Призначення та класифікація автономних інверторів

ДАвтономні (незалежні) інвертори − це пристрої, що працюють на автономне навантаження і призначені для перетворення напруги постійного струму в напругу змінного струму заданої або регульованої частоти. В автономних інверторах вихідні параметри (форма, частота напруги) визначаються схемою інвертора та його системою керування у відмінності від інверторів, ведених мережею.

Застосовують автономні інвертори:

• у системах електропостачання споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом живлення є джерело напруги постійного струму (наприклад, акумуляторна або сонячна батарея);
• у системах гарантованого електропостачання при зникненні напруги мережі живлення (наприклад, для особистих потреб електростанцій − для живлення пристроїв контролю, вимірювання, захисту, ЕОМ);
• для живлення технологічного устаткування, частота напруги якого відрізняється від промислової частоти 50 Гц;
• для частотного регулювання швидкості асинхронних двигунів;
• для живлення споживачів змінного струму від ліній електропостачання постійного струму.

Комутаційними елементами в інверторах є тиристори або силові транзистори.

За формою вихідної напруги інвертори бувають:

• з прямокутною формою;
• із ступінчастою формою;
• з синусоїдальною формою (модифікована та чиста синусоїда).

Залежно від специфіки електромагнітних процесів розрізняють інвертори струму та інвертори напруги. На рис. 1 зображені приклади їхніх схем.

Рис. 1. Автономні інвертори струму (а) та напруги (б)

В інверторах струму силове коло схеми підключається до джерела постійної напруги через дросель L з великим індуктивним опором, за рахунок чого утворюється джерело постійного струму з властивостями джерела струму.

В інверторах напруги паралельно джерелу живлення вмикається конденсатор великої ємності, чим виключається вплив на роботу пристрою внутрішнього опору джерела (отримуємо джерело напруги).

Таким чином, комутація тиристорів в інверторах струму проводиться при сталому струмі, а в інверторах напруги − при сталій напрузі.

При роботі інвертора схема керування почергово вмикає пари тиристорів VS1, VS4 або VS2, VS3, завдяки чому на навантаженні RН виникає змінна напруга (за допомогою ключової схеми навантаження підключається таким чином, щоб в ньому протікав струм різних напрямків).

Якщо навантаження інвертора напруги має індуктивний або активно-індуктивний характер, то паралельно тиристорам вмикають зворотні діоди (VD1-VD4 на рис. 1, б). Цим забезпечується передача накопичуваної в індуктивності енергії назад у джерело живлення.

Основною проблемою при проектуванні інверторів є забезпечення надійного вимикання тиристорів, що знаходяться у провідному стані, перед вмиканням тиристорів, що не проводили струм. Це реалізується використанням схем примусової комутації, що забезпечують запирання тиристорів у колах постійного струму.

Вентильна схема в наведених інверторах є мостовою, як і у випрямлячі (що є перетворювачем напруги змінного струму в напругу постійного струму).

Звідси можна зробити висновок, що керовані вентильні схеми є зворотними. Вони можуть передавати енергію як в одному, так і в іншому напрямку, залежно від місця вмикання джерела і навантаження і від алгоритму керування.

Однофазний інвертор струму

Схема однофазного інвертора струму з трансформаторним виходом зображена на рис. 2. Почергове вмикання тиристорів VS1 або VS2 забезпечує виникнення на навантаженні R_Н змінної напруги. Дросель L забезпечує незмінність величини струму у силовому колі. Комутуючий конденсатор С_К забезпечує примусове вимикання тиристорів. Первинні напівобмотки трансформатора TV w'₂ = w"₂ = w₁ підключені до тиристорів VS1 і VS2 відповідно, а його вторинна обмотка w₂ − до навантаження R_Н.

Рис. 2. Однофазний інвертор струму з трансформаторним виходом

Схема керування тиристорами С_К забезпечує подачу керуючих імпульсів на тиристори (у найпростішому випадку це може бути симетричний мультивібратор, що працює в автоколивальному режимі).

Працює інвертор наступним чином. При надходженні від С_К керуючого імпульсу до VS1 він вмикається і напруга джерела живлення подається на півобмотку w'₁. Потік у магнітопроводі трансформатора змінюється і наводить у обмотках w₂ і w"₁ ЕРС із полярністю, яка на схемі вказана без дужок. При цьому комутуючий конденсатор С_К, який підключено паралельно до первинної обмотки трансформатора, заряджається до напруги 2U_дж, а на навантаженні R_Н з'являється позитивний сплеск напруги.

Після закінчення проміжку часу, що відповідає додатній півхвилі змінної напруги навантаження, С_К вмикає тиристор VS2 і напруга джерела живлення подається на півобмотку w"₁. Конденсатор С_К через VS2 підключається паралельно до VS1, причому полярність напруги на ньому є такою, що вимикає останній.

Полярність ЕРС, наведеної в обмотках трансформатора після вмикання VS2, на схемі показана у дужках. Конденсатор С_К починає перезаряджатись до напруги 2U_дж із зворотною полярністю (вказана на схемі також у дужках). На навантаженні виникає негативний сплеск напруги.

По закінченні проміжку часу, що відповідає від'ємній півхвилі змінної напруги, С_К знову вмикає тиристор VS1 і процеси повторюються. Роботу однофазного інвертора струму ілюструють часові діаграми, наведені на рис. 3.

Рис. 3. Часові діаграми роботи однофазного інвертора струму

Час, протягом якого напруга між анодом та катодом тиристора, наприклад, VS1 негативна, називається часом запирання:

де tВИМ − час вимикання тиристора, мс.

Якщо навантаження активне, то

де R'_Н = R_Н · n² − опір навантаження, зведений де первинного кола трансформатора (n = 2w₁ / w₂), Ом.

Якщо навантаження індуктивне, то

Таким чином, інвертор формує на навантаженні змінну напругу, форма якої визначається формою напруги на конденсаторі С_К і залежить від величини опору навантаження. Зі збільшенням останнього постійна часу заряду конденсатора

збільшується і форма напруги на ньому наближається до трикутної. Її амплітуда при цьому збільшується (при збереженні середнього за півперіоду значення напруги). У результаті, при холостому ході за відсутності втрат в елементах пристрою напруга на навантаженні і конденсаторі безмежно зростає (реально виникають значні перенапруги) − джерело струму намагається підтримувати величину струму незмінною. Це може призвести до виходу інвертора з ладу.

Півмостовий однофазний інвертор напруги

Схема півмостового однофазного інвертора напруги зображена на рис. 4. Силові кола виділені на ній більш товстими лініями.

Такого типу схеми називають півмостовими, бо половину мосту в них складають вентилі (тиристори VS1 і VS2), а другу − інші елементи (конденсатори С1 і С2).

Рис. 4. Півмостовий однофазний інвертор напруги

Решта елементів є елементами схеми примусової комутації. Так тиристор VS3, діод VD1 разом з комутуючими конденсатором С_К і дроселем L_К утворюють контур примусового вимикання тиристора VS1, а VS4 і VD2 разом з С_К і L_К − контур примусового вимикання тиристора VS2.

Почергове вмикання тиристорів VS1 і VS2 призводить до підключення до навантаження напруги конденсатора С1: U_C1 = U_дж/2 (протікає струм I_Н1), або конденсатора С2 з такою ж напругою U_C2 = U_дж/2 (протікає струм I_Н2). Робота схеми полягає у наступному.

Після підключення джерела живлення і заряду конденсаторів С1 і С2 схема керування (на рисунку не показана) вмикає спочатку, наприклад, тиристор VS4. Конденсатор С_К заряджається до напруги U_дж/2 з полярністю, вказаною на рисунку без дужок по контуру (+С2, R_Н, С_К, L_К, VS4, −С2). Після закінчення заряду конденсатора С_К тиристор VS4 сам вимикається, бо струм через нього знижується до нуля. Це є підготовчим етапом роботи пристрою.

Далі схема керування вмикає тиристор VS1 і на навантаженні з'являється додатна напруга (полярність вказана без дужок). По закінченні тривалості півперіоду схема керування вмикає тиристор VS3. Відкритий тиристор VS3 і зустрічно-паралельно увімкнені тиристор VS1 та діод VD1 утворюють контур коливального перезаряду конденсатора С_К. Струм розряду С_К змінюється за синусоїдним законом, бо L_К з С_К являють собою послідовний резонансний коливальний контур:

де І_Кm − амплітуда струму контуру, А;

Хвильовий опір контуру:

Власна частота контуру:

Доки І_К < І_H1, розрядний струм І_К тече через тиристор VS1 назустріч струмові І_H1:

Як тільки виявиться, що І_К > І_H1, струм тиристора VS1 потече через діод VD1. До тиристора VS1 тепер прикладається зворотна напруга, яка дорівнює падінню напруги на VD1 (до одного вольта) і VS1 закривається. Час протікання струму через VD1 називається часом запирання t_ЗАП тиристора VS1. Він повинен перевищувати час вимикання тиристора:

По закінченні коливального перезаряду конденсатора СК струм іК = 0, а СК виявляється зарядженим до напруги U_дж/2 зі зворотною полярністю (на схемі у дужках), а тиристор VS3 сам вимикається.

Тепер схема готова до наступного циклу роботи, коли на навантаженні буде формуватись від'ємна півхвиля напруги (полярність вказана у дужках), для чого схема керування спочатку вмикає тиристор VS2, а по закінченні тривалості півхвилі − тиристор VS4 і т.д.

Тиристори VS3 і VS4, зрозуміло, мають потужність значно меншу за VS1 і VS2, бо працюють короткочасно (тільки на час запирання силових тиристорів).

Інвертор напруги формує на навантаженні напругу, а форма струму залежить від характеру навантаження.

Інвертори напруги на повністю керованих напівпровідникових приладах

Із розглянутого вище випливає, що однією з основних проблем, яку необхідно вирішувати при створенні автономних інверторів на одноопераційних тиристорах є забезпечення надійного вимикання тиристорів. Введення в схему інвертора вузлів примусової комутації істотно ускладнює алгоритм роботи пристрою, підвищує його вартість та габарити, і, що особливо важливо, знижує надійність.

Тому повністю керовані напівпровідникові прилади на великі струми, в яких використовуються біполярні транзистори з ізольованим затвором (ІGВТ-транзистори), двоопераційні тиристори та ін. витісняють у пристроях перетворювальної техніки традиційні одноопераційні тиристори. Особливо це показово у галузі створення інверторів напруги регульованої частоти, де IGВТ-транзистори (що можуть працювати на частотах до 200 кГц) практично вже витіснили тиристори з їх громіздкими вузлами примусової комутації і необхідністю використання низькочастотних силових трансформаторів.

На рис. 5 та рис. 6 наведено найрозповсюдженіші схеми мостових однофазних інверторів напруги, що виконані на основі вищевказаних приладів. При цьому в якості повністю керованих силових ключів у схемі рис. 5 використано біполярні транзистори з ізольованим затвором VT1-VT4, а в схемі рис. 6 − двоопераційні тиристори VS1-VS4. Оскільки схеми працюють ідентично, розглянемо принцип їх дії на прикладі схеми з рис. 5.

Рис. 5. Однофазний мостовий інвертор напруги на IGВТ-транзисторах

Рис. 6. Однофазний мостовий інвертор напруги на двоопераційних тиристорах

При увімкнених транзисторах VT1 і VT4 та вимкнених VT2 і VT3 навантаження (R_Н, L_Н) підключається лівим кінцем до позитивного полюса напруги джерела живлення Uдж, а правим − до негативного і струм i_Н протікає у напрямку вказаному на рисунку. Якщо VT1 і VT4 вимкнути, а VT2 і VT3 увімкнути, то напруга на навантаженні змінить свою полярність, а струм напрямок. При активному навантаженні (L_Н = 0) струм навантаження i_Н повторює за формою напругу на навантаженні u_Н. На рис. 7 штриховою лінією показано криві струму навантаження i_Н та вхідного струму інвертора і при L_Н = 0 (зрозуміло, що струм i_Н і напруга u_Н мають при цьому прямокутну форму).

При активно-індуктивному навантаженні (L_Н > 0), що реально завжди має місце, струм навантаження і′Н змінюється за експоненціальним законом з постійною часу τ_Н = L_Н/R_Н. При запиранні VT1 і VT4 у момент часу t₂, незважаючи на надходження на затвори транзисторів VT2 і VT3 вмикаючої напруги керування, через зміну полярності ЕРС самоіндукції індуктивності L_Н (вказана у дужках) струм навантаження i'_Н буде прагнути зберегти свої величину і напрямок. Для того, щоб забезпечити його протікання, виключаючи при цьому виникнення перенапруг, транзистори шунтують діодами VD1-VD4. Тоді струм навантаження i'_Н на інтервалі часу t₂ < t < t₃ протікає через діоди VD2 і VD3 і повертає частину енергії, накопиченої в індуктивності навантаження, назад у джерело живлення.

Рис. 7. Часові діаграми роботи мостового інвертора

У момент часу t = t3 струм навантаження і′Н знижується до нуля, а при t₀ > t₃ починає протікати в протилежному напрямку − через транзистори VT2 і VT3, на затворах яких продовжує утримуватись вмикаюча напруга керування. Аналогічно на інтервалі часу t₀ < t < t₁ , тобто після запирання транзисторів VT2 і VT3, струм навантаження протікає через діоди VD1 і VD4.

Вихідна напруга інвертора через малу тривалість процесів комутації (наприклад, тривалість процесу запирання транзисторів складає менш як 1 мкс, а двоопераційних тиристорів − десятки мікросекунд) за формою близька до прямокутної і не залежить від струму навантаження. У зв'язку з цим зовнішня (навантажувальна) характеристика інвертора напруги U_Н = f(I_Н) є прямою лінією з дуже малим нахилом.

Вхідний струм інвертора i', як показано на рис. 7, при L_Н > 0 стає знакозмінним через періодичний енергообмін між колом навантаження і джерелом живлення: на інтервалі роботи транзисторів енергія з джерела надходить у навантаження, а на інтервалі роботи зворотних діодів енергія, накопичена в індуктивності навантаження, повертається у джерело. Наявність конденсатора великої ємності С1, що шунтує джерело живлення, забезпечує комутацію силових ключів при незмінній величині напруги на вході інвертора, а також зворотну провідність у джерелі, якщо у якості останнього застосовано випрямляч.

Для забезпечення регулювання величини вихідної напруги в інверторах напруги змінюють величину напруги джерела живлення U_дж або, як правило, змінюють форму вихідної напруги за рахунок зміщення імпульсів керування транзисторів VT3 і VT4 відносно імпульсів керування транзисторів VT1 і VT2 на кут керування α. В результаті у кривої u_Н(t) з'являються регульовані паузи між різнополярними імпульсами.

Порядок подачі імпульсів керування на ключі інвертора називається алгоритмом керування. Алгоритм керування і характер навантаження інвертора напруги визначають характер і тривалість роботи ключів − алгоритм перемикання.

Застосування мікропроцесорних пристроїв у системах ке¬рування інверторами напруги дозволяє реалізувати будь-які алгоритми перемикання, наприклад, забезпечуючи протікання в навантаженні струму практично синусоїдної форми за можливості регулювання його частоти в широкому діапазоні.

Схеми трифазних інверторів будуються за аналогічними принципами і представляють собою три однофазних інвертора (рис. 8), основні гармоніки вихідних напруг яких зміщені між собою на кут 120° (рис. 9).

Рис. 8. Трифазний мостовий інвертор напруги на IGВТ-транзисторах

Рис. 9. Діаграми напруг на елементах схеми трифазного мостового інвертора напруги: а) графіки імпульсів керування; б) графіки вихідних фазних напруг

Поряд із зарубіжними виробниками електроперетворювальної техніки відомим виробником вітчизняних сертифікованих інверторів є компанія «Елім». Підприємство випускає інвертори декількох серій: ПНК, БРАС, БРАС-УТК, БИ, ИНО. Кожна з серій має свій модельний ряд в залежності від потреб споживача – побутового або промислового призначення. Наприклад, серія ПНК включає інвертори потужністю від 300 до 10000 ВА. Технічні данні інвертора ПНК-96-10000:

Контрольні питання

1. Дати визначення автономного інвертора.
2. Де знаходять застосування автономні інвертори?
3. В чому полягає різниця між інверторами струму і напруги?
4. Привести схему автономного інвертора напруги з тиристорами.
5. Пояснити роботу автономного інвертора напруги з тиристорами.
6. Яку функцію виконують «зворотні» діоди в інверторах напруги?
7. До чого може привести робота однофазного інвертора струму з трансформаторним виходом при холостому ході?
8. Чому інвертори напруги на IGВТ-транзисторах мають перевагу у порівнянні з одноопераційними тиристорами?
9. Привести схему однофазного мостового інвертора напруги на IGВТ-транзисторах.
10. Наведіть графіки вихідної напруги і струму мостового інвертора.
11. Чим відрізняються режими роботи мостового інвертора під час роботи на активне і активно-індуктивне навантаження?
12. Яким чином забезпечується регулювання вихідної напруги в інверторах напруги?
13. Дати визначення алгоритму керування ключами інвертора.
14. Яким чином можна отримати на виході інвертора синусоїдальну форму вихідної напруги?
15. Особливості будови трифазних автономних інверторів.

НАГОРУ