Инверторы напряжения | это... Что такое Инверторы напряжения? (original) (raw)

Инверторы напряжения — инвертором напряжения (по зарубежной терминологии DC/AC converter) называют устройство, преобразующие электрическую энергию источника напряжения постоянного тока в электрическую энергию переменного тока.

Содержание

Свойства инверторов

Например, в персональных компьютерах, информационных центрах на базе ПК при внезапном отказе сети с помощью резервной аккумуляторной батареи и инвертора можно обеспечить работу компьютеров для корректного завершения решаемых задач.

В более сложных ответственных системах инверторные устройства могут работать в длительном контролируемом режиме параллельно с сетью или независимо от нее.[8][9]

Принципиальной особенностью инверторов напряжения для таких приложений является высокая частота преобразования (десятки-сотни килогерц). Для эффективного преобразования энергии на высокой частоте требуется более совершенная элементарная база (полупроводниковые ключи, магнитные материалы, специализированные контроллеры).

Кроме того, ИН длжен иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения (допустимое значение коэффициентов гармоник) и не создавать при работе недопустимый для других потребителей уровень пульсации на зажимах источника энергии.

Работа инвертора

Работа инвертора напряжения (ИН) основана на переключении источника постоянного напряжения с целью периодического изменения полярности напряжения на зажимах нагрузки. Частота переключения «задается» сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером). Контроллер также может решать дополнительные задачи:

  1. регулирование напряжения;
  2. синхронизация частоты переключения ключей;
  3. защитой их от перегрузок; и др.

Методы технической реализации инверторов и особенности их работы

  1. Ключи инвертора должны быть управляемыми (включаются и выключаются по сигналу управления), а также обладать свойством двухсторонней проводимости тока.[12] Как правило такие ключи получают шунтированием транзисторов обратными диодами. Исключение составляют полевые транзисторы, в которых такой диод является внутренним элементом его полупроводниковой структуры.
  2. Регулирование выходного напряжения инверторов достигается изменением площади импульса полуволны. Наиболее простое регулирование достигается регулирование длительности (шины) импульса полуволны. Такой способ является простейшим вариантом метода широтно-импульсной модуляции сигналов (ШИМ).
  3. Нарушение симметрии полуволн выходного напряжения порождает побочные продукты преобразования с частотой ниже основной, включая возможность появления постоянной составляющей напряжения, недопустимой для цепей, содержащих трансформаторы.
  4. Для получения управляемых режимов работы инвертора, ключи инвертора и алгоритм управления ключами должны обеспечить последовательную смену структур силовой цепи, называемых прямой, коротко замкнутой и инверсной.
  5. Мгновенная мощность потребителя p(t) пульсирует с удвоенной частотой. Первичный источник питания должен допускать работу с пульсирующими и даже изменяющими знак токами потребления. Переменные составляющие первичного тока определяют уровень помех на зажимах источника питания.

Типовые схемы инверторов напряжения

Существуют большое число вариантов построения схем инверторов.[13][14] Исторически первыми были механические инверторы, которые в эпоху развития полупроводниковых технологий заменили более технологичные инверторы на базе полупроводниковых элементов, и цифровые инверторы напряжения. Но все же, как правило, выделяют три основные схемы инверторов напряжения:

Мостовой ИН без трансформатора

Область применения: устройства бесперебойного питания мощностью более 500 ВА, установки с высоким значением энергии (220..360 В).

Инвертор напряжения с нулевым выводом трансформатора

Область применения: Устройства бесперебойного питания компьютеров мощностью (250.. 500 ВА), при низком значении напряжения (12..24 В), преобразователи напряжения для подвижных систем радиосвязи.

Мостовой инвертор напряжения с трансформатором

Область применения: Устройства бесперебойного питания ответственных потребителей с широким диапазоном мощностей: единицы - десятки кВА.[15]

Принцип построения инверторов

Преобразование постоянного напряжения первичного источника в переменное достигается с помощью группы ключей, периодически коммутируемых таким образом, чтобы получить знакопеременное напряжение на зажимах нагрузки и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи реактивной энергии. В таких режимах гарантируется пропорциональность выходного напряжения. В зависимости от конструктивного исполнения модуля переключения (модуля силовых ключей инвертора) и алгоритма формирования управляющих воздействий, таким фактором могут быть относительная длительность импульсов управления ключами или фазовый сдвиг сигналов управления противофазных групп ключей. В случае неконтролируемых режимов циркуляции реактивной энергии реакция потребителя с реактивными составляющими нагрузки влияет на форму напряжения и его выходную величину.[16][17]

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.

Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования получают напряжение постоянного тока, значение которого близко к амплитудному значению синусоидального выходного напряжения инвертора. Затем это напряжение постоянного тока с помощью, как правило, мостового инвертора преобразуется в переменное напряжение по форме, близкое к синусоидальному, за счет применении соответствующих принципов управления транзисторами этого мостового инвертора (принципы так называемой «многократной широтно-импульсной модуляции»).[18][19] Идея этой «многократной» ШИМ заключается в том, что на интервале каждого полупериода выходного напряжения инвертора соответствующая пара транзисторов мостового инвертора коммутируется на высокой частоте (многократно) при широтно-импульсном управлении. Причем длительность этих высокочастотных импульсов коммутации изменяется по синусоидальному закону . Затем с помощью высокочастотного фильтра нижних частот выделяется синусоидальная составляющая выходного напряжения инвертора.[16]

Инверторы с самовозбуждением (автогенераторы) относятся к числу простейших устройств преобразования энергии постоянного тока. Относительная простота технических решений или достаточно высокой энергетической эффективности привело к их широкому применению в маломощных источниках питания в системах промышленной автоматики и генерировании сигналов прямоугольной формы, особенно в тех приложениях, где отсутствует необходимость в управлении процессом передачи энергии. В этих инверторах используется положительная обратная связь, обеспечивающая их работу в режиме устойчивых автоколебаний, а переключение транзисторов осуществляется за счет насыщения материала магнитопровода трансформатора.[20][21] В связи со способом переключения транзисторов, с помощью насыщения материала магнитопровода трансформатора, выделяют недостаток схем инверторов, а именно низкий КПД, что объясняется большими потерями в транзисторах. Поэтому такие инверторы применяются при частотах f не более 10 кГц и выходной мощности до 10 Вт. При существенных перегрузках и коротких замыканиях в нагрузке в любом из инверторов с самовозбуждением происходит срыв автоколебаний (все транзисторы переходят в закрытое состояние).

Примечания

  1. ↑ Luo, Fang Lin & Ye, Hong (2004), «Advanced DC/DC Converters», CRC Press, ISBN 0-8493-1956-0
  2. ↑ Luo, Fang Lin; Ye, Hong & Rashid, Muhammad H. (2005), «Power Digital Power Electronics and Applications», Elsevier, ISBN 0-12-088757-6
  3. ↑ Pressman 1998, p. 306
  4. ↑ DC Power Production, Delivery and Utilization, An EPRI White Paper (PDF). Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012. Page 9 080317 mydocs.epri.com
  5. ↑ DC-DC CONVERTERS: A PRIMER. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012. 090112 jaycar.com.au Page 4
  6. ↑ Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol. XV, No. 2, 2009: Estimation of Optimum Value of Y-Capacitor for Reducing Emi in Switch Mode Power Supplies
  7. ↑ High-efficiency power supplies for home computers and servers. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012.
  8. ↑ Maniktala, Sanjaya (2007), «Troubleshooting Switching Power Converters: A Hands-on Guide», Newnes/Elsevier, ISBN 0-7506-8421-6
  9. ↑ Nelson, Carl (1986), «LT1070 design Manual», vol. AN19 publisher= Linear Technology, <http://www.linear.com/docs/4176> Application Note giving an extensive introduction in Buck, Boost, CUK, Inverter applications. (download as PDF from http://www.linear.com/designtools/app_notes.php)
  10. ↑ Irving, Brian T. & Jovanović, Milan M. (2002), «Analysis and Design of Self-Oscillating Flyback Converter», Proc. IEEE Applied Power Electronics Conf. (APEC), сс. 897–903, <http://www.deltartp.com/dpel/dpelconferencepapers/S19P6.pdf>. Проверено 30 сентября 2009.
  11. ↑ Energy Savings Opportunity by Increasing Power Supply Efficiency. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2012.
  12. ↑ Foutz, Jerrold. Switching-Mode Power Supply Design Tutorial Introduction. Проверено 6 октября 2008.
  13. ↑ Switching Regulators for Poets
  14. ↑ Переводчик Google
  15. ↑ http://www.compeljournal.ru/images/articles/2009_15_6.pdf
  16. ↑ 1 2 MIT open-courseware, Power Electronics, Spring 2007
  17. ↑ Switch Mode Power Supplies
  18. ↑ Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), «Switching Power Supply Design» (Third ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
  19. ↑ Rashid, Muhammad H. (2003), «Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications», Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
  20. ↑ Basso, Christophe (2008), «Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs», McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
  21. ↑ Erickson, Robert W. & Maksimovic, Dragan (2001), «Fundamentals of Power Electronics» (Second ed.), ISBN 0-7923-7270-0

См. также

Литература

Ссылки