Принцип роботи джерела безперебійного живлення
Тиристорні інвертори – це пристрої, які працюють на автономне навантаження та призначені для перетворення напруги постійного струмуу напругу змінного струмузаданої чи регульованої частоти. Інвертуванням називають процес перетворення енергії постійного струму на енергію змінного струму (рис. 1).
Рис.1 Діаграма постійного та змінного струму.
Застосування:
1. У системах електропостачання споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом живлення є джерело напруги постійного струму (наприклад: акумуляторна або сонячна батарея).
2. У системах гарантованого електропостачання у разі зникнення напруги мережі живлення (наприклад: для особистих потреб електростанцій, ЕОМ).
3. Для частотного регулювання швидкості асинхронних двигунів.
4. Для живлення споживачів змінного струму від ліній електропостачання постійного струму.
5. У конверторах для перетворення постійної напруги однієї величини постійна напругаіншої величини.
Комутаційними елементами в інверторах є тиристори чи силові транзистори.
Інвертори поділяють на:
1. Автономні інвертори та перетворювачі частоти.
2. Інвертори, ведені мережею.
Автономні інвертори та перетворювачі частоти.
Автономні інвертори - це пристрої, що перетворюють постійний струм на змінний з постійною або регульованою частотою і працюють на автономне навантаження. На відміну від інверторів, ведених мережею, автономний інвертор на стороні змінного струму не має іншого джерела енергії тієї ж частоти, крім самого інвертора.
Перетворювачі частоти - це пристрої, що перетворюють змінний струм однієї частоти змінний струм іншої частоти.
До автономним інверторам та перетворювачам частоти, що працюють у конкретній установці, пред'являються такі вимоги:
1) забезпечення максимального к. п. д.;
2) мінімальна встановлена потужність окремих вузлів та елементів;
3) можливість широкого регулювання вихідної напруги;
4) забезпечення стабільності вихідної напруги при зміні величини та характеру навантаження, а також вхідної напруги;
5) забезпечення синусоїдальної або близької до синусоїдальної форми кривої вихідної напруги;
6) можливість регулювання у певних межах вихідної частоти, що насамперед необхідно в установках вентильного електроприводу;
7) відсутність зривів інвертування під час перевантажень;
8) можливість роботи у режимі холостого ходу;
9) забезпечення максимальної надійності та стійкості. Природно, що вимоги до схем автономних інверторів, залежать від конкретного призначення інвертора. Тому оптимальний варіант схеми інвертора необхідно вибирати, враховуючи режим роботи навантажень, що харчуються від нього.
Автономні інвертори можна класифікуватиза такими основними ознаками:
1) за схемою перетворення;
2) за способом комутації (замикання);
3) за способом керування;
4) характером протікання електромагнітних процесів.
Розрізняють такі основні схеми перетворення:
1) одновентильний (рис. 2.1, а);
2) однофазну з нульовим висновком (рис, 2.1, б);
3) однофазну з нульовим виведенням джерела живлення (рис. 2.1, в);
4) однофазну бруківку (рис. 2.1, г);
5) трифазну бруківку (рис. 2.1, д);
6) трифазну з нульовим висновком (рис. 2.1, е).
Решта схем є похідними перелічених груп. Найбільшого поширення у перетворювальній техніці знаходять мостові схеми. За способом комутації автономні інвертори можна поділити на кілька груп.
Рис. 2.1. Схеми перетворення
Інвертори із індивідуальною комутацією.Комутуючий пристрій інвертора служить для замикання одного тиристора (вентильного плеча) інвертора. До цього типу інверторів відносяться інвертори на повністю керованих вентилях - двоопераційних тиристорах та силових транзисторах.
Інвертори з пофазною комутацією.Комутуючий пристрій інвертора служить для поперемінного замикання тиристорів двох вентильних плеч, що належать до однієї фази інвертора.
Інвертори із груповою комутацією.У таких інверторах для замикання всіх вентильних плеч однієї групи (анодної або катодної) служить окремий пристрій, що комутує.
Інвертори із загальною комутацією.Комутуючий пристрій є загальним для всіх вентильних плечей інвертора. У комутуючому пристрої інвертора міститься один комутуючий конденсатор.
Інвертори з міжвентильною комутацією.У таких інверторах замикання кожного робочого тиристора відбувається при відмиканні наступного по порядку роботи тиристора іншої фази, але цієї групи.
Інвертори з міжфазовою комутацією.Комутуючий пристрій інвертора служить для поперемінного замикання двох тиристорів різних фаз.
За способом управління інвертори поділяються на інвертори із самозбудженням та із зовнішнім (незалежним) збудженням.
В інверторах з самозбудженням управляючі імпульси, що подаються на тиристори, формуються з вихідної напруги інвертора. Частота вихідної напруги визначається параметрами навантаження.
В інверторах з незалежним збудженням керуючі імпульси формуються зовнішнім генератором, який задає частоту вихідної напруги. Зважаючи на те, що частота вихідної напруги не залежить від параметрів навантаження, даний тип інверторів набув найбільш широкого поширення в перетворювальній техніці.
Залежно від особливостей перебігу електромагнітних процесів автономні інвертори можна поділити на три основні типи: інвертори струму(Рис. 2.2, а); інвертори напруги(Рис. 2.2, в); резонансні інвертори(Рис. 2.2, д).
Для інверторів струму характерно те, що вони формують у навантаженні струм ( iвих) а форма та фаза напруги залежать від параметрів навантаження.
Джерело постійного струму працює в режимі генератора струму, для чого у вхідному ланцюзі включається реактор L dз великою індуктивністю. Крім того, реактор L dвиконує функції фільтра вищої гармонічної напруги, так як до нього в будь-який момент часу прикладається різницю між незмінною напругою джерела живлення і пульсуючим напругою на вході інвертора; перешкоджає розряду конденсатора на джерело живлення під час комутації струму в тиристорах та забезпечує аперіодичний режим роботи інвертора, характерний малими пульсаціями вхідного струму. Слід зазначити, що при живленні інвертора від джерел з характеристиками, близькими до джерела струму, дросель L dможе бути відсутнім.
Інвертор струму повинен забезпечувати режим роботи, при якому між анодом і катодом тиристора, що закрився, протягом деякого часу підтримується негативна напруга, необхідна для відновлення замикаючих властивостей тиристора. Цей час tвикл називається часом замикання (рис. 2.2, б).
При активно-індуктивному характері споживача баланс реактивної потужності забезпечується комутуючими та компенсуючими конденсаторами. Конденсатори стосовно навантаження можуть бути включені паралельно, послідовно, послідовно-паралельно.
Для інверторів струму характерний енергообмін між комутуючими та компенсуючими конденсаторами, включеними в ланцюги змінного струму, реактивностями ланцюга навантаження та дроселем L dв ланцюзі вхідного струму.
У режимі холостого ходу інвертор струму непрацездатний внаслідок зростання амплітуди зворотної та прямої напруги на тиристорах. При перевантаження його робота утруднена через недостатній час для відновлення замикаючих властивостей тиристорів. Інвертори струму мають близьку до синусоїдальної форми вихідної напруги, відносно малі пульсації вхідного струму, можливість реверсу напряму потоку потужності без зміни напрямку струму (при переході в режим випрямлення). Зовнішня характеристика інвертора струму є м'якою.
Рис. 2.2. Однофазна мостова схема інвертора струму ( а) та інвертора напруги ( в); часові діаграми струму та напруги на виході інвертора струму ( б), інвертора напруги ( г) та резонансного інвертора ( д) при активно-індуктивному навантаженні
Інвертори напруги формують навантаження напруга, а форма і фаза струму залежать від характеру навантаження. Джерело живлення інвертора напруги працює у режимі генератора напруги. Якщо інвертор живиться від випрямляча, то його вході ставиться конденсатор досить великий ємності задля забезпечення провідності джерела постійної напруги у напрямі. Це необхідно, коли у складі навантаження є реактивні елементи будь-якого типу. Через зворотний випрямляч (Д1...Д4)здійснюється енергообмін між накопичувачами, що є у складі навантаження, та джерелом живлення або конденсатором З 0, а багатофазних інверторах - також і енергообмін між фазами навантаження. Конденсатор З 0виконує функції фільтра вищих гармонійних струму, так як по ньому протікає різницю між вихідним та постійним у межах напівперіодів вхідним струмом. Інвертор напруги може працювати у режимі холостого ходу. Працездатність інвертора напруги в режимі, близькому до короткого замикання, визначається комутаційними властивостями повністю керованих вентилів або прийнятим способомкомутації та параметрами комутуючих елементів звичайних тиристорів. Інвертори напруги працездатні, мають малі зміни форми кривої та величини вихідної напруги при зміні вихідної частоти в широких межах. Комутаційні процеси в них мало впливають на форму кривої вихідної напруги, а встановлена потужність комутувальних елементів порівняно невелика. Зовнішня характеристика напруги інвертора жорстка.
Основними областями застосування інверторів струму та інверторів напруги є: стабілізовані за вихідними параметрами перетворювачі частоти; вторинні джерела живлення змінним струмом; установки частотно-регульованого електроприводу
У резонансних інверторах навантаження, що має, як правило, значну індуктивність, утворює з реактивними елементами схеми інвертора коливальний контур з резонансом напруги. Вимкнення тиристорів інвертора відбувається завдяки плавному спаданню до нуля анодного струму тиристора (струму коливального контуру) на кожному напівперіоді (рис. 2.2, д).Власна частота контуру в резонансних інверторах повинна бути вищою або дорівнює робочій частоті інвертора. Конденсатори, що входять до складу коливального контуру, можуть бути включені послідовно з навантаженням, паралельно до неї або послідовно-паралельно, а дроселі - в ланцюзі вхідного струму, в анодних ланцюгах вентилів або послідовно з навантаженням.
Для резонансних інверторів характерний інтенсивний енергообмін між накопичувачами, що входять до складу схеми. Резонансні інвертори можуть живитися від джерел, що працюють у режимі генератора. д. с. чи струму. Інвертори, що живляться від генератора е. д. с., називаються інверторами з відкритим входом, а ті, що живляться від генератора струму - із закритим входом.
Резонансні інвертори мають близьку до синусоїдальної форму напруги та струму в навантаженні, плавне наростання (у більшості схем без зворотних діодів) та спад струму через вентилі, що забезпечує малі комутаційні втрати потужності в останніх. Цей типінверторів доцільно застосовувати за підвищених частотах вихідної напруги (одиниці кГц, десятки кГц).
Слід підкреслити, що конкретні схеми автономних інверторів часто мають одночасно ознаки різних класифікаційних груп залежно від співвідношення параметрів, режиму роботи і т.д.
Інвертори, ведені мережею.
Ведені інвертори(ВІ) працюють на мережу, де є інші джерела електроенергії. Комутації вентилів у яких здійснюються з допомогою енергії цієї мережі. Частота на виході ВІ дорівнює частоті мережі, а напруга – напруги мережі.
Принцип роботи інвертора, веденого мережею,можна розглянути на прикладі роботи найпростішого однофазного інвертора , наведеного на рис. 3, а.Ланцюг містить джерело постійної інвертованої е . д. с. U d. послідовне яким включені тиристор В,дросель L dта вихідний трансформатор Тр. Первинна обмотка Трпідключена до мережі змінного струму, що створює на вторинній обмотці напругу u 2. По відношенню до тиристору Вця напруга періодично змінює знак, в одну частину періоду складаючись з напругою U dв іншу - віднімаючи з нього. По відношенню до інвертованої напруги тиристор Взавжди включений у провідному напрямку.
Енергія передається від інвертора до мережі змінного струму тоді, коли напрямки інвертованого струму i Bта змінної напруги u 2; протилежні, тобто коли u 2і U dзустрічні.
Процес інвертування можливий, якщо U 2m >U d.Для інвертування необхідно відмикати тиристор до моменту O 1 коли напруга на аноді буде ще більше нуля. Це має місце для всіх кутів управління г< < 0 , де г - граничний кут управління, у якому досягається граничний режим роботи інвертора.
Рис. 3 Схеми однофазного (а) та двофазного (в) інвертора, веденого мережею; тимчасові діаграми струмів та напруг (б, г), сімейство вхідних характеристик інвертора (д).
Нехтуючи втратами у схемі, можна записати
де x d - реактивний опірконтуру.
З рівняння випливає, що швидкість зміни струму i Bбуде прямо пропорційна різниціU d -u 2.
Якщо , , струм i Bзростає (рис. 3 б). При U d -u 2 = 0 i Bдосягає максимуму, при U d -u 2 < 0 i Bзменшується та підтримується за рахунок енергії, накопиченої в індуктивності дроселя L d. Тривалість роботи тиристора після точки O 1 визначається часом, протягом якого ця енергія буде розсіяна. Величина накопиченої енергії пропорційна площам S 1і S 2, а розсіяної - S 1 ’і S 2 ’. Тому переривання струму в ланцюзі інвертора визначиться моментом, коли при заданому куті управління обидві площі ( S 1і S 1 ’або S 2і S 2 ’) стають рівними між собою.
При зміні кута управління у бік його зменшення площа S 1буде постійно зростати. Відповідно до цього має зростати і площа S 1 ’. Однак зростання цієї площі при зазначених значеннях U 2mі U dобмежений ділянкою синусоїди O 1 …O 1 ". Як тільки буде витрачено весь резерв цієї площі, тиристор, раз увімкнувшись, вже більше вимкнутись не зможе, і з точки O 1 ’його струм почне знову зростати під дією напруги U d -u 2> 0, інвертор перейде в режим короткого замикання. Точка, крапка O 1 ',яка визначає межу стійкої роботи інвертора, називається граничною,
Втрата стійкості інвертором (перекидання) у реальних інверторах настає раніше, ніж це визначається точкою O 1 ", так як для відновлення замикаючих властивостей тиристора після його вимкнення потрібен деякий проміжок часу () для розсмоктування електричних зарядів p-n-переходах. Отже, в реальній схемі інвертора тиристор повинен вимикатися раніше на кут, ніж буде досягнуто крапки. O 1 ", причому це випередження має завжди відповідати найважчому режиму роботи тиристора, у якому = max .
Аналогічну картину можна отримати і якщо = const, a U d= var.
Розглянута схема містить самі елементи, як і керований випрямляч, працюючий на проти-е. д. с. Проте роль проти-е. д. с. в інверторному режимі виконує не U d ,а напруга мережі змінного струму. Щоб це могло мати місце, необхідно при переході від випрямного режиму до інверторного змінити знак U dта збільшити кут управління за межі граничного.
Співвідношення між основними параметрами схеми при цьому не змінюються, і, отже, робочий режим інвертора описуватиметься тими ж рівняннями, що й робочий режим випрямляча, з тією різницею, що джерело U dвиступає в цьому випадку не як споживач, а як генератор активної потужності. За рахунок цього джерела покриваються всі втрати в інверторі. Таким чином, позначивши власну е. д. с. інвертора в режимі холостого ходу через U dотримаємо:
де U x і U a - реактивні та активні втрати напруги.
В інверторі, веденому мережею, U x >> U a. Найпростіший однофазний інвертор, ведений мережею, характеризується дуже низькими енергетичними показниками через погане використання вихідного трансформатора та значного спотворення форми струмів як на стороні змінної, так і на стороні постійної напруги. З цієї причини інвертори, ведені мережею, зазвичай виконуються багатофазними.
На рис. 3, в, гпредставлені двофазна схема інвертора та тимчасові діаграми струмів та напруг, що пояснюють його роботу.
Вибір необхідних ділянок робочої напруги, за яких забезпечується почерговий пропуск струму тиристорами В 1і В 2в межах кожного з періодів змінної напруги досягається вибором моменту відмикання тиристорів за допомогою імпульсів управління. При подачі імпульсу керування на тиристор В 1незадовго до того, як напруга на фазі Астає негативним, цей тиристор відпирається і пропускає струм переважно при негативному напруженні фази. А.
Зустрічний напрямок негативної напруги е 21 по відношенню до анодного струму i 21 свідчить прийом цієї фазою потужності від джерела постійного струму. Ця потужність у процесі трансформації струму передається через вторинну та первинну обмотки трансформатора в мережу. однофазного струму. Така сама передача потужності відбувається в наступний напівперіод через фазу Ввторинної обмотки, коли через неї та тиристор В 2протікає струм.
Перехід (комутація) струму з тиристора В 1на тиристор В 2відбувається так само, як і при випрямному режимі, протягом деякого проміжку часу, званого кутом комутації .
Роль тиристорів при інвертуванні струму зводиться до ролі перемикачів, що поперемінно замикають ланцюг джерела постійного струму на одну з вторинних обмоток, А саме на ту, що забезпечує в цю частину періоду найбільш негативну напругу. Щоб мала місце природна комутація струму, що характеризується переходом струму від одного тиристора до іншого, відмикання чергового тиристора має відбуватися з деяким випередженням проти початку негативного напівперіоду. Це випередження в кутовому вимірі зветься кута випередження.
Кут випередження повинен бути достатній не тільки для того, щоб могла відбутися природна комутація струмів тиристорів (кут ), але і для того, щоб після комутації струмів залишався до появи позитивної напруги достатній за величиною кут, протягом якого тиристор, що закінчив свою роботу, повинен встигнути відновити свої замикаючі властивості.
Якщо післякомутаційний кут менше, ніж потрібно для відновлення замикаючих властивостей тиристора, то з появою позитивної напруги на аноді тиристора, що закінчив роботу, він знову відмикається, і струм продовжує протікати при позитивному півперіоді змінної напруги, що призводить до перекидання інвертора.
Таким чином, для нормальної роботи інвертора необхідно, щоб
де - кут випередження (управління), що відраховується від точки перетину фазових напруг у бік випередження; tвосс - час відновлення властивостей тиристора.
Співвідношення між струмами та напругами для веденого інвертора можна отримати із співвідношень для аналогічної схеми керованого випрямляча, в яких замість підставлено значення (-).
Вираз для розрахунку струму інвертора має вигляд:
Середнє значення вхідної напруги інвертора (власна проти-е. д. с.) підсумовується з напруги холостого ходу та збільшення напруги в період комутації:
Напруга холостого ходу визначається виразом:
(1)
Приріст напруги, обумовлений явищем комутації, дорівнює:
або у функції вхідного струму
(2)
З виразу (1) та (2) отримуємо вираз вхідної характеристики інвертора:
З виразу (3) видно, що на відміну від зовнішньої характеристики випрямляча, де другий доданок визначає її спад зі зростанням струму, інвертор друге доданок визначає підйом вхідний характеристики. Підвищення вхідної напруги U d b зі зростанням вхідного струму I d b пояснюється додаванням комутаційного майданчика до синусоїдальної вихідної напруги холостого ходу.
На рис. 3, днаведено сімейство вхідних параметрів інвертора. Початкові точки на осі ординат відповідають напрузі Холостого ходу. Верхнє обмеження характеристик визначається величинами струмів, при яких післякомутаційний кут при заданому куті стає min, тобто кутом, достатнім для надійного відновлення замикаючих властивостей тиристорів (). Крапки A 1 ,A 2 , А 3на вхідних характеристиках відповідають граничним струмам навантаження I d b max та граничним напруженням U d b max. Визначаючи обмежувальну характеристику інвертора.
Х арактерні особливості інверторного режиму наступні:
а) інвертор може бути побудований тільки на керованих вентилях, так як більшу частину неробочого інтервалу до них додана позитивна напруга;
б) кут відмикання повинен перевищувати 90°;
в) полярність напруги за постійного струму протилежна полярності випрямлячів;
г) у всьому діапазоні зміни струму навантаження та вхідної напруги має бути виконана така умова: > + min .
Для перетворення постійного струму змінний застосовують спеціальні електронні силові пристрої, звані інверторами. Найчастіше інвертор перетворює постійну напругу однієї величини в змінна напругаіншої величини.
Таким чином, інвертор - це генератор напруги, що періодично змінюється, при цьому форма напруги може бути синусоїдальної, наближеної до синусоїдальної або імпульсної. Інвертори застосовують як самостійні пристрої, так і в складі систем безперебійного електропостачання (UPS).
У складі джерел безперебійного живлення(ДБЖ), інвертори дозволяють, наприклад, отримати безперервне електропостачання комп'ютерних систем, і якщо в мережі напруга раптово зникне, інвертор миттєво почне живити комп'ютер енергією, що отримується від резервного акумулятора. Принаймні користувач встигне коректно завершити роботу та вимкнути комп'ютер.
У великих пристроях безперебійного електропостачання застосовуються потужніші інвертори з акумуляторами значної ємності, здатні автономно живити споживачі годинами, незалежно від мережі, а коли мережа знову повернеться в нормальний стан, ДБЖ автоматично переключить споживачі безпосередньо до мережі, а акумулятори почнуть заряджатися.
Технічний бік
У сучасних технологіях перетворення електроенергії інвертор може виступати лише проміжною ланкою, де його функція – перетворити напругу шляхом трансформації на високій частоті (десятки та сотні кілогерц). Благо, на сьогоднішній день вирішити таке завдання можна легко, адже для розробки та конструювання інверторів доступні як напівпровідникові ключі, здатні витримувати струми в сотні ампер, так і магнітопроводи необхідних параметрів, та спеціально розроблені для інверторів електронні мікроконтролери (включаючи резонансні).
Вимоги до інверторів, як і до інших силових пристроїв, включають: високий ККД, надійність, якомога менші габаритні розміри та вага. Також необхідно, щоб інвертор витримував допустимий рівеньвищих гармонік у вхідному напрузі, і створював неприйнятно сильних імпульсних перешкод споживачам.
У системах із «зеленими» джерелами електроенергії (сонячні батареї, вітряки) для подачі електроенергії безпосередньо в спільну мережу, Застосовують Grid-tie - інвертори, здатні працювати синхронно з промисловою мережею.
У процесі роботи інвертора напруги джерело постійної напруги періодично підключається до ланцюга навантаження з чергуванням полярності, при цьому частота підключень та їх тривалість формується керуючим сигналом, який надходить від контролера.
Контролер в інвертор зазвичай виконує кілька функцій: регулювання вихідної напруги, синхронізація роботи напівпровідникових ключів, захист схеми від перевантаження. Принципово інвертори поділяються на: автономні інвертори (інвертори струму та інвертори напруги) та залежні інвертори (відомі мережею, Grid-tie тощо)
Схемотехніка інверторів
Напівпровідникові ключі інвертора управляються контролером, мають зворотні шунтуючі діоди. Напруга на виході інвертора, залежно від поточної потужності навантаження, регулюється автоматичною зміною ширини імпульсу в блоці високочастотного перетворювача, в найпростішому випадку це .
Напівхвилі вихідної низькочастотної напруги повинні бути симетричними, щоб ланцюги навантаження в жодному разі не отримали значної постійної складової (для трансформаторів це особливо небезпечно), для цього ширина імпульсу НЧ-блоку (у найпростішому випадку) стає постійною.
В управлінні вихідними ключами інвертора застосовується алгоритм, що забезпечує послідовну зміну структур силового ланцюга: пряма, короткозамкнена, інверсна.
Так чи інакше, величина миттєвої потужностінавантаження на виході інвертора має характер пульсацій з подвоєною частотою, тому первинне джерело має допускати такий режим роботи, коли через нього течуть пульсуючі струми і витримувати відповідний рівень перешкод (на вході інвертора).
Якщо перші інвертори були виключно механічними, то є безліч варіантів схем інверторів на напівпровідниковій базі, а типових схемвсього три: бруківка без трансформатора, двотактна з нульовим виведенням трансформатора, бруківка з трансформатором.
Мостова схема без трансформатора зустрічається в пристроях безперебійного живлення потужністю від 500 ВА і автомобільних інверторах. Двотактна схема з нульовим виведенням трансформатора використовується в малопотужних ДБЖ (для комп'ютерів) потужністю до 500 ВА, де напруга на резервному акумуляторі становить 12 або 24 вольти. Мостова схема з трансформатором застосовується у потужних джерелах безперебійного живлення (на одиниці та десятки кВА).
В інверторах напруги з прямокутною формою на виході група ключів зі зворотними діодами комутується так, щоб отримати на навантаженні змінну напругу і забезпечити контрольований режим циркуляції в ланцюгу .
За пропорційність вихідної напруги відповідають: відносна тривалість управляючих імпульсів чи зсув фаз між сигналами управління групами ключів. У неконтрольованому режимі циркуляції реактивної енергії споживач впливає на форму і величину напруги на виході інвертора.
В інверторах напруги зі ступінчастою формою на виході, попередній високочастотний перетворювач формує однополярну ступінчасту ступову криву напруги, грубо наближену за своєю формою до синусоїди, період якої дорівнює половині періоду вихідної напруги. Потім бруківка НЧ-схема перетворює однополярну ступінчасту криву у дві половинки різнополярної кривої, що грубо нагадує за формою синусоїда.
В інверторах напруги з синусоїдальної (або майже синусоїдальної) формою на виході, попередній високочастотний перетворювач генерує постійне напруження близьке за величиною до амплітуди майбутньої синусоїди на виході.
Після цього бруківка схема формує з постійної напруги змінне низької частоти, шляхом багаторазової ШІМ, коли кожна пара транзисторів на кожному напівперіоді формування вихідної синусоїди відкривається кілька разів на час, що змінюється за гармонічним законом. Потім НЧ-фільтр виділяє отриманої форми синус.
Найпростіші схеми попереднього високочастотного перетворення на інверторах є автогенераторными. Вони досить прості щодо технічної реалізації і досить ефективні на малих потужностях (до 10-20 Вт) для живлення навантажень не критичних до процесу подачі енергії. Частота автогенераторів трохи більше 10 кГц.
Позитивна Зворотній зв'язоку таких пристроях виходить від насичення магнітопроводу трансформатора. Але для потужних інверторів такі схеми не прийнятні, оскільки втрати у ключах зростають, і ККД виходить у результаті низьким. Тим більше, будь-яке КЗ на виході зриває автоколивання.
Більш якісні схеми попередніх високочастотних перетворювачів - це зворотноходові (до 150 Вт), двотактні (до 500 Вт), напівмостові та мостові (більше 500 Вт) на ШІМ контролерах, де частота перетворення досягає сотень кілогерців.
Типи інверторів, режими роботи
Однофазні інвертори напруги поділяються на дві групи: чистим синусомна виході та з модифікованою синусоїдою. Більшість сучасних приладів допускають спрощену форму мережевого сигналу (модифіковану синусоїду).
Чиста синусоїда важлива для приладів, у яких на вході є електродвигун або трансформатор, або якщо це спеціальний пристрій, що працює тільки з чистою синусоїдоюна вході.
Трифазні інвертори зазвичай використовуються для створення трифазного струмудля електродвигунів, наприклад, для живлення. При цьому обмотки двигуна підключаються безпосередньо до виходу інвертора. По потужності інвертор вибирають виходячи з пікового значення для споживача.
Взагалі, існує три робочі режими інвертора: пусковий, тривалий та режим перевантаження. У пусковому режимі (заряд ємності, пуск холодильника) потужність може на дві секунди перевищити номінал інвертора, це допустимо для більшості моделей. Тривалий режим – відповідний номіналу інвертора. Режим перевантаження – коли потужність споживача в 1,3 рази перевищує номінал – у такому режимі середній інвертор може працювати приблизно півгодини.
Зварювальний апарат – одне з найбільш затребуваних обладнання у світі. Зварні роботи проводяться повсюдно і дуже великому масштабі.
Звичайно ж, існує безліч різновидів даних пристроїв, що відрізняються за принципом роботи, габаритами, що видаються амперажем та іншими технічними характеристикамиі. Існує також обладнання, що працює на змінному та постійному струмі.
Зварювальний апарат постійного струму є найбільш поширеним, т.к. підтримує 2 режими роботи – зварювання прямої (на електроді мінус, а на деталі плюс) та зворотної (навпаки, на електроді плюс, на деталі мінус) полярності. Найчастіше потрібно змінювати режими роботи, т.к. одні метали добре схоплюються на прямій, інші на зворотній полярності.
Вибір тієї чи іншої апарату тісно пов'язані з тим, яких цілей дотримується сам зварювальник:
- Який метал зварюватиметься (тип і товщина);
- Який струм (його напруга та сила) присутній на місці проведення робіт;
- Який час має працювати зварювальний апарат без відпочинку;
- та інші ситуації.
Зварювальні апарати, що використовуються в промисловості, на виробництві, на будівництві та ін. відрізняються від тих, що застосовуються у домашніх умовах. Основною відмінністю між ними є потужність та, відповідно, вартість.
Сьогодні на ринку великим успіхом користуються так звані інвертори – апарати електродугового зварювання. Вони відмінно підходять для проведення практично будь-яких зварювальних робіт, будь-якої складності та обсягів. Їх також найчастіше використовують у побуті з двох простих причин – вони мають невеликі габарити та невисоку вартість. Крім того, інвертори легкі у користуванні і добре піддаються ремонту. А електронник, навіть із базовим набором знань, здатний створити саморобний зварювальний апарат постійного струму із численних схем, доступних у мережі.
Розглянемо вищеназвані критерії вибору інверторів докладніше.
Деякі факти про інвертори та який вибрати для дому
Почнемо з металу, що зварюється. Наприклад, з виробництва чи будівництві, часто потрібне зварювання товстих металевих деталей чи металів з низьким коефіцієнтом зварюваності (здатність металів піддаватися зварюванню). У таких ситуаціях не обійтися без потужного зварювального апарату з амперажем на виході близько 300-500 А або більше. Однак у побуті дуже рідко зустрічаються металеві листи або деталі завтовшки понад 5мм. А для їх зварювання цілком підійде інвертор із силою струму від 160 А.
Напруги, яким оснащений будинок, гараж і т.д., не вистачає для нормального функціонування високопотужних зварювальних апаратів, т.к. їм потрібно 380 (3 фази). Перед покупкою того чи іншого інвертора необхідно заміряти напругу там, де будуть проводитися зварювальні роботи. Дуже часто трапляється таке, що власник перевіряє товар перед покупкою в магазині на працездатність, а приїхавши додому, виявляється, що він не працює. Вся справа у нестачі напруги. Тому потрібно купувати інвертор з такими технічними характеристиками, які підійдуть для нормальної роботи в домашніх умовах.
Інвертор – це зварювальний апарат постійного струму, особливо якщо його будуть використовувати в домашніх умовах. Для того щоб на виході отримати постійну напругу, використовуються спеціальні високовольтні перетворювачі. Саме вони під час своєї роботи дуже нагріваються, що вимагає використання якісного охолодження. У найдешевших моделях в інверторах використовуються металеві (алюмінієві або мідні) тепловідведення – радіатори. У більш дорогих моделях застосовується повітряне або водяне охолодження, завдяки якому апарати здатні працювати дуже тривалий час без вимкнення. Однак для побутових цілей цілком підійдуть інвертори з охолодженням радіаторів електронних елементів.
Точно визначившись із усім вищесказаним, можна сміливо купувати ту чи іншу модель інвертора.
Широке застосування зварювання у промисловості виявилося бурхливому розвитку конструювання зварювальних апаратів на нових принципах роботи. А ще в недалекому
|
|
Інверторний пристрій для зварювання постійним струмом є ідеальним компактним зварювальним апаратом. Висока якість горіння дуги та її стійкість забезпечуються найвищими показниками якості зварювального струму на виході інвертора. Багаторазове перетворення струму в інверторі (змінний струм у постійні і знову в змінний, плюс зміна частоти) видає на виході струм з мінімальними пульсуючими характеристиками. Зручне керування, автоматичне відключенняпри залипання електрода створюють великі зручності в роботі, особливо для початківців зварювальників. Хоча й професіонали віддають перевагу саме цьому типу зварювальних апаратів.
Інвертор зварювальний постійного струму, створений на принципі перетворення струмів високої частоти, не є суто побутовим приладом. На основі потужних пристроїв конструюються промислові агрегати для механізованих способів зварювання. Інверторні напівавтомати для зварювання в середовищі захисних газів здатні варити за технологією електродом, що плавиться і неплавиться. Зварювання електродом (вольфрамовий наконечник), що не плавиться, в середовищі аргону широко використовується для з'єднання деталей і конструкцій з алюмінію і високолегованих сталей (нержавіюча сталь).
Зварювальні перетворювачі інверторного типу можна назвати пристроями нового покоління. Використовуючи в основі роботи інверторний принцип багаторазового перетворення струму, та імпульсно резонансний принципроботи зі струмами високої частоти, вони на кілька кроків випередили пристрої, засновані на звичайному, силовому перетворенні та діодному випрямленні змінного струму.
Розпочавши прогрес від ковальського молота та горнового нагрівання деталі, пристрої для з'єднання металевих деталей перетворилися на елегантні електронні зварювальні апарати.
Інвертори поділяються на залежні (відомі мережею) та автономні (незалежні).
Автономний інвертор працює на автономне навантаження, яке не містить інших джерел енергії тієї ж частоти, що й вихідна частота інвертора.
Автономні інвертори, як і залежні, можуть працювати з природною і штучною комутацією. Природна комутація автономного інвертора має місце при його роботі на перекомпенсовані синхронні двигуни, на обмотки статорні вентильного двигуна і т. д. Однак найчастіше в автономних інверторах, виконаних на тиристорах, застосовується штучна комутація вентилів.
Залежно від режиму роботи джерела живлення інвертора та особливостей протікання у ньому електромагнітних процесів розрізняють інвертори напруги, струмуі резонансні інвертори. Найбільш широке застосування отримали інвертори напруги та струму. Резонансні інвертори виконуються на частоту вихідної напруги кілька одиниць і десятків кілогерц і використовуються в основному в електротермії.
Класичні схеми автономних інверторів напруги та струму наведені відповідно на рис.2.13, а,б. Напруга та струм навантаження формуються у цих схемах при почерговому перемиканні вентилів VS1, VS2 та VSЗ, VS4.
Рис. 2.13. Схеми та діаграми автономних інверторів напруги (а) та струму (б)
Живлення інвертора напруги (рис.2.13, а) Виробляється від джерела напруги. У зв'язку з цим форма напруги визначається алгоритмом перемикання тиристорів, а форма струму залежить від характеру навантаження. Реактивна потужність навантаження компенсується за рахунок запровадження конденсатора досить великої ємності. Обмін реактивною енергією між навантаженням та конденсатором можливий завдяки підключенню так званого зворотного випрямляча (моста реактивного струму), утвореного з некерованих вентилів.
Інвертор струму (рис.2.13, 6 ) отримує живлення джерела струму, навіщо в ланцюг постійного струму включена досить велика індуктивність L, і тому . Форма вихідного струму визначається лише порядком перемикання тиристорів, а форма напруги залежить від характеру навантаження. Зображена на рис.2.13, бформа кривої струму передбачає можливість миттєвої зміни струму в ланцюзі навантаження, що неможливо, якщо навантаження інвертора має індуктивний характер. Однак, якщо навантаження зашунтувати конденсатором досить великої ємності, то миттєва зміна струму є можливою. Таким чином, загальне навантаження інвертора струму має мати ємнісний характер. При цьому конденсатор повинен компенсувати не лише реактивну потужністьнавантаження, але й інвертора. Останнє означає, що за умови миттєвої комутації тиристорів до вентиля, що замикається, повинна бути прикладена негативна напруга протягом часу, що визначається кутом і необхідного для відновлення його керуючих властивостей. На рис.2.13, бзображені криві напруги на конденсаторі, яке дорівнює напрузі на навантаженні, і на тиристорі.
При регулюванні частоти вихідного струму необхідно змінювати ємність конденсатора обернено пропорційно квадрату частоти для збереження сталості кута. Це призводить до дуже великої величини ємності при низьких частотах. Тому схема, представлена на рис.2.13, б, практично не застосовується, використовуються складніші схеми.
Залежно
мости від того, як включений конденсатор по відношенню до навантаження, інвертори струму та напруги поділяються на паралельні, послідовніі послідовно-паралельні. У паралельному інверторі (рис.2.13, б) комутуючий конденсатор підключається паралельно до навантаження.
Послідовні та послідовно-паралельні інвертори знаходять застосування у пристроях, де потрібна підвищена частота вихідної напруги (2000…50000 Гц). Тому далі викладаються принципи роботи паралельних інверторів напруги та струму, що використовуються для управління електричними машинамизмінного струму.
Автономні тиристорні інвертори залежно від організації процесу комутації поділяються на інвертори з міжфазовою, пофазною, груповою, загальною та індивідуальною комутацією. Надалі на прикладі конкретних схем автономних інверторів розглядаються деякі види комутацій, що знайшли найбільш широке застосування.
Принцип роботи, показники та аналіз електромагнітних процесів автономних інверторів розглянемо спочатку з прикладу перетворювача, виконаного на транзисторах. Особливості роботи, пов'язані з комутаційними процесами в перетворювачі, викладаються під час аналізу тиристорних інверторів напруги та струму.
