0. 3.2. Автономные инверторы

Автономные инверторы служат для преобразования постоянного тока в переменный необходимой частоты. На выходе автономных инверторов частота и действующее напряжение могут изменяться ступенчато или плавно независимо от напряжения во внешних электрических цепях. Их применяют для питания высокочастотных индукторов при плавке или размягчении металлов, для упрочнения деталей. Автономные инверторы позволяют получать высокую частоту вращения валов машин переменного тока с плавным изменением скорости и вращающего момента в широких диапазонах регулирования. Данные устройства применяют для диагностики, для ультразвуковой очистки деталей. С помощью автономных инверторов получают колебания электромагнитного поля в мегагерцевом диапазоне частот для получения газовой плазмы при закалке, для нагрева продуктов, для диэлектрической сушки изоляции, дерева и других материалов. Автономные инверторы могут быть однофазными, трехфазными, многофазными, выполняются по схеме с нулевым выводом, по мостовой схеме. Они подразделяются на автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные инверторы тока (АИТ). На входе АИН обычно устанавливают конденсатор С достаточно большой емкости в качестве промежуточного накопителя энергии и для сглаживания (обеспечения постоянного) напряжения, а обмен реактивной энергией нагрузки с конденсатором обеспечивается с помощью обратных диодов VD1 – VD4 инвертора (рис. 3.4). На входе АИТ обычно устанавливают реактор достаточно большой индуктивности для сглаживания (обеспечения постоянного) потребляемого тока от источника, а обмен реактивной энергией активно-индуктивной нагрузки обеспечивается с конденсатором, который зачастую выполняет функции устройства принудительной коммутации СПП. Принципиальная электрическая схема автономного однофазного инвертора напряжения на IGBT-транзисторах представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Принципиальная электрическая схема автономного инвертора напряжения

В настоящее время разработаны устройства для накопления электрической энергии достаточно большой емкости (несколько фарад) на напряжение 300 В и на импульсные токи 2000 А высокой частоты, данные устройства названы ионисторами. С помощью конденсатора С обеспечивается непрерывное потребление электрической энергии от источника постоянного тока и поддержание постоянного напряжения –U во время работы инвертора. Использованием промежуточных накопителей электрической энергии достаточно большой емкостью можно решить одновременно две проблемы, которые в настоящее время не решены. Первая проблема, заключающаяся в повышении коэффициента мощности электроустановок с полупроводниковыми преобразователями, решается за счет непрерывного потребления электрической энергии от источника, то есть за счет полного использования напряжения на входе электроустановок. Вторая проблема, заключающаяся в обеспечении электромагнитной совместимости электроустановок с полупроводниковыми преобразователями, решается, так как при непрерывном потреблении электрической энергии форма тока повторяет форму напряжения на входе электроустановок. Импульсы управления подаются на затвор G и на эмиттер Е транзисторов, например, VT1 и VT3. Эти транзисторы отпираются, а из звена постоянного тока через переходы коллектор-эмиттер транзисторов по нагрузке протекает ток в одном направлении. На нагрузке R_H, L_H формируется один полупериод переменного напряжения ~U. Затем системой управления инвертором импульсы управления с транзисторов VT1, VT3 снимаются и подаются на транзисторы VT2, VT4. Транзисторы VT1 и VT3 запираются, а транзисторы VT2, VT4 отпираются. Из звена постоянного тока через переходы эмиттер-коллектор транзисторов VT2 и VT4 по нагрузке протекает ток, направление которого противоположно направлению тока в первый полупериод. Формируется второй полупериод переменного напряжения ~U. Частота переменного напряжения f изменяется с помощью системы управления инвертором и зависит от частоты переключения импульсов управления с одной пары транзисторов на другую. Амплитуда переменного напряжения ~U на выходе инвертора может изменяться различными методами. Амплитуду напряжения на выходе инвертора можно изменять за счет изменения напряжения –U в звене постоянного тока, применением широтно-импульсного регулирования (ШИР) с помощью транзисторов VT1 – VT4 или использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с помощью транзисторов инвертора. Передача накопленной реактивной энергии в индуктивности нагрузки L_H на конденсатор С обеспечивается обратными диодами VD1-VD4.

Для получения трехфазной системы напряжений на выходе автономного инвертора электрическую схему на рис. 3.4 нужно дополнить еще одной парой модулей, содержащих IGBT-транзисторы и обратные диоды. Управление транзисторами трехфазного мостового инвертора должно выполняться таким образом, чтобы первые гармоники линейных напряжений на выходе инвертора были смещены по фазе друг относительно друга на угол 120 электрических градусов.