Інвертор. Принцип роботи, різновид, область застосування
Послідовний інвертор
Електрична схема, робочі фази і форми вихідних сигналів послідовного інвертора зображені на рис. 1. Така схема називається послідовним інвертором, оскільки в ній навантажувальний опір включено послідовно з ємністю. R - навантажувальний опір, L і С - комутаційні елементи. Такий тип інвертора містить два тиристора. Розглянемо докладніше фази роботи такої схеми.
Фаза I. Тиристор Т 1 включається в момент часу t o. Починається заряд конденсатора від джерела живлення. Послідовна ланцюг R, L і С формує синусоїдальний струм через навантажувальний опір і виконує функцію демпфирующей ланцюга. Коли струм у ланцюзі зменшується до нуля, тиристор Т 1 закривається. Напруга на навантажувальному опорі знаходиться у фазі з струмом тиристора. Форми напруг V L і V c можна отримати за допомогою теореми Кірхгофа: (V L + V c = E), величини V L і V c повинні відповідати умовам цього рівняння.
Фаза II. Тиристор Т 2 не повинен включатися одразу після того, як струм через тиристор Г, зменшиться до нуля. Для кращого замикання тиристора Т 1, до нього необхідно докласти невелике зворотне напруга. Якщо тиристор Т 2 включається без запізнення, чи мертва зона відсутня, напруга джерела живлення замикається через відкриті тиристори Т 1 і Т г.. Якщо обидва тиристора знаходяться в закритому стані, то V R = 0, V L = 0, отже, L di / dt = 0 і конденсатор С залишається незарядженою.
Фаза III. У момент часу t 2 тиристор Т 2 включається і ініціює негативний напівперіод. Конденсатор розряджається через L, R і Т 2. Слід зауважити, що електричний струм через навантажувальний опір R протікає в протилежному напрямку. У момент часу, коли цей струм зменшується до нуля, тиристор Т 2 вимикається. Форми напруг V L і V c можна отримати за допомогою теореми Кірхгофа: (V L + V c = 0), величини V L і V c повинні відповідати умовам цього рівняння.
Рис.1 - Послідовний інвертор:
а) Електрична схема;
б) Фази роботи схеми;
в) Форми напруг і струмів у ланцюгах послідовного
інвертора
Якщо тиристор Т 1 запустити з затримкою на величину мертвого часу, вищезгадані процеси повторяться.
Переваги:
1. Проста конструкція.
2. Вихідна напруга близько до синусоїдальної.
Недоліки:
1. Індуктивність L і конденсатор С мають великі габарити.
2. Джерело живлення використовується тільки протягом позитивного напівперіоду.
3. У вихідній напрузі є вищі гармоніки через наявність мертвої зони.
Послідовний інвертор найкраще підходить для високочастотних пристроїв, так як для необхідних значень 1 і С зменшуються їх габарити. Час періоду для одного циклу складає:
T 0 = T + 2 t d. Де Г = l / f t і t 6 - мертве час.
Вихідна частота послідовного інвертора завжди менше резонансної частоти внаслідок наявності мертвої зони. Значення вихідної частоти може змінюватись шляхом зміни мертвого часу.
Ріс.1г. -Форма вихідної напруги последователного інвертора
Паралельний інвертор
Базова схема паралельного інвертора зображена на рис.2. Коли ключ 1 замкнутий, помічені точкою висновки обмоток A, D і С мають позитивний потенціал. Вихідна напруга - позитивне. У другій половині періоду ключ 1 розмикається і замикається ключ 2. Помічені точкою висновки обмоток A, D і С мають негативний потенціал і вихідна напруга - негативне.
Електрична схема, робочі фази і форми вихідних сигналів паралельного інвертора зображені на рис.2. Паралельні інвер тори застосовуються в низькочастотних пристроях. У них використовуються трансформатор з відведенням з центру первинної обмотки, два тиристора і комутуючих конденсатор. Джерело живлення включається між центральним висновком і загальною точкою катодів тиристорів. Еквівалент лентное навантажувальний опір, перелічене в ланцюг первинної обмотки, підключено паралельно комутаційного конденсатора. Отже, інвертор такого типу є паралельним.
У момент часу t = t x тиристор Т 1 включається. Напруга ис точніка живлення Е докладено до обмотки трансформатора А. Відповідно до закону самоіндукції таке ж напруга Е індукується на обмотці трансформатора В, але протилежної полярності. Оскільки обмот ки А і В з'єднані послідовно, на них буде сумарне напруга 2Е. Цим напругою конденсатор попередньо заряджається до напруги +2 Є.
У момент часу t = t 2 тиристор Т 2 включається. Полярність на напружень на обмотках А і В змінюється на зворотний, до конденсатора, і тим самим до тиристору Т 1, прикладається зворотна напруга, за рахунок чого тиристор Т 1 вимикається. Полярність напруги на кон денсаторе змінюється, і він перезаряджається до напруги - 2Е. Також міняє на зворотній напрямок струм у вторинній обмотці, тобто через навантажувальний опір протікає змінний струм прямокутної форми. Форма вихідної напруги аналогічна формі напруги на конденсаторі.
Рис.2 - а) Базова схема паралельного інвертора;
б) Фази роботи схеми;
в) Форми напруг і струмів у ланцюгах паралельного інвертора
Недоліки
Номінальна напруга конденсатора повинно бути 2Е.
Струм джерела живлення не є чистим постійним струмом.
Коливання струму джерела живлення, є причиною додаткового виділення тепла в первинної ланцюга паралельного інвертора.
Мостові інвертори. Однофазний полумостовой інвертор
Однофазний полумостовой інвертор складається з двох джерел живлення і двох комутаторів. Навантаження підключена між загальним висновком джерел живлення і загальною точкою комутаторів.
Полумостовой інвертор з RLC - навантаженням
Рис.5 - а) Схема полумостовой інвертора з RLC-навантаженням, б) Форма напруги і струму полумостовой інвертора
Електрична схема і форма вихідного сигналу однофазного полумостовой інвертора з RL С-навантаженням зображені на рис.5. Якщо інвертор живить RL З-навантаження, окрема ланцюг коммутирования не потрібно. Це можна пояснити за допомогою символічного зображення на ріс.5б. Робоча частота інвертора повинна бути обрана такою, щоб Х з > X L. При цих умовах в цій схемі струм випереджає по фазі напругу. Струм в навантаженні змінюється синусоидально. У проміжку часу від t 0 до t l тиристор Т 1 знаходиться в проводяться стані. У момент часу t 1 = t 2 тиристор Т 1, вимикається, так як струм у ланцюзі зменшується до нуля. У проміжку часу від t 1 до t 2 діод D 1 знаходиться в проводяться стані і потужність передається від навантаження до джерела живлення. Діод D 1 знаходиться в проводяться стані до тих пір, поки на конденсаторі присутня напруга. Коли діод D 1 знаходиться в стані провідності, тиристор Т 1 зміщений у зворотному напрямку. Таким чином, спеціальний ланцюг примусової комутації в цьому випадку не потрібно. У цій схемі RLC-навантаження забезпечує комутацію тиристорів. Протягом негативного напівперіоду тиристор Т 2 знаходиться в проводяться стані, через деякий час діод D 2 починає проводити, внаслідок цього тиристор Т 2 зміщується у зворотному напрямку і замикається.
Інвертор Мак-Мюррея (инвертирующий перетворювач)
Принцип роботи інвертора Мак-Мюррея заснований на коммутировании струму. Полумостовой інвертор працює на індуктивне навантаження, як зображено на мал.6. Тиристори Т А1 і Т А2 в цій схемі є допоміжними. Вони використовуються для комутації основних тиристорів Т 1 і Т 2. Індуктивність L і ємність С є коммутирующими елементами. Конденсатор попередньо заряджений зліва негативно, а праворуч-позитивно. Робочі фази цієї схеми пристрою наступні.
Фаза I. Тиристор Т 1 запускається, тим самим ініціюється позитивний напівперіод перетворення. Постійний струм навантаження протікає через тиристор Т 1.
Фаза I I. У момент часу t 1 запускається допоміжний тиристор Т А1. За замкненого кола L, С, Т { і Т А1 починає протікати струм, при цьому струм через конденсатор синусоидально наростає, як показано на ріс.6в. У проміжку часу від t 1 до t 2 значення i c <I 0. У момент часу t = t 2; t c = I 0. Струм, поточний через тиристор Т 1, стає рівним нулю, і тиристор вимикається. Слід зауважити, що в цій фазі струм через тиристор Т 1, зменшується до нуля.
Фаза III. Після вимкнення тиристора Т 1 струм продовжує протікати через D 1. Діод знаходиться в стані провідності до моменту часу t 3 до тих пір поки i c - I 0 позитивні. У момент часу t = T 3 діод D 1, перестає проводити, тому що струм через нього зменшується до нуля.
Фаза IV. Після того як діод D 1 замикається, постійний струм навантаження протікає через конденсатор і дозаряжает його зліва негативно, а праворуч позитивно. Напруга на конденсаторі змінюється линів але, так як через конденсатор протікає постійний струм.
Фаза V. Струм через діод збільшується, у той час як струм через конденсатор зменшується. Коли струм через тиристор T a зменшується до нуля, тиристор вимикається.
Фаза VI. На індуктивному навантаженні змінюється полярність напруження, і діод D 1 зміщується в прямому напрямі. Починається процес рециркуляції. Енергія, запасена у навантаженні, передається назад у джерело живлення V r Після замикання діода D 1 запускається тиристор Т 2. Щоб вимкнути тиристор Т 2 необхідно включити тиристор Т A 2. Далі подібні процеси повторюються аналогічно вищевикладеним.
Інвертор Мак-Мюррея - Бедфорда
Інвертор Мак-Мюррея містить два допоміжних тиристора. Ін вертор Мак-Мюррея-Бедфорда не вимагає ніяких допоміжних тиристорів. Один основний тиристор в цій схемі комутує інший основний тиристор. Електрична схема, робочі фази і форма Ви вихідне сигналу інвертора Мак-Мюррея - Бедфорда зображені на рис.7. Робочі фази цієї схеми пристрою наступні.
Фаза I. Тиристор Т 1 запущений. Постійний струм протікає через тиристор Т 1, і індуктивність L 1. Напруга на індуктивності L 1 дорівнює нулю, так як через неї протікає постійний струм. Конденсатор С, замкнутий через Т 1 і L 1. Конденсатор С 2 заряджений до напруги V 1 + V 2: верхня обкладка заряджена позитивно, а нижня - негативно.
Рис.7 - а) Схема інвертора Мак-Мюррея, б) Фази роботи схеми
Фаза II. Після включення тиристора Т 2 напруга з конденсатора З 2 подається на індуктивність L 2. Ця напруга дорівнює подвоєному напрузі харчування. За рахунок взаємної індукції на індуктивності L 1 з'являється напруга, що дорівнює напрузі на індуктивності L 2. Напруга на катоді тиристора Т 1 одно учетверенному напрузі живлення, а на аноді подвоєному напрузі харчування. Таким чином, після включення тиристора Т 2 тиристор Т 1 вимикається. Швидке вимкнення тиристора L 1 можливо завдяки тому, що енергія, збережена в індуктивності L 1 передається на індуктивність L 2 оскільки загальний магнітний потік повинен залишатися постійним. З ріс.7в видно, що струм у схемі перерозподіляється від тиристора Т 1 на тиристор Т 2 на початку фази II. По ланцюгу L 2 і С 2 починає протікати струм. Діод D 2 зміщується у зворотному напрямку напругою на конденсаторі С 2.
Фаза III. Як тільки полярність напруги на конденсаторі змінюється на зворотний, діод D 2 переходить в провідний стан і тим самим шунтирует конденсатор С 2. Енергія, запасена на індуктивності L 2 підтримує незмінне напрямок струму через тиристор Т 2 і діод D 2. Поступово запасена в індуктивності L 2 енергія розсіюється на активному опорі навантаження, і тиристор Т 2 вимикається.
Фаза IV. Діод D 2, як і раніше зміщений у прямому напрямку за рахунок струму, що протікає через індуктивність навантаження. Тут має місце процес рециркуляції енергії, запасеної на індуктивності навантаження. Діод D 2 знаходиться в проводяться стані до тих пір, поки запасена енергія передається джерела живлення V 2.
Тиристор Т 2 знову включається, тим самим ініціюючи аналогічний негативний напівперіод інвертора. В кінці негативного напівперіоду тиристор Т 1 залишається в проводяться стані і процес, описаний вище, повторюється.