Меню

Инвертор преобразователь напряжения принцип работы

Что такое инвертор напряжения, как он работает, применение инвертора

Что такое инвертор напряжения, как он работает, применение инвертора

Статья обновлена: 1970-01-01

DC-DC преобразователь или инвертор напряжения – это устройство, переводящее постоянный ток меньшего напряжения в переменный ток большего напряжения или наоборот. Такие устройства являются генераторами меняющегося напряжения. Оно бывает импульсного характера, чистого или модифицированного синусоидального типа. Инверторные преобразователи способны выступать самостоятельными источниками питания и промежуточными элементами в системе преобразователей.

Инверторы, содержащиеся в источниках бесперебойного питания (ИБП), обеспечивают стабильное снабжение электроэнергией компьютерной техники и другого оборудования. При непредвиденном пропадании напряжения в электросети они мгновенно поставляют компьютерам электроэнергию от резервной АКБ. Это дает возможность сохранить данные и корректно завершить работу ПК.

В крупных системах UPS используются мощные инверторы с АКБ увеличенной емкости. Они могут подолгу обеспечивать автономное питание оборудования, а при возобновлении нормального сетевого электроснабжения переключают оборудование на нее.

Преобразователи с 12 на 220 В

Инвертор напряжения 12В в 220В – портативный преобразователь, позволяющий конвертировать 12 В постоянного тока в 220 В переменного и наоборот. Он позволяет подключать приборы, работающие от напряжения 220 В, к аккумуляторной батарее или бортовой автомобильной сети 12 В. С другой стороны, инверторный преобразователь 12 в 220 В дает возможность заряжать АКБ и портативную технику, рассчитанную на напряжение 12 В, от бытовой сети 220 В.

Технические особенности инверторов

Часто инвертор выступает в роли промежуточного элемента и преобразует напряжение высокочастотной трансформацией на частоте до сотен кГц. В составе таких устройств применяются магнитопроводы, электронные микроконтроллеры и полупроводниковые ключи, выдерживающие токи в сотни ампер.

Ключевыми требованиями к инверторным преобразователям являются:

  1. надежная работа;
  2. высокий КПД;
  3. компактность;
  4. легкий вес;
  5. отсутствие чрезмерных импульсных помех;
  6. способность выдерживать допустимые значения высших гармоник в напряжении на входе.

В солнечных АКБ, ветряках и остальных системах с экологически чистыми источниками электроэнергии применяются Grid-tie инверторы. Они синхронизированы с промышленной электросетью и подают электроэнергию непосредственно в общую сеть.

При работе инверторного преобразователя периодически происходит подсоединение к цепи нагрузки источника неизменного напряжения. Полярность чередуется, а частота и длительность подсоединений определяются поступающим от контроллера сигналом управления. Контроллер регулирует Uвых, защищает схему от перегрузок и синхронизирует работу полупроводниковых ключей.

Типы инверторных преобразователей

Инверторы бывают зависимыми и работающими автономно. К зависимым относятся модели, ведомые сетью, Grid-tie и подобные им модели. Также инверторные преобразователи классифицируются на одно- и 3-фазные. Однофазные устройства бывают:

  1. с сигналом на входе в виде чистой синусоиды – такие инверторные преобразователи незаменимы для оборудования, имеющего на входе электромотор или трансформатор, или работающего строго с синусоидальным сигналом;
  2. с упрощенным типом сигнала – приближенным к синусоидальному варианту, подходят для большинства приборов.

Трехфазные устройства применяются преимущественно для получения 3-фазного тока с целью питания асинхронных электродвигателей и другого оборудования. Обмотки мотора напрямую подсоединяются к выходу инверторного преобразователя. По мощности инверторные преобразователи подбираются согласно пиковому значению мощности для конкретного потребителя.

Режимы работы инверторов

Мощность может на долю секунды 2-кратно превзойти номинальную величину инверторного преобразователя. Допускается для большинства устройств.

Мощность потребления соответствует номинальному значению инвертора.

Мощность потребления в 1,3 раза выше номинального значения. В среднем инверторные преобразователи способны функционировать в режиме перегрузки около получаса.

Схемотехника инверторных преобразователей

Полупроводниковые ключи инверторных преобразователей управляются контроллером и оснащены обратными шунтирующими диодами. Выходное напряжение определяется мощностью нагрузки и автоматически настраивается сменой ширины импульса в блоке ВЧ-преобразователя. Чтобы уберечь цепи нагрузки от высокого постоянного тока, необходимо обеспечить симметричность полуволн НЧ выходного напряжения. Чтобы достичь этого,нужно сделать неизменной ширину импульса НЧ блока.

Выходные ключи управляются при помощи алгоритма, который обеспечивает чередование видов силовой цепи. Она бывает прямой, короткозамкнутой и инверсной. Мощность нагрузки на выходе инверторного преобразователя выглядит как пульсации с 2-кратной частотой. Такой рабочий режим должен быть предусмотрен у первичного источника для протекания пульсирующих токов. Также на входе инверторного преобразователя должен выдерживаться установленный уровень помех.

Типовые схемы инверторов – это:

  1. 2-тактная с нулевым выводом трансформатора – она актуальна для ИБП низкой мощности (до 500 ВА), с напряжением на дополнительной АКБ 12 или 24 В;
  2. мостовая без трансформатора – актуальна для инверторных преобразователей в автомобилях и ИБП мощностью от 500 ВА;
  3. мостовая с трансформатором – характерна для высокомощных ИБП.

Источник



Как работает преобразователь напряжения? Виды, мощность, схемы

В этой статье рассматриваются электросхемы преобразователей напряжения, назначение и принцип работы оборудования. Также здесь объясняется, какие бывают устройства, даются рекомендации по их выбору, указываются ключевые характеристики.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения для кондиционер

Принцип работы преобразователей напряжения

Преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования входного напряжения. Они могут повышать или понижать его, преобразовывать постоянный электроток в переменный и наоборот. Соответственно, принцип функционирования оборудования зависит от его типа. Существуют следующие основные разновидности устройств.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители)

AC/DC‑преобразователи применяются для преобразования переменного напряжения (например, стандартного напряжения бытовых или промышленных электросетей 220/380 В) в стабилизированное постоянное напряжение. Устройства широко применяются в промышленной автоматизации, изготовлении источников питания, телекоммуникациях, на транспорте, в гальванике, энергосиловых установках, сварочных аппаратах. В зависимости от используемых силовых ключей, выпрямители бывают:

1. Тиристорными. Они состоят, как правило, из таких основных компонентов:

  • трансформатор. Необходим для понижения/повышения напряжения, а также гальванической развязки выпрямителя от электросети;
  • тиристорный мост (вентильная группа). Предназначен для преобразования переменного электротока в постоянный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний напряжения на входе;
  • блок управления вентильной группой;
  • емкостной, индуктивный или комбинированный фильтр (LC-фильтр). Предназначен для сглаживания пульсаций выходных параметров.

2. Транзисторными. В состав таких выпрямителей входят следующие элементы:

  • входной LC-фильтр. Необходим для защиты питающей сети от помех, создаваемых выпрямителем;
  • диодный мост;
  • ВЧ-преобразователь. Предназначен для преобразования постоянного тока в высокочастотный импульсный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний входного напряжения;
  • ВЧ-трансформатор. Предназначен для понижения/повышения напряжения импульсного тока;
  • диодный или транзисторный выпрямительный мост. Предназначен для преобразования высокочастотного импульсного тока в постоянный;
  • блок управления;
  • выходной LC-фильтр.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

Важнейшие характеристики инвертора:

  • частота преобразователя напряжения и форма напряжения. Желательно приобрести аппарат, который выдает чистый синусоидальный сигнал. К такому преобразователю можно подключать даже высокочувствительное оборудование;
  • номинальная мощность. Она должна быть выше, чем суммарная нагрузка всех подключенных потребителей;
  • максимальная пиковая мощность. Это значение определяет, какую наибольшую нагрузку выдержит устройство при подключении техники с малым значением коэффициента cos ф. К такому оборудованию относятся электродвигатели, насосы, компрессоры;
  • значение входного/выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы выполнить расчет необходимой мощности DC/AC преобразователя, необходимо:

  1. Сложить мощность, потребляемую подключаемым оборудованием. Ее берут из паспортных данных на технику. Например, холодильник — 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, пылесос — 1000 Вт. Итого в сумме: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
  2. Учесть пиковую нагрузку. Для этого полученную сумму умножаем на коэффициент 1,3 (для рассматриваемого примера: 2700*1,3 = 3510 Вт).
  3. Учесть коэффициент cos ф для получения результата в вольт-амперах. Его значение для разного оборудования варьируется в пределах 0,60. 0,99. Для расчета лучше принять минимальную величину. 3510/0,6 = 5850 ВА ≈ 6 кВА. Именно на это значение следует ориентироваться при выборе инвертора.
Читайте также:  Напряжение между фаз при соединении треугольник

Заключение

В статье были рассмотрены основные разновидности преобразователей напряжения, особенности их работы и сферы применения. Также были приведены типовые электросхемы преобразователей напряжения и описаны критерии выбора DC/AC инверторов.

Источник

Инвертор напряжения

Программирование микроконтроллеров Курсы

С развитием альтернативных источников энергии, в частности с массовым внедрением солнечных панелей, инвертор напряжения находит все более широкое применение. Поскольку применяется как постоянный, так и переменный ток, то часто возникает необходимость в преобразовании энергии одного рода в другой. Устройства, преобразующие переменный ток в постоянный называются выпрямителями. В качестве выпрямителя чаще всего применяют диодный мост. А устройство, преобразующее постоянный ток в переменный называют инвертором.

Структура инвертора напряжения

По ряду положительный свойств большую популярность завоевал инвертор напряжения. Особенно широко он используется с целью преобразования электрической энергии постоянного тока аккумуляторной, солнечной батареи или суперконденсатор в переменное напряжение 230 В, 50 Гц для питания большинства промышленных устройств.

Принцип работы инвертора напряжения

Представим, что у нас имеется источник электрической энергии постоянного тока такой, как аккумулятор или гальванический элемент и потребитель (нагрузка), который работает только от переменного напряжения. Как преобразовать один вид энергии в другой? Решение было найдено довольно просто. Достаточно подключить аккумулятор к потребителю сначала одной полярностью, а затем через короткий промежуток отключить аккумулятор, а потом снова подключить, но уже обратной полярностью. И такие переключения повторять все время через равные промежутки времени. Если выполнять таких переключений 50 раз за секунду, то на потребитель будет подаваться переменное напряжение частотой 50 Гц. Роль переключателей чаще всего выполняют транзисторы или тиристоры, работающие в ключевом режиме.

На схеме, приведенной ниже, изображен источника питания Uип с клеммами 1-2 и потребитель RнLн, обладающий активно-индуктивным характером, с клеммами 3-4. В один момент времени потребитель клеммами 3-4 подключается к клеммам 1-2 Uип, при этом I от Uип протекает в направлении LнRн, а в следующий момент клеммы 3-4 изменяют свое положение и I протекает в противоположном направлении относительно потребителя электрической энергии.

Схема преобразования постоянного напряжения в переменное

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.

Схема инвертора напряжения

Входные клеммы инвертора подключаются к Uип. 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: «+» Uип – VT1 – нагрузка RнLн VT4«-» Uип. Таким образом, на интервале времени t1 ‑ t2 создается замкнутая цепь для протекания iн в соответствующем направлении.

Инвертор напряжения

Режим работы схемы

Для изменения направления iн снимаются управляющие импульсы с баз VT1 и VT4 и подаются сигналы на открытие второго и третьего VT2,3. В точке t2 на оси времени t, первый и четвертый VT1,4 закрыты, а второй и третий – открыты. Однако, поскольку нагрузка активно-индуктивная, то iн не может мгновенно изменить направление на противоположное. Этому будет препятствовать энергия, запасенная на индуктивности Lн. Поэтому он будет сохранять прежнее направление до тех пор, пока не рассеется все энергия, запасенная на индуктивности в виде магнитного поля, равная Wм = (Lн∙i 2 )/2.

Автономный инвертор напряжения

В связи с этим, на отрезке времени t2 – t3 ток будет протекать через диоды VD2 и VD3, сохраняя прежнее направление на RнLн, но пройдет в обратном направлении через Uип 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 iн, в результате чего возникнут сильное перенапряжение, которое может повредить изоляцию потребителя и выведет из строя полупроводниковые приборы.

Читайте также:  Импульсный компенсационный стабилизатор напряжения

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

Схема автономного инвертора напряжения

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

Принцип работы инвертора напряжения

Работа схемы

Начиная с момента t5 iн изменить направление и потечет от Uип через LнRн по пути через VT1 и VT4. Далее все процессы, протекающие в электрической цепи, будут повторяться. На LнRн 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 iн и uн будет в виде прямоугольников.

Поскольку VT1…VT4 попарно открывались на всей протяженности соответствующих полупериодов, то на выходе преобразователя формировалось максимально возможное uн, поэтому через LнRн протекал iн 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.

Инвертор напряжения с регулированием выходных параметров

Самый простой способ изменить величину uн заключается в регулировании величины подводимого Uип, если такая возможность имеется. Например, для регулируемого выпрямителя это не проблема. Но такие источники электрической энергии как аккумуляторная батарея, суперконденсатор или солнечная батарея не имеют данной возможности. Поэтому регулировка частоты и величины выходного uн полностью возлагается на инвертор.

Для регулирования величины uн одну пару диагонально противоположных транзисторов следует открыть несколько ранее, чем в рассмотренном выше случае. Поэтому алгоритмом системы управления следует предусмотреть сдвигу управляющих сигналов. Например, подаваемых на открытие VT1 и VT4 относительно импульсов управления, подаваемых на базы VT2 и VT3, на некоторый угол, называемый углом управления α.

Алгоритм управления транзисторами инвертора напряжения

Обратите внимание, что амплитудное значение uн остается неизменной величины и приблизительно равно значению Uип, но действующее значение uн будет снижаться по мере увеличения угла управления α. Рассмотрим, как это работает.

На интервале времени от t1 до t2 открыта пара транзисторов VT1 и VT4; iн протекает справа налево, как показано на схеме. В момент t2 закрывается первый транзистор и открывается второй. Ток сохраняет прежнее направление, а нагрузка оказывается замкнутой, в результате чего напряжение на ней падает практически до нуля, соответственно снижается и iн.

Схема инвертора напряжения на транзисторах

Схема преобразователя напряжения

Принцип работы преобразователя напряжения

Схема преобразователя напряжения на транзисторах

Далее из системы управления поступает команда и VT2 открывается, а VT4 закрывается. Однако накопленная в индуктивности энергия не позволяет току iн изменить свое направление, и он протекает по прежней цепи, только уже через диоды VD2 и VD3 встречно источнику питания. Длительность этого процесса продолжается до точки времени t4. В точке t4 под действием приложенного Uип iн изменяет знак на противоположный.

Широтно-импульсная модуляция

Такой алгоритм работы полупроводниковых ключей в отличие от предыдущего алгоритма формирует паузу определенной длительности, которая в конечном итоге приводит к снижению действующего значения uн. Для формирования iн синусоидальной формы применяется широтно-импульсная модуляция ШИМ. Преобразователь с ШИМ, а точнее алгоритм его работы, предусматривающий ШИМ, мы рассмотрим отдельно.

Также следует заметить, что рассмотренный алгоритм управления полупроводниковыми ключами называется широтно-импульсным регулированием ШИР, который часто путают с ШИМ, хотя разница огромная.

В преобразовательной технике ШИМ практически вытеснила ШИР, поскольку обладает рядом положительных свойств, благодаря которым повышается КПД всего устройства и снижается уровень электромагнитных помех. Поэтому в дальнейшем мы рассмотрим инвертор напряжения с ШИМ.

Источник

Adblock
detector