Invertor (inginerie electrică)

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 22 aprilie 2020; verificările necesită 14 modificări .

Un invertor este un dispozitiv pentru transformarea curentului continuu în curent alternativ [1] cu o schimbare a tensiunii . De obicei, este un generator periodic de tensiune , aproape de o formă sinusoidală , sau un semnal discret.

Invertoarele de tensiune pot fi utilizate ca dispozitiv separat sau pot face parte din sursele și sistemele de alimentare neîntreruptă a echipamentelor cu energie electrică AC .

Proprietățile invertoarelor

Invertoarele de tensiune fac posibilă eliminarea sau cel puțin reducerea dependenței sistemelor informaționale de calitatea rețelelor de curent alternativ. De exemplu, în calculatoarele personale , în cazul unei defecțiuni bruște a rețelei, folosind o baterie de rezervă și un invertor care formează o sursă de alimentare neîntreruptibilă (UPS), vă puteți asigura că computerele funcționează pentru a finaliza corect sarcinile rezolvate. În sistemele critice mai complexe, dispozitivele invertoare pot funcționa într-un mod controlat pe termen lung în paralel cu rețeaua sau independent de aceasta.
Pe lângă aplicațiile „independente”, în care invertorul acționează ca o sursă de energie pentru consumatorii de curent alternativ, au fost dezvoltate pe scară largă tehnologiile de conversie a energiei, unde invertorul este o verigă intermediară în lanțul de convertoare. Caracteristica principală a invertoarelor de tensiune pentru astfel de aplicații este frecvența mare de conversie (de la zeci la sute de kiloherți). Pentru o conversie eficientă a energiei la frecvență înaltă, este necesară o bază de elemente mai avansate (comutatoare semiconductoare, materiale magnetice, controlere specializate).
Ca orice alt dispozitiv de alimentare, invertorul trebuie să aibă o eficiență ridicată, fiabilitate ridicată și caracteristici acceptabile de greutate și dimensiune. În plus, trebuie să aibă un nivel acceptabil de componente armonice mai mari în curba tensiunii de ieșire (valoarea permisă a coeficienților armonici) și să nu creeze un nivel de ondulare la bornele sursei de alimentare care este inacceptabil pentru alți consumatori în timpul funcționării.
Sistemele de contorizare prin rețea folosesc un invertor pentru a alimenta energia de la panouri solare, turbine eoliene, centrale hidroelectrice și alte surse de energie verde în rețeaua publică.

Funcționarea invertorului

Funcționarea invertorului de tensiune se bazează pe comutarea sursei de tensiune DC pentru a schimba periodic polaritatea tensiunii la bornele de sarcină. Frecvența de comutare este stabilită de semnalele de control generate de circuitul de control (controler). Controlerul poate efectua, de asemenea, sarcini suplimentare:

reglarea tensiunii;
sincronizarea frecvenței de comutare a tastelor ;
protectie la suprasarcina etc.

Conform principiului de funcționare, invertoarele sunt împărțite în:

autonom;
- invertoare de tensiune (AVI), un exemplu sunt invertoarele majorității UPS-urilor;
- invertoare de curent (AIT), un exemplu este convertorul de aerodrom sovietic APChS-63U1 [2] ;
- invertoare rezonante (AIR);
invertoare dependente conduse de rețea , un exemplu este convertorul de putere al locomotivelor electrice VL85 , EP1 etc.

Metode de implementare tehnică a invertoarelor și caracteristicile funcționării acestora

Cheile invertorului trebuie să fie controlate (pornite și oprite printr-un semnal de comandă) și au, de asemenea, proprietatea conducției curentului în două sensuri [3] . De regulă, astfel de comutatoare sunt obținute prin manevrarea tranzistoarelor cu diode cu roată liberă. Excepție fac tranzistoarele cu efect de câmp, în care o astfel de diodă este un element intern al structurii lor semiconductoare.
Reglarea tensiunii de ieșire a invertoarelor se realizează prin modificarea zonei pulsului de semi-undă. Cea mai simplă reglare se realizează prin reglarea duratei (lățimii) pulsului de semi-undă. Această metodă este cea mai simplă versiune a metodei semnalelor cu modulație pe lățime a impulsurilor (PWM).
Ruperea simetriei semi-undelor tensiunii de ieșire generează produse secundare de conversie cu o frecvență sub cea fundamentală, inclusiv posibilitatea unei componente de tensiune DC care este inacceptabilă pentru circuitele care conțin transformatoare.
Pentru a obține moduri de funcționare controlate ale invertorului, cheile invertorului și algoritmul de control al cheii trebuie să asigure o modificare consistentă a structurilor circuitului de putere, numită directă, scurtcircuitată și inversă.
Puterea instantanee a consumatorului pulsează la o frecvență dublă. Sursa de alimentare primară trebuie să fie capabilă să suporte curenți de consum pulsatori și chiar inversați. Componentele variabile ale curentului primar determină nivelul de interferență la bornele de alimentare. $p(t)$

Scheme tipice ale invertoarelor de tensiune

Există un număr mare de opțiuni pentru construirea circuitelor cu invertor. Din punct de vedere istoric, primele au fost invertoarele mecanice, care în epoca dezvoltării tehnologiei semiconductoare au înlocuit mai multe invertoare tehnologice bazate pe elemente semiconductoare și invertoarele digitale de tensiune. Dar totuși, de regulă, există trei circuite principale de invertor de tensiune:

Pod IN fără transformator

Domeniu de aplicare: dispozitive de alimentare neîntreruptibilă cu o putere mai mare de 500 VA , instalații cu o valoare înaltă a tensiunii (220..360 V).

Cu transformator de ieșire zero

Domeniu de aplicare: Dispozitive de alimentare neîntreruptibilă pentru calculatoare cu putere (250.. 500 VA), la joasă tensiune (12..24 V), convertoare de tensiune pentru sistemele de radiocomunicații mobile.

Circuit de punte cu transformator

Domeniu de aplicare: Dispozitive de alimentare neîntreruptibilă pentru consumatori responsabili cu o gamă largă de capacități: unități - zeci de kVA [4] .

Principiul construirii invertoarelor

Invertoare cu unde pătrate

Conversia tensiunii continue a sursei primare într-una alternativă se realizează cu ajutorul unui grup de comutatoare comutate periodic astfel încât să se obțină o tensiune alternativă la bornele de sarcină și să asigure un regim de circulație controlat în circuitul de energie reactivă . În astfel de moduri, proporționalitatea tensiunii de ieșire este garantată. În funcție de proiectarea modulului de comutare (modul de comutator al invertorului) și de algoritmul pentru generarea acțiunilor de control, un astfel de factor poate fi durata relativă a impulsurilor de control al comutatorului sau defazarea semnalelor de control ale grupurilor de întrerupătoare antifază. În cazul modurilor necontrolate de circulație a energiei reactive, reacția consumatorului cu componentele reactive ale sarcinii afectează forma tensiunii și valoarea de ieșire a acesteia [5] [6] .

Invertoare de tensiune în trepte

Principiul construirii unui astfel de invertor este că, cu ajutorul unei conversii preliminare de înaltă frecvență, se formează curbe de tensiune în trepte unipolare, apropiindu-se în formă de o curbă sinusoidală unipolară cu o perioadă egală cu jumătate din perioada modificării tensiunii de ieșire a invertorului. Curbele unipolare ale tensiunii în trepte sunt apoi convertite, de obicei printr-un invertor în punte, într-o curbă a tensiunii de ieșire a invertorului multipolar.

Invertoare cu undă sinusoidală

Principiul construirii unui astfel de invertor este că, cu ajutorul unei conversii preliminare de înaltă frecvență, se obține o tensiune DC , a cărei valoare este apropiată de valoarea amplitudinii tensiunii de ieșire sinusoidală a invertorului. Această tensiune de curent continuu este apoi convertită, de regulă, de către un invertor în punte într-o tensiune alternativă apropiată de formă sinusoidală, prin aplicarea principiilor adecvate pentru antrenarea tranzistoarelor acestui invertor în punte (principiile așa-numitului „multiple impuls- modularea lățimii "). [7] [8] Ideea acestui „multiplu” PWM este că în timpul fiecărui semiciclu al tensiunii de ieșire a invertorului, perechea corespunzătoare de tranzistoare a invertorului puntea este comutată la frecvență înaltă (în mod repetat) sub lățimea impulsului Control. Mai mult, durata acestor impulsuri de comutare de înaltă frecvență variază în funcție de o lege sinusoidală. Apoi, folosind un filtru trece-jos-înalt, componenta sinusoidală a tensiunii de ieșire a invertorului este extrasă. [5] . Când se utilizează o sursă de tensiune DC unipolară (sunt disponibile nivelurile 0 și U d , unde U d este tensiunea DC care alimentează invertorul), valoarea efectivă a primei armonice a tensiunii de fază

U_{\rm {eff}}^{(1)}=0,45U_{\rm {d}}

Când se utilizează o sursă de tensiune DC bipolară (nivelurile 0, -U d /2 și U d /2 sunt disponibile), valoarea amplitudinii primei armonice a tensiunii de fază

U_{\rm {m}}^{(1)}=0,5U_{d}

respectiv valoarea efectivă

U_{\rm {eff}}^{(1)}=0,35U_{\rm {d}}

Invertoare de tensiune autoexcitate

Invertoarele autoexcitate (oscilatoare) sunt printre cele mai simple dispozitive de conversie a energiei DC. Simplitatea relativă a soluțiilor tehnice cu o eficiență energetică suficient de mare a condus la utilizarea lor pe scară largă în sursele de alimentare cu putere redusă din sistemele de automatizare industrială și la generarea de semnale cu undă pătrată, în special în acele aplicații în care nu este nevoie de controlul puterii. procesul de transmitere. Aceste invertoare utilizează feedback pozitiv, care asigură funcționarea lor în modul de auto-oscilații stabile, iar comutarea tranzistoarelor se realizează datorită saturației materialului circuitului magnetic al transformatorului. [9] [10] În legătură cu metoda de comutare a tranzistoarelor, prin saturarea materialului miezului magnetic al transformatorului, există un dezavantaj al circuitelor invertorului, și anume randamentul scăzut , care se explică prin pierderi mari la tranzistori. Prin urmare, astfel de invertoare sunt utilizate la frecvențe care nu depășesc 10 kHz și o putere de ieșire de până la 10 W. Cu suprasarcini semnificative și scurtcircuite în sarcină în oricare dintre invertoarele cu autoexcitare, auto-oscilațiile se defectează (toți tranzistoarele intră în stare închisă).

f

Invertoare monofazate

Există mai multe grupuri de invertoare:

Primul grup de invertoare mai scumpe oferă o tensiune de ieșire sinusoidală .
Al doilea grup oferă o tensiune de ieșire simplificată care înlocuiește sinusoida . Semnalul cel mai des folosit este sub forma unui sinus trapezoidal .

Pentru marea majoritate a aparatelor de uz casnic , nu este permisă utilizarea unei tensiuni alternative cu o formă de undă simplificată. Unda sinusoidală este importantă pentru aparatele care conțin motoare/transformatoare și unele echipamente de telecomunicații, instrumente, laborator, medicale și audio profesionale. Alegerea invertorului se bazează pe consumul de putere de vârf al tensiunii standard 220 V /50 Hz .

Există trei moduri de funcționare a invertorului:

Modul pe termen lung. Acest mod corespunde puterii nominale a invertorului.
Modul de supraîncărcare. În acest mod, majoritatea modelelor de invertoare pentru câteva zeci de minute (până la 30) pot furniza o putere de 1,2-1,5 ori mai mare decât cea nominală.
Modul de pornire. În acest mod, invertorul este capabil să furnizeze o putere instantanee crescută pentru câteva milisecunde pentru a porni motoarele și sarcinile capacitive.

În câteva secunde, majoritatea modelelor de invertoare pot furniza o putere de 1,5-2 ori mai mare decât cea nominală. O supraîncărcare puternică pe termen scurt apare, de exemplu, la pornirea frigiderului .

Un invertor de 150 W este suficient pentru a alimenta aproape orice laptop din rețeaua electrică de bord a mașinii. 7,5 wați este suficient pentru a alimenta și încărca telefoanele mobile, echipamentele audio și fotografice.

Invertoare trifazate

Invertoarele trifazate sunt utilizate în mod obișnuit pentru a crea curent trifazat pentru motoarele electrice , de exemplu, pentru a alimenta un motor cu inducție trifazat . În acest caz, înfășurările motorului sunt conectate direct la ieșirea invertorului.

Invertoarele trifazate de mare putere sunt utilizate în convertoarele de tracțiune în antrenarea electrică a locomotivelor , navelor cu motor , troleibuzelor (de exemplu, AKSM-321 ), tramvaielor , laminoarelor , instalațiilor de foraj , în inductori (instalații de încălzire prin inducție [12] ) .

Figura prezintă o diagramă a unui convertor de tracțiune cu tiristor conform schemei Larionov -Star . Teoretic, este posibil și un alt tip de circuit „triunghi-Larionov” al lui Larionov, dar are și alte caracteristici (rezistență activă internă echivalentă, pierderi în cupru etc.).

Aplicații ale invertoarelor multinivel

Invertoarele cu mai multe niveluri includ o serie de semiconductori de putere și surse de tensiune condensatoare a căror ieșire generează tensiuni de formă de undă în trepte. Comutarea comutatorului permite adăugarea de tensiuni condensatoare care ating tensiuni de ieșire ridicate, în timp ce semiconductorii de putere trebuie să gestioneze doar tensiuni mai mici. Figura din dreapta prezintă o schemă de circuit a unui segment de fază al invertoarelor cu un număr diferit de niveluri, pentru care puterea semiconductorilor este reprezentată de un comutator ideal cu mai multe poziții.

Un invertor cu două niveluri generează o tensiune de ieșire cu două valori (nivele) în raport cu borna negativă a condensatorului [Fig. (a)], în timp ce un invertor cu trei niveluri generează trei tensiuni și așa mai departe.

Imaginează-ți că m este numărul de trepte de tensiune de fază relativ la borna negativă a invertorului, apoi numărul de trepte de tensiune între două faze de sarcină este k ,

$k=2m+1$

și numărul de trepte p în tensiunea de fază a sarcinii trifazate din conexiune

$p=2k-1$

Există trei topologii diferite pentru invertoarele cu mai multe niveluri: Diode-Locked (Neutral-Locked) ; fixat pe condensator (condensatoare montate); și multi-element în cascadă cu surse de curent continuu separate. În plus, au fost dezvoltate sau adoptate mai multe strategii de modulare și control pentru invertoarele cu mai multe niveluri, inclusiv următoarele: modulație sinusoidală pe mai multe niveluri (PWM), eliminare selectivă a armonicilor pe mai multe niveluri și modulație vectorială spațială (SVM) .

Principalele aspecte pozitive ale invertoarelor cu mai multe niveluri sunt următoarele:

1) Pot genera tensiuni de ieșire cu distorsiuni extrem de scăzute și dv/dt mai mici.

2) Ei consumă curent de intrare cu o distorsiune foarte scăzută.

3) Ele generează o tensiune de mod mai puțin comună (CM), reducând astfel stresul în rulmenții motorului. Mai mult, prin utilizarea unor tehnici sofisticate de modulare, tensiunile CM pot fi eliminate.

4) Ele pot funcționa la o frecvență de comutare mai mică.

Topologia invertoarelor multinivel în cascadă

Diferitele topologii ale convertoarelor prezentate aici se bazează pe conexiunea în serie a invertoarelor monofazate cu surse CC separate. Figura din dreapta arată circuitul de alimentare pentru o secțiune de fază a unui invertor cu nouă nivele cu patru celule în fiecare fază. Tensiunea de fază rezultată este sintetizată prin adăugarea tensiunilor generate de diferitele secțiuni.

Fiecare invertor monofazat cu punte completă generează trei tensiuni de ieșire: + Vdc, 0 și - Vdc. Acest lucru a fost posibil prin conectarea condensatoarelor în serie cu partea de curent alternativ prin patru comutatoare de alimentare. Tensiunea de ieșire AC rezultată variază de la -4 Vdc la 4 Vdc cu nouă nivele și o formă de undă în trepte care este aproape sinusoidală, chiar și fără filtre.

Invertoare electromecanice

Vezi și

Note

↑ Dicționar de științe naturale. Glosar.ru. (link down) (link down din 14-06-2016 [2323 zile])
↑ TU 16-729.402-83. Convertor de frecvență de aerodrom staționar tip APChS-63U1 (IVEG.435426.001TU) . Consultat la 30 octombrie 2016. Arhivat din original pe 31 octombrie 2016. (nedefinit)
↑ Jerrold Foutz. Tutorial de proiectare a sursei de alimentare în mod comutator Introducere (engleză) (link nu este disponibil) . www.smpstech.com (9 decembrie 1998). Consultat la 19 aprilie 2017. Arhivat din original pe 6 aprilie 2004.
↑ Andrei Nikitin, Oleg Starikov. Convertoare SupIRBuck DC/DC în sisteme de alimentare distribuite . Știri electronice, nr. 15 (2009). Consultat la 19 aprilie 2017. Arhivat din original pe 20 aprilie 2017. (nedefinit)
↑ 12 David Perreault . Note privind electronicele de putere . MIT Open Course Ware (2007). Consultat la 19 aprilie 2017. Arhivat din original pe 5 martie 2016.
↑ Surse de alimentare în mod comutator . Data accesului: 5 decembrie 2014. Arhivat din original pe 28 februarie 2015. (nedefinit)
↑ Pressman, Abraham I.; Billings, Keith & Morey, Taylor (2009), Proiectarea sursei de alimentare cu comutare (ed. a treia), McGraw-Hill, ISBN 0-07-148272-5
↑ Rashid, Muhammad H. (2003), Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications , Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3
↑ Basso, Christophe (2008), Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs , McGraw-Hill, ISBN 0-07-150858-9
↑ Erickson, Robert W. & Maksimovic, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (Ed. a doua), ISBN 0-7923-7270-0
↑ Convertoare de tensiune auto (3 părți) . Consultat la 25 aprilie 2012. Arhivat din original pe 22 mai 2012. (nedefinit)
↑ Încălzire prin inducție (link inaccesibil) . Data accesului: 29 ianuarie 2009. Arhivat din original la 5 februarie 2009. (nedefinit)

Literatură

Bushuev V.M., Deminsky V.A., Zakharov L.F., Kozlyaev Yu.D., Kolkanov M.F. Alimentarea cu energie a dispozitivelor și a sistemelor de telecomunicații. - M . : Hot line - Telecom, 2009. - 384 p. - ISBN 978-5-9912-0077-6 .
Kitaev V.E., Bokunyaev A.A., Kolkanov M.F. Alimentare pentru dispozitive de comunicație. - M . : Comunicare, 1975. - 328 p.
Irving M., Gottlieb. Surse de putere. Invertoare, convertoare, stabilizatoare liniare și comutatoare. = Surse de alimentare, regulatoare în comutație, invertoare și convertoare. - Ed. a II-a. - M . : Postmarket, 2002. - 544 p. - ISBN 5-901095-05-7 .
Raymond Mack. Comutarea surselor de alimentare. Baza teoretică de proiectare și ghid practic de aplicare = Demistificarea surselor de alimentare în comutație. — M. : Dodeka-ΧΧΙ, 2008. — 272 p. - ISBN 978-5-94120-172-3 .
Ugryumov EP Teoria și practica modelării evolutive. - Ed. a II-a. - Sankt Petersburg. : BHV-Petersburg, 2005. - P. 800. - ISBN 5-94157-397-9 .
Veresov G.P. Alimentarea cu energie a echipamentelor radio-electronice de uz casnic . - M . : Radio şi comunicare, 1983. - 128 p. — 60.000 de exemplare. Arhivat pe 27 iulie 2009 la Wayback Machine
Kostikov V.G. Parfenov E.M. Shakhnov V.A. Surse de alimentare cu energie a mijloacelor electronice. Circuiterie și design: manual pentru licee. - 2. - M . : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 de exemplare. — ISBN 5-93517-052-3 .