Інвертори та перетворювачі

Принцип дії інвертора. Перетворювачі на основі автогенератора Ройєра. Застосування дроселів насичення для забезпечення перемикання транзисторів при зменшенні струму бази. Самозахист від короткого замикання внаслідок розмикання декількох транзисторів.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Інвертори та перетворювачі

1. Призначення. Терміни та визначення

Як з'ясовано в попередніх розділах, джерело електроживлення ? це засіб, в якому здійснюються перетворення: змінної напруги за значенням (трансформатором), змінної напруги в сталу (випрямлячем). В ДВЕЖ за сучасною структурною схемою має місце також перетворення сталої напруги в змінну з підвищеною частотою у порівнянні з частотою мережі (інвертором).

Відповідно до ДСТУ 2847 «Перетворювачі електроенергії напівпровідникові. Терміни та визначення», функціональним вузлом, що здійснює перетворення електричної енергії сталої напруги (сили струму) в енергію змінної напруги (сили струму), тобто реалізує
функцію інвертування, є інвертор.

Інвертор ? напівпровідниковий перетворювач електроенергії, призначений для перетворення постійного струму в змінний.

Напівпровідниковий перетворювач електроенергії - пристрій для зміни або регулювання одного чи кількох параметрів електричної енергії та її характеристик, робота якого ґрунтується на застосуванні напівпровідникових приладів.

До параметрів електричної енергії належать: напруга, частота, кількість фаз.

До характеристик ? показники якості електричної енергії, потік реактивної потужності.

Інвертування сталої напруги (сили струму) - перетворення енергії сталої напруги (струму) в енергію змінної напруги (сили струму), що здійснюється із застосуванням вентилів.

З'єднання випрямляча та інвертора в різній послідовності дозволяє реалізувати перетворювач напруги або частоти.

Велике значення має можливість керування вихідними параметрами перетворювача. Це дозволяє сумістити функції інвертування та регулювання (стабілізації) в одному функціональному вузлі кола. З метою стабілізації вихідної напруги, застосовують напругу з паузою на нульовому рівні («пауза на нулі»).

На рис. 6.1 наведено умовні позначення інверторів, часові діаграми напруги на вході та деякі на виході.

Наведемо ще деякі терміни відповідно до ДСТУ 2847:

Ведений напівпровідниковий інвертор ? інвертор, у якому комутація напівпровідникових приладів здійснюється напругою, зумовленою зовнішніми стосовно самого інвертора джерелами електроенергії (наприклад мережею).

Автономний інвертор ? напівпровідниковий інвертор, в якому комутація напівпровідникових приладів здійснюється напругою, зумовленою елементами, що входять до його складу.

Автономний інвертор напруги ? інвертор, джерелом енергії в якому є джерело напруги.

Автономний інвертор струму ? автономний напівпровідниковий інвертор, живлення якого здійснюється від джерела струму або від джерела напруги через реактивний згладжувальний елемент.

Дволанковий напівпровідниковий перетворювач змінного струму ? перетворювач з проміжною ланкою постійного струму, а потім інвертування постійного струму.

Безпосередній напівпровідниковий перетворювач сталої напруги ? перетворювач змінного струму, який здійснює перетворення напруги без зміни її частоти або кількості фаз.



Рисунок 6.1 - До ілюстрації функціонування інверторів з перетворенням сталої напруги в змінну: а ? прямокутну; б ? синусоїдну; в ? прямокутну з паузою в нулі

Регульованим (стабілізованим) напівпровідниковим перетворювачем електроенергії називають напівпровідниковий перетворювач електроенергії, у якого регулюють (стабілізують) один або декілька параметрів.

2. Класифікація

Наявність рухомих вузлів, необхідність спеціального догляду, низький ККД, акустичні та електромагнітні завади електромеханічних інверторів, стрімкий розвиток технологій напівпровідників сприяли розвитку статичних напівпровідникових перетворювачів. Отже, далі наведемо класифікацію останніх.

Перетворювачі та інвертори розрізняють:

– за характером процесів у силовому колі: інвертори напруги (напруга на вході інвертора незмінна), інвертори струму (струм на вході інвертора незмінний) і резонансні інвертори;

– за способом керування: із самозбудженням (автогенератори) і з незалежним (зовнішнім) збудженням (підсилювачі потужності);

– за схемною реалізацією (топологією): однофазні та багатофазні, однотактні та двотактні (паралельні з відводом від середньої точки первинної обмотки трансформатора, напівмостові, мостові);

– за типом елементної бази силового кола: транзисторні, тиристорні;

– за схемою під'єднання комутувального конденсатора відносно навантажувального кола: паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;

– за способом комутації тиристорів: із повентильною (індивідуальною), пофазовою (груповою), міжфазовою, загальною.

Крім того, розрізняють одно - та двоступінчасту комутацію.

Додатково наведемо класифікаційні ознаки, які пов'язані з топологічними особливостями схем та елементною базою інверторів.

Транзисторні - за схемою підключення транзистора: із загальним емітером, із загальним колектором.

Однофазні транзисторні інвертори виконують за такими основними схемами: двотактні - з відводом від середньої точки первинної обмотки силового трансформатора (паралельний, push-pull), напівмостової (half bridge) та мостової (full bridge); однотактні - зі зворотним включенням випрямного діода (fly-back), прямим включенням випрямного діода (forward), прямим включенням випрямного діода й розмагнічувальною обмоткою (ПРО), здвоєний ПРО. Однотактні інвертори називають також перетворювачами, бо вони є композицією інвертора та випрямляча.

Тиристорні - за принципом керування комутацією тиристорів: ведені та автономні інвертори.

У автогенераторах малої потужності (одиниці, десятки вольт-ампер) сформовано режим, в якому комутація обумовлена насиченням силового трансформатора. Зі збільшенням потужності перетворювача, цей режим призводить до зростання втрат і зниження ККД. Тому в інверторах із вихідною потужністю понад кілька десятків вольт-ампер для забезпечення комутації силових ключів застосовують у колі керування спеціальний малопотужний трансформатор, що насичується або дросель насичення. Тоді у силовому трансформаторі немає режиму насичення.

На рис. 6.2 наведено класифікацію однофазних транзисторних перетворювачів, які застосовують найчастіше.

Рисунок 6.2 - Класифікація транзисторних однофазних перетворювачів

3. Принцип дії інвертора

Процес інвертування формує силова частина інвертора, що складена з декількох транзисторних ключів (у однотактному - одного ключа) і трансформатора (рис. 6.3а). З'ясуємо форму напруги на виході інвертора за умови його живлення від джерела сталої напруги (рис. 6.3б).

Рисунок 6.3 - До принципу дії інвертора: а ? спрощена схема однотактного інвертора з живленням від джерела сталої напруги; б ? спрощені часові діаграми його роботи (DC - direct current - постійний струм, AC - alternating current - змінний струм, КК - коло керування)

Для пояснення принципу дії інвертора приймаємо такі умови:

– ключ замкнено (on) - значення опору дорівнює нулю;

– ключ розімкнено (off) - значення опору прямує до нескінченності;

– трансформатор ? ідеальний (втрат потужності та насичення немає).

Проаналізуємо інтервал (рис. 6.3б). Внаслідок впливу сигналу керування транзистор VT1 замкнено. Напруга на первинній обмотці трансформатора:

(6.1)

Із розв'язку рівняння (6-1) маємо:

(6.2)

де L ? індуктивність трансформатора;

С ? константа інтегрування (в цьому прикладі С=0).

Лінійне змінення спричинює лінійне змінення напруженості магнітного поля , відповідно Закону повного струму та лінійне змінення індукції і магнітного потоку в магнітопроводі:

(6.3)

(6.3a)

де ? кількість витків первинної обмотки трансформатора;

? довжина середньої лінії магнітопроводу;

? площа перерізу магнітопроводу;

? абсолютна магнітна проникність магнітопроводу.

Лінійне змінення магнітного потоку відповідно Закону електромагнітної індукції за спричинює появу на первинній та вторинній обмотках трансформатора на інтервалі незмінної ЕРС:

. (6.4)

На інтервалі сигнал керування такий, що транзистор VT1 розімкнено. Сила струму без зміни напряму зменшується внаслідок відключення від джерела живлення . Тобто, знак похідної стає протилежним, що спричинює зміну знаку похідної . Отже, ЕРС також змінює полярність.

Далі, за почергового замикання та розмикання транзистора VT1 у первинній обмотці збуджується струм, що змінюється за лінійним законом, який призводить до формування на обмотках трансформатора змінної прямокутної ЕРС, значення якої залежить від кількості витків, значень площі перерізу магнітопроводу і магнітної індукції. Із збільшенням частоти можна досягнути необхідного значення ЕРС та потужності за менших габар...