Інвертор ( — повертати, перевертати), це перетворювач постійного струму на змінний однофазний або багатофазний струм, силовий генератор змінного струму. Також інвертор перетворює змінний струм на постійний, наприклад в інверторному кондиціонері чи пральній машині.
Зазвичай являє собою генератор періодичної напруги, за формою здебільшого наближеної до синусоїди, або дискретного сигналу. Інвертори напруги можуть застосовуватися як окремий пристрій, або входити до складу джерел і систем безперервного живлення пристроїв, електричною енергією змінного струму. Якщо інвертор передає енергію з мережі постійного струму в мережу змінного, частота і напруга в якій вже задані роботою інших генераторів, то його називають залежним (веденим).
Класифікація інверторів За способом дії інвертори поділяються на: автономні; залежні (інвертори, що керуються мережею);
Класифікація автономних інверторів Автономні інвертори (АІ) — це перетворювачі постійного струму на змінний, котрі працюють на мережу, в якій немає інших джерел електроенергії. Перемикання вентилів у них здійснюються завдяки застосуванню повністю керованих вентилів або інших пристроїв штучної комутації. Водночас частота напруги на виході АІ, визначається частотою керування, а величина напруги — показниками навантаження і системою регулювання.
Інвертори, що працюють на навантаження, у якому немає інших генераторів, називають автономними. У них струм перемикається особливим пристроєм, частота вихідного струму (напруги) визначається частотою імпульсів керування. Галузі використання автономних інверторів: — для живлення споживачів змінного струму в установках, де як основне або резервне джерело енергії застосовується акумуляторна або сонячна батарея; — у частотному електроприводі змінного струму у складі перетворювача частоти з проміжною ланкою постійного струму; — в електротехнології як джерело змінного струму підвищеної частоти; — в електроенергетиці з особливими джерелами живлення як активні фільтри, компенсатори реактивної потужності та потужності викривлення. Залежно від побудови схеми, розрізнюють однофазні, двофазні, трифазні і багатофазні інвертори, залежно від кількості рівнів напруги джерела постійного струму, дво- і багаторівневі інвертори.
Автономні інвертори (АІ) класифікуються за такими ознаками. За видом вхідного струму або напруги АІ поділяються на : автономні інвертори струму (АІС). автономні інвертори напруги (АІН). резонансні (коливальні) автономні інвертори (РАІ). За вентилями, що використовуються, АІ поділяються на : АІ на вентилях з неповним керуванням (звичайних тиристорах та симісторах); АІ на вентилях з повним керуванням (транзисторах і запірних тиристорах); За способом комутації АІ на незапірних тиристорах поділяються на : АІ з одноступеневим перемиканням, в яких з'єднання здійснюється за допомогою комутувальних конденсаторів основними вентилями схеми без застосування додаткових тиристорів; АІ з двоступеневою комутацією, в яких для з'єднання застосовуються спеціальні комутувальні вентилі. За місцем увімкнення комутувальних конденсаторів АІ з одноступеневим перемиканням поділяються на : паралельні АІ (комутувальні конденсатори увімкнені паралельно навантаженню); послідовні АІ (комутувальні конденсатори увімкнені послідовно з навантаженням).
Автономні інвертори струму
Автономний інвертор струму(АІС) утворює в навантаженні струм, а форма напруги визначається параметрами навантаження. У схемі АІС використовуються як цілком керовані, так і напівкеровані ключі з однобічною провідністю. Комутація тиристорів, що не вимикаються за колом керування, здійснюється примусово з використанням попередньо зарядженого конденсатора як джерела зворотної напруги.
Особливості АІС:
1. Джерело постійного струму працює в режимі генератора струму. Для цього у вхідне коло АІС вмикається реактор (дросель) з достатньо великою індуктивністю L, що не дає змінюватись струму (струм на вході АІС незмінний). Окрім того, реактор виконує призначення фільтру вищих гармонік. Водночас завдання ключів схеми — почергове перемикання напрямку струму на виході.
2. Вихідне коло повинно допускати зміну струму стрибком, тобто мати властивості джерела напруги. Зазвичай це досягається увімкненням до виходу АІС конденсатора, що дозволяє приєднати до виходу активно-індуктивне навантаження.
Примітка: реактор на вході АІС може бути відсутнім або мати невелику індуктивність, якщо джерело має властивості джерела струму. Останнє досягається, наприклад, використанням керованого випрямляча зі зворотним зв'язком за вихідним струмом або активного випрямляча струму.
Спосіб роботи схеми:
На вході АІС діє джерело струму, утворене джерелом ЕРС і великою індуктивністю, форма струму на виході вентильної групи прямокутна, а форма напруги визначається властивістю навантаження (рис. 1, 2). Навантаження може бути суто активним або активно-ємнісним, через те що за активно-індуктивного навантаження, струм не може миттєво змінити напрямок. У разі роботи схеми з активно-ємнісним навантаженням у мить починають проводити тиристори , ; у мить тиристори , вимикаються, а тиристори , вмикаються. Струм крізь навантаження змінює напрям. Під дією струму, напруга на навантаженні змінюється по експоненті;
Автономні інвертори напруги Автономний інвертор напруги (АІН) виробляє в навантаженні напругу, а вигляд кривої струму визначається показниками навантаження. У схемі АІН використовуються цілком керовані ключі: транзистори або тиристори, що вимикаються за колом керування. Тиристори, що не вимикаються за колом керування, використовуються у поєднанні з вузлами примусової комутації з попередньо зарядженим конденсатором.
Особливості АІН:
1. Джерело постійного струму працює в режимі джерела ЕРС. Для цього паралельно до входу АІН вмикається конденсатор достатньо великої ємності, що надає джерелу властивості генератора напруги (напруга на вході АІН незмінна). Ключі схеми перемикають джерело, чим забезпечується зміна напрямку напруги на навантаженні. Водночас вхідний струм змінюється стрибком, що не припускає наявності індуктивності на вході АІН. Для запобігання впливу індуктивності вхідних кіл, конденсатор фільтру встановлюється біля ключів АІН.2. Схема вентильного комутатора повинна мати двобічну провідність, що і забезпечує обмін енергією між активно-індуктивним навантаженням і джерелом (конденсатором на вході, якщо використовується випрямляч з однобічною провідністю).
Примітка: для передавання реактивної енергії (і активної) в мережу можна використовувати ведений мережею інвертор або активний випрямляч.
Спосіб роботи схеми :
На вході АІН діє джерело ЕРС, напруга на виході вентильної групи прямокутна, а форма струму визначається різновидом навантаження. Напруга на навантаженні перемикається миттєво, тому навантаження може бути активним або активно-індуктивним. (рис.3, 4). При роботі схеми з активно-індуктивним навантаженням у мить починають проводити тиристори , . Під дією прикладеної напруги струм наростає по експоненті. У мить тиристори , вимикаються, але струм крізь навантаження йде в тому ж напрямку крізь діоди , завдяки енергії, запасеної в індуктивності, при цьому напруга на навантаженні вже змінила знак, а струм поступово спадає. У мить струм дорівнює нулю і вмикаються тиристори і , полярність напруги у цьому разі не змінюється, а струм змінює напрямок. Діоди призначені для повернення реактивної енергії в джерело живлення. Конденсатор її приймає. Улаштування автономного інвертора
Взагалі, структура інвертора містить такі складові:
– вхідний фільтр (Ф1), що забезпечує необхідну якість вхідного струму (напруги), надання джерелу енергії властивостей, що забезпечують нормальну роботу схеми вентильного комутатора, а також зменшує негативний вплив на джерело та інші споживачі енергії;
– вентильний комутатор (ВК) надалі безпосередньо інвертор, що разом із перетворенням, забезпечує регулювання показників змінного струму — частоти і амплітуди. Вихідний сигнал, зазвичай, має вигляд імпульсів, фронти яких мають значну крутовину і, як наслідок, складний гармонійний спектр. Це погано впливає на роботу споживача енергії, а також призводить до значних додаткових витрат під час передавання енергії на відстань;
– вихідний трансформатор (TV) для узгодження вихідної напруги з напругою споживача, що може бути поєднаним безпосередньо зі схемою комутатора. Інколи, використовується для отримання багаторівневої кривої вихідної напруги;
– вихідний фільтр (Ф2), що забезпечує якість вихідної напруги на потрібному рівні для передавання і споживання. Ємність у інверторів струму є необхідною для нормального функціонування схеми. Відзначимо, що не всі ці елементи є обов'язковими у певній схемі інвертора. Так, у інверторі напруги обов'язковими звичайно є Ф1 і ВК, в інверторі струму до них додається Ф2.
Транзисторні інвертори напруги
Мостова схема транзисторного інвертора напруги
Мостова схема інвертора напруги (Н-міст) застосовується на великих потужностях при підвищеному рівні напруги джерела живлення. Сигнали керування … надходять таким чином, що в кожному півперіоді два транзистора увімкнені, а два інших вимкнені.
Існує два алгоритми керування ключовими елементами інвертора напруги: симетричний і несиметричний. На рисунку наведено часові залежності струмів і напруг для цих двох алгоритмів. Розглянемо спосіб дії інвертора з симетричним керуванням.
З подаванням керувальних імпульсів , на транзистори , на інтервалі часу …, струм протікає контуром: «+» ; колектор емітер ; обмотка трансформатора () в первинному колі; колектор-емітер ; «-» . На цьому ж інтервалі накопичується реактивна енергія в колі намагнічування трансформатора , відбувається плавне наростання струму у первинному колі за експоненціальним законом.
На проміжку … здійснюється рекуперація енергії в джерело крізь зворотні діоди по контуру: «+» ; ; протилежний зміст по відношенню до ; ; «-» . Струм джерела спадає до нуля.
У плечі моста інвертора напруги, досить керувати одним ключем для здійснення усталення напруги на виході інвертора (), інший ключ можна утримувати в відкритому стані, що усуває вплив інвертора на вхідне джерело. Розглянемо спосіб дії інвертора за несиметричного алгоритму керування.
На проміжку часу … за період роботи другого і третього ключів в колі намагнічування трансформатора накопичилася реактивна енергія. На інтервалі … відбувається рекуперація енергії в навантаження по контуру: «+» ; ; колектор-емітер ; «-» . Якщо на даному відрізку струм не знизився до нуля (тобто струм не поміняв свій знак), то на інтервалі … енергія передається в джерело по контуру: «+» ЕРС (); ; протилежний зміст по відношенню до ; ; «-» , при цьому утворюється «поличка» в формі напруги . Напів-мостовий транзисторний інвертор напруги
Принцип роботи схеми полягає в почерговому увімкненні транзисторами , первинної обмотки трансформатора до конденсаторів і . На інтервалі часу … відбувається заряд конденсатора по колу: «+»; ; З 1; обмотка трансформатора первинного кола ; колектор-емітер ; «-» . На цьому ж проміжку відбувається розряд конденсатора по колу: «+» ; обвитка трансформатора первинного кола ; колектор-емітер ; «-» .
До переваг схеми інвертора можна віднести: незначні втрати в силовому колі за рахунок комутації одного ключа на кожному такті роботи схеми. Завдяки конденсатору підтримується рівновага струмів у схемі за період роботи, що усуває виникнення асиметричного режиму намагнічування трансформатора. Водночас, у цій схемі малий рівень зворотної напруги на ключах, через це схема може використовуватися за високих вхідних напруг.
Транзисторний інвертор напруги з середньою точкою