Автономный инвертор напряжения. Принцип действия





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.

Автономный инвертор напряжения. Принцип действия
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.

Инвертора напряжения. Принципиальная схема
Рис. 2 – Автономный инвертор напряжения. Принципиальная схема 

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

В некоторый момент времени t1 (рис. 3) одна пара диагонально противоположных транзисторов VT1, VT4 открыта, а вторая VT2, VT3 закрыта. Ток, протекающий через инвертор напряжения и нагрузку, нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени τ=LН/RН по пути «+» UИПVT1LНRНVT4 – «-» UИП. В следующий момент t2 (рис. 4) транзисторы VT1, VT4 закрыты, а VT2, VT3 открыты.
инвертор напряжения
Рис. 3 – Путь протекания тока через элементы инвертора на интервале времени t1-t2

Автономный инвертор напряжения
Рис. 4 – Путь протекания тока через элементы инвертора на интервале времени t2-t3

Однако из-за наличия индуктивности LН ток не может мгновенно изменить свое направление. Поэтому в момент t2 закрытия транзисторов VT1, VT4 и открытия VT2, VT3 ток продолжает протекать через инвертор в том же направлении до тех пор, пока запасенная в индуктивности энергия магнитного поля WLн= LНI2/2 не снизится до нуля (промежуток времени t2t3) (см. рис. 4). Поскольку транзисторы VT1, VT4 уже закрыты, то ток будет протекать по такой цепи: LНRНVD2UИПVD3. На протяжении этого интервала времени энергия с нагрузки отдается источнику питания UИП.



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

В момент t3 (рис. 5) ток снизится до нуля, после чего изменится его направление. В промежутке времени t3<t<t4 ток будет нарастать, протекая по пути: «+» UИПVT2LНRНVT3 – «-» UИП. В монет времени t4 транзисторы VT2, VT3 снова закроются, VT1, VT4 откроются. Ток на отрезке времени t4<t<t5 останется протекать в прежнем направлении, пока не снизится до нуля. Путь прохождения тока: LНRНVD1UИПVD4.
Автономный инвертор напряжения
Рис. 5 – Путь прохождения тока  по элементам инвертора на интервале времени t3-t4
В следующий момент времени t5 (рис. 6) ток станет равным нулю, а затем, изменив свое направление, начнет возрастать в промежутке времени t5<t<t6. В момент t6 снова произойдет переключение транзисторов и процессы повторятся.
Автономный инвертор напряжения
Рис. 6 – Путь прохождения тока по элементам инвертора на интервале времени t5-t6
Ток протекает по цепи «+» UИПVT2RНLНVT3 – «-» UИП. Таким образом транзисторы VT1VT4 попеременно подключают источник питания UИП к клеммам нагрузки: сначала плюс UИП 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 UИП;
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 VT2 и VT4, относительно управляющих импульсов на VT1 и VT3 на угол управления α (рис. 7).
Угол управления
Рис. 7 – Алгоритмы управления транзисторами однофазного инвертора напряжения

Рассмотрим работу инвертора на при регулировании величины выходного напряжения

На интервале времени t1<t<t2 (рис. 8).открыты транзисторы VT1 и VT4 напряжение на нагрузке равно источнику питания uн = UИП. В следующий момент t2 закрывается VT1 и открывается VT3. В течение времени t2<t<t3 (рис. 9) ток протекает по цепи RНLНVT4-VD3 и происходит закорачивание нагрузки вследствие чего напряжение на ней равно нулю uн=0. В момент t3 отпирающий сигнал подается на базу транзистора VT2 и снимается с базы VT4.
В результате этого к нагрузке прикладывается напряжение источника питания uн = —UИП. Наличие в цепи индуктивности приводит к тому, что на интервале времени t3<t<t4 (рис. 10) ток через инвертор продолжает протекать в прежнем направлении: LНRНVD2 – UИП VD3, а после того, как спадет до нуля, он изменит свое направление и потечет по цепи: UИП VT2 RНLН VT3 (рис. 11).
Автономный инвертор напряжения
Рис. 8 – Путь прохождения тока на интервале времени t1-t2
Автономный инвертор напряжения
Рис. 9 – Путь прохождения тока на интервале времени t2-t3
Автономный инвертор напряжения
Рис. 10 – Путь прохождения тока на интервале времени t3-t4
Автономный инвертор напряжения
Рис. 11 – Путь прохождения тока на интервале времени t>t4
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.
Вернуться на главную страницу.

Комментарии 3

  • Принцип построения такого инвертора заключается в том, что при помощи предварительного высокочастотного преобразования формируются однополярные ступенчатые кривые напряжения, приближающиеся по форме к однополярной синусоидальной кривой с периодом, равным половине периода изменения выходного напряжения инвертора. Затем с помощью, как правило, мостового инвертора однополярные ступенчатые кривые напряжения преобразуются в разнополярную кривую выходного напряжения инвертора.

  • Постройте векторную диаграмму пожалуйста, и P-Q диаграмму, объясните пожалуйста как происходит регулирование сети с помощью АИН(потребление/отдача активной/реактивной мощности)

  • В чем разница между инвертором напряжения и автономным инвертором напряжения?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *