Що таке інвертор напруги, як він працює, застосування інвертора

Що таке інвертор напруги, як він працює, застосування інвертора

Для перетворення постійного струму в змінний застосовують спеціальні електронні силові пристрої, що називаються інверторами. Найчастіше інвертор перетворить постійну напругу однієї величини в змінну напругу іншої величини.

Таким чином, інвертор — це генератор напруги, що періодично змінюється, при цьому форма напруги може бути синусоїдальною, наближеною до синусоїдальної або імпульсної. Інвертори застосовують як в якості самостійних пристроїв, так і у складі систем безперебійного електропостачання (UPS), детально про інвертори напруги.

У складі джерел безперебійного живлення (ИБП), інвертори дозволяють, наприклад, отримати безперервне електропостачання комп'ютерних систем, і якщо в мережі напруга несподівано пропаде, то інвертор миттєво почне живити комп'ютер енергією, що отримується від резервного акумулятора. Принаймні, користувач встигне коректно завершити роботу і вимкнути комп'ютер.

У більших облаштуваннях безперебійного електропостачання застосовуються потужніші інвертори з акумуляторами значної місткості, здатні автономно живити споживачі годинами, незалежно від мережі, а коли мережа знову повернеться в нормальний стан, ИБП автоматично перемкне споживачі безпосередньо до мережі, а акумулятори почнуть заряджатися.

Технічна сторона

У сучасних технологіях перетворення електроенергії інвертор може виступати лише проміжною ланкою, де її функція — перетворити напругу шляхом трансформації на високій частоті (десятки і сотні кілогерц). Благо, на сьогодні вирішити таке завдання можна легко, адже для розробки і конструювання інверторів доступні як напівпровідникові ключі, здатні витримувати струми в сотні ампер, так і магнітопроводи необхідних параметрів, і спеціально розроблені для інверторів електронні мікроконтроллери (включаючи резонансні).

Вимоги до інверторів, як і до інших силових пристроїв, включають: високий ККД, надійність, як можна менші габаритні розміри і вага. Також необхідно щоб інвертор витримував допустимий рівень вищих гармонік у вхідній напрузі, і не створював неприйнятно сильних імпульсних перешкод для споживачів.

У системах з «зеленими» джерелами електроенергії (сонячні батареї, вітряки) для подання електроенергії безпосередньо в загальну мережу, застосовують Grid - tie - інвертори, здатні працювати синхронно з промисловою мережею.

В процесі роботи інвертора напруги, джерело постійної напруги періодично підключається до ланцюга навантаження з чергуванням полярності, при цьому частота підключень і їх тривалість формується сигналом, що управляє, який поступає від контроллера.

Контроллер в інверторі зазвичай виконує декілька функцій: регулювання вихідної напруги, синхронізація роботи напівпровідникових ключів, захист схеми від перевантаження. Принципово інвертори діляться на: автономні інвертори (інвертори струму і інвертори напруги) і залежні інвертори (ведені мережею, Grid - tie і так далі)

Схемотехніка інверторів

Напівпровідникові ключі інвертора управляються контроллером, мають зворотні шунтуючі діоди. Напруга на виході інвертора, залежно від поточної потужності навантаження, регулюється автоматичною зміною ширини імпульсу у блоці високочастотного перетворювача, в простому випадку це ШИМ (широко-імпульсна модуляція).

Півхвилі вихідної низькочастотної напруги мають бути симетричними, щоб ланцюги навантаження ні в якому разі не отримали значної постійної складової (для трансформаторів це особливо небезпечно), для цього ширина імпульсу НЧ-блоку (у простому випадку) робиться постійною.

У управлінні вихідними ключами інвертора, застосовується алгоритм, що забезпечує послідовну зміну структур силового ланцюга : пряма, короткозамкнута, інверсна.

Так або інакше, величина миттєвої потужності навантаження на виході інвертора має характер пульсацій з подвоєною частотою, тому первинне джерело повинне допускати такий режим роботи, коли через нього течуть пульсуючі струми, і витримувати відповідний рівень перешкод (на вході інвертора).

Якщо перші інвертори були виключно механічними, то сьогодні є безліч варіантів схем інверторів на напівпровідниковій базі, а типових схем всього три: бруківка без трансформатора, двотактна з нульовим виведенням трансформатора, бруківка з трансформатором.

Мостова схема без трансформатора зустрічається в облаштуваннях безперебійного живлення потужністю від 500 ВА і в автомобільних інверторах. Двотактна схема з нульовим виведенням трансформатора використовується в малопотужних ИБП (для комп'ютерів) потужністю до 500 ВА, де напруга на резервному акумуляторі складає 12 або 24 вольти. Мостова схема з трансформатором застосовується в потужних джерелах безперебійного живлення (на одиниці і десятки кВА).

Форма напруги на виході

У інверторах напруги з прямокутною формою на виході, група ключів із зворотними діодами комутується так, щоб отримати на навантаженні змінну напругу і забезпечити контрольований режим циркуляції в ланцюзі реактивної енергії.

За пропорціональність вихідної напруги відповідають: відносна тривалість імпульсів, що управляють, або зрушення фаз між сигналами управління групами ключів. У неконтрольованому режимі циркуляції реактивної енергії, споживач впливає на форму і величину напруги на виході інвертора.

У інверторах напруги із ступінчастою формою на виході, попередній високочастотний перетворювач формує однополярну ступінчасту криву напруги, грубо наближену по своїй формі до синусоїди, період якої дорівнює половині періоду вихідної напруги. Потім мостова НЧ-схема перетворює однополярну ступінчасту криву на дві половинки різнополярної кривої, що грубо нагадує за формою синусоїду.

У інверторах напруги з синусоїдальною (чи майже синусоїдальною) формою на виході, попередній високочастотний перетворювач генерує постійну напругу близьке за величиною до амплітуди майбутньої синусоїди на виході.

Після цього мостова схема формує з постійної напруги змінне низької частоти, шляхом багатократної ШИМ, коли кожна пара транзисторів на кожному напівперіоді формування вихідної синусоїди відкривається кілька разів на якийсь час, що змінюється за гармонійним законом. Потім НЧ-фільтр виділяє з отриманої форми синус.

Схеми попередніх ВЧ- перетворювачів в інверторах

Прості схеми попереднього високочастотного перетворення в інверторах є автогенераторними. Вони досить прості в плані технічної реалізації і досить ефективні на малих потужностях (до 10-20 Вт) для живлення навантажень не критичних до процесу подання енергії. Частота автогенераторів не більше 10 кГц.

Позитивний зворотний зв'язок в таких пристроях виходить від насичення магнітопровода трансформатора. Але для потужних інверторів такі схеми не прийнятні, оскільки втрати в ключах зростають, і ККД виходить у результаті низьким. Тим більше, будь-яке КЗ на виході зриває автоколивання.

Якісніші схеми попередніх високочастотних перетворювачів — це обратноходовые (до 150 Вт), двотактні (до 500 Вт), напівбруківки і бруківки (більше 500 Вт) на ШИМ контроллерах, де частота перетворення досягає сотень кілогерц.

Типи інверторів, режими роботи

Однофазні інвертори напруги підрозділяються на дві групи: з чистим синусом на виході і з модифікованою синусоїдою. Більшість сучасних приладів допускають спрощену форму мережевого сигналу (модифіковану синусоїду).

Чиста ж синусоїда важлива для приладів, у яких на вході є електродвигун або трансформатор, або якщо цей спеціальний пристрій, працюючий тільки з чистою синусоїдою на вході.

Трифазні інвертори зазвичай використовуються для створення трифазного струму для електродвигунів, наприклад, для живлення трифазного асинхронного двигуна. При цьому обмотки двигуна безпосередньо підключаються до виходу інвертора. По потужності інвертор вибирають виходячи з пікового значення оною для споживача.

Взагалі, існує три робочі режими інвертора : пусковий, тривалий і режим перевантаження. У пусковому режимі (заряд місткості, пуск холодильника) потужність може на долю секунди двократно перевищити номінал інвертора, це допустимо для більшості моделей. Тривалий режим — що відповідає номіналу інвертора. Режим перевантаження — коли потужність споживача в 1,3 разу перевищує номінал — в такому режимі середній інвертор може працювати приблизно півгодини.