Инверторы

Инвертированием называют процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Преобразователь, выполненный на базе полупроводниковых приборов и осуществляющий такое преобразование, называется инвертором.

Автономным (независимым) инвертором является преобразователь, выходные параметры которого (форма, амплитуда, частота выходного напряжения) определяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы в отличие от инвертора, ведомого сетью, выходные параметры которого определяются параметрами сети.

Схема автономного инвертора изображена на рис. 8,а. Если переключать попарно через полупериод Т/2 ключи К1 — К3 и К2 — К4, то напряжение U_ab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплитудой U и частотой f = 1/Т (рис. 8,б).При активной нагрузке форма кривой тока будет повторять кривую напряжения. В схеме на рис. 8,а очень просто увеличить число фаз, для чего нужно добавить пару ключей и подключить нагрузку к точкам между ними (штриховые линии на рис. 8,а). В трехфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разница состоит лишь в том, что источник питания и нагрузка поменялись местами.

Форму выходного напряжения и, следовательно, его гармонический состав можно менять, изменяя продолжительность включенного состояния tt и момент включения t пары ключей (штриховая линия на рис. 8,б).

Процессы усложняются при активно-индуктивной нагрузке. При этом схема рис. 8,а окажется неработоспособной, поскольку при разрыве такой цепи напряжения на ключах достигают бесконечно большой величины.

Рис. 8. Схема автономного инвертора (а). Графики (б) напряжения U_ab и тока I_н на выходе инвертора

Для обеспечения нормальной работы ключи шунтируют диодами, а источник питания, если его внутреннее сопротивление велико — конденсатором (рис. 9,а). При прямоугольной форме напряжения кривые тока будут состоять из участков экспонент (рис. 9,б). Напряжение и ток имеют различную форму и гармонический состав, первые гармоники тока и напряжения сдвинуты относительно одна другой на некоторый угол.

Преобразование постоянного напряжения в переменное может осуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковых ключей. За последние годы в области средних и больших мощностей до 1 000 кВт начинают широко применяться инверторы на IGBT. Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с традиционными тиристорами, они представляют разработчикам более широкие возможности формирования напряжения и тока.

По характеру процессов, протекающих в автономных инверторах, их разделяют на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ).

Схема (см. рис. 9, а) представляет собой инвертор напряжения — именно оно формируется принудительно, а ток существенно зависит от нагрузки. В схеме АИН источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается переменным напряжением. Нагрузка в э том случае должна носить индуктивный или активно-индуктивный характер.

Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутации ключей часть энергии, накопленной в индуктивной нагрузке, возвращают в цепь источника постоянного напряжения.

Рис. 9. Схема автономного инвертора напряжения (а). Графики ( б) напряжения U_ab и тока i_н на выходе инвертора

С этой целью ключевые элементы шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды называют «обратными» диодами. Последние обеспечивают путь для протекания тока на интервалах времени, на которых знаки тока и напряжения противоположны.

В АИН с трехфазным выходом минимальное число управляемых ключей шесть (рис. 10,а). Номера ключей соответствуют очередности вступления их в работу, представленной на диаграмме (рис. 3,б). Логика работы ключей: в каждой фазе обязательно должен быть замкнут один и только один из ключей в каждой паре (S1 или S4; S3 или S6; S5 или S2). В том случае, когда длительность открытого состояния каждого ключа равна п (и, следовательно, в открытом состоянии всегда находятся три ключа), кривые фазных U_a0, U_b0, U_c0, и линейного напряжения U_ab, имеют вид, показанный на рис. 10,в,г.

В выходном напряжении трехфазного мостового инвертора отсутствуют гармоники, кратные трем. Относительное значение 5-й гармоники равно 20 % основной, 7-й — 14,3 %, 11-й — 9 %, 13-й — 7,7 % и т.д. Достоинствами АИН являются жесткая внешняя характеристика, независимость формы выходного напряжения от параметров нагрузки, возможность работы при переменной частоте и, в частности, при низких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).

Внешне АИТ похожи на АИН, имеют аналогичную структуру (рис. 11,а) однако процессы в них существенно различаются. Основное различие — в способе питания: на входе АИТ включен реактор L_d, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты АИТ. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока, он получает питание от источника тока. Напряжение — зависимая переменная (рис. 11,б).

Рис. 10. Схема автономного трехфазного мостового инвертора напряжения (а). Диаграмма интервалов времени открытого состояния ключей ( б). Графики фазных (в) и линейного (г) напряжений на выходе инвертора

Рис. 11. Схема автономного инвертора тока (а). Графики (б) напряжения U_ab и тока i_н на выходе инвертора

Индуктивность сглаживающего реактора L_d оказывает существенное влияние на динамические характеристики АИТ. В частности, чем меньше L_d, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходе АИТ при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.

В АИТ ключевые элементы изменяют направление тока в нагрузке (но не мгновенное значение), так что нагрузка питается как бы от источника тока, что и нашло свое отражение в соответствующей терминологии — инвертор тока. Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (на рис. 11,а конденсатор С_к), так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу схемы.

К числу достоинств АИТ относится сравнительно хорошая форма кривой выходного напряжения при наличии на выходе параллельного конденсатора. Основными недостатками АИТ являются падающая внешняя характеристика и зависимость величины и формы кривой выходного напряжения от частоты, в связи с чем обычно АИТ используется в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.