холостого ходу;

9) забезпечення максимальної надійності та стійкості. Природно, що вимоги, що пред'являються до схем автономних інверторів, залежать від конкретного призначення інвертора. Тому оптимальний варіант схеми інвертора необхідно вибирати, враховуючи режим роботи живляться від нього навантажень.

Автономні інвертори можна класифікувати за такими основними ознаками:

1) за схемою перетворення;

2) за способом комутації (замикання);

3) за способом управління;

4) за характером протікання електромагнітних процесів.

Розрізняють такі основні схеми перетворення:

1) одновентільную (рис. 2.1, а);

2) однофазную з нульовим виводом (рис, 2.1, б);

3) однофазную з нульовим виводом джерела живлення (рис. 2.1, в);

4) однофазную бруківку (рис. 2.1, г);

5) трифазну мостову (рис. 2.1, д);

6) трифазну з нульовим виводом (рис. 2.1, е).

Всі інші схеми є похідними перерахованих груп. Найбільшого поширення в перетворювальної техніки знаходять мостові схеми. За способом комутації автономні інвертори можна розділити на кілька груп.

Рис. 2 .1. схеми перетворення

Інвертори з індивідуальною комутацією. Комутуючі пристрій інвертора служить для замикання одного тиристора (вентильного плеча) інвертора. До даного типу інверторів відносяться інвертори на повністю керованих вентилях - двухопераціонних тиристорах і силових транзисторах.

Інвертори з пофазної комутацією. Комутуючі пристрій інвертора служить для почергового замикання тиристорів двох вентильних плечей, що відносяться до однієї фазі інвертора.

Інвертори з групової комутацією. У таких інверторах для замикання всіх вентильних плечей однієї групи (анодної або катодного) служить окреме комутуючі пристрій.

Інвертори із загальною комутацією. Комутуючі пристрій є загальним для всіх вентильних плечей інвертора. У комутуючого пристрою інвертора міститься один коммутирующий конденсатор.

Інвертори з межвентільной комутацією. У таких інверторах замикання кожного робочого тиристора відбувається при відмикання наступного по порядку роботи тиристора іншої фази, але цієї ж групи.

Інвертори з межфазовой комутацією. Комутуючі пристрій інвертора служить для почергового замикання двох тиристорів різних фаз.

За способом управління інвертори поділяються на інвертори з самозбудженням і з зовнішнім (незалежним) збудженням.

В інверторах з самозбудженням керуючі імпульси, що подаються на тиристори, формуються з вихідного напруги інвертора. Частота вихідної напруги визначається параметрами навантаження.

В інверторах з незалежним збудженням керуючі імпульси формуються зовнішнім генератором, який і задає частоту вихідного напруги. З огляду на те що частота вихідної напруги не залежить від параметрів навантаження, даний тип інверторів отримав найбільш широке поширення в перетворювальної техніки.

Залежно від особливостей протікання електромагнітних процесів автономні інвертори можна розділити на три основні типи: інвертори струму (Рис. 2.2, а); інвертори напруги (Рис. 2.2, в); резонансні інвертори (Рис. 2.2, д).

Для інверторів струму характерно те, що вони формують в навантаженні струм ( i вих) а форма і фаза напруги залежать від параметрів навантаження.

Джерело постійного струму працює в режимі генератора струму, для чого у вхідному ланцюзі включається реактор L d з великою індуктивністю. Крім того, реактор L d виконує функції фільтра вищих гармонійних напруги, так як до нього в будь-який момент часу прикладається різниця між постійною напругою джерела живлення і пульсуючим напругою на вході інвертора; перешкоджає розряду конденсатора на джерело живлення під час комутації струму в тиристорах і забезпечує апериодический режим роботи інвертора, характерний малими пульсаціями вхідного струму. Слід зазначити, що при харчуванні інвертора від джерел з характеристиками, близькими до джерела струму, дросель L d може бути відсутнім.

Інвертор струму повинен забезпечувати режим роботи, при якому між анодом і катодом закрився тиристора протягом деякого часу підтримується негативна напруга, необхідне для відновлення замикаючих властивостей тиристора. Цей час t викл називається часом запирання (рис. 2.2, б).

При активно-індуктивному характері споживача баланс реактивної потужності забезпечується коммутирующими і компенсують конденсаторами. Конденсатори по відношенню до навантаження можуть бути включені паралельно, послідовно, послідовно-паралельно.

Для інверторів струму характерний енергообмін між коммутирующими і компенсують конденсаторами, включеними в колі змінного струму, реактивні ланцюга навантаження і дроселем L d в ланцюзі вхідного струму.

У режимі холостого ходу інвертор струму непрацездатний внаслідок зростання амплітуди зворотних і прямих напруг на тиристорах. При перевантаженнях його робота ускладнена через недостатнє часу для відновлення замикаючих властивостей тиристорів. Інвертори струму мають близьку до синусоїдальної форму вихідної напруги, відносно малі пульсації вхідного струму, можливість реверсу напрямку потоку потужності без зміни напрямку струму (при переході в випрямний режим). Зовнішня характеристика інвертора струму м'яка.

Рис. 2.2. Однофазна мостова схема інвертора струму ( а) І інвертора напруги ( в); тимчасові діаграми струму і напруги на виході інвертора струму ( б), Інвертора напруги ( г) І резонансного інвертора ( д) При активно-індуктивному навантаженні

Інвертори напруги формують в навантаженні напруга, а форма і фаза струму залежать від характеру навантаження. Джерело живлення інвертора напруги працює в режимі генератора напруги. Якщо інвертор харчується від випрямляча, то на його вході ставиться конденсатор досить великої ємності для забезпечення провідності джерела постійної напруги в зворотному напрямку. Це необхідно, коли в складі навантаження є реактивні елементи будь-якого типу. Через зворотний випрямляч (Д1 ... Д4) здійснюється енергообмін між накопичувачами, наявними в складі навантаження, і джерелом живлення або конденсатором З 0, А в багатофазних инверторах - також і енергообмін між фазами навантаження. конденсатор З 0 виконує функції фільтра вищих гармонійних струму, тому що по ньому протікає різниця між вихідним і постійним в межах полупериодов вхідним струмом. Інвертор напруги може працювати в режимі холостого ходу. Працездатність інвертора напруги в режимі, близькому до короткого замикання, визначається комутаційними властивостями повністю керованих вентилів або прийнятим способом комутації та параметрами комутуючих елементів звичайних тиристорів. Інвертори напруги працездатні, мають малі зміни форми кривої і величини вихідної напруги при зміні вихідної частоти в широких межах. Комутаційні процеси в них мало впливають на форму кривої вихідної напруги, а встановлена \u200b\u200bпотужність комутуючих елементів порівняно невелика. Зовнішня характеристика інвертора напруги жорстка.

Основними областями застосування інверторів струму і інверторів напруги є: стабілізовані по вихідним параметрам перетворювачі частоти; вторинні джерела живлення змінним струмом; установки частотно-регульованого електроприводу.

У резонансних инверторах навантаження, що має, як правило, значну індуктивність, утворює з реактивними елементами схеми інвертора коливальний контур з резонансом напруг. Вимкнення тиристорів інвертора відбувається завдяки плавному спадання до нуля анодного струму тиристора (струму коливального контуру) на кожному напівперіод (рис. 2.2, д). Власна частота контура в резонансних инверторах повинна бути вище або дорівнює робочій частоті інвертора. Конденсатори, що входять до складу коливального контуру, можуть бути включені послідовно з навантаженням, паралельно їй або послідовно-паралельно, а дроселі - в ланцюзі вхідного струму, в анодних ланцюгах вентилів або послідовно з навантаженням.

Для резонансних інверторів характерний інтенсивний енергообмін між накопичувачами, що входять до складу схеми. Резонансні інвертори можуть харчуватися від джерел, які працюють в режимі генератора е. д. з. або струму. Інвертори, що живляться від генератора е. д. з., називаються инверторами з відкритим входом, а харчуються від генератора струму - з закритим входом.

Резонансні інвертори мають близьку до синусоїдальної форму напруги і струму в навантаженні, плавне наростання (в більшості схем без зворотних діодів) і спад струму через вентилі, що забезпечує малі комутаційні втрати потужності в останніх. Даний тип інверторів доцільно застосовувати при підвищених частотах вихідної напруги (одиниці кГц, десятки кГц).

Слід підкреслити, що конкретні схеми автономних інверторів часто мають одночасно ознаками різних класифікаційних груп в залежності від співвідношення параметрів, режиму роботи і т. Д.

Інвертори, ведені мережею.

ведені інвертори (ВІ) працюють на мережу, в якій є інші джерела електроенергії. Комутації вентилів в них здійснюються за рахунок енергії цієї мережі. Частота на виході ВІ дорівнює частоті мережі, а напруга - напрузі мережі.

Принцип роботи інвертора, веденого мережею, можна розглянути на прикладі роботи найпростішого однофазного інвертора , Наведеного на рис. 3, а. Ланцюг містить джерело постійної інвертіруемой е . д. з. U d. послідовне яким включені тиристор В, дросель L d і вихідний трансформатор Тр. первинна обмотка Тр підключена до мережі змінного струму, що створює на вторинній обмотці напруга u 2. По відношенню до тиристору В це напруга періодично змінює знак, в одну частину періоду складався з напругою U dв іншу - віднімаючи з нього. По відношенню до інвертіруемому напрузі тиристор В завжди включений в провідному напрямку.

Енергія передається від інвертора в мережу змінного струму тоді, коли напрямки інвертованого струму i B і змінної напруги u 2; протилежні, т. е. коли u 2 і U d Зустрічні.

Процес инвертирования можливий, якщо U 2 m\u003eU d.Для інвертування необхідно відмикати тиристор до моменту O 1, коли напруга на аноді буде ще більше нуля. Це має місце для всіх кутів управління г< < 0 , де г - граничний кут управління, при якому досягається граничний режим роботи інвертора.

Рис. 3 Схеми однофазного (а) і двофазного (в) інвертора, веденого мережею; тимчасові диаграма струмів і напруг (б, г), сімейство вхідних характеристики інвертора (д).

Нехтуючи втратами в схемі, можна записати

де x d - реактивний опір контуру.

З рівняння випливає, що швидкість зміни струму i B буде прямо пропорційна різниціU d -u 2.

Якщо,, ток i B зростає (рис. 3, б). при U d -u 2 \u003d 0 i B досягає максимуму, при U d -u 2 < 0 i B зменшується і підтримується за рахунок енергії, накопиченої в індуктивності дроселя L d. Тривалість роботи тиристора після точки O 1 визначається часом, протягом якого ця енергія буде розсіяна. Величина накопиченої енергії пропорційна площам S 1і S 2, А розсіяною - S 1 ' і S 2 '. Тому переривання струму в ланцюзі інвертора визначиться моментом, коли при заданому куті управління обидві площі ( S 1 і S 1 ' або S 2 і S 2 ') Стають рівними між собою.

При зміні кута управління в сторону його зменшення площа S 1 буде весь час зростати. Відповідно до цього повинна зростати і площа S 1 '. Однак зростання цієї площі при зазначених значеннях U 2 m і U d обмежений ділянкою синусоїди O 1 ...O 1 ". Як тільки буде витрачений весь резерв цієї площі, тиристор, раз включившись, вже більше вимкнутися не зможе, і з точки O 1 ' його ток почне знову зростати під дією напруги U d -u 2 \u003e 0, інвертор перейде в режим короткого замикання. Точка, крапка O 1 ', яка визначає межу стійкої роботи інвертора, називається граничною,

Втрата стійкості інвертором (перекидання) в реальних инверторах настає раніше, ніж це визначається точкою O 1 ", Так як для відновлення замикаючих властивостей тиристора після його виключення необхідний деякий проміжок часу () для розсмоктування електричних зарядів в p-n-переходах. Отже, в реальній схемі інвертора тиристор повинен виключатися раніше на кут, ніж буде досягнута точка O 1 ", Причому це випередження має завжди відповідати найбільш важкого режиму роботи тиристора, при якому \u003d max.

Аналогічну картину можна отримати і якщо \u003d const, a U d\u003d Var.

Розглянута схема містить ті ж елементи, що і керований випрямляч, що працює на протидії е. д. з. Однак роль протидії е. д. з. в інверторному режимі виконує не U d, а напруга мережі змінного струму. Для того щоб це могло мати місце, необхідно при переході від випрямного режиму до інверторному змінити знак U d і збільшити кут управління за межі граничного.

Співвідношення між основними параметрами схеми при цьому не змінюються, і, отже, робочий режим інвертора буде описуватися тими ж рівняннями, що і робочий режим керованого випрямляча, з тією різницею, що джерело U d виступає в цьому випадку не як споживач, а як генератор активної потужності. За рахунок цього джерела і покриваються всі втрати в инвертор. Таким чином, позначивши власну е. д. з. інвертора в режимі холостого ходу через U d отримаємо:

де U x і U a - реактивні і активні втрати напруги.

У инверторе, відомому мережею, U x \u003e\u003e U a. Найпростіший однофазний інвертор, ведений мережею, характеризується досить низькими енергетичними показниками через погане використання вихідного трансформатора і значного спотворення форми струмів як на стороні змінного, так і на стороні постійного напруг. З цієї причини інвертори, ведені мережею, як правило, виконуються багатофазними.

На рис. 3, в, г представлені двухфазная схема інвертора і тимчасові діаграми струмів і напруг, що пояснюють його роботу.

Вибір необхідних ділянок робочої напруги, при яких забезпечується послідовний пропуск струму тиристорами В 1 і В 2 в межах кожного з періодів змінної напруги, досягається вибором моменту відмикання тиристорів за допомогою імпульсів управління. При подачі імпульсу управління на тиристор В 1 незадовго до того, як напруга на фазі А стає негативним, цей тиристор відмикається і пропускає струм переважно при негативній напрузі фази А.

Зустрічний напрямок негативного напруги е 21 по відношенню до анодному току i 21 свідчить про прийом даної фазою потужності від джерела постійного струму. Ця потужність в процесі трансформації струму передається через вторинну і первинну обмотки трансформатора в мережу однофазного струму. Така ж передача потужності відбувається в наступний напівперіод через фазу В вторинної обмотки, коли через неї і тиристор В 2 протікає струм.

Перехід (комутація) струму з тиристора В 1 на тиристор В 2 відбувається так само, як і при випрямному режимі, протягом певного проміжку часу, званого кутом комутації .

Роль тиристорів при інвертуванні струму зводиться до ролі перемикачів, поперемінно замикаючих ланцюг джерела постійного струму на одну з вторинних обмоток, а саме на ту, яка забезпечує в дану частину періоду найбільш негативна напруга. Для того щоб мала місце природна комутація струму, що характеризується переходом струму від одного тиристора до іншого, відмикання чергового тиристора має відбуватися з деяким випередженням проти початку негативного напівперіоду. Це випередження в кутовому вимірі носить назву кута випередження.

Кут випередження повинен бути достатній не тільки для того, щоб могла відбутися природна комутація струмів тиристорів (кут), але і для того, щоб після комутації струмів залишався до появи позитивної напруги достатній за величиною кут, протягом якого закінчив свою роботу тиристор повинен встигнути відновити свої замикаючі властивості.

Якщо послекоммутаціонний кут менше, ніж потрібно для відновлення замикаючих властивостей тиристора, то з появою позитивного напруги на аноді тиристора, який закінчив роботу, він знову відмикається, і струм продовжує протікати при позитивному напівперіоді змінної напруги, що призводить до перекидання інвертора.

Таким чином, для нормальної роботи інвертора необхідно, щоб

де - кут випередження (управління), відлічуваний від точки перетину фазових напруг в сторону випередження; t восс - час відновлення керуючих властивостей тиристора.

Співвідношення між струмами і напругами для веденого інвертора можна отримати з співвідношень для аналогічної схеми керованого випрямляча, в яких замість підставлено значення (-).

Вираз для розрахунку струму інвертора має вигляд:

Середнє значення вхідної напруги інвертора (власна протидії е. Д. С.) Підсумовується з напруги холостого ходу і збільшення напруги в період комутації:

Напруга холостого ходу визначається виразом:

(1)

Збільшення напруги, обумовлене явищем комутації, так само:

або в функції вхідного струму

(2)

З виразу (1) і (2) отримуємо вираз вхідний характеристики інвертора:

З виразу (3) видно, що на відміну від зовнішньої характеристики випрямляча, де другий доданок визначає її спад зі зростанням струму, у інвертора другий доданок визначає підйом вхідний характеристики. Підвищення вхідної напруги U d b з ростом вхідного струму I d b пояснюється додаванням комутаційної майданчика до синусоидальному вихідній напрузі холостого ходу.

На рис. 3, д наведено сімейство вхідних характеристик інвертора. Початкові точки на осі ординат відповідають напрузі холостого ходу. Верхнє обмеження характеристик визначається величинами струмів, при яких послекоммутаціонний кут при заданому куті стає min, т. Е. Кутом, достатнім для надійного відновлення замикаючих властивостей тиристорів (). точки A 1,A А2, А3 на вхідних характеристиках відповідають граничним струмів навантаження I d b max і граничним напруженням U d b max. Визначаючи обмежувальну характеристику інвертора.

Х арактерной особливості инверторного режиму наступні:

а) інвертор може бути побудований тільки на керованих вентилях, так як більшу частину неробочого інтервалу до них прикладена позитивна напруга;

б) кут відмикання а повинен перевищувати 90 °;

в) полярність напруги на стороні постійного струму протилежна полярності випрямлячів;

г) у всьому діапазоні зміни струму навантаження і вхідної напруги повинна бути виконана така умова:\u003e + min.