Сварочный аппарат постоянного тока. Инвертор сварочный постоянного тока

Автономный инвертор напряжения предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное. Существую еще и инверторы тока, они преобразуют постоянный ток в переменный. Однако наиболее широкое применение нашли инверторы напряжения. Они применяются для преобразования постоянного напряжения, например выпрямительных установок, аккумуляторных или солнечных батарей, в переменное напряжение, чаще всего частотой 50 Гц или любой другой частоты с возможностью ее регулирования.

Однофазный автономный инвертор напряжения. Принцип действия

Переменное напряжение на нагрузке формируется путем кратковременных чередующихся подключений источника питания постоянного напряжения к противоположным клеммам нагрузки, то есть в один момент времени источник питания своими клеммами 1-2 подключен к клеммам нагрузки 3-4 , а в следующий – к клеммам 4-3 . (рис. 1 ) В результате чего ток через нагрузку сначала протекает в одном направлении, а затем – в другом. С повышением частоты таких переключений возрастает частота переменного тока на нагрузке.

Рис. 1 – Автономный инвертор напряжения. Принцип действия

Еще проще понять процесс формирования переменного напряжения из постоянного можно если представить, что в одной руке находится резистор, а в другой батарейка. При этом резистор все время находится в одном фиксированном положении, а батарейка подключается то полюсом, то минусом к одному и тому же выводу резистора. Таким образом ток через резистор будет протекать то в одном, то в противоположном направлении. В действительности роль переключателей выполняют полупроводниковые ключи.

Принципиальная схема автономного инвертора напряжения показана на рис. 2.

Рис. 2 – Автономный инвертор напряжения. Принципиальная схема

Рассмотрим работу инвертора на примере активно-индуктивной нагрузки, как наиболее распространённой

В некоторый момент времени t 1 (рис. 3 ) одна пара диагонально противоположных транзисторов VT 1 , VT 4 открыта, а вторая VT 2 , VT 3 закрыта. Ток, протекающий через инвертор напряжения и нагрузку, нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени τ= L Н / R Н по пути «+» U ИП – VT 1 – L Н R Н – VT 4 – «-» U ИП . В следующий момент t 2 (рис. 4 ) транзисторы VT 1 , VT 4 закрыты, а VT 2 , VT 3 открыты.

Рис. 3 – Путь протекания тока через элементы инвертора на интервале времени t1-t2

Рис. 4 – Путь протекания тока через элементы инвертора на интервале времени t 2- t 3

Однако из-за наличия индуктивности L Н ток не может мгновенно изменить свое направление. Поэтому в момент t 2 закрытия транзисторов VT 1 , VT 4 и открытия VT 2 , VT 3 ток продолжает протекать через инвертор в том же направлении до тех пор, пока запасенная в индуктивности энергия магнитного поля W L н = L Н I 2 /2 не снизится до нуля (промежуток времени t 2 — t 3 ) (см. рис. 4 ). Поскольку транзисторы VT 1 , VT 4 уже закрыты, то ток будет протекать по такой цепи: L Н R Н – VD 2 – U ИП – VD 3 . На протяжении этого интервала времени энергия с нагрузки отдается источнику питания U ИП .

Если источником питания служит выпрямитель, то его необходимо шунтировать конденсатором C . Это позволит току протекать в обратном направлении.

В момент t 3 (рис. 5 ) ток снизится до нуля, после чего изменится его направление. В промежутке времени t 3 < t < t 4 ток будет нарастать, протекая по пути: «+» U ИП – VT 2 – L Н R Н – VT 3 – «-» U ИП . В монет времени t 4 транзисторы VT 2 , VT 3 снова закроются, VT 1 , VT 4 откроются. Ток на отрезке времени t 4 < t < t 5 останется протекать в прежнем направлении, пока не снизится до нуля. Путь прохождения тока: L Н R Н – VD 1 – U ИП – VD 4 .

Рис. 5 – Путь прохождения тока по элементам инвертора на интервале времени t 3- t 4

В следующий момент времени t 5 (рис. 6 ) ток станет равным нулю, а затем, изменив свое направление, начнет возрастать в промежутке времени t 5 < t < t 6 . В момент t 6 снова произойдет переключение транзисторов и процессы повторятся.

Рис. 6 – Путь прохождения тока по элементам инвертора на интервале времени t 5- t 6

Ток протекает по цепи «+» U ИП – VT 2 –R Н L Н – VT 3 – «-» U ИП . Таким образом транзисторы VT 1 …VT 4 попеременно подключают источник питания U ИП к клеммам нагрузки: сначала плюс U ИП подключен к 3 -й клемме, а минус к 4 -й клемме, затем наоборот.

Рассмотренный выше алгоритм управления транзисторами позволяет сохранять величину выходного напряжения инвертора и соответственно тока нагрузки постоянными, однако в большинстве случаев необходимо изменять напряжения с целью получения требуемой величины тока в нагрузке.

Способы регулирования напряжения автономного инвертора

Существуют два способа регулирования выходного напряжения инвертора:

1) первым способом является изменение величины напряжения источника питания U ИП;

2) второй способ реализуется с помощью так называемых внутренних средств инвертора, а именно за счет изменения формы выходного напряжения.

Первый способ достаточно прост и требует всего лишь регулируемого источника питания. Суть второго способа заключается в следующем. Для изменения напряжения на выходе инвертора необходимо сдвинуть управляющие импульсы, подаваемые на базы транзисторов VT 2 и VT 4 , относительно управляющих импульсов на VT 1 и VT 3 на угол управления α (рис. 7 ).

Рис. 7 – Алгоритмы управления транзисторами однофазного инвертора напряжения

Рассмотрим работу инвертора на при регулировании величины выходного напряжения

На интервале времени t 1 < t < t 2 (рис. 8 ).открыты транзисторы VT 1 и VT 4 напряжение на нагрузке равно источнику питания u н = U ИП . В следующий момент t 2 закрывается VT 1 и открывается VT 3. В течение времени t 2 < t < t 3 (рис. 9 ) ток протекает по цепи R Н L Н – VT 4- VD 3 и происходит закорачивание нагрузки вследствие чего напряжение на ней равно нулю u н =0 . В момент t 3 отпирающий сигнал подается на базу транзистора VT 2 и снимается с базы VT 4 .

В результате этого к нагрузке прикладывается напряжение источника питания u н = — U ИП . Наличие в цепи индуктивности приводит к тому, что на интервале времени t 3 < t < t 4 (рис. 10 ) ток через инвертор продолжает протекать в прежнем направлении: L Н R Н – VD 2 – U ИП – VD 3 , а после того, как спадет до нуля, он изменит свое направление и потечет по цепи: U ИП – VT 2 – R Н L Н – VT 3 (рис. 11 ).

Рис. 8 – Путь прохождения тока на интервале времени t 1- t 2

Рис. 9 – Путь прохождения тока на интервале времени t 2- t 3

Рис. 10 – Путь прохождения тока на интервале времени t 3- t 4

Рис. 11 – Путь прохождения тока на интервале времени t > t 4

В результате применения такого алгоритма управления транзисторами в кривой напряжения возникает пауза, что влечет за собой снижение действующего значения напряжения. Следовательно, для регулирования величины напряжения на выходе инвертора необходимо изменять угол управления α.

В данной статье рассмотрен принцип работы однофазного двухуровневого инвертора напряжения, однако существуют еще многофазные и многоуровневые инверторы, но основой их работы является принцип действия рассмотренного инвертора.

Для преобразования постоянного тока в переменный применяют специальные электронные силовые устройства, называемые инверторами. Чаще всего инвертор преобразует постоянное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины.

Таким образом, инвертор - это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной . Инверторы применяют как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе систем бесперебойного электроснабжения (UPS).

В составе источников бесперебойного питания (ИБП), инверторы позволяют, например, получить непрерывное электроснабжение компьютерных систем, и если в сети напряжение внезапно пропадет, то инвертор мгновенно начнет питать компьютер энергией, получаемой от резервного аккумулятора. По крайней мере, пользователь успеет корректно завершить работу и выключить компьютер.

В более крупных устройствах бесперебойного электроснабжения применяются более мощные инверторы с аккумуляторами значительной емкости, способные автономно питать потребители часами, независимо от сети, а когда сеть снова вернется в нормальное состояние, ИБП автоматически переключит потребители напрямую к сети, а аккумуляторы начнут заряжаться.

Техническая сторона

В современных технологиях преобразования электроэнергии инвертор может выступать лишь промежуточным звеном, где его функция - преобразовать напряжение путем трансформации на высокой частоте (десятки и сотни килогерц). Благо, на сегодняшний день решить такую задачу можно легко, ведь для разработки и конструирования инверторов доступны как полупроводниковые ключи, способные выдерживать токи в сотни ампер, так и магнитопроводы необходимых параметров, и специально разработанные для инверторов электронные микроконтроллеры (включая резонансные).

Требования к инверторам, как и к другим силовым устройствам, включают: высокий КПД, надежность, как можно меньшие габаритные размеры и вес. Также необходимо чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал неприемлемо сильных импульсных помех для потребителей.

В системах с «зелеными» источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветряки) для подачи электроэнергии напрямую в общую сеть, применяют Grid-tie – инверторы, способные работать синхронно с промышленной сетью.

В процессе работы инвертора напряжения, источник постоянного напряжения периодически подключается к цепи нагрузки с чередованием полярности, при этом частота подключений и их продолжительность формируется управляющим сигналом, который поступает от контроллера.

Контроллер в инверторе обычно выполняет несколько функций: регулировка выходного напряжения, синхронизация работы полупроводниковых ключей, защита схемы от перегрузки. Принципиально инверторы делятся на: автономные инверторы (инверторы тока и инверторы напряжения) и зависимые инверторы (ведомые сетью, Grid-tie и т.д.)

Схемотехника инверторов

Полупроводниковые ключи инвертора управляются контроллером, имеют обратные шунтирующие диоды. Напряжение на выходе инвертора, в зависимости от текущей мощности нагрузки, регулируется автоматическим изменением ширины импульса в блоке высокочастотного преобразователя, в простейшем случае это .

Полуволны выходного низкочастотного напряжения должны быть симметричными, чтобы цепи нагрузки ни в коем случае не получили значительной постоянной составляющей (для трансформаторов это особенно опасно), для этого ширина импульса НЧ-блока (в простейшем случае) делается постоянной.

В управлении выходными ключами инвертора, применяется алгоритм, обеспечивающий последовательную смену структур силовой цепи: прямая, короткозамкнутая, инверсная.

Так или иначе, величина мгновенной мощности нагрузки на выходе инвертора имеет характер пульсаций с удвоенной частотой, поэтому первичный источник должен допускать такой режим работы, когда через него текут пульсирующие токи, и выдерживать соответствующий уровень помех (на входе инвертора).

Если первые инверторы были исключительно механическими, то сегодня есть множество вариантов схем инверторов на полупроводниковой базе, а типовых схем всего три: мостовая без трансформатора, двухтактная с нулевым выводом трансформатора, мостовая с трансформатором.

Мостовая схема без трансформатора встречается в устройствах бесперебойного питания мощностью от 500 ВА и в автомобильных инверторах. Двухтактная схема с нулевым выводом трансформатора используется в маломощных ИБП (для компьютеров) мощностью до 500 ВА, где напряжение на резервном аккумуляторе составляет 12 или 24 вольта. Мостовая схема с трансформатором применяется в мощных источниках бесперебойного питания (на единицы и десятки кВА).

В инверторах напряжения с прямоугольной формой на выходе, группа ключей с обратными диодами коммутируется так, чтобы получить на нагрузке переменное напряжение и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи .

За пропорциональность выходного напряжения отвечают: относительная длительность управляющих импульсов либо сдвиг фаз между сигналами управления группами ключей. В неконтролируемом режиме циркуляции реактивной энергии, потребитель влияет на форму и величину напряжения на выходе инвертора.

В инверторах напряжения со ступенчатой формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь формирует однополярную ступенчатую кривую напряжения, грубо приближенную по своей форме к синусоиде, период которой равен половине периода выходного напряжения. Затем мостовая НЧ-схема превращает однополярную ступенчатую кривую в две половинки разнополярной кривой, грубо напоминающей по форме синусоиду.

В инверторах напряжения с синусоидальной (или почти синусоидальной) формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь генерирует постоянное напряжение близкое по величине к амплитуде будущей синусоиды на выходе.

После этого мостовая схема формирует из постоянного напряжения переменное низкой частоты, путем многократной ШИМ, когда каждая пара транзисторов на каждом полупериоде формирования выходной синусоиды открывается несколько раз на время, изменяющееся по гармоническому закону. Затем НЧ-фильтр выделяет из полученной формы синус.

Простейшие схемы предварительного высокочастотного преобразования в инверторах являются автогенераторными. Они довольно просты в плане технической реализации и достаточно эффективны на малых мощностях (до 10-20 Вт) для питания нагрузок не критичных к процессу подачи энергии. Частота автогенераторов не более 10 кГц.

Положительная обратная связь в таких устройствах получается от насыщения магнитопровода трансформатора. Но для мощных инверторов такие схемы не приемлемы, поскольку потери в ключах возрастают, и КПД получается в итоге низким. Тем более, любое КЗ на выходе срывает автоколебания.

Более качественные схемы предварительных высокочастотных преобразователей - это обратноходовые (до 150 Вт), двухтактные (до 500 Вт), полумостовые и мостовые (более 500 Вт) на ШИМ контроллерах, где частота преобразования достигает сотен килогерц.

Типы инверторов, режимы работы

Однофазные инверторы напряжения подразделяются на две группы: с чистым синусом на выходе и с модифицированной синусоидой. Большинство современных приборов допускают упрощенную форму сетевого сигнала (модифицированную синусоиду).

Чистая же синусоида важна для приборов, у которых на входе есть электродвигатель или трансформатор, либо если это специальное устройство, работающее только с чистой синусоидой на входе.

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например, для питания . При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора. По мощности инвертор выбирают исходя из пикового значения оной для потребителя.

Вообще, существует три рабочих режима инвертора: пусковой, длительный и режим перегрузки. В пусковом режиме (заряд емкости, пуск холодильника) мощность может на долю секунды двукратно превысить номинал инвертора, это допустимо для большинства моделей. Длительный режим - соответствующий номиналу инвертора. Режим перегрузки - когда мощность потребителя в 1,3 раза превышает номинал - в таком режиме средний инвертор может работать примерно полчаса.

Слово «инвертор» применительно к электротехнике означает устройство, преобразующее напряжение постоянного тока в переменный ток . При этом амплитуда напряжения может изменяться в большую или меньшую сторону.

Инверторы могут быть как отдельными устройствами (сварочный или преобразователь напряжения бортовой сети автомобиля в напряжение 220 В переменного тока), так и отдельным блоком или частью схемы (блок питания компьютера, телевизора). Мы же сейчас поговорим об устройствах, использующихся для электропитания в аварийных ситуациях, связанных с исчезновением напряжения сети.

Куда уходит напряжение и когда вернется?

Нет сетей со стопроцентной надежностью . Внезапно свет в квартире или доме гаснет. Связано это с повреждениями кабельных или воздушных линий, электрооборудования подстанций. Аварии в пределах города, если они не связаны со стихийными бедствиями, ликвидируются относительно быстро. Для этого работают диспетчерские службы и оперативные бригады. А исключить поврежденный участок и заменить его другим возможно из-за их взаимного резервирования.

В сельской местности и дачных хозяйствах все иначе. Линия питания одна, ехать бригаде далеко. После ураганов или гроз количество поваленных деревьев на провода линий увеличивает шансы остаться в темноте надолго. А при повреждении силового трансформатора ждать придется больше суток.

Время идет, продукты в холодильнике портятся. Не вскипятить чайник – он электрический. Приготовить ужин не на чем. Разрядилась батарея мобильного телефона – невозможно позвонить в МЧС. В темноте не найти лекарство для бабушки. Остывают нагревательные приборы, а вместе с ними – и сам дом.

Чтобы этого не происходило, нужен персональный, независимый от сети источник электроснабжения . Для этой цели и применяется инвертор.

Принцип работы источника бесперебойного питания

Простейший инвертор – источник бесперебойного питания (ИБП) компьютера . Внутри него находится аккумулятор, накапливающий энергию. Он работает в режиме постоянной подзарядки. Для этой цели в состав ИБП входит зарядное устройство, следящее за уровнем напряжения на батарее. В зависимости от него оно регулирует ток заряда или отключает батарею.

Как только напряжение питания исчезает, устройство управления отключает нагрузку от сети. Одновременно она подключается к аккумулятору через инвертор, являющийся частью ИБП.

Аккумуляторные батареи на 220 В существуют, но занимают помещение, размером с комнату. Поэтому во всех ИБП аккумуляторы изготавливаются на низкое напряжение. Инвертор, преобразуя его в синусоидальное, одновременно повышает эту величину до номинального напряжения сети.

Такой источник питания хорош тем, что постоянно готов к работе и переключается мгновенно . Но вот главные его недостатки, не позволяющие использовать ИБП для бесперебойного электроснабжения дома или его части:

Инвертор для бесперебойного энергоснабжения дома

Инвертор является логичным развитием источника бесперебойного питания компьютера, лишенным присущих ему недостатков.

Увеличение емкости аккумуляторной батареи напрямую связано с ее габаритными размерами. Размещать ее в корпусе инвертора становится нецелесообразным. Поэтому он выделяется в самостоятельное устройство, решающее три основных задачи:

• заряд батареи и контроль напряжения сети;
• переключение источников снабжения;
• преобразование напряжения батареи в величину 220 В переменного тока.

Основная характеристика инвертора – его мощность . Но при ее выборе учитывается один нюанс. Мы уже говорили, что ИБП не может работать с перегрузкой. То же самое касается и инвертора. Если в составе нагрузки планируются холодильник, электродвигатели насосов отопительных котлов, то учитываются их пусковые токи . В момент запуска электродвигатели потребляют ток, в 3-5 раз больший номинального. Если суммарный ток нагрузки при включении холодильника превысит номинальный ток инвертора, его отключит защита.

Еще одна характеристика инвертора, на которой стоит заострить внимание, это – качество преобразования постоянного тока в переменный. Напряжение в сети изменяется во времени по синусоидальному закону. Ни одно бытовое полупроводниковое устройство не сгенерирует синусоидальное напряжение так, чтобы оно в точности повторяло сетевое. Величина напряжения на выходе изменяется не плавно, а дискретно, ступеньками. Чем чаще происходит это изменение (выше частота дискретизации ), тем точнее сформированный сигнал повторяет синусоидальный.

Но увеличение частоты дискретизации ведет к удорожанию устройства. А ступенчатая форма напряжения неприемлема для работы электродвигателей и некоторых полупроводниковых устройств. Такие инверторы, вырабатывающие так называемую модифицированную синусоиду , используются только для питания активной нагрузки: нагревательные элементы, лампы накаливания. Для приборов, критичных к форме напряжения питания, придется приобрести более дорогой инвертор .

Выбор аккумуляторов для инвертора

Батареи к инвертору приобретаются отдельно . Но и тут есть особенность: аккумуляторы бывают кислотными или щелочными. Принципы заряда у них разные, поэтому каждый инвертор годится только для работы с определенным типом батарей . Иначе он будет неправильно определять степень заряженности аккумуляторов и заряжать их.

Использование автомобильных аккумуляторных батарей в составе инверторов не оправдано. Они, хоть и способны выдать в течение короткого времени мощный импульс тока (в автомобиле это нужно для работы стартера), не переносят глубоких разрядов. А разряды неизбежны при длительной работе инвертора. Поэтому ресурс таких батарей в системах энергоснабжения ограничен.

Для работы с инверторами оптимально применение гелевых или стекловолоконных аккумуляторов. Они изготовлены по специальной технологии и способны многократно переносить глубокие разряды без потерь. И опять же: зарядное устройство инвертора должно поддерживать режим заряда таких батарей.

Выбирая емкость аккумуляторов, исходят из желаемого времени автономной работы устройства (T). Его нетрудно подсчитать, зная емкость (C) , мощность планируемой нагрузки (P) и напряжение батареи (U):

Пример расчета времени автономной работы
Напряжение батареи, В	Емкость батареи, А∙ч	Время работы, ч
12	55	150	4
12	190	150	15

Цифры в последней колонке не впечатляют. Да и стоимость инверторов и аккумуляторов к ним не такая уж и маленькая.

Так есть ли смысл в инверторе?

Достоинства и недостатки инверторов

Альтернативой инверторам являются дизельные или бензиновые генераторы. Поэтому и выявлять их достоинства будем, сравнивая с получением электричества с помощью двигателей внутреннего сгорания. Перечислим недостатки генераторов, от которых можно избавиться с помощью инверторов :

• необходимость постройки отдельного помещения с вентиляцией и подогревом в зимнее время;
• хранение запаса топлива (а для дизеля – замена летнего топлива на зимнее при наступлении холодов);
• шум при работе, доставляющий неудобство не только хозяевам, но и соседям;
• необходимость периодического обслуживания (проверки уровня масла, замены свечей, фильтров);
• ручной запуск, необходимость контроля параметров в процессе работы.

Инвертору же не требуется отдельного помещения, он не создает шума при работе (работа вентиляторов охлаждения – не в счет). Вмешательство пользователя в процесс работы не требуется. При разряде аккумулятора (падении величины напряжения на батарее до минимально возможного уровня) устройство само отключится и замрет в ожидании восстановления напряжения сети. Затем оно зарядит батарею, и будет ждать, когда сможет вновь оказаться полезным.

И автоматическое переключение с питания от сети на питание от батареи подкупает. Но время автономной работы инвертора мало . Даже, если уменьшить нагрузку до минимально возможной, рано или поздно батарея разрядится. «Конец света» отсрочен, но неизбежен.

Поэтому при решении вопроса: что использовать для аварийного питания жилища – генератор или инвертор рассматривают комплекс факторов.

Инвертор или генератор?

Для начала собирают статистические данные о том, как часто и на какой период пропадает напряжение в городе или поселке. Если эти события случаются очень редко, то нет смысла приобретать генератор, строить для него отдельное помещение, где он будет простаивать в ожидании своего часа.

Затем определяют суммарную мощность электроприборов , питание которых планируется от инвертора в аварийном режиме работы. В этот список нет смысла включать наружное и подвальное освещение, а при наличии в доме трех телевизоров достаточно одного. В целях экономии жертвуют теми электроприборами, без которых можно пережить сутки или двое. Остальные при исчезновении напряжения питания придется отключить от сети вручную, или предусмотреть для этой цели автоматику.

Но зато учитывают систему теплоснабжения (отопительный котел), если он есть. Причем, с учетом всех пусковых токов его электродвигателей, не исключено, что ему придется запускаться при питании дома от инвертора.

И не забывают главное – холодильник с его пусковым током, если он компрессорный. Также добавить в список микроволновую печь или электроплитку, электрочайник.

По суммарной мощности нагрузки выбирают модель инвертора , учитывая дополнительно, какого качества синусоидальное напряжение он будет вырабатывать.

Затем выбираются аккумуляторные батареи с учетом желаемого времени работы инвертора на рассчитанную ранее нагрузку. И здесь нужен разумный подход. Если финансов недостаточно, то придется заранее продумать, чем можно пожертвовать. Во главу угла ставятся те нагрузки, для которых требуется постоянная работа: холодильник, котел, приборы отопления. Компьютеры и телевизор на определенном этапе придется отключить, чтобы батарея инвертора продержалась подольше.

Осталось сложить цены, получив итоговую сумму. И проделать тот же самый расчет для генераторной установки . Здесь тоже можно сэкономить: при нечастых отключениях от сети совсем не обязательно строить под нее помещение. Можно хранить ее в сарае, а при необходимости – вынести на улицу и подключить к сети с помощью гибкого кабеля и разъемного соединения. Не забудьте добавить в список запасные части, необходимые для обслуживания установки в течение срока службы альтернативного ей инвертора. Только так можно рассчитать экономический эффект, а не первоначальные затраты на приобретение оборудования. Инвертор не потребует дополнительных капиталовложений на протяжении всего срока службы, а вот двигателю внутреннего сгорания уход необходим всегда.

Теперь сравниваем получившиеся суммы и принимаем решение. И помните: за комфорт всегда нужно переплачивать . Готовы вы к этому или нет – решать вам.

Тиристорные инверторы – это устройства, которые работают на автономную нагрузку и предназначены для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока заданной или регулируемой частоты. Инвертированием называют процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 1).

Рис.1 Диаграмма постоянного и переменного тока.

Применение:

1. В системах электроснабжения потребителей переменного тока, когда единственным источником питания является источник напряжения постоянного тока (например: аккумуляторная или солнечная батарея).

2. В системах гарантированного электроснабжения при исчезновении напряжения сети питания (например: для личных нужд электростанций, ЭВМ).

3. Для частотного регулирования скорости асинхронных двигателей.

4. Для питания потребителей переменного тока от линий электроснабжений постоянного тока.

5. В конверторах для преобразования постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины.

Коммутационными элементами в инверторах является тиристоры или силовые транзисторы.

Инверторы подразделяют на:

1. Автономные инверторы и преобразователи частоты.

2. Инверторы, ведомые сетью.

Автономные инверторы и преобразователи частоты.

Автономные инверторы - это устройства, преобразующие посто­янный ток в переменный с постоянной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку. В отличие от инверторов, ведомых сетью, у автономного инвертора на стороне переменного тока нет другого источника энергии той же частоты, кроме самого инвертора.

Преобразователи частоты - это устройства, преобразующие пере­менный ток одной частоты в переменный ток другой частоты.

К автономным инверторам и преобразователям частоты , работаю­щим в конкретной установке, предъявляются следующие требования :

1) обеспечение максимального к. п. д.;

2) минимальная установленная мощность отдельных узлов и эле­ментов;

3) возможность широкого регулирования выходного напряжения;

4) обеспечение стабильности выходного напряжения при изменении величины и характера нагрузки, а также входного напряжения;

5) обеспечение синусоидальной или близкой к синусоидальной формы кривой выходного напряжения;

6) возможность регулирования в определенных пределах выход­ной частоты, что прежде всего необходимо в установках вентильного электропривода;

7) отсутствие срывов инвертирования при перегрузках;

8) возможность работы в режиме холостого хода;

9) обеспечение максимальной надежности и устойчивости. Естественно, что требования, предъявляемые к схемам автономных инверторов, зависят от конкретного назначения инвертора. Поэтому оптимальный вариант схемы инвертора необходимо выбирать, учиты­вая режим работы питающихся от него нагрузок.

Автономные инверторы можно классифицировать по следующим основным признакам:

1) по схеме преобразования;

2) по способу ком­мутации (запирания);

3) по способу управления;

4) по характеру про­текания электромагнитных процессов.

Различают следующие основные схемы преобразования :

1) одновентильную (рис. 2.1, а);

2) однофазную с нулевым выводом (рис, 2.1, б );

3) однофазную с нулевым выводом источника питания (рис. 2.1, в);

4) однофазную мостовую (рис. 2.1, г);

5) трехфазную мосто­вую (рис. 2.1, д);

6) трехфазную с нулевым выводом (рис. 2.1, е).

Все остальные схемы являются производными перечисленных групп. Наибольшее распространение в преобразовательной технике находят мостовые схемы. По способу коммутации автономные инвер­торы можно разделить на несколько групп.

Рис. 2 .1. Схемы преобразования

Инверторы с индивидуальной коммутацией. Коммутирующее ус­тройство инвертора служит для запирания одного тиристора (вен­тильного плеча) инвертора. К данному типу инверторов относятся инверторы на полностью управляемых вентилях - двухоперацион­ных тиристорах и силовых транзисторах.

Инверторы с пофазной коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания тиристоров двух вен­тильных плеч, относящихся к одной фазе инвертора.

Инверторы с групповой коммутацией. В таких инверторах для запирания всех вентильных плеч одной группы (анодной или катод­ной) служит отдельное коммутирующее устройство.

Инверторы с общей коммутацией. Коммутирующее устройство является общим для всех вентильных плеч инвертора. В коммутирую­щем устройстве инвертора содержится один коммутирующий конден­сатор.

Инверторы с межвентильной коммутацией. В таких инверторах запирание каждого рабочего тиристора происходит при отпирании следующего по порядку работы тиристора другой фазы, но этой же группы.

Инверторы с межфазовой коммутацией. Коммутирующее устройство инвертора служит для попеременного запирания двух тиристоров разных фаз.

По способу управления инверторы разделяются на инверторы с самовозбуждением и с внешним (независимым) возбуждением .

В инверторах с самовозбуждением управляющие импульсы, пода­ваемые на тиристоры, формируются из выходного напряжения инвер­тора. Частота выходного напряжения определяется параметрами на­грузки.

В инверторах с независимым возбуждением управляющие им­пульсы формируются внешним генератором, который и задает частоту выходного напряжения. Ввиду того что частота выходного напряже­ния не зависит от параметров нагрузки, данный тип инверторов полу­чил наиболее широкое распространение в преобразовательной тех­нике.

В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы можно разделить на три основных типа: инверторы тока (рис. 2.2, а); инверторы напряжения (рис. 2.2, в); резонансные инверторы (рис. 2.2, д).

Для инверторов тока характерно то, что они формируют в нагрузке ток (i вых) а форма и фаза напряжения зависят от параметров на­грузки.

Источник постоянного тока работает в режиме генератора тока, для чего во входной цепи включается реактор L d с большой индуктив­ностью. Кроме того, реактор L d выполняет функции фильтра высших гармонических напряжения, так как к нему в любой момент времени прикладывается разность между неизменным напряжением источника питания и пульсирующим напряжением на входе инвертора; препят­ствует разряду конденсатора на источник питания во время коммута­ции тока в тиристорах и обеспечивает апериодический режим работы инвертора, характерный малыми пульсациями входного тока. Следует отметить, что при питании инвертора от источников с характеристи­ками, близкими к источнику тока, дроссель L d может отсутствовать.

Инвертор тока должен обеспечивать режим работы, при котором между анодом и катодом закрывшегося тиристора в течение некото­рого времени поддерживается отрицательное напряжение, необходи­мое для восстановления запирающих свойств тиристора. Это время t выкл называется временем запирания (рис. 2.2, б ).

При активно-индуктивном характере потребителя баланс реак­тивной мощности обеспечивается коммутирующими и компенсирую­щими конденсаторами. Конденсаторы по отношению к нагрузке могут быть включены параллельно, последовательно, последовательно-па­раллельно.

Для инверторов тока характерен энергообмен между коммутирую­щими и компенсирующими конденсаторами, включенными в цепи пере­менного тока, реактивностями цепи нагрузки и дросселем L d в цепи входного тока.

В режиме холостого хода инвертор тока неработоспособен вслед­ствие роста амплитуды обратных и прямых напряжений на тиристо­рах. При перегрузках его работа затруднена из-за недостаточного вре­мени для восстановления запирающих свойств тиристоров. Инверторы тока имеют близкую к синусоидальной форму выходного напряжения, относительно малые пульсации входного тока, возможность реверса направления потока мощности без изменения направления тока (при переходе в выпрямительный режим). Внешняя характеристика инвер­тора тока мягкая.

Рис. 2.2. Однофазная мостовая схема инвертора тока (а ) и инвертора напряжения (в ); временные диаграммы тока и напряжения на выходе инвертора тока (б ), инвертора напряжения (г ) и резонансного инверто­ра (д ) при активно-индуктивной нагрузке

Инверторы напряжения формируют в нагрузке напряжение, а форма и фаза тока зависят от характера нагрузки. Источник питания инвертора напряжения работает в режиме генератора напряжения. Если инвертор питается от выпрямителя, то на его входе ставится конденсатор достаточно большой емкости для обеспечения проводи­мости источника постоянного напряжения в обратном направлении. Это необходимо, когда в составе нагрузки имеются реактивные эле­менты любого типа. Через обратный выпрямитель (Д1...Д4) осуще­ствляется энергообмен между накопителями, имеющимися в составе нагрузки, и источником питания или конденсатором С 0 , а в много­фазных инверторах - также и энергообмен между фазами нагрузки. Конденсатор С 0 выполняет функции фильтра высших гармонических тока, так как по нему протекает разность между выходным и постоян­ным в пределах полупериодов входным током. Инвертор напряжения может работать в режиме холостого хода. Работоспособность инвер­тора напряжения в режиме, близком к короткому замыканию, опре­деляется коммутационными свойствами полностью управляемых вен­тилей или принятым способом коммутации и параметрами коммути­рующих элементов обычных тиристоров. Инверторы напряжения работоспособны, имеют малые изменения формы кривой и величины выходного напряжения при изменении выходной частоты в широких пределах. Коммутационные процессы в них мало влияют на форму кривой выходного напряжения, а установленная мощность коммути­рующих элементов сравнительно небольшая. Внешняя характеристика инвертора напряжения жесткая.

Основными областями применения инверторов тока и инверторов напряжения являются: стабилизированные по выходным параметрам преобразователи частоты; вторичные источники питания переменным током; установки частотно-регулируемого электропривода.

В резонансных инверторах нагрузка, имеющая, как правило, зна­чительную индуктивность, образует с реактивными элементами схемы инвертора колебательный контур с резонансом напряжений. Выклю­чение тиристоров инвертора происходит благодаря плавному спаданию до нуля анодного тока тиристора (тока колебательного контура) на каждом полупериоде (рис. 2.2, д). Собственная частота контура в резонансных инверторах должна быть выше или равна рабочей час­тоте инвертора. Конденсаторы, входящие в состав колебательного кон­тура, могут быть включены последовательно с нагрузкой, параллельно ей или последовательно-параллельно, а дроссели - в цепи входного тока, в анодных цепях вентилей или последовательно с нагрузкой.

Для резонансных инверторов характерен интенсивный энергооб­мен между накопителями, входящими в состав схемы. Резонансные инверторы могут питаться от источников, работающих в режиме ге­нератора э. д. с. или тока. Инверторы, питающиеся от генератора э. д. с., называются инверторами с открытым входом, а питающиеся от генератора тока - с закрытым входом.

Резонансные инверторы имеют близкую к синусоидальной форму напряжения и тока в нагрузке, плавное нарастание (в большинстве схем без обратных диодов) и спад тока через вентили, что обеспечивает малые коммутационные потери мощности в последних. Данный тип инверторов целесообразно применять при повышенных частотах вы­ходного напряжения (единицы кГц, десятки кГц).

Следует подчеркнуть, что конкретные схемы автономных инверто­ров зачастую обладают одновременно признаками разных классифи­кационных групп в зависимости от соотношения параметров, режима работы и т. д.

Инверторы, ведомые сетью.

Ведомые инверторы (ВИ) работают на сеть, в которой есть другие источники электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются за счет энергии этой сети. Частота на выходе ВИ равна частоте сети, а напряжение – напряжению сети.

Принцип работы инвертора, ведомого сетью, можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного инвертора , приведенного на рис. 3, а. Цепь содержит источник постоянной инвертируемой э. д. с. U d . последовательное которым включены тиристор В, дроссель L d и выходной трансформатор Тр . Первичная обмотка Тр подключена к сети переменного тока, создающего на вторичной обмотке напряже­ние u 2 . По отношению к тиристору В это напряжение периодически меняет знак, в одну часть периода складываясь с напряжением U d в другую - вычитаясь из него. По отношению к инвертируемому напряжению тиристор В всегда включен в проводящем направлении.

Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда, когда направления инвертированного тока i B и переменного напряжения u 2 ; противоположны, т. е. когда u 2 и U d встречны.

Процесс инвертирования возможен, если U 2 m > U d . Для инвер­тирования необходимо отпирать тиристор до момента O 1 , когда на­пряжение на аноде будет еще больше нуля. Это имеет место для всех углов управления г < < 0 , где г - граничный угол управления, при котором достигается предельный режим работы инвертора.

Рис. 3 Схемы однофазного (а) и двухфазного (в) инвертора, ведомого сетью; временные диаграмы токов и напряжений (б, г), семейство входных характеристики инвертора (д).

Пренебрегая потерями в схеме, можно записать

где x d - реактивное сопротивление контура.

Из уравнения следует, что скорость изменения тока i B будет прямо пропорциональна разности U d - u 2 .

Если , , ток i B возрастает (рис. 3, б). При U d - u 2 = 0 i B достигает макси­мума, при U d - u 2 < 0 i B уменьшается и поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности дросселя L d . Продолжитель­ность работы тиристора после точки O 1 определяется временем, в течение которого эта энергия будет рассеяна. Величина накоп­ленной энергии пропорциональна площадям S 1 и S 2 , а рассеянной - S 1 ’ и S 2 ’ . Поэтому прерывание тока в цепи инвертора определится моментом, когда при заданном угле управления обе площади (S 1 и S 1 ’ или S 2 и S 2 ’ ) становятся равны между собой.

При изменении угла управления в сторону его уменьшения пло­щадь S 1 будет все время возрастать. В соответствии с этим должна возрастать и площадь S 1 ’ . Однако рост этой площади при указанных значениях U 2 m и U d ограничен участком синусоиды O 1 … O 1 " . Как только будет израсходован весь резерв этой площади, тиристор, раз включившись, уже больше выключиться не сможет, и с точки O 1 ’ его ток начнет снова возрастать под действием напряжения U d - u 2 > 0, инвертор перейдет в режим короткого замыкания. Точка O 1 ’, которая определяет границу устойчивой работы инвертора, на­зывается граничной,

Потеря устойчивости инвертором (опрокидывание) в реальных инверторах наступает раньше, чем это определяется точкой O 1 " , так как для восстановления запирающих свойств тиристора после его вы­ключения необходим некоторый промежуток времени () для расса­сывания электрических зарядов в p-­­ n- переходах. Следовательно, в реальной схеме инвертора тиристор должен выключаться раньше на угол , чем будет достигнута точка O 1 " , причем это опережение долж­но всегда соответствовать наиболее тяжелому режиму работы тирис­тора, при котором = max .

Аналогичную картину можно получить и если = const, a U d = var.

Рассмотренная схема содержит те же элементы, что и управляемый выпрямитель, работающий на противо-э. д. с. Однако роль противо-э. д. с. в инверторном режиме выполняет не U d , а напряжение сети переменного тока. Для того чтобы это могло иметь место, необходимо при переходе от выпрямительного режима к инверторному изменить знак U d и увеличить угол управления за пределы граничного.

Соотношения между основными параметрами схемы при этом не изменяются, и, следовательно, рабочий режим инвертора будет описы­ваться теми же уравнениями, что и рабочий режим управляемого вы­прямителя, с той разницей, что источник U d выступает в этом случае­­­­ не как потребитель, а как генератор активной мощности. За счет этого источника и покрываются все потери в инверторе. Таким образом, обозначив собственную э. д. с. инвертора в режиме холостого хода че­рез U d получим:

где U x и U a - реактивные и активные потери напряжения.

В инверторе, ведомом сетью, U x >> U a . Простейший однофаз­ный инвертор, ведомый сетью, характеризуется весьма низкими энер­гетическими показателями из-за плохого использования выходного трансформатора и значительного искажения формы токов как на сто­роне переменного, так и на стороне постоянного напряжений. По этой причине инверторы, ведомые сетью, как правило, выполняются много­фазными.

На рис. 3, в, г представлены двухфазная схема инвертора и вре­менные диаграммы токов и напряжений, поясняющие его работу.

Выбор требуемых участков рабочего напряжения, при которых обеспечивается поочередный пропуск тока тиристорами В1 и В2 в пределах каждого из периодов переменного напряжения, достигается выбором момента отпирания тиристоров при помощи импульсов управ­ления. При подаче импульса управления на тиристор В1 незадолго до того, как напряжение на фазе А становится отрицательным, этот тиристор отпирается и пропускает ток преимущественно при отрица­тельном напряжении фазы А.

Встречное направление отрицательного напряжения е 21 по отноше­нию к анодному току i 21 свидетельствует о приеме данной фазой мощ­ности от источника постоянного тока. Эта мощность в процессе транс­формации тока передается через вторичную и первичную обмотки трансформатора в сеть однофазного тока. Такая же передача мощнос­ти происходит в следующий полупериод через фазу В вторичной об­мотки, когда через нее и тиристор В2 протекает ток.

Переход (коммутация) тока с тиристора В1 на тиристор В2 проис­ходит так же, как и при выпрямительном режиме, в течение некоторого промежутка времени, называемого углом коммутации .

Роль тиристоров при инвертировании тока сводится к роли пере­ключателей, попеременно замыкающих цепь источника постоянного тока на одну из вторичных обмоток, а именно на ту, которая обеспе­чивает в данную часть периода наиболее отрицательное напряжение. Для того чтобы имела место естественная коммутация тока, характе­ризующаяся переходом тока от одного тиристора к другому, отпира­ние очередного тиристора должно происходить с некоторым опереже­нием против начала отрицательного полупериода. Это опережение в угловом измерении носит название угла опережения .

Угол опережения должен быть достаточен не только для того, чтобы могла совершиться естественная коммутация токов тиристоров (угол ), но и для того, чтобы после коммутации токов оставался до появления положительного напряжения достаточный по величине угол , в течение которого закончивший свою работу тиристор должен успеть восстановить свои запирающие свойства.

Если послекоммутационный угол меньше, чем требуется для восстановления запирающих свойств тиристора, то с появлением поло­жительного напряжения на аноде тиристора, закончившего работу, он вновь отпирается, и ток продолжает протекать при положительном полупериоде переменного напряжения, что приводит к опрокидыванию инвертора.

Таким образом, для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы

где - угол опережения (управления), отсчитываемый от точки пе­ресечения фазовых напряжений в сторону опережения; t восс - время восстановления управляющих свойств тиристора.

Соотношение между токами и напряжениями для ведомого ин­вертора можно получить из соотношений для аналогичной схемы управляемого выпрямителя, в которых вместо подставлено значение ( - ).

Выражение для расчета тока инвертора имеет вид:

Среднее значение входного напряжения инвертора (собственная противо-э. д. с.) суммируется из напряжения холостого хода и прираще­ния напряжения в период коммутации:

Напряжение холостого хода определяется выражением:

(1)

Приращение напряжения, обусловленное явлением коммутации, равно:

или в функции входного тока

(2)

Из выражения (1) и (2) получаем выражение входной ха­рактеристики инвертора:

Из выражения (3) видно, что в отличие от внешней характерис­тики выпрямителя, где второе слагаемое определяет ее спад с ростом тока, у инвертора второе слагаемое определяет подъем входной харак­теристики. Повышение входного напряжения U d b с ростом входного тока I d b объясняется добавлением коммутационной площадки к си­нусоидальному выходному напряжению холостого хода.

На рис. 3, д приведено семейство входных характеристик ин­вертора. Начальные точки на оси ординат соответствуют напряжению Холостого хода. Верхнее ограничение характеристик определяется величинами токов, при которых послекоммутационный угол при за­данном угле становится min , т. е. углом, достаточным для на­дежного восстановления запирающих свойств тиристоров (). Точки A 1 , A 2 , А 3 на входных характеристиках соот­ветствуют предельным токам нагрузки I d b max и предельным напряже­ниям U d b max . Определяя ограничительную характеристику инвертора.

Х арактерные особенности инверторного режима следующие:

а) инвертор может быть построен только на управляемых вентилях, так как большую часть нерабочего интервала к ним приложено поло­жительное напряжение;

б) угол отпирания а должен превышать 90°;

в) полярность напряжения на стороне постоянного тока противопо­ложна полярности выпрямителей;

г) во всем диапазоне изменения тока нагрузки и входного напряжения должно быть выполнено следующее условие: > + min .

АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ

Инвертором называется устройство для преобразова­ния постоянного тока в переменный с постоянными или регулируемы­ми значениями выходного напряжения и частоты. Если инвертор ра­ботает на нагрузку, не имеющую другого источника питания, он на­зывается автономным. Автономные инверторы (АИ) применяются для питания потребителей переменным током от аккумуляторных батарей или других источников постоянного тока, для электропривода с частотным регулированием, в системах прямого преобразования энергии, напри­мер от топливных элементов, МГД-генераторов и т. п.

Основные требования к АИ: максимальный КПД преобразования, минимальные массогабаритные показатели и стоимость, возможность регулирования U н и I вых в достаточно широких пределах, обеспече­ние заданной формы выходного напряжения, отсутствие срывов работы при перегрузке и на холостом ходу и т. п.

В качестве переключательных элементов в автономных инверторах нашли применение транзисторы, обычные и двухоперационные тиристоры. Первые используются в устройствах относительно небольшой мощности, последние наиболее удобны в АИ напряжения и в регулируемых инверторах. Обычные тиристоры иногда приходится применять в совокупности со схемами принудительной коммутации.

Все АИ могут быть подразделены на ряд видов. По схеме преобразования АИ различаются по количеству фаз, схеме питания и некоторым другим параметрам, о которых будет упомянуто ниже. По способу коммутации вентилей они могут быть следующими:

инверторы, полностью коммутируемые по управляющим цепям (на транзисторах и ДОТ);

инверторы с коммутирующими конденсаторами, подключенными параллельно нагрузке;

последовательные инверторы;

АИ с двухступенчатой коммутацией, позволяющие осуществлять регулирование выходного напряжения.

Однако наиболее существенно деление автономных инверторов на два типа - автономные инверторы напряжения (АИН) и АИ тока (АНТ) в зависимости от характера источника питания и его связи с АИ (кроме того, существуют и резонансные АИ, но применяются они редко).

Автономный инвертор напряжения.

АИН формирует в нагрузке переменное напряжение путем периодического подключения ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного включения вентилей (рис. 1, а).

Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумуляторные батарея или выпрямитель с емкостным фильтром), назначение конденсатора будет разъяснено дополнительно.

Рис. 1. Автономный инвертор напряжения (а) и диаграмма его работы (б)

Вентили должны быть полностью управляемые (ДОТ) или каждый тиристор снабжается схемой принудительной коммутации. При работе схемы на нагрузке формируются прямоугольные импульсы напряжения (рис. 1, б), а форма тока зависит от ее характера. Если нагрузка чисто активная, то форма тока совпадает с формой напряжения (пунктир на рис. 1, б), если нагрузка активно-индуктивная, ток i н меняется по экспоненте с постоянной времени

. При запи­рании очередной пары вентилей (например,VD 1 и VD 4 ) и отпирании второй пары напряжение U н меняется скачком, а ток некоторое время

сохраняет свое направление. Для обеспечения прохождения этого тока используются так называемые обратные диоды VD 5... VD 8, далее ток замыкается через конденсатор С.

Частота тока в нагрузке определяется схемой управления, нагрузочная характеристика АИН - жесткая, так как напряжение на нагрузке практически равно U n = Е.

Так как входной ток собственно инвертора становится (при RL - нагрузке) знакопеременным, то при работе АИН от выпрямителя необходим конденсатор С большой емкости. АИН могут работать в широ­ком диапазоне нагрузок - от холостого хода до значения, при котором возможна перегрузка вентилей.

Максимальное значение тока нагрузки при симметричном харак­тере выходного напряжения равно

,

Где

;

;Т- период.

Регулировать напряжение на выходе АИН можно, либо изменяя Е , либо с помощью широтно-импульсного регулирования. Последнее осуществляют несколькими способами: 1) каждый импульс напряже­ния в нагрузке формируется из нескольких, меняющих свою длитель­ность (рис. 2, а); 2) сокращение времени работы АИН в каждый полупериод за счет закрывания одной пары вентилей и включения второй пары с задержкой (рис. 2, б); 3) применение двух инверторов, работающих на общую нагрузку через трансформатор с геометрическим сложением выходных напряжений путем регулирования фазы в схемах управления (рис. 2, в). В первых двух случаях возрастают амплитуды высших гармоник, но в первом варианте можно по лучить выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному.

Рис. 2. Регулирование напряжения в АИН

Автономный инвертор тока.

АИТ (рис. 3) получает питание от источника питания через достаточно большую индуктивность, поэтому потребляемый инвертором ток практически не меняется. При поочередном переключении пар тиристоров (не запираемых) в нагрузке формируются прямоугольные импульсы тока, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая, как правило, бывает активно-емкостная. По способу подключения конденсатора к нагрузке так АИТ получили название параллельных.

Как видно из рис. 3, при очередном переключении пар тиристоров (например, работали VD 1 и VD 4, а включаются схемой управления VD 2 и VD 3 ) через нагрузку ток меняется скачком, а за счет перезаряда конденсатора С в течение некоторого интервала времени ранее работавшие тиристоры оказываются под обратным напряжением и, естественно, запираются. Необходимо, чтобы этот интервал был больше времени выключения тиристора. Чем больше постоянная времени

, тем медленнее меняется напряжение на нагрузке, закон его изменения приближается к линейному, а форма - к треугольной. Внешняя характеристика АИТ - мягкая (крутопадающая), режим холостого хода невозможен.

Рис. 3. Автономный инвертор тока (а) и диаграмма его работы (б)

Относительное значение напряжения на нагрузке и вид внешней характеристики могут быть приближенно найдены из формулы

где - КПД АИТ;

.

Следует отметить, что при активно-индуктивной нагрузке АИТ неработоспособен и такую нагрузку необходимо шунтировать конденсатором.

Так как на практике трудно обеспечить

для АИТ или

С для АИН, реальные схемы имеют некоторые промежуточные качества.

Для питания относительно маломощной однофазной нагрузки с напряжением, заметно отличающимся от напряжения питания, удобно применять схему, в которой одна пара тиристоров заменена полуоб­мотками трансформатора, а сам он позволяет согласовать U n и U н (рис. 4).

Рис. 4. Параллельный инвер­тор на транзисторах

При включении, например, VD 1 ток проходит от источника пита­ния через L , полуобмотку W 1 трансформатора Тр и VD 1. Во вторичной обмотке индуцируется ЭДС, и появляется ток в нагрузке. Коммути­рующий конденсатор С заряжается почти до удвоенного напряжения сети (за счет ЭДС самоиндукции в обмотке W 2). Когда схема управле­ния СУ включит VD 2, конденсатор оказывается включенным парал­лельно VD 1, тот мгновенно запирается (так как подано напряжение в запирающем направлении) и процесс повторяется.

В нагрузке формируется напряжение с частотой, определяемой схемой управления. Форма напряжения зависит от R н (при больших R н она ближе к треугольной, при меньших R н - к прямоугольной), вели­чина - от Е, коэффициента трансформации и значения R н .

Напряжение на L равно разности между U c (пересчитанным к по­ловине первичной обмотки) и Е. В режимах, близких к холостому ходу, конденсатор заряжается неизменным током, причем U c может достигать больших (много больше Е) значений, что опасно для ти­ристоров.

В качестве схемы управления можно применять транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подключенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же источника питания. Схема пригодна для E = 12...250 В, I н = 1...50А, f =10...2000 Гц.

Последовательные инверторы в некоторых случаях применяются для получения переменного тока повышенной частоты (f = 2...50 кГц). Они имеют резонансную цепочку, с помощью которой производится коммутация вентилей. Схема работает следующим образом (рис. 5). При подаче управляющего сигнала открывается VD 1, ток идет через L 1, R н , С. В следующий полупериод включается VD 2 и конденсатор С, заряженный во время первого полупериода, разряжается через R н , L 2 и VD 2. Схема может работать в нескольких режимах.

Рис. 5. Последовательный инвертор (а) и режимы его работы (б-г)

В режиме прерывистых токов (рис. 5, б) VD 1 выключается после спадания тока заряда конденсатора С , т. е. до того момента, когда схема управления включает VD 2 (и наоборот). В результате имеет мес­то интервал времени, когда оба вентиля ток не проводят и I н = 0.

В режиме непрерывных токов (рис. 5, г) VD 1 выключается в момент включения VD 2, т. е. есть состояние, когда ток проводят оба вентиля. Выключение VD 1 при этом осуществляется за счет того, что при включении VD 2 и прохождении тока разряда С через L 2 в L 1 формируется противо-ЭДС, достаточная для снижения тока открытого VD 1 до нуля. Для этого необходимо, чтобы включение VD 2 происходило тогда, когда ток через VD 1 уже начал снижаться. В противном случае неизбежен режим „сквозного" тока через VD 1, L 1, L 2 и VD 2 , т. е. ре­жим КЗ.

Оптимальным является граничный режим (рис. 5, в), при кото­ром форма тока в нагрузке близка к синусоиде. Такие инверторы целесообразно применять при постоянных значениях всех параметров, в том числе нагрузки, при этом обеспечивается достаточно жесткая внешняя характеристика. Так как при малых нагрузках инвертор может выпасть из режима, параллельно R н включают С 0 и инвертор превращается в последовательно-параллельный.

Если подключить еще один конденсатор С 1 , то инвертор из однотактного превращается в двухтактный, в то время, когда заряжает С, разряжается С 1 и наоборот. Это повышает эффективность работы схемы.

Последовательные инверторы могут быть и многофазными.