Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения

Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения

Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения
СОДЕРЖАНИЕ

Инверторный кондиционер

Главное отличие в принципе работы компрессора, сердца кондиционера. 

DCPAM инвертор преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное, и через преобразователь частоты, за счет которой изменяются обороты двигателя. И с разной скоростью вращает электродвигатель компрессора.

Питание схемы частотного преобразователя постоянным напряжением, позволяет плавно регулировать обороты электромотора, в зависимости от условий работы кондиционера, то есть изменяя его производительность. Что позволяет существенно снизить потребление электроэнергии, и равномерно производить охлаждение либо нагрев, в зависимости от режима работы.

А у некоторых производителей, например MITSUBISHI HEAVI, благодаря дополнительному применению спирального компрессора на неодимовых магнитах удаётся достигнуть уменьшения электропотребления до рекордно низких значений.    

Инверторный кондиционер

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.

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.

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.

Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения

Таким образом, на интервале времени t1 ‑ t2 создается замкнутая цепь для протекания iн в соответствующем направлении.

Предлагаем ознакомиться  Коптилка горячего копчения своими руками: чертежи и схемы, инструкция как сделать в домашних условиях

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∙i2)/2.

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.

Схема работы инверторного кондиционера

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.

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.

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.

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.

Предлагаем ознакомиться  Что такое декоративные цветы

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.

Например, подаваемых на открытие VT1 и VT4 относительно импульсов управления, подаваемых на базы VT2 и VT3, на некоторый угол, называемый углом управления α.

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.

Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения

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.

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.

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.

Как известно, большинство бытовых приборов рассчитано на использование переменного тока напряжением 220 вольт, который подаётся обычной городской сетью. При аварийном отключении электричества все эти устройства, естественно, перестают работать.

Это неудобно, но приемлемо, если речь идёт о фене, однако есть такое оборудование, которое останавливать нельзя. Поэтому и приходится устанавливать ИБП для котлов, серверов и другого важного оборудования. Частью системы бесперебойного питания являются инверторы.

Предлагаем ознакомиться  Камфорное масло от клопов

Эти устройства необходимы для превращения постоянного тока в переменный.

Обычные аккумуляторные батареи создают в замкнутой цепи движение электронов, направление которого неизменно – от отрицательного полюса к положительному. Если очень быстро менять местами провода, присоединяя их то к одной клемме, то к другой, можно создать некое подобие переменного тока.

По крайней мере, направление движения электронов в цепи действительно будет меняться. Но если нарисовать график такого тока – он крайне мало будет напоминать классическую синусоиду.

Вместо этого будет виден резкий взлёт от нуля до максимума амплитуды, затем сразу отвесный обрыв назад к оси абсцисс, а после этого такая же «ступенька» вниз, к отрицательным значениям.

Другими словами, налицо будут грубые разнонаправленные импульсы. Их длительность, которая на графике выглядит как ширина «ступеньки», можно регулировать.

Что такое инвертор: принцип работы, разновидности и области применения

Это превратит выглядящие хаотично всплески в аккуратные прямоугольники, то возвышающиеся над осью абсцисс, то уходящие под неё. Такой график уже больше похож на переменный ток, однако этого недостаточно.

Чтобы образовалась синусоида, импульсы проходят через частотный фильтр, который пропускает лишь те из них, значения которых могут в итоге сформировать плавно поднимающуюся и опускающуюся кривую.

Первоначально создание знакопеременного напряжения в цепи обеспечивалось буквальным переключением проводов с одной клеммы на другую. Так действовали механические инверторы, которые иногда применяются и сейчас. Это довольно громоздкие устройства с низким КПД.

После развития полупроводниковых технологий появилась возможность обеспечивать смену полюсов без применения механических приспособлений. Для этого используются тиристоры, полупроводниковые приборы, действующие как электронные ключи. Возможно использование и другой элементной базы – транзисторов в сочетании с диодами.

Инверторные электростанции.

Электронная регулировка в комплексе со схемой преобразования является основой преобразователя инверторной электростанции, за счет которой на выходе получается переменный ток высокого качества с промышленной частотой. Такие технологии наиболее распространены на мобильных электростанциях с бензиновыми двигателями.

  • Экономия топлива на 20-40% по сравнению с традиционными моделями за счёт электронной системы преобразования и регулировки оборотов двигателя в зависимости от нагрузки. 
  • Легкий пуск двигателя без дополнительных настроек в течение всего периода эксплуатации.
  • Возможность управлять работой электростанции при малой нагрузке за счет наличия функции перехода двигателя в экономичный режим.
  • Низкий уровень шума позволяет использовать в местах с высокими требованиями по шумовому загрязнению.
  • Защита экологии за счёт более низкого содержания вредных веществ в выхлопе, благодаря высокоэффективной системе сгорания топлива и работы двигателя на пониженных оборотах. Что невозможно на электростанциях с классическим режимом выработки электроэнергии, где частота переменного тока (Гц) жестко привязана к оборотам силовой установки (двигателя)
Комментировать
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector