Инвертор тока: 3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

alexxlab | 06.06.1997 | 0 | Разное

Содержание

3. ИНВЕРТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Инверторы подразделяются на зависимые (ведомые сетью) и автономные (независимые).

Автономный инвертор работает на автономную нагрузку, не содержащую других источников энергии той же частоты, что и выходная частота инвертора.

Автономные инверторы, так же как и зависимые, могут работать с естественной и искусственной коммутацией. Естественная коммутация автономного инвертора имеет ме­сто при его работе на перекомпенсированные синхронные двигатели, на статорные обмотки вентильного двигателя и т. д. Однако чаще всего в автономных инверторах, выполненных на тиристорах, применяется искусственная коммута­ция вентилей.

В зависимости от режима работы источника питания ин­вертора и особенностей протекания в нем электромагнитных процессов различают инверторы напряжения, тока и резо­нансные инверторы. Наиболее широкое применение получили инверторы напряжения и тока. Резонансные инверторы вы­полняются на частоту выходного напряжения в несколько единиц и десятков килогерц и используются в основном в электротермии.

Классические схемы автономных инверторов напряжения и тока приведены соответственно на рис.2.13,а,б. Напряже­ние  и ток  нагрузки формируются в этих схемах при поочередном переключении вентилей VS1, VS2 и VSЗ, VS4.

Рис. 2.13. Схемы и диаграммы автономных инверторов напряжения (а) и тока (б)

Питание инвертора напряжения (рис.2.13,а) производится от источника напряжения. В связи с этим форма напряже­ния  определяется алгоритмом переключения тиристоров, а форма тока  зависит от характера нагрузки. Реактивная мощность нагрузки компенсируется за счет введения конден­сатора  достаточно большой емкости. Обмен реактивной энергией между нагрузкой и конденсатором возможен бла­годаря подключению так называемого обратного выпрями­теля (моста реактивного тока), образованного из неуправ­ляемых вентилей.

Инвертор тока (рис.2.13,

6) получает питание от источни­ка тока, для чего в цепь постоянного тока включена доста­точно большая индуктивность L, и поэтому . Фор­ма выходного тока  определяется только порядком пере­ключения тиристоров, а форма напряжения  зависит от характера нагрузки. Изображенная на рис.2.13,б форма кри­вой тока  предполагает возможность мгновенного измене­ния тока в цепи нагрузки, что невозможно, если нагрузка инвертора носит индуктивный характер. Однако, если на­грузку зашунтировать конденсатором достаточно большой емкости, то мгновенное изменение тока  оказывается воз­можным. Таким образом, общая нагрузка инвертора тока должна иметь емкостный характер. При этом конденсатор  должен компенсировать не только реактивную мощность на­грузки , но и инвертора. Последнее означает, что при усло­вии мгновенной коммутации тиристоров к запираемому вен­тилю должно быть приложено отрицательное напряжение в течение времени, определяемого углом
 и необходи­мого для восстановления его управляющих свойств. На рис.2.13,б изображены кривые напряжения на конденсаторе , которое равно напряжению на нагрузке, и на тиристо­ре .

При регулировании частоты выходного тока необходимо изменять емкость конденсатора  обратно пропорционально квадрату частоты для сохранения постоянства угла . Это приводит к очень большой величине емкости при низких частотах. Поэтому схема, представленная на рис.2.13,б, практи­чески не применяется, используются более сложные схемы.

В зависи
мости от того, как включен конденсатор по от­ношению к нагрузке, инверторы тока и напряжения разделя­ются на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные. В параллельном инверторе (рис.2.13,б) коммутирующий конденсатор подключается параллельно на­грузке.

Последовательные и последовательно-параллельные ин­верторы находят применение в устройствах, где требуется повышенная частота выходного напряжения (2000…50000 Гц). Поэтому далее излагаются принципы работы параллельных инверторов напряжения и тока, используемых для управления электрическими машинами переменного тока.

Автономные тиристорные инверторы в зависимости от ор­ганизации процесса коммутации разделяются на инверторы с междуфазовой, пофазной, групповой, общей и индивидуаль­ной коммутацией. В дальнейшем на примере конкретных схем автономных инверторов рассматриваются некоторые виды коммутаций, нашедших наиболее широкое применение.

Принцип работы, характеристики и анализ электромаг­нитных процессов автономных инверторов рассмотрим снача­ла на примере преобразователя, выполненного на транзисто­рах. Особенности работы, связанные с коммутационными процессами в преобразователе, излагаются при анализе тиристорных инверторов напряжения и тока.

Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной

В автономных инверторах напряжения и тока с квазирезонансной коммутацией электро­магнитные процессы на временных интерва­лах переключения силовых вентилей протекают при колебательном или (в общем случае) монотон­ном изменении токов через вентили и напряжений на вентилях за счет основных и (или) дополни­тельных, монтажных и собственных (паразитных) реактивных элементов цепей коммутации, включа­ющих реактивности нагрузки и схемы инвертора, в том числе и собственные реактивности вентилей [1-3]. Включение и выключение силовых вентилей в таких инверторах осуществляется при малом или нулевом значении тока и (или) напряжения на них, другими словами, имеет место «мягкая» коммута­ция, что существенно снижает коммутационные потери и перенапряжения в схемах. В коммутаци­онном процессе участвуют вспомогательные вен­тили (стабилизирующие, отсекающие, встречно-параллельные), которые являются необходимым элементом схемы автономного инвертора с квази­резонансной коммутацией. При малой относитель­ной длительности временного интервала коммута­ции (угла коммутации

s), по сравнению с установ­ленным периодом выходного параметра Т, то есть при выполнении условия

s << 2π (1)

характеристики автономного инвертора в целом можно считать соответствующими (в зависимости от реализации) характеристикам инвертора напря­жения или тока.

Классификационные обозначения — «мягкая» коммутация, квазирезонансный инвертор, инвер­тор с «мягкой» коммутацией — нельзя считать в полной мере корректными. Неудачным следует признать и примененный автором термин «токо-резонансный инвертор» [4]. И совсем неправиль­ным, по моему мнению, является обозначение «резонансный инвертор тока», приведенное в ста­тье уфимских специалистов [5]. Инвертор тока не может одновременно быть резонансным инвер­тором (как, впрочем, и наоборот) — это противо­речило бы устоявшимся представлениям. В этой связи необходимо отметить, что с появлением но­вых типов полностью управляемых вентилей и раз­работкой на их основе новых серий полупроводни­ковых приборов — преобразователей электрической энергии сложившаяся классификация автономных инвер­торов по результирующей реакции нагрузочной цепи (выходной ток опережает или отстает от вы­ходного напряжения) [6, 7] нуждается в некотором уточнении. Действительно, при классическом под­ходе неясно, например, к какому классу следует от­носить автономные инверторы на полностью уп­равляемых вентилях, работающие на резистивную нагрузку. А это, в настоящее время, значительное число применений автономных инверторов [8]. Не отходя от установившейся классификационной терминологии автономные инверторы, безусловно, следует разделять на три основных класса: инверто­ры тока, напряжения и резонансные. При этом в ос­нову классификации необходимо положить отно­шение эквивалентных (кажущихся) импедансов (не смешивать с линейными электрическими) це­пей постоянного и переменного тока (напряжения) схемы инвертора относительно определенных (ха­рактеристических) точек схемы. Как известно, в цепь переменного тока (напряжения) автономно­го инвертора включается нагрузка. При этом, на­пример, очевидно, что увеличением сопротивления нагрузки в классическом параллельном инверторе тока (эквивалентный импеданс цепи постоянного тока существенно превышает эквивалентный им­педанс цепи переменного тока) всегда можно пере­вести указанный инвертор в резонансный режим работы (сравнимые эквивалентные импедансы це­пей постоянного и переменного тока). Что же каса­ется классификационной оценки типа коммутации вентилей в автономных инверторах, то, по мнению автора, в реальных системах так называемая «жесткая» коммутация фактиче­ски не реализуется. Тем не менее, возвраща­ясь к определению принципа квазирезонанс­ной коммутации, необходимо отметить, что выделение в общем электромагнитном про­цессе процесса коммутации и возможность целенаправленного регулирования (задания) его характера приводят к образованию само­стоятельной группы, куда входят соответст­вующие схемы автономных инверторов.

Квазирезонансная коммутация улучшает электромагнитную совместимость инверто­ров с питающей сетью и нагрузкой, повы­шает нагрузочную способность вентилей и надежность работы инвертора за счет обеспечения безопасных траекторий пере­ключений вентилей с малыми потерями, на­иболее оптимально соответствует свойст­вам нагрузки и способу ее подключения к инвертору в абсолютном большинстве применений. Автономные инверторы с ква­зирезонансной коммутацией особенно пер­спективны для использования на высоких частотах преобразования и в системах с по­вышенными требованиями по электромаг­нитной совместимости.

Пример мостовой схемы инвертора напря­жения с квазирезонансной коммутацией при­веден на рис. 1. Выключение вентилей в этом инверторе может осуществляться при нуле­вом значении напряжения на вентиле, а включение — при нулевых значениях тока и напряжения (за счет колебательного переза­ряда параллельного конденсатора в интерва­ле коммутации). Указанная схема была пред­ложена и впервые применена автором для бытовых индукционных электроплит [9-13]. Реализация преобразователей на основе ин­вертора напряжения с квазирезонансной коммутацией позволила создать надежные изделия с достаточно высокими технико-эко­номическими и энергетическими показателя­ми при использовании доступных в то время полупроводниковых приборов с не очень ка­чественными характеристиками. Достаточно подробно данный инвертор исследован (реа­лизация в источника питания барьер­ных генераторов озона) в [2].

Рис. 1. Схема мостового инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией

В настоящее время схема инвертора напря­жения с квазирезонансной коммутацией счи­тается перспективной для использования в те­лекоммуникационных системах и источниках питания электротехнологических установок различного назначения, в частности устано­вок дуговой сварки [14, 15] (в последнем случае безусловная оптимальность применения инвертора напряжения вызывает сомнение). Для указанной схемы фирмой International Rectifier специально разработан новый класс транзисторов с полевым управлением.

Инверторы тока, в отличие от инверторов напряжения, являются фактически «идеаль­ными» устройствами для большого числа применений [2, 16]. Значение инверторов то­ка в настоящее время существенно возросло с развитием силовой элементной базы.

Классическим вариантом мостовой схемы автономного инвертора тока с квазирезо­нансной коммутацией является инвертор со стабилизирующим силовым диодом (рис. 2). Режи­мы работы схемы впервые рассматривались в [17, 18]. В окончательном виде схема дана в [19], возможные способы управления ею представлены в [20-24], а подробный анализ выполнен в [25]. В настоящее время схема автономного инвертора тока с квазирезо­нансной коммутацией используется в серии преобразователей частоты для индукцион­ного нагрева на обычных симметричных (SCR) тиристорах [5, 26].

Рис. 2. Схема мостового инвертора тока со стабилизирующим силовым диодом

Следует отметить, что основным преиму­ществом данной схемы является не высокий уровень выходного напряжения, как указано в [5] (что имеет место и в классическом ин­верторе тока с «жесткой» коммутацией), а оптимальная форма тока через силовой вентиль и напряжения на нем. В свое время эта схема, а также ряд других схем [27] бы­ли предложены автором в первую очередь для новых типов приборов (реверсивно-включаемые динисторы [28], асимметрич­ные тиристоры). В указанных схемах, в от­личие от схем со встречно-параллельными вентилями, достаточно просто обеспечива­ется управление силовым вентилем (накач­ка), если, например, в качестве силовых вен­тилей используются реверсивно-включаемые динисторы и другие приборы, работающие на принципах коммутации с помощью управляющего плазменного слоя и задержанной ударно-ионизационной волны. В инверторах в этом случае отсутст­вует необходимость в применении для раз­вязки управляющих цепей отсекающих дио­дов, рассчитанных на прямой ток вентиля (при реализации преобразователей по рас­пространенным схемам резонансных инвер­торов со встречно-параллельными силовыми диодами). При работе инвертора тока с квазирезонанс­ной коммутацией обратное напряжение на вентиле, выключившемся в интервале вос­становления его управляющих свойств, равно сумме напряжений на смежном вентиле и стабилизирующем силовом диоде (в статье [5] ука­зано неверно), что является фактически оп­тимальным уровнем обратного напряжения для любого вентиля с регенеративным меха­низмом включения. Скорость нарастания то­ка вентиля ограничена схемотехнически, а фронт импульса прямого напряжения на вентиле в указанной схеме минимален, что обеспечивает ее надежную и устойчивую работу и снижает требования к демпфирую­щим цепям и их установленную мощность. Схема работоспособна и на обычных SCR — тиристорах, а также при использовании сим­метричных и асимметричных запираемых тиристоров (GTO, GCT, MCT, МТО) и тран­зисторов (IGBT, MOSFET), в том числе с об­ратной блокирующей способностью, и имеет те же положительные свойства.

Нулевые схемы инверторов тока имеют важное общее преимущество перед мосто­выми, заключающееся в уменьшенном числе силовых вентилей. При этом коэффициент использования вентилей по мощности кР в нулевых схемах равен соответствующему коэффициенту для мостовых схем

кР= РИ/(nUVIV), (2)

где РИ — выходная мощность инвертора, n — общее число силовых вентилей в схеме, UV — максимальное значение напряжения на силовом вентиле, IV— максимальный ток вентиля. То есть нулевые схемы инверторов тока не проигрывают мостовым схемам по установленной мощности вентилей.

Нулевая схема инвертора тока с выходным трансформатором известна достаточно дав­но [6, 7, 29]. Вариант нулевой схемы инвер­тора тока на SCR-вентилях с квазирезонанс­ной коммутацией и выходным трансформа­тором рассмотрен в [4].

Схема инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и выходным силовым трансформато­ром на полностью управляемых вентилях приведена на рис. 3.

Рис. 3. Нулевая схема инвертора тока с выходным силовым трансформатором

Нагрузка инвертора тока имеет активно-емкостной характер. Примером такой на­грузки может служить генератор озона барь­ерного разряда. Изменение тока вентиля на интервале коммутации по колебательно­му закону, включение и выключение венти­ля при низком уровне напряжения обеспе­чиваются цепью коммутации, включающей индуктивность выходного трансформатора (а также соединительных шин) и эквивалентную емкость нагрузки. Питание генера­торов озона осуществляется через развязы­вающий согласующий трансформатор, по­этому нулевая схема инвертора тока более предпочтительна, чем мостовая схема, именно за счет простого устройства и мень­шего числа вентилей. Областями примене­ния нулевой схемы инвертора тока с квази­резонансной коммутацией и выходным трансформатором являются плазмохимия, источники питания и управления разрядных источников излучения, сварочных устано­вок и других электротехнологических уста­новок, в которых используется электричес­кий разряд.

Для индукционного нагрева, в том числе в источниках питания индукционных пла­вильных печей, целесообразно использовать нулевую схему инвертора тока с квазирезо­нансной коммутацией и нагрузкой, включа­емой между входными дросселями фильтра (рис. 4). Работу инвертора тока иллюстриру­ют временные диаграммы, приведенные на рис. 5. На диаграммах соответственно uУ1, uУ2 — импульсы управления вентилями, uИ, iИ — мгновенные значения выходного на­пряжения (напряжения на нагрузочном кон­туре С1, Z1) и выходного тока инвертора (входного тока нагрузочного контура), uV 1, uV2 — мгновенные значения напряжений на вентилях, iV 1, iV2 — мгновенные значения токов вентилей, iD1, iD2 — мгновенные значе­ния токов встречно-параллельных силовых диодов. Вентили инвертора VT1, VT2 работают с пе­рекрытием токов. Очередной вентиль VT1 (VT2) включается с опережением относи­тельно момента перехода мгновенного зна­чения выходного напряжения через нуль. Выключение вентилей осуществляется в мо­мент указанного перехода либо в интервале проводимости соответствующего встречно-параллельного силового диода VD2 (VD1). Угол опе­режения в оптимизируется (парарезонансное управление в≈s, в>s)

Рис. 4. Нулевая схема инвертора тока с нагрузкой, включаемой между входными дросселями фильтра

Рис. 5. Временные диаграммы сигналов в системе управления и силовой схеме инвертора тока с нагрузкой, включаемой между входными дросселями

Выходное напряжение UV (действующее значение) в нулевой схеме инвертора тока (при равенстве углов опережения в) в два ра­за превышает выходное напряжение в мос­товой схеме

UИ = 2νЕ/сos{s/2}, (3)

где v — схемный числовой коэффициент (одинаковый для нулевой и мостовой схем н ≈ 1,11), Е — напряжение питания инверто­ра тока.

Коэффициент использования вентилей по мощности для обеих схем равен

кР= сos {s/2} /(4ν21/2) (4)

Можно легко показать, что нулевая и мос­товая схемы имеют и одинаковую установ­ленную мощность конденсаторов.

Значение индуктивности L дросселей фильт­ра L1, L2 выбирается из условия качественно­го сглаживания входного тока инвертора

Временные диаграммы сигналов в системе управления и силовой схеме инвертора тока с нагрузкой, включаемой между входными дросселями

Основным параметром сглаживающего дросселя (для заданных индуктивности и тока) являются его весогабаритные показатели. Известно, что весогабаритные показатели дроссельного оборудования могут быть сни­жены при выполнении дросселя составным (из двух дросселей, имеющих в два раза меньшую индуктивность). В реальных систе­мах нулевая схема может также не проигры­вать мостовой и по установленной мощнос­ти дроссельного оборудования.

Более высокое выходное напряжение, обеспечиваемое нулевой схемой инвертора тока, позволяет качественно улучшить энергетические характеристики плавиль­ных печей за счет снижения электрических потерь в соединительных шинах и водоохлаждаемых кабелях, используемых для под­ключения батареи компенсирующих кон­денсаторов к индуктору печи. Например, при питании индукционного плавильного комплекса от стандартной трехфазной про­мышленной сети 380 В напряжение на ин­дукторе плавильной печи может быть более 1100 В (вместо 550-600 В), что энергетичес­ки выгодно. Создаются условия для реали­зации плавильных печей с встраиваемыми батареями компенсирующих конденсато­ров, в некоторых случаях это позволяет от­казаться от применения водоохлаждаемых кабелей, увеличивает на 5-7% передавае­мую на нагрев полезную мощность и значи­тельно улучшает технико-экономические показатели. Увеличение передаваемой в на­грузку активной мощности приводит к су­щественному сокращению времени плавки.

При этом становится возможным сни­зить удельные затраты электроэнергии, например при плавке чугуна до величины 500 кВт•ч/тн.

Для дальнейшего уменьшения весогабаритных показателей и установленной мощ­ности дроссельного оборудования, а также для ограничения уровня и аварийной ско­рости нарастания тока вентилей при замы­кании витков индуктора на «землю» в схе­му инвертора тока с квазирезонансной коммутацией включается дополнительный дроссель L3 (рис. 6). В схеме силовые диоды VD3, VD4 предотвращают разряд компенсирую­щего конденсатора С1 через фильтровые дроссели L1, L2, что может, например, улучшить пусковые режимы инвертора тока с квазирезонансной коммутацией. Указанные силовые диоды являются низкочастот­ными и в номинальном режиме проводят ток постоянно.

Инвертор тока по нулевой схеме с нагруз­кой, включаемой между входными дросселя­ми фильтра, может быть выполнен и на обыч­ных SCR тиристорах с встречно-параллель­ными силовыми диодами и без них.

Рис. 6. Нулевая схема инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и отсекающими силовыми диодами

Замыкание витков индуктора на «землю» происходит при повреждениях футеровки тигля плавильной печи, вызываемых ее раз­мывом и растрескиванием при термоударах и механических воздействиях и выходе рас­плавленного металла из тигля. Такая авария часто приводит к полному выходу из строя индуктора печи. Существуют контактные методы контроля состояния футеровки пла­вильной печи. Однако они не могут быть применены в наиболее распространенных на практике системах с глухозаземленной нейтралью. Кроме того, контактные методы достаточно сложны в реализации. Поэтому оптимальными считаются бесконтактные методы контроля состояния футеровки, на­пример использующие измерение индук­тивности плавильной печи по ходу плавки. Инверторы тока в плавильных комплексах управляются с помощью методов самовоз­буждения. Соответственно косвенный кон­троль состояния футеровки в данном случае может осуществляться путем простого кон­троля собственной частоты плавильной печи. Подобный контроль легко выполняется для любых систем, так как текущая информа­ция о собственной частоте плавильной пе­чи уже имеется в системе управления ин­вертора тока.

Схема инвертора тока с квазирезонансной коммутацией использована при разработке новой серии энергосберегающих преобразо­вателей частоты для плавильных печей на ем­кости 160 и 400 кг (по стали) типа ИСТ-0,16 и ИСТ-0,4 с рабочей частотой 4 кГц, номи­нальным выходным напряжением 1200 В и выходной мощностью 120 и 275 кВт.

Литература
  1. Силкин Е. М. Релейно-импульсное управ­ление в инверторах тока и напряжения с квазирезонансной коммутацией // Тези­сы доклада международной научно-техни­ческой конференции, посвященной мето­дам и средствам управления технологичес­кими процессами. 25-27 октября 1999 г. Саранск, 1999. С. 282-284.
  2. Силкин Е. М., Кузьмин А. Ф. Системы уп­равления с транзисторными преобразова­телями для промышленных озонаторов большой мощности // Электротехника. № 5’2001. С. 42-46.
  3. Силкин Е. М. Транзисторные преобразова­тели частоты для индукционного нагрева // Электротехника. № 10’2004. С. 24-30.
  4. П. 2081499 РФ, МКИ Н02 М 7/523. Силкин Е.М. Автономный токо-резонансный инвертор // Б. И. № 16’1997.
  5. Белкин А. К., Исхаков И. Г., Таназлы Г. И. и др. Индукционная установка для разо­грева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей // Силовая электроника. № 1’2005. С. 100-103.
  6. Толстов Ю. Г. Автономные инверторы то­ка. М.: Энергия, 1978. 208 с.
  7. Чиженко И. М., Руденко В. С, Сенько В. И. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1974. 430 с.
  8. Силкин Е. М. Электронные пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп повы­шенной мощности // Электрика. № 5’2004. С. 38-42.
  9. Силкин Е. М., Дзлиев С. В., Тазихин С. Н. Разработка индукционных электроплит // Тезисы доклада научно-технической кон­ференции, посвященной научным осно­вам создания энергосберегающей техники и технологий, 27-29 ноября 1990 г. М., 1990. С. 259-261.
  10. П. 2031534 РФ, МКИ Н02 М5/45. Силкин Е. М. Преобразователь переменного тока для питания индуктора // Б. И. № 8’1995.
  11. П. 2040105 РФ, МКИ Н02 М5/458. Сил­кин Е. М., Мизин Г. В., Пахалин А. И. и др. Преобразователь переменного тока для питания индуктора // Б. И. № 20’1995.
  12. П. 2061292 РФ, МКИ Н02 М5/44. Сил­кин Е. М., Мизин Г. В., Пахалин А. И. и др. Способ управления преобразователем ча­стоты // Б. И. № 15’1996.
  13. Силкин Е. М. Транзисторные ВЧ-генераторы для электротехнологии // Тезисы докла­да II международной научно-технической конференции, посвященной электромеха­нике и электротехнологии, 1-5 октября 1996 г. Симферополь, 1996. С. 103-105.
  14. International Rectifier. Catalogue СА05 — 10/2001. Moscow: IR, 2001.Башкиров В. И. Оптимизированные МОП-транзисторы для инверторов с жесткими и мягкими режимами переключения // Электротехника. № 12’2002. С. 10-14.
  15. Силкин Е. М. Применение инверторов то­ка в электротермии // Вопросы преобразо­вательной техники, частотного электро­привода и управления: Межвуз. сб. статей. Саратов, 2000. С. 49-54.
  16. Дзлиев С. В., Силкин Е. М. Регулируемый автономный инвертор со стабилизирую­щими диодами // Тезисы доклада Всесо­юзной научно-технической конферен­ции, посвященной автоматизации элект­ротехнологических процессов в гибких производственных системах машиност­роения на основе полупроводниковых преобразователей частоты, 21-25 мая 1987 г. Уфа, 1987. С. 39-42.
  17. А. с. 1415384 СССР, МКИ Н02 М 7/523. Васильев А. С, Дзлиев С. В., Силкин Е. М. Последовательный резонансный инвер­тор // Б. И. № 29’1988.
  18. А. с. 1683150 СССР, МКИ Н02 М 5/45. Силкин Е. М. Преобразователь частоты // Б. И. №37’1991.
  19. Силкин Е. М. Управление по вычисляе­мому прогнозу параллельным инверто­ром тока со стабилизирующим диодом // Тезисы доклада Всесоюзной научно-тех­нической конференции, посвященной микроэлектронике в машиностроении, 14-16 ноября 1989 г. Ульяновск, 1989. С. 81-84.
  20. А. с. 1690117 СССР, МКИ Н02 М 1/08. Силкин Е. М. Способ управления инверто­ром тока со стабилизирующим диодом // Б. И. №41’1991.
  21. А. с. 1758802 СССР, МКИ Н02 М 5/45. Силкин Е. М. Статический преобразова­тель частоты // Б. И. № 32’1992.
  22. А. с. 1753564 СССР, МКИ Н02 М 7/521. Силкин Е. М. Инвертор тока // Б. И. № 29’1992.
  23. А. с.1758812 СССР, МКИ Н02 М 7/523. Силкин Е. М., Дзлиев С. В., Качан Ю. П. и др. Параллельный инвертор тока // Б. И. №32’1992.
  24. Силкин Е. М., Дзлиев С. В., Тарасова М. М. Исследование возможности создания се­рии тиристорных генераторов для пита­ния электротермических и ультразвуко­вых установок на мощности 4-25 кВт, ча­стоты 4-22 кГц с применением новых схемотехнических решений // Отчет о НИР, гос. рег. №001390, инв. №88945. Ульяновск, 1990. 142 с.
  25. Рогинская Л. Э., Иванов А. В., Мульменко М. М. и др. Выбор структуры и пара­метрический синтез симметричного ре­зонансного инвертора // Электротехника. № 7’1998. С. 1-5.
  26. А. с. 1654955 СССР, МКИ Н02 М 7/523. Силкин Е. М. Резонансный инвертор // Б. И. № 21’1991.
  27. Тучкевич В. М., Грехов И. В. Новые прин­ципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988. 117 с.
  28. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969. 280 с.

Что такое инвертор напряжения: применение и схема управления

Довольно часто возникают ситуации, когда требуется получить переменный ток путем преобразования постоянного тока. Для этих целей существует специальный прибор – инвертор напряжения, в котором находится встроенный микропроцессор, позволяющий автоматически выбрать необходимый режим работы, преобразованием напряжения в сети. Он может постоянное напряжение в 12 или 24 Вольт, которое производит аккумуляторная батарея, преобразовывать в стандартное 220 Вольт для работы большинства электроприборов. Таким образом, инвертор напряжения служит для приборов, использующих стандартную электросеть, бесперебойным источником питания.

Определение инвертора напряжения

Инвертор напряжения, в том числе и сделанный своими руками — неотъемлемая часть различных генераторов, использующих энергию течения или падения воды, силу ветра или солнечное излучение. С помощью него все виды энергии могут преобразовываться в обыкновенные для бытовых приборов параметры напряжения в 220 вольт из напряжения 12В или из трёхфазного. Таким образом, данные приборы выполняют преобразование постоянного напряжения с одной величиной, в переменное напряжение с требуемой величиной.

По своей сути схема инвертора напряжения сама является генератором, с помощью которого можно подобрать и получить периодически изменяющееся напряжение. В отличие от стабилизаторов, выходные напряжения могут иметь синусоидальную, близкую к синусоидальной или импульсную формы. На практике эти устройства используются как самостоятельные устройства, или в качестве какой-то отдельной части в системах бесперебойного электроснабжения.

Пользу смогли оценить по достоинству обитатели регионов, которые испытали веерные отключения электроэнергии. Незаменим автономный инвертор напряжения в условиях стихийных бедствий. Очень важно его присутствие в медицинских и детских учреждениях, для безопасности банков, хранилищ, складов.

Применение инвертора на практике

Выбирая инвертор напряжения, следует помнить, что он поможет и освещение обеспечить при необходимости, и телевизор посмотреть, и даже чайник вскипятить. Для тех, кто вынужден длительное время проводить в дороге, автомобильный инвертор своими руками незаменимое устройство, позволяющее пользоваться обычными бытовыми приборами в поездках.

В большинстве случаев инверторы напряжения используются как запасные фазные источники электропитания. Если ток в розетке пропадает, приборы тут же начинают работать от аккумулятора в обычном режиме. Подача электроэнергии восстановилась — инвертор переходит к зарядке аккумулятора, при этом, не мешая приборам нормально работать от сети. При этом он беспрерывно контролирует ситуацию.

Особую популярность данные устройства приобрели при совместном использовании с компьютерными системами. В этом случае электроснабжение становится непрерывным, даже при внезапном исчезновении сетевого напряжения. В ход идет резервный аккумулятор, обеспечивающий корректное завершение работы и выключение компьютера.

Существуют большие источники бесперебойного питания АИН, оборудованные мощными инверторами с высокой емкостью аккумуляторов. Они способны подавать энергию потребителю в автономном режиме в течение нескольких часов. При возвращении сети в нормальный рабочий режим происходит автоматическое переключение потребителей на нормальное электроснабжение, а аккумуляторы переходят в режим зарядки.

Если же напряжение, которое выдает аккумулятор, падает ниже допустимого предела, в этом случае также начинается его подзарядка. При отсутствии такой возможности — просигнализирует о прекращении подачи электроэнергии и перейдёт в режим ожидания, до возобновления подачи электроэнергии.

Принцип работы инверторных устройств

Современные технологические схемы, связанные с преобразованиями электроэнергии, предполагают использование инверторов в качестве промежуточного звена совместно с другими устройствами. Их основной функцией является преобразование напряжения с высокой частотой трансформации, составляющей несколько десятков или даже сотен килогерц.

Подобная задача с технической точки зрения в настоящее время решается достаточно легко, поскольку принцип работы инверторов основан на полупроводниковых ключах, устойчивых к высоким токам. Специально для этих устройств были разработаны магнитопроводы с нужными параметрами и различные типы электронных микроконтроллеров.

Технические характеристики и физические свойства инверторов примерно такие же, как и у других компонентов, в том числе и силовых устройств. Они отличаются надежностью, высоким коэффициентом полезного действия, минимальной массой и габаритными размерами. Каждый такой прибор должен выдерживать все параметры входного напряжения. Импульсные помехи на выходе находятся в разумных пределах и не создают проблем потребителям.

Схема управления

В каждом инверторе имеются полупроводниковые ключи с обратными шунтирующими диодами в виде моста мостовая схема. Для управления данными элементами используется специальный контроллер. Регулировка и расчет выходного напряжения осуществляется автоматически, в соответствии с мощностью текущей нагрузки. С этой целью изменяется ширина импульса в преобразователе высокой частоты. Данный процесс известен в качестве широтно-импульсной модуляции – ШИМ.

Выходное напряжение низкой частоты отличается симметричными полуволнами за счет постоянной ширины импульса низкочастотного блока.

Выходные ключи инвертора управляются путем специального алгоритма, при котором происходит последовательная смена структур в силовой цепи. За прямой структурой идет короткозамкнутая и далее – инверсная. Таким образом, мгновенная мощность выходной нагрузки инвертора представляет собой пульсации, протекающие с удвоенной частотой. В связи с этим режим работы первичного источника при прохождении через него пульсирующих токов, должен учитывать расчет определенных помех, образующихся на входе инвертора.

Основные типы преобразователей

Все преобразователи напряжения с 12 до 220В разделяются на несколько типов:

  • Первый вариант осуществляет превращение напряжения 12 вольт в 220. Пользуются популярностью у автолюбителей из-за возможности подключения телевизоров, пылесосов и других стандартных электротехнических устройств.
  • Во втором варианте, наоборот, инверторы 220 вольт преобразуют в 12. В основном используется в сложных эксплуатационных условиях, обеспечивая электробезопасность. Например, в специальном оборудовании, предназначенном для помещений с повышенной влажностью.
  • Третий инвертор тока по своей сути является стабилизатором, выполненным на основе двух инверторов. Вначале происходит преобразование 220 вольт в 12, а затем эти 12В вновь преобразуются в 220. В результате двойного преобразования на выходе получается напряжение с идеальной синусоидой. Бытовая техника и оборудование, у которых микросхема с электронным управлением надежно работают совместно с такими преобразователями. Данное устройство используется как стабилизатор напряжения для сварочного инвертора.

Все инверторы имеют три рабочих режима – пусковой, длительный и перегрузочный. В первом случае мощность нагрузки лишь на доли секунды в два раза превышает номинал устройства. Во втором случае нагрузка соответствует номиналу выбранного прибора. В режиме перегрузки расчет мощности подключенных потребителей может быть выше номинала в 1.3 раза. Подобный режим модель среднего инвертора выдерживает около 30 минут.

Форма выходного напряжения

В разных инверторах напряжение на выходе отличается по форме. Если это прямоугольник, то расчет коммутации группы ключей, дополненных обратными диодами, осуществляется таким образом, чтобы на нагрузке возникло переменное напряжение и обеспечивался контроль над режимом циркуляции в цепях реактивной энергии.

Выходное напряжение становится пропорциональным за счет относительной продолжительности импульсов управления или между сигналами, управляющими группами ключей, сдвигаются фазы. Если же циркуляция реактивной энергии находится вне зоны контроля, в этом случае величина и форма напряжения находятся под непосредственным влиянием потребителя.

Преобразователь напряжения, имеющий на выходе ступенчатую форму, с помощью предварительного преобразователя высокой частоты, производит формирование ступенчатой однополярной кривой напряжения. По своей форме она приближена к синусоиде, у которой полный период составляет половину периода напряжения на выходе. Далее, под влиянием низкочастотной мостовой схемы однополярная ступенчатая кривая становится двумя стабилизированными половинками кривой с разной полярностью, форма которой приблизительно напоминает синусоиду.

Напряжение холостого хода в сварочных инверторах

При использовании преобразующих устройств в практических целях, встречается такое понятие, как напряжение холостого хода сварочного инвертора. Данное состояние образуется за счет изменения напряжения 220 или 380 вольт с частотой 50 Гц, то есть может использоваться и трехфазный инвертор напряжения. Вначале оно становится напряжением постоянного тока, а затем вновь превращается в переменное, но уже с высокой частотой на выходе – в пределах 20-50 кГц.

Далее осуществляется расчет и подача этого высокочастотного напряжения к регулятору. Данный элемент поддерживает нужный уровень тока и напряжения, необходимых для зажигания дуги. Напряжение холостого хода не опасно при случайном касании токоведущих частей во время работы со сваркой, тогда как завышенное напряжение может вызвать серьезные негативные последствия.

Комбинированный инвертор и преобразователь постоянного тока

В чём различие между инвертором и преобразователем постоянного тока в электромобиле?

Подобно тому, как двигатели внутреннего сгорания и генераторы работают в паре друг с другом на обычных автомобилях, гибридные автомобили и электромобили используют инверторы и преобразователи для управления электроэнергией между батареями и электромотором, а также другими бортовыми системами.

Инверторы преобразуют постоянный ток (DC) батареи в переменный (AC) для питания автомобиля. Инверторы также управляют двигателем и используют его как генератор, передавая энергию торможения обратно в батарею. 

Преобразователи управляют напряжением постоянного тока от батареи, либо повышая, либо понижая его в зависимости от системы и требуемой мощности. Преобразователи постоянного тока обычно понижают высокое напряжение батарейного блока до 12 вольт, требуемых для работы радиоприёмника, фар и т.д. 

Решение конвейерной комплектации для рынка послепродажного обслуживания силовой электроники

Инверторы и преобразователи работают совместно для управления как приводом автомобиля с электрической силовой установкой, так и вспомогательными системами. Однако многие из современных инверторов и преобразователей могут быть сложными, дорогостоящими и подверженными выходу из строя из-за чрезмерного нагрева. Кроме того, они тяжелы и занимают много места, уменьшая объём как багажника, так и пассажирского салона. Решение первичной комплектации от Delphi Technologies сочетает в себе инвертор и преобразователь постоянного тока в одном устройстве.

Инвертор/преобразователь CIDD от Delphi Technologies является экономически эффективным решением и экономит важнейшие вес и пространство в гибридных, подзаряжаемых гибридных автомобилях, а также в электромобилях. А благодаря использованию запатентованной технологии первичной комплектации — двустороннего охлаждения инвертора с поддержкой Viper -решается проблема перегрева, что позволяет обеспечить более высокую выходную мощность и широкий диапазон при меньшем размере.

Инвертор напряжения статический

Инвертор напряжения статический (ИНС) является преобразователем постоянного тока в переменный и предназначен для использования в энергетике, промышленности и других отраслях, где имеется необходимость в источнике переменного тока. При организации систем гарантированного питания, ИНС применяется совместно с АБ и зарядными устройствами, которые выполняют функцию источника постоянного тока для ИНС. Для повышения надежности питания нагрузки переменного тока, в состав ИНС могут входить статический и ремонтный байпасы, которые подключают нагрузку к резервной сети переменного тока, в случае неисправности ИНС или отсутствия напряжения постоянного тока на входе ИНС

ИНС представляет собой низковольтное комплектное устройство, несущая металлоконструкция которого выполнена в виде шкафа одностороннего обслуживания. Компоновка аппаратуры выполнена внутри шкафа, при этом на наружной стороне фасадной двери установлены сигнальная аппаратура, панель управления

Для измерений аналоговых параметров предусмотрена возможность установки измерительных преобразователей, обеспечивающих преобразование вторичных аналоговых величин в цифровые или унифицированные аналоговые сигналы от 4 до 20 мА

При больших мощностях согласующий трансформатор устанавливается рядом со шкафом преобразователя. Внешний трансформатор имеет закрытое исполнение

В шкафу преобразователя предусмотрен воздушный или естественный или принудительный вид охлаждения элементов силовой схемы преобразователя. При принудительном воздушном охлаждении обеспечивается снижение износа вентиляторов за счет управления ими в зависимости от температуры

Панель управления

Система управления, в зависимости от варианта исполнения преобразователя, выполняет следующие функции:

  • контроль состояния электрической сети постоянного тока
  • контроль состояния электрической сети переменного тока
  • контроль температуры преобразователя
  • индикация режимов работы
  • связь с АСУ ТП или тестовым компьютером
  • ввод и вывод дискретных сигналов от внешних устройств
  • прием команд и задание уставок от эксплуатирующего персонала
  • измерение и индикация токов и напряжений преобразователя
  • регулирование напряжения и тока преобразователя
  • мониторинг состояния защитной и коммутационной аппаратуры
  • самодиагностика

Функциональная схема без статического и ремонтного байпасов

Основой преобразователя является инвертор напряжения, состоящий из трехфаз­ной или однофазной мостовой схемы инвертирования на транзисторах, которые управляются цифровой системой управления

Для гальванической развязки выхода инвертора переменного тока от питающей сети постоянного тока применяется трансформатор

Для снижения уровня гармоник в выходном напряжении инвертора должен быть предусмотрен фильтр

Функциональная схема со статическим и ремонтным байпасом

В зависимости от исполнения преобразователь дополнительно оснащается статическим и/или ремонтным байпасами

Байпас обеспечивает повышение надежности электропитания нагрузки за счет обеспечения альтернативного пути подачи напряжения на нее. Это необходимо при выходе из строя, перегрузке инвертора, отсутствии напряжения постоянного тока или по другим причинам, приводящим к невозможности питания нагрузки от инвертора

Статический байпас является электронным коммутатором с силовой схемой, выполненной на тиристорах. Статический байпас подключает нагрузку к инвертору или к сети переменного тока. Переключения осуществляются как автоматически, так и по командам оперативного персонала

Ремонтный байпас является механическим коммутатором, выполненным на основе реверсивного рубильника. Ремонтный байпас подключает нагрузку к сети переменного тока или к инвертору (через статический байпас). Переключения осуществляются вручную оперативным персоналом. Через ремонтный байпас осуществляется питание нагрузки от сети переменного тока при ремонтных работах на инверторе

Автономные инверторы тока

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Условные обозначения, принятые на рис. 5.28:

СУВ – схема управления выпрямителем;

Схема силовых цепей трехфазного мостового инвертора тока при­ведена на рис. 5. 28.

Рис. 5.28. Схема силовых цепей трехфазного мостового инвертора тока

РТ – регулятор тока;

СУИ – схема управления инвертором;

ФП – функциональный преобразователь.

Двухступенчатые преобразовательные устройства выполняются на основе выпрямителя трехфазного переменного напряжения сети и авто­номного инвертора, преобразующего выпрямленное напряжение в пе­ременное трехфазное с регулируемой частотой и амплитудой. Несмотря на двукратное преобразование энергии и обусловленное при этом неко­торое снижение КПД, преобразователи частоты с промежуточным зве­ном постоянного тока получили наибольшее распространение в регули­руемом электроприводе.

В автономном инверторе тока управляемый выпрямитель, выпол­ненный на тиристорах VS1..VS6, работает в режиме регулятора тока, а инвертор на тиристорах VS7..VS12 формирует требуемую частоту вы­ходного тока. Фильтр с индуктивностью L0 обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного тока

Тиристоры инвертора тока VS7..VS12, включенные по трехфазной мостовой схеме, пропускают ток в течение 120 эл. град. Переключение

производится с периодичностью 60° в последовательности, соответст­вующей нумерации тиристоров. Диаграммы токов для каждой из фаз инвертора приведены на рис. 5.29.

Коммутация тока и компенсация реактивной мощности осуществ­ляется конденсаторами С1…СЗ на стороне переменного тока. При ак­тивно-индуктивной нагрузке на выходе инвертора и на тиристорах VS7..VS12 в моменты коммутации могут возникнуть значительные пе­ренапряжения, обусловленные действием ЭДС самоиндукции нагрузки.

Их ограничение достигается установкой соответствующих емкостей. При снижении частоты и при постоянном моменте на валу двигателя емкость конденсаторов возрастает обратно пропорционально квадрату частоты.

При переходе двигателя, питаемого от автономного инвертора то­ка, в генераторный режим изменяется направление противоЭДС инвер­тора, который переходит в режим работы выпрямителем, что могло бы вызвать увеличение тока в звене постоянного тока. Однако за счет сильной отрицательной обратной связи по току, которой охвачен вы­прямитель, ток в звене постоянного тока сохраняется на прежнем уров­не, а выпрямитель переводится в режим инвертора, ведомого сетью. Вследствие чего происходит рекуперация энергии в питающую сеть без изменения направления тока в звене постоянного тока.

Таким образом, в автономных инверторах тока легко реализуются тормозные режимы двигателя с рекуперацией энергии в сеть, что делает предпочтительным его применение в реверсивных электроприводах.

В схеме автономного инвертора тока (рис. 5.30) конденсаторы С1…С6 отделены от нагрузки с помощью диодов VD1..VD6, благодаря чему конденсаторы участвуют в работе инвертора лишь в сравнительно короткое время коммутации, а в остальное время ток через них не про­текает. Это позволяет существенно уменьшить емкость конденсаторов.

Основные достоинства преобразователей частоты с автономными инверторами тока:

• возможность рекуперации энергии в сеть;

• близкое к синусоидальному выходное напряжение;

• безаварийность режима короткого замыкания в нагрузке.

Недостатки:

• ограничение выходной частоты на уровне 100 +125 Гц;

• коммутационные перенапряжения на тиристорах, что застав­ляет усложнять силовую схему;

• невозможность работы на групповую нагрузку;

• существенные вес и габариты индуктивного фильтра.

Снижение оборотов вращения с усилением крутящего момента используется в механизмах с перекрещивающимися валами, которые востребованы в машиностроении, сельском хозяйстве, на транспорте. Киевский НТЦ «Редуктор» производит промышленные червячные редуктора, модернизирует старые …

В частотно-регулируемых асинхронных электроприводах вектор­ное управление связано как с изменением частоты и текущих значений переменных (напряжения, тока статора, потокосцепления), так и со вза­имной ориентацией их векторов в декартовой системе координат. …

Сигналом тока можно воздействовать как на канал напряжения, так и на канал частоты. Функциональная схема электропривода с положи­тельными обратными связями по току в канале регулирования напряже­ния и частоты приведена на …

Инверторы с чистым и модифицированным синусом для сети 220В и их работа с различными электроприборами

Содержание:

1.        Вступление. Описание рассматриваемых типов инверторов: трансформаторный, с вч преобразованием, с синусоидальной формой напряжения.
2.        Виды электроприборов с активным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
3.        Виды электроприборов с индуктивным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
4.        Виды электроприборов с емкостным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
5.        Виды электроприборов с выпрямителем на входе и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.
6.        Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с различными типами нагрузок. Заключение.

1.        Вступление. Описание рассматриваемых типов инверторов: трансформаторный, модифицированный синус, чистый синус.

Инвертор- прибор преобразующий постоянное напряжение в переменное. Потребность в инверторах существует для решения задачи питания устройств для бытовой сети 220В 50Гц от источников постоянного напряжения, например аккумуляторов. С развитием электроники эта задача решалась все более сложными методами, дающими более качественные параметры выходной электроэнергии. Однако на практике применяются как современные, так и более архаичные приборы, поэтому рассмотрим основные типы инверторов в историческом порядке.
Первыми появились инверторы на основе трансформаторов работающих на частоте сети 50Гц. Блок-схема инвертора приведена на рис. №1.


Рис. №1. Блок-схема трансформаторного инвертора.

Источник энергии постоянного тока, в самом распространенном случае аккумулятор 12В, подключается к трансформатору через трехпозиционный коммутатор. Коммутатор представляет собой набор электронных ключей, обеспечивающий 3 состояния: к первичной обмотке трансформатора подключен источник питания положительной полярностью, к первичной обмотке трансформатора подключен источник питания отрицательной полярностью и состояние когда первичная обмотка закорочена. Последовательно переключая эти состояния, на первичной обмотке формируется переменное напряжение частотой 50Гц и амплитудой 12В. На вторичной обмотке трансформатора при этом формируется напряжение с той же частотой и формой, однако эффективное напряжение составляет 220В. Графики напряжения на трансформаторе приведены на рис. №2. Выходное напряжение снимается с вторичной обмотки, поэтому имеет такие же параметры.


Рис. №2. Графики напряжения на трансформаторе

Данная форма напряжения называется «модифицированная синусоида» и широко применяется в инверторах для сети 50Гц, поэтому параметры, описывающие ее, рассмотрены более подробно. Вообще параметры, задающие форму модифицированной синусоиды, это амплитуда выходного напряжения и коэффициент заполнения, показывающий отношение длительности импульса к периоду сигнала. Эти параметры задаются при конструировании инверторов. Из соображений того, что инвертор должен заменять сеть 220В 50Гц, обычно выбирается амплитудное значение напряжения модифицированной синусоиды такое же, как и в сети, то есть 311В. При этом, чтобы обеспечить эффективное напряжение 220в, такое же как и в сети, коэффициент заполнения получается 0.5. Однако в инверторе этого типа амплитуда выходного напряжения получается зависящей прямо пропорционально от напряжения источника. Если в качестве источника энергии используется аккумулятор, а это самый распространенный случай, то его напряжение при разряде понижается, и амплитуда модифицированной синусоиды на выходе преобразователя также понижается, соответственно понижается и эффективное значение напряжение на выходе преобразователя. Для того чтобы улучшить качество энергии на выходе преобразователя в этих условиях часто применяют схемы управления, которые изменяют коэффициент заполнения выходного напряжения таким образом, чтобы поддерживать эффективное напряжение неизменным. Например, инвертор, рассчитанный на напряжение источника 12В, работает от разряженного аккумулятора с напряжением 10В. При этом амплитудное напряжение на выходе снижается пропорционально до 259В. Схема управления изменяет коэффициент заполнения выходного напряжения до 0.72, при этом эффективное напряжение остается равным 220В. Однако форма напряжения и его амплитуда меняется, что может быть недопустимо для некоторых нагрузок, что будет показано далее.
Так как основным элементом инвертора этого типа является трансформатор 50Гц, возможности по миниатюризации, уменьшении материалоемкости и повышении эффективности работы инвертора весьма ограничены. Поэтому на основе современной элементной базы были разработаны инверторы с вч преобразованием. Блок-схема такого инвертора приведена на рис. №3.


Рис. №3. Блок-схема инвертора с вч преобразованием.
Источник энергии постоянного тока подключается на вход высокочастотного преобразователя постоянного напряжения (dcdc преобразователь). Данный блок преобразует входное напряжение в напряжение, соответствующее амплитуде сетевого напряжения, 311В. Это преобразование происходит с помощью трансформатора, работающего на повышенной (десятки и сотни килогерц) частоте, поэтому габариты и материалоемкость инвертора значительно уменьшились. Выходное напряжение преобразователя подается на коммутатор, аналогичный коммутатору в инверторе трансформаторного типа. График выходного напряжения коммутатора имеет такой же вид, как и напряжение на выходе коммутатора в трансформаторном инверторе, однако амплитуда напряжения достигает 311В. Выход коммутатора является выходом инвертора, и график выходного напряжения соответствует напряжению на вторичной обмотке трансформатора в трансформаторном инверторе (рис.2). Соображения насчет формы выходного напряжения, изложенные выше, справедливы и для данного типа инвертора. Изменение же формы выходного напряжения в зависимости от величины входного напряжения может происходить либо нет, это зависит от топологии dcdc преобразователя. Если преобразователь стабилизированный, то при изменении входного напряжения выходное напряжение преобразователя не изменяется. При этом также форма и амплитуда выходного напряжения инвертора не изменяется. Однако существуют и более простые разновидности dcdc преобразователей, которые не являются стабилизированными, и выходное напряжение которых пропорционально входному. Для инверторов, собранных на основе таких преобразователей, справедливы заключения насчет изменения выходного напряжения для трансформаторных инверторов.
С развитием электроники появилась возможность создать инверторы с синусоидальной формой напряжения на основе вч преобразования электрической энергии. С помощью данных инверторов возможно получение выходного напряжения, удовлетворяющего стандартам на качество электроэнергии в энергетике, что невозможно для преобразователей ранее рассмотренных типов. Блок-схема инвертора приведена на рис. №4.


Рис. №4. Блок-схема инвертора с синусоидальным выходным напряжением.

Источник энергии постоянного тока подключается на вход высокочастотного преобразователя постоянного напряжения, как и в инверторе с вч преобразованием, рассмотренном ранее. Выходное напряжение инвертора может быть различным в зависимости от конструкции, однако оно должно быть выше амплитудного напряжения сети, то есть выше 311В. Выходное напряжение преобразователя поступает на вч инвертор (dc/ac), представляющий собой управляемый понижающий импульсный преобразователь. Данный преобразователь может устанавливать на своем выходе напряжение по сигналу от схемы управления в диапазоне от нуля до напряжения питания, то есть до напряжения больше 311В. Вч инвертор обычно содержит два таких канала по мостовой схеме, таким образом, напряжение между их выходами может достигать от -311В до +311В, как и в сети 220В. Графики выходного напряжения по обоим выходным проводам и результирующее выходное напряжение инвертора представлены на рис. №5. Из графиков следует, что схема управления подает особый сигнал на каждый канал вч преобразователя, изменяющийся во времени таким образом, что выходное напряжение каждого канала вч преобразователя изменяется по синусоидальному закону с частотой 50Гц, и смещено по фазе на 180? между каналами. Напряжение же между выходами представляет собой синусоиду без постоянной составляющей амплитудой 311В. Изменение формы выходного напряжения в зависимости от величины входного напряжения не происходит вследствие того что либо dc/dc преобразователь либо вч инвертор исполняются стабилизированными, то есть выходное напряжение не зависит от входного.


Рис. №5. Графики напряжения на выходах инвертора.

2.        Виды электроприборов с активным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.

Электрические приборы с активным характером сопротивления распространены повсеместно. К ним относятся различные виды нагревательных приборов, а также осветительные приборы на основе ламп накаливания. Также распространены комбинированные нагрузки, в которых кроме основного потребителя с активным характером сопротивления присутствуют другие потребители с различным характером сопротивления, однако мощность этих потребителей значительно ниже. Например, нагревательный элемент со схемой контроля температуры. Такие нагрузки также можно считать приближенными к активными, степень приближения определяется отношением мощностей основной активной нагрузки и дополнительной не активной. Вообще активная нагрузка является наиболее простым видом нагрузки для инвертора, потому что выходной ток инвертора в любой момент времени, то есть при любом мгновенном значении выходного напряжения, ограничен и определяется законом Ома. Поэтому допустима любая форма выходного напряжения инвертора, например модифицированная синусоида. Также весь выходной ток инвертора идет на создание выходной активной мощности, поэтому эффективность работы (величина коэффициента полезного действия) инверторов любого типа будет максимальна при данном типе нагрузки.
Для корректной работы активных нагрузок важно лишь среднеквадратичное значение напряжения, а все рассмотренные ранее типы инверторов способны выдавать такое же среднеквадратичное напряжение, как и сеть 220В. Однако потенциально важным моментом для работы с активной нагрузкой является способность инвертора выдавать постоянное среднеквадратичное напряжение при изменяющемся напряжении питания. Все рассмотренные ранее типы инверторов имеют такую возможность при соответствующих функциях системы управления, однако каждая конкретная модель инвертора может иметь или нет подобную функцию.
Также нагрузки с активным характером сопротивления могут быть линейными или нелинейными, то есть сопротивление нагрузки может быть постоянным или меняющимся во времени. Типичным примером нелинейной нагрузки является лампа накаливания, причем отличие в сопротивлении в горячем и холодном состоянии может достигать 10 раз. При работе инвертора с таким типом нагрузки может возникать кратковременное, но значительное увеличение тока нагрузки. В этом случае возможна потеря работоспособности инвертора из-за срабатывания защиты по максимальному выходному току. Однако работа схемы защиты не зависит от типа преобразователя, поэтому различия между работой различных моделей инверторов будут происходить из-за различия в системах защиты, а не из-за принципиального различия в типах инверторов.
Различие между типами инверторов с различной формой        выходного напряжения можно оценить с помощью частотного анализа по гармоническому составу выходного напряжения. Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения содержат в спектре выходного напряжения только основную гармонику 50Гц. Инверторы же с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды содержат в спектре выходного напряжения также высшие нечетные гармоники значительной амплитуды. Так как форма выходного тока при активной нагрузке повторяет форму напряжения, то подобные заключения будут справедливы и про спектр выходного тока. Практически оценить различия в форме выходного тока можно по производимому им акустическому эффекту. Акустический эффект может иметь различную физическую природу, например сила Ампера, вынуждающая колебаться проводники с током, или магнитострикционный эффект в материалах, находящимся в магнитном поле, возбуждаемом током. Акустический эффект может возникать во всех участках последовательной выходной цепи, например в потребителе или соединительных проводах, или в самом инверторе. Человек способен на слух различать гармонический состав производимого акустического эффекта. Так, звук от инвертора с синусоидальной формой выходного напряжения ощущается как однотонный гудящий (низкочастотный) шум. А звук от инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды более тембрально окрашен, с выраженными обертонами, более походящий на стук.

3.        Виды электроприборов с индуктивным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.

Электрические приборы с индуктивным характером сопротивления часто встречаются в технике и в быту. К этим приборам относятся электровибрационные приборы, например бритвы и насосы, осветительные приборы с индуктивными балластами, электромеханические реле, электрические двигатели.
Реальная индуктивная нагрузка представляет собой частично чистую индуктивность и частично активную нагрузку. Для описания индуктивной нагрузки возможно использовать последовательную модель, в которой нагрузка представляется в виде последовательно соединенных индуктивности и сопротивления. Для описания соотношения влияния этих элементов на выходной ток преобразователя используют параметр «коэффициент мощности (КМ)», который определяет отношение активной мощности к полной мощности. При индуктивной нагрузке КМ<1. Таким образом, полная мощность, потребляемая нагрузкой с индуктивным характером сопротивления, будет больше, чем активная мощность, обычно указываемая на электроприборе в качестве номинальной. Поэтому индуктивная нагрузка представляет собой более сложный вид нагрузки для инвертора, потому что выходной ток инвертора идет как на создание выходной активной мощности, так и на запасание энергии в индуктивности (реактивная мощность). Потери энергии в инверторе при работе на нагрузку с индуктивным характером сопротивления будут больше чем при работе на нагрузку с активным характером сопротивления такой же номинальной (активной) мощности. Это очень важное свойство, поскольку часто при эксплуатации инверторов именно уровень потерь энергии, то есть тепловая мощность, нагревающая инвертор, является определяющей для обеспечения работоспособности. Однако для разных типов инверторов степень увеличения потерь при индуктивной нагрузке разная. Это связано с тем, что при различных топологиях построения инверторов путь выходного тока, нагревающего преобразователь, может быть различен и захватывать разное количество составных блоков преобразователя. Рассмотренные типы инверторов относительно данного вопроса разделяются на два вида: однокаскадные и двухкаскадные. Однокаскадным инвертором является трансформаторный инвертор. Выходной ток инвертора проходит через весь инвертор: через выходной трансформатор, в трансформированном виде через ключи инвертора и через источник входного напряжения. При этом нагреваются все вышеназванные компоненты цепи и потери велики. Отличием двухкаскадных инверторов является наличие внутреннего звена постоянного тока. Инвертор с вч преобразованием, с формой выходного напряжения как модифицированной синусоидой так и с чистым синусом, является двухкаскадным инвертором. Он содержит емкостной накопитель энергии на выходе dcdc преобразователя, через который протекает часть реактивного выходного тока. Поэтому через входную часть преобразователя, то есть через dcdc преобразователь и источник входного напряжения, протекает значительно меньшая величина переменного тока, и соответственно эти блоки инвертора меньше нагреваются. Поэтому двухкаскадные типы инверторов могут иметь КПД выше, чем однокаскадные для данного типа нагрузок.
При работе потребителей с индуктивным характером нагрузки от различных типов преобразователей проявляется различие эффективного тока нагрузки. Данный эффект существует потому что для индуктивной нагрузки кроме эффективного напряжения важно еще и среднее значение напряжения за период. Этот вывод следует из закона электромагнитной индукции, согласно которому размах амплитуды переменного тока на индуктивности пропорционален приложенным вольт – секундам (В*С). А среднее напряжение для синусоиды с эффективным напряжением 220В и для модифицированной синусоиды с пиковым напряжением 311В и эффективным напряжением 220В весьма различно и составляет 198В и 156В соответственно. Для определения численного значения различия эффективного тока и активной мощности нагрузки произведено моделирование в среде micro-cap, результаты которого представлены на рис.№6. В качестве нагрузки при моделировании использовалась RL цепочка с КМ=0.7, т.е. ее активное сопротивление и модуль индуктивного сопротивления равны и составляют по 100Ом (величина индуктивности 318мГ).


Ток в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий – при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды


Активная энергия, выделяющаяся в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий – при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды

Рис. №6. Графики тока и потребления активной энергии при индуктивной нагрузке.

Из графиков следует, что активная энергия более эффективно потребляется при синусоидальном источнике напряжения, причем разница составляет 16%. Такая же разница будет и в активной мощности. То есть, если подключить нагрузку, предназначенную для работы от сети 220В к инвертору с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды, то потребляемая активная мощность снизится на 16% . Эффективный ток при этом снизится на 9% . Для функционирования нагрузок данное понижение активной мощности будет иметь негативные последствия: электровибрационные приборы понизят механическую мощность, осветительные приборы будут светить тусклее.

4.        Виды электроприборов с емкостным характером нагрузки и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.

Электрические приборы с емкостным характером сопротивления редко применяются как законченный блок, однако часто встречаются как часть других электроприборов, например емкостные компенсаторы реактивной мощности или фазосдвигающие емкостные цепи для электродвигателей. Так как остальные виды нагрузок рассматриваются в других разделах, имеет смысл рассмотреть отдельно работу инверторов различных типов на реальную емкость. Модель реальной емкости учитывает потери энергии в сопротивлении выводов применяемых конденсаторов и представляет собой последовательно включенные идеальный конденсатор и эмулирующий сопротивление выводов резистор.
Сначала рассмотрим работу инвертора с формой выходного напряжения в виде чистой синусоиды на реальную емкость. Процессы, протекающие в этой цепи аналогичны процессам при работе такой же нагрузки от сети 220В. Как известно, конденсатор в цепи переменного тока представляет собой реактивную нагрузку, то есть полная мощность нагрузки большей частью состоит из циркулирующей от нагрузки к сети и обратно реактивной мощности и лишь небольшая часть полной мощности представляет собой активную мощность потерь. При этом полезный эффект нагрузки создает именно реактивная мощность, а активная мощность представляет собой паразитный эффект, нагревающий как саму нагрузку так и инвертор. Величина активной мощности, выделяющейся в инверторе, пропорциональна выходному сопротивлению инвертора.
Теперь же рассмотрим работу на такую же нагрузку инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды. Для получения наглядных результатов использовалось моделирование в среде micro-cap. Модель инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды представляет собой источник напряжения с формой модифицированной синусоиды и последовательно включенного сопротивления потерь Rг. Для сравнения использовалось моделирование схемы с той же самой нагрузкой, но работающей от источника переменного напряжения 220В 50Гц с таким же выходным сопротивлением. Схемы для моделирования представлены на рис. №7. Номиналы элементов типичны для обычных применений и составляют: Сн=10мкФ, Rн=Rг=1Ом.


Рис. №7. Схемы для моделирования в среде micro-cap
Результаты моделирования представлены на рис. №8. Из графиков тока нагрузки видно, что форма и амплитуда токов весьма различны. Ток нагрузки с синусоидальным источником напряжения имеет также синусоидальную форму и амплитуду 977мА, а ток нагрузки с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды имеет вид экспоненциальных импульсов с амплитудой 152А и весьма короткой (десятки микросекунд) длительностью. Такие различия обусловлены тем, что в случае с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды конденсатор заряжается от импульсного источника напряжения с высокой скоростью изменения напряжения, для которого конденсатор имеет низкое сопротивление. Поэтому напряжения на сопротивлениях потерь Rг и Rн в импульсе заряда велики и соответственно велики потери. Исходя из графика выделения энергии на сопротивлении потерь, общая мощность потерь составляет для синусоидального источника напряжения 0.95Вт, а для источника напряжения в виде модифицированной синусоиды 98Вт, то есть отличается в сто раз.


Ток в нагрузке. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий – при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды


Энергия, выделяющаяся в сопротивлении потерь. Красный график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, синий – при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Рис. №8. Графики тока и энергии потерь для различных видов источников напряжения.

Можно показать, что мощность потерь при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды не зависит от сопротивления потерь, а только от величины конденсатора. Однако распределение потерь между инвертором и конденсатором пропорционально их внутренним сопротивлениям. Но в любом случае, такой высокий уровень пиковых токов и мощности потерь нежелателен как для инвертора, так и для нагрузки. Немногие типы конденсаторов для сети 220В способны работать с внутренними потерями в 100 раз большими, чем номинальные.
Также высокий уровень токов при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды создает повышенный акустический эффект при работе инвертора. Спектральный состав выходного тока инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды при работе на емкость весьма широкополосен, а амплитуда тока весьма велика, поэтому звуковой эффект производимый этим током весьма громкий и неприятный на слух.

5.        Виды электроприборов с выпрямителем на входе и особенности работы различных типов инверторов с данным видом нагрузки.

Электрические приборы с выпрямителем на входе повсеместно встречаются в технике и в быту. К этим приборам относится бытовая электроника с трансформаторным или импульсным блоком питания. Эквивалентная схема подключения такой нагрузки представлена на рис №9. Источник питающего напряжения, в данном случае инвертор, представлен в виде генератора напряжения Vг с сопротивлением потерь Rг. Сам электрический прибор питается выпрямленным напряжением и представлен сопротивлением Rн. Блок питания электроприбора состоит из мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора Сн. Неидеальность конденсатора моделируется последовательным сопротивлением Rк. Сопротивление выпрямителя, входных проводников и трансформатора питания (в случае трансформаторного блока питания) моделируется последовательным сопротивлением Rп.


Рис. №9. Эквивалентная схема подключения электроприбора с выпрямителем на входе.

Работа такой нагрузки сильно отличается при использовании инверторов с различными видами выходного напряжения. Причина этого такая же, как и для емкостной нагрузки и заключается в том, что фильтрующий конденсатор Сн заряжается от входного источника напряжения. Если скорость изменения напряжения велика, как при работе от источника с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды, то потери в элементах цепи увеличиваются многократно. Можно аналитически показать, что при работе от источника с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды общие потери энергии будут зависеть лишь от амплитуды переменной составляющей напряжения на конденсаторе Сн и величины емкости этого конденсатора, и не зависеть от величины сопротивлений Rг, Rп и Rк. От величины этих сопротивлений будет зависеть только распределение потерь среди элементов схемы.
Для получения наглядных результатов снова использовалось моделирование в среде micro-cap. Для сравнения использовалось моделирование схемы с одной и той же нагрузкой, но работающей от инвертора с синусоидальной формой напряжения 220В 50Гц и от инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды. Номиналы элементов схемы для моделирования составляют: Rн=500Ом, Сн=47мкФ, Rг=Rп=Rк=1Ом. Такие номиналы типичны для блока питания бытовой электроники мощностью 150Вт, например телевизора. Результаты моделирования представлены на рис. №10. Из графиков выходного тока инвертора видно, что форма и амплитуда токов весьма различны для инверторов с различными видами выходного напряжения. Ток инвертора с синусоидальным источником напряжения имеет плавную форму и амплитуду 3.1А, а ток нагрузки с источником напряжения в виде модифицированной синусоиды имеет вид экспоненциальных импульсов с амплитудой 20.2А и весьма короткой (сотни микросекунд) длительностью. Исходя из графика выделения энергии на сопротивлении потерь, общая мощность потерь составляет для синусоидального источника напряжения 3.5Вт, а для источника напряжения в виде модифицированной синусоиды 9.4Вт. Таким образом, общая мощность потерь при работе нагрузки от инвертора с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды почти в 3 раза больше чем при работе той же нагрузки от инвертора с синусоидальной формой напряжения. Так как сопротивления потерь включены последовательно, распределение мощности потерь на каждом конкретном элементе будет тоже сохраняться, поэтому например сам инвертор будет выделять мощности в 3 раза больше, конденсатор и трансформатор блока питания также будут греться в 3 раза больше. Элементы бытовых приборов могут не иметь трехкратного запаса по выходной мощности и выйти из строя в результате питания от инверторов с формой напряжения в виде модифицированной синусоиды.


График тока в нагрузке. Зеленый график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, красный – при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды


Энергия, выделяющаяся в сопротивлении потерь. Зеленый график при источнике напряжения в виде чистой синусоиды, красный – при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды
Рис. №10. Графики выходного тока инвертора и энергии потерь для различных видов инверторов.

Как и для емкостной нагрузки, для нагрузки с выпрямителем на входе, высокий уровень токов при источнике напряжения в виде модифицированной синусоиды создает повышенный акустический эффект при работе инвертора. Спектральный состав выходного тока инвертора с формой выходного напряжения в виде модифицированной синусоиды при работе на нагрузку с выпрямителем на входе весьма широкополосен, а амплитуда тока весьма велика, поэтому звуковой эффект производимый этим током весьма громкий и неприятный на слух. При этом производить звуковой эффект может любой элемент схемы, через который протекает выходной ток инвертора, этот элемент может находиться в инверторе или в подключаемом электроприборе, или в соединительных проводах.

6.        Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок. Заключение.

Для того чтобы систематизировать выявленные в предыдущих частях статьи отличия в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок была составлена табл. №1. Для сравнения акустического эффекта, тепловых потерь в нагрузке и эффективной мощности для одинаковых нагрузок в качестве отсчета была выбрана сеть переменного напряжения 220В 50Гц. Для сравнения потерь в инверторе разных типов, но с одинаковым выходным сопротивлением, в качестве отсчета был выбран инвертор с синусоидальной формой выходного напряжения.

Табл. №1. Сводная таблица отличий в работе различных типов инверторов с разными видами нагрузок.

. . Виды инверторов
Виды нагрузок Параметры Трансформаторный ВЧ модиф. синус Вч чистый синус
Активная Эффективная мощность Как при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В
. Акустический эффект Больше, чем при работе от сети 220В Больше, чем при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В
Индуктивная Эффективная мощность Меньше чем в сети 220В Меньше чем в сети 220В Как при работе от сети 220В
Емкостная Потери в нагрузке Больше, чем при работе от сети 220В Больше, чем при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В
. Потери в инверторе Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения .
. Акустический эффект Больше, чем при работе от сети 220В Больше, чем при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В
С выпрямителем Потери в нагрузке Больше, чем при работе от сети 220В Больше, чем при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В
. Потери в инверторе Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения Больше, чем с инвертором с синусоидальной формой напряжения .
. Акустический эффект Больше, чем при работе от сети 220В Больше, чем при работе от сети 220В Как при работе от сети 220В

Как следует из таблицы, применять для питания всевозможных типов нагрузки, не опасаясь негативных эффектов возможно только инверторы с выходным напряжением в виде чистой синусоиды. Инверторы с выходным напряжением в виде модифицированной синусоиды, возможно применять без опасений для питания активных нагрузок при невысоких требованиях к акустическому эффекту.

Перейти в каталог Инверторы

Как инверторы преобразуют постоянный ток в переменный?

Одно из самых значительных сражений 19 века велось не за землю или ресурсы, а за установление типа электричества который питает наши здания.

В самом конце 1800-х годов американские электрические пионер Томас Эдисон (1847–1931) изо всех сил старался продемонстрировать что постоянный ток (DC) был лучшим способом подачи электроэнергии мощность, чем переменный ток (AC), система, поддерживаемая его заклятый соперник Никола Тесла (1856–1943).Эдисон испробовал все виды изощренные способы убедить людей, что переменный ток слишком опасен, от убить слона электрическим током, чтобы (довольно хитро) поддержать использование AC на электрическом стуле за вынесение смертного приговора. Несмотря на это, Система Теслы победила, и мир в значительной степени работает на переменном токе. власть с тех пор.

Единственная проблема в том, что многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, небольшие электрогенераторы часто производят постоянный ток. Тот означает, что если вы хотите запустить что-то вроде устройства с питанием от переменного тока от Автомобильный аккумулятор постоянного тока в мобильном доме, вам нужно устройство, которое будет преобразовывать Преобразователь постоянного тока в переменный — так называемый инвертор.Давайте поближе посмотрите на эти гаджеты и узнайте, как они работают!

На фото: подборка электрических инверторов, которые можно использовать с оборудованием для производства возобновляемой энергии, например солнечными батареями и микроветряными турбинами. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерство энергетики США/NREL (DoE/NREL).

В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока?

Когда учителя естественных наук объясняют нам основную идею электричества как поток электронов обычно говорят о прямом ток (постоянный).Мы узнаем, что электроны работают как линия муравьев, марширующих вместе с пакетами электрической энергии в одном и том же как муравьи переносят листья. Это достаточно хорошая аналогия для что-то вроде обычного фонарика, где у нас есть схема ( непрерывная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель и электрическая энергия систематически передается от батареи к лампу, пока вся энергия батареи не будет исчерпана.

В более крупных бытовых приборах электричество работает по-другому.Источник питания, поступающий от розетки в вашей стене, основан на переменный ток (AC), где электричество переключается направлении примерно 50–60 раз в секунду (другими словами, при частота 50–60 Гц). Может быть трудно понять, как AC обеспечивает энергия, когда она постоянно меняет свое мнение о том, куда она идет! Если электроны, выходящие из розетки, получают, скажем, несколько миллиметров вниз по кабелю, затем нужно изменить направление и вернуться опять же, как они вообще добираются до лампы на вашем столе, чтобы сделать это загораться?

Ответ на самом деле очень прост.Представьте себе кабели бегущий между лампой и стеной, набитой электронами. Когда Вы щелкаете выключателем, все электроны заполняют кабель вибрировать взад-вперед в нити накала лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и делает свечение лампочки. Электроны не обязательно должны бегать по кругу, чтобы переносить энергию: в АС они просто “бегут на месте”.

Анимация: В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока? Предположим, вам нужно пропылесосить комнату.Прямой ток немного похож на движение от одной стороны к другой по прямой линии; переменный ток похож на движение вперед и назад по место. Оба выполняют свою работу, хотя и немного по-разному!

Что такое инвертор?

Одно из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса компании «Вестингауз Электрик Компани») заключается в том, что Большинство приборов, которые есть в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, которые нуждаются в постоянном токе, но должны потреблять энергию от розеток переменного тока требуется дополнительное оборудование, называемое выпрямителем, обычно строятся из электронных компонентов, называемых диоды для преобразования переменного тока в постоянный.

Инвертор выполняет противоположную работу, и его довольно легко понять суть того, как это работает. Предположим, у вас есть батарея в фонарик и переключатель замкнут, поэтому постоянный ток течет по цепи, всегда в одном направлении, как гоночный автомобиль на трассе. Что теперь если вынуть батарею и перевернуть. Предполагая, что это соответствует в противном случае он почти наверняка по-прежнему будет питать фонарик, и вы не заметите никакой разницы в свете, который вы получаете, но электрический ток на самом деле будет течь в противоположном направлении.Предположим, вы имели молниеносные руки и были достаточно ловки, чтобы продолжать батареи 50-60 раз в секунду. Тогда вы были бы своего рода механическим инвертор, превращающий постоянный ток батареи в переменный с частотой 50–60 герц.

Фото: Типичный электроинвертор. Этот сделан Xantrex/Trace Engineering. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (DoE/NREL).

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в магазинах электротоваров, не совсем работают. таким образом, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые включаются и выключаются на высокой скорости, чтобы изменить направление тока направление.Подобные инверторы часто производят то, что известно как прямоугольный выходной сигнал: ток течет либо в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями:

Такие внезапные перепады напряжения весьма опасны для некоторых видов электрооборудования. В обычном источнике переменного тока ток постепенно переключается с одного направления на другое по синусоидальной схеме, например:

Электронные инверторы могут использоваться для получения такого плавно изменяющегося выходного переменного тока от вход постоянного тока.В них используются электронные компоненты, называемые катушками индуктивности и конденсаторы для постепенного увеличения и уменьшения выходного тока чем резкое включение/выключение выходного прямоугольного сигнала, который вы получаете с базовый инвертор.

Инверторы также можно использовать с трансформаторами для изменения Входное напряжение постоянного тока в совершенно другое выходное напряжение переменного тока (либо выше, либо ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше чем входная мощность: из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не могут отдать больше энергии, чем потребляют в и некоторая энергия неизбежно будет потеряна в виде тепла, когда электричество течет через различные электрические и электронные компоненты.В На практике КПД инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что некоторая энергия — пусть даже небольшая — всегда куда-то пропало!

Как работает инвертор?

Мы только что сделали очень общий обзор инверторов, а теперь давайте еще раз кратко рассмотрим его. немного подробнее.

Представьте, что вы батарея постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас произвести AC вместо этого. Как бы вы это сделали? Если все ток, который вы производите, течет в одном направлении, как насчет добавления просто переключиться на выходной провод? Включение и выключение тока, очень быстро, давал бы импульсы постоянного тока, что хотя бы половину работы.Чтобы сделать правильный переменный ток, вам понадобится переключатель, который позволил полностью реверсировать ток и сделать это примерно на 50‐60 раз каждую секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, меняющую свои контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту. Вот какая аккуратная работа пальцами вам понадобится!

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку подключен к электрическому трансформатору. Если вы изучили нашу статья о трансформаторах, вы знаете, что они электромагнитные устройства, преобразующие переменный ток низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения или наоборот, с помощью двух катушек проволоки (называемых первичной и вторичной), намотанных вокруг общего железного ядра.В механическом инверторе либо электродвигатель или какой-либо другой автоматический механизм переключения, переключающий входящий постоянный ток туда и обратно в первичном, просто перевернув контакты, и это создает переменный ток во вторичном, поэтому он не так сильно отличается от воображаемого инвертора, который я набросал над. Коммутационное устройство работает примерно так же, как и в электрический дверной звонок. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, потянув его открыть и выключив его на очень короткое время.Пружина тянет за обратно в положение, снова включив его и повторив процесс — снова и снова.

Анимация: Основная концепция электромеханического инвертора. Постоянный ток подается на первичную обмотку (розовые зигзагообразные провода с левой стороны) тороидального трансформатора (коричневый пончик) через вращающуюся пластину (красная и синяя) с перекрестными соединениями. Когда пластина вращается, она многократно переключает соединения с первичной обмоткой, поэтому на вход трансформатора поступает переменный ток вместо постоянного.Это повышающий трансформатор с большим количеством витков во вторичной обмотке (желтый зигзаг, правая сторона), чем в первичной, поэтому он повышает небольшое входное напряжение переменного тока до большего выходного переменного тока. Скорость, с которой вращается диск, определяет частоту переменного тока на выходе. Большинство инверторов не работают так; это просто иллюстрирует концепцию. Инвертор, настроенный таким образом, будет давать очень грубый прямоугольный сигнал на выходе.

Типы инверторов

Если вы просто включите и выключите постоянный ток или перевернете его обратно и вперед, так что его направление продолжает меняться, то, что вы в конечном итоге получите, очень резкие изменения тока: все в одну сторону, все в другую направлении и обратно.Нарисуйте график силы тока (или напряжения) против времени, и вы получите прямоугольную волну. Хотя электричество варьируется таким образом, технически , переменный ток, это совсем не то, что переменный ток поставляемый в наши дома, который изменяется в гораздо более плавной волнистая синусоида). В общем, здоровенный бытовая техника в наших домах, использующая грубую энергию (например, электрическая обогреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники) все равно какую форму волны они получают: все, что им нужно, это энергия и много это – так что прямоугольные волны действительно не беспокоят их.Электронные устройства, вкл. с другой стороны, гораздо более суетливы и предпочитают более плавный ввод они получаются из синусоиды.

Надпись: Никола Тесла. Хотя он выиграл войну токов, его соперника Томаса Эдисона до сих пор помнят как первооткрывателя электроэнергии. Гравюра Теслы на дереве работы Саронга, около 1906 г., любезно предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США.

Это объясняет, почему инверторы бывают двух разных видов: инверторы с истинной / чистой синусоидой (часто сокращается до PSW) и модифицированные/квазисинусоидальные инверторы (сокращенно MSW).В виде их название предполагает, что настоящие инверторы используют то, что называется тороидальным (бубликообразные) трансформаторы и электронные схемы для преобразования постоянного тока в плавно меняющийся переменный ток очень похоже на подлинную синусоиду, обычно поставляемую в наши дома. Их можно использовать для питания любых устройств переменного тока от источника постоянного тока. источника, включая телевизоры, компьютеры, видеоигры, радиоприемники и стереосистемы.

Модифицированные синусоидальные инверторы, с другой стороны, используют относительно недорогая электроника (тиристоры, диоды и другие простые компоненты) для производят своего рода «закругленную» прямоугольную волну (гораздо более грубую приближение к синусоиде) и хотя они подходят для доставки мощность здоровенным электроприборам, они могут вызывать и вызывают проблемы с тонкой электроникой (или что-нибудь с электронным или микропроцессорным контроллером), так что, как правило, это означает, что они не подходят для таких вещей, как ноутбуки, медицинское оборудование, цифровое часы и умные домашние устройства.Также, если подумать, их закругленная площадь волны обеспечивают большую мощность для устройства в целом, чем чистая синусоида (площадь под квадратом больше, чем под кривой). Это делает их менее эффективными и потерянная мощность, рассеиваемая в виде тепла, означает, что существует некоторый риск перегрева инверторов MSW. С положительной стороны, они, как правило, немного дешевле, чем настоящие инверторы.

Изображение: модифицированная синусоида (MSW, зеленый) больше похожа на синусоиду (синяя), чем на прямоугольную (оранжевая), но все же включает внезапные резкие изменения тока.Чем больше шагов в модифицированной синусоиде, тем ближе она приближается к идеализированная форма истинной синусоиды.

Хотя многие инверторы работают как автономные блоки с аккумулятором, они полностью независимы от сети, другие (известные как интерактивные инверторы или инверторы, связанные с сетью ) специально разработан для постоянного подключения к сети; обычно они используются для передачи электричества от чего-то как солнечная панель обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.Это нормально, если ваша главная цель — генерировать собственную силу. это не так полезно если вы хотите иногда быть независимым от сетки или хотите резервный источник питания на случай отключения, ведь если ваш подключение к сети пропадает, и вы не производите электричество самостоятельно (например, сейчас ночь и ваши солнечные батареи не работают), инвертор тоже выходит из строя, и вы совершенно бессильны — настолько же беспомощны, насколько вы были бы вы генерировали свою собственную силу или нет.По этой причине некоторые люди используют бимодальные инверторы или двунаправленные инверторы , которые могут работать либо в автономном, либо в сетевом режиме (но не в обоих режимах одновременно). С у них есть дополнительные детали, они, как правило, более громоздкие и более дорого.

На что похожи инверторы?

Инверторы могут быть очень большими и тяжелыми, особенно если они имеют встроенный батарейные блоки, чтобы они могли работать автономно. Они тоже выделяют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы.Как вы можете видеть на нашей верхней фотографии, типичные размером примерно с автомобильный аккумулятор или автомобильное зарядное устройство; более крупные единицы выглядят немного похоже на банк автомобильных аккумуляторов в вертикальной стопке. Самые маленькие инверторы больше переносные коробки размером с автомобильный радиоприемник, которые можно вставить в прикуриватель розетка для производства переменного тока для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Фото: Микроинверторы — это небольшие компактные инверторы, обычно используемые для преобразования выходного постоянного тока одной фотоэлектрической солнечной панели в переменный ток, который можно подавать прямо в энергосистему.Другими словами, каждая панель имеет свой микроинвертор. На этой фотографии показаны шесть микроинверторов Enphase IQ 6, которые проходят испытания в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL). Они подключены к Интернету, что означает, что вы можете отслеживать их работу через веб-браузер. и отследить, как он меняется со временем. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL.

Точно так же, как электроприборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности. в мощности, которую они производят. Как правило, на всякий случай нужен инвертор номиналом примерно на четверть выше максимальной мощности устройства, которым вы хотите управлять.Это допускает тот факт, что некоторые бытовые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют пиковую мощность при первом включении. Пока инверторы могут обеспечивать пиковую мощность в течение коротких периодов времени, это важно отметить, что они на самом деле не предназначены для работы на пике мощность в течение длительного времени.

Как инверторы преобразуют постоянный ток в переменный?

Одно из самых значительных сражений 19 века велось не за землю или ресурсы, а за установление типа электричества который питает наши здания.

В самом конце 1800-х годов американские электрические пионер Томас Эдисон (1847–1931) изо всех сил старался продемонстрировать что постоянный ток (DC) был лучшим способом подачи электроэнергии мощность, чем переменный ток (AC), система, поддерживаемая его заклятый соперник Никола Тесла (1856–1943). Эдисон испробовал все виды изощренные способы убедить людей, что переменный ток слишком опасен, от убить слона электрическим током, чтобы (довольно хитро) поддержать использование AC на электрическом стуле за вынесение смертного приговора.Несмотря на это, Система Теслы победила, и мир в значительной степени работает на переменном токе. власть с тех пор.

Единственная проблема в том, что многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, небольшие электрогенераторы часто производят постоянный ток. Тот означает, что если вы хотите запустить что-то вроде устройства с питанием от переменного тока от Автомобильный аккумулятор постоянного тока в мобильном доме, вам нужно устройство, которое будет преобразовывать Преобразователь постоянного тока в переменный — так называемый инвертор. Давайте поближе посмотрите на эти гаджеты и узнайте, как они работают!

На фото: подборка электрических инверторов, которые можно использовать с оборудованием для производства возобновляемой энергии, например солнечными батареями и микроветряными турбинами.Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерство энергетики США/NREL (DoE/NREL).

В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока?

Когда учителя естественных наук объясняют нам основную идею электричества как поток электронов обычно говорят о прямом ток (постоянный). Мы узнаем, что электроны работают как линия муравьев, марширующих вместе с пакетами электрической энергии в одном и том же как муравьи переносят листья. Это достаточно хорошая аналогия для что-то вроде обычного фонарика, где у нас есть схема ( непрерывная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель и электрическая энергия систематически передается от батареи к лампу, пока вся энергия батареи не будет исчерпана.

В более крупных бытовых приборах электричество работает по-другому. Источник питания, поступающий от розетки в вашей стене, основан на переменный ток (AC), где электричество переключается направлении примерно 50–60 раз в секунду (другими словами, при частота 50–60 Гц). Может быть трудно понять, как AC обеспечивает энергия, когда она постоянно меняет свое мнение о том, куда она идет! Если электроны, выходящие из розетки, получают, скажем, несколько миллиметров вниз по кабелю, затем нужно изменить направление и вернуться опять же, как они вообще добираются до лампы на вашем столе, чтобы сделать это загораться?

Ответ на самом деле очень прост.Представьте себе кабели бегущий между лампой и стеной, набитой электронами. Когда Вы щелкаете выключателем, все электроны заполняют кабель вибрировать взад-вперед в нити накала лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и делает свечение лампочки. Электроны не обязательно должны бегать по кругу, чтобы переносить энергию: в АС они просто “бегут на месте”.

Анимация: В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока? Предположим, вам нужно пропылесосить комнату.Прямой ток немного похож на движение от одной стороны к другой по прямой линии; переменный ток похож на движение вперед и назад по место. Оба выполняют свою работу, хотя и немного по-разному!

Что такое инвертор?

Одно из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса компании «Вестингауз Электрик Компани») заключается в том, что Большинство приборов, которые есть в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, которые нуждаются в постоянном токе, но должны потреблять энергию от розеток переменного тока требуется дополнительное оборудование, называемое выпрямителем, обычно строятся из электронных компонентов, называемых диоды для преобразования переменного тока в постоянный.

Инвертор выполняет противоположную работу, и его довольно легко понять суть того, как это работает. Предположим, у вас есть батарея в фонарик и переключатель замкнут, поэтому постоянный ток течет по цепи, всегда в одном направлении, как гоночный автомобиль на трассе. Что теперь если вынуть батарею и перевернуть. Предполагая, что это соответствует в противном случае он почти наверняка по-прежнему будет питать фонарик, и вы не заметите никакой разницы в свете, который вы получаете, но электрический ток на самом деле будет течь в противоположном направлении.Предположим, вы имели молниеносные руки и были достаточно ловки, чтобы продолжать батареи 50-60 раз в секунду. Тогда вы были бы своего рода механическим инвертор, превращающий постоянный ток батареи в переменный с частотой 50–60 герц.

Фото: Типичный электроинвертор. Этот сделан Xantrex/Trace Engineering. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (DoE/NREL).

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в магазинах электротоваров, не совсем работают. таким образом, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые включаются и выключаются на высокой скорости, чтобы изменить направление тока направление.Подобные инверторы часто производят то, что известно как прямоугольный выходной сигнал: ток течет либо в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями:

Такие внезапные перепады напряжения весьма опасны для некоторых видов электрооборудования. В обычном источнике переменного тока ток постепенно переключается с одного направления на другое по синусоидальной схеме, например:

Электронные инверторы могут использоваться для получения такого плавно изменяющегося выходного переменного тока от вход постоянного тока.В них используются электронные компоненты, называемые катушками индуктивности и конденсаторы для постепенного увеличения и уменьшения выходного тока чем резкое включение/выключение выходного прямоугольного сигнала, который вы получаете с базовый инвертор.

Инверторы также можно использовать с трансформаторами для изменения Входное напряжение постоянного тока в совершенно другое выходное напряжение переменного тока (либо выше, либо ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше чем входная мощность: из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не могут отдать больше энергии, чем потребляют в и некоторая энергия неизбежно будет потеряна в виде тепла, когда электричество течет через различные электрические и электронные компоненты.В На практике КПД инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что некоторая энергия — пусть даже небольшая — всегда куда-то пропало!

Как работает инвертор?

Мы только что сделали очень общий обзор инверторов, а теперь давайте еще раз кратко рассмотрим его. немного подробнее.

Представьте, что вы батарея постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас произвести AC вместо этого. Как бы вы это сделали? Если все ток, который вы производите, течет в одном направлении, как насчет добавления просто переключиться на выходной провод? Включение и выключение тока, очень быстро, давал бы импульсы постоянного тока, что хотя бы половину работы.Чтобы сделать правильный переменный ток, вам понадобится переключатель, который позволил полностью реверсировать ток и сделать это примерно на 50‐60 раз каждую секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, меняющую свои контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту. Вот какая аккуратная работа пальцами вам понадобится!

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку подключен к электрическому трансформатору. Если вы изучили нашу статья о трансформаторах, вы знаете, что они электромагнитные устройства, преобразующие переменный ток низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения или наоборот, с помощью двух катушек проволоки (называемых первичной и вторичной), намотанных вокруг общего железного ядра.В механическом инверторе либо электродвигатель или какой-либо другой автоматический механизм переключения, переключающий входящий постоянный ток туда и обратно в первичном, просто перевернув контакты, и это создает переменный ток во вторичном, поэтому он не так сильно отличается от воображаемого инвертора, который я набросал над. Коммутационное устройство работает примерно так же, как и в электрический дверной звонок. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, потянув его открыть и выключив его на очень короткое время.Пружина тянет за обратно в положение, снова включив его и повторив процесс — снова и снова.

Анимация: Основная концепция электромеханического инвертора. Постоянный ток подается на первичную обмотку (розовые зигзагообразные провода с левой стороны) тороидального трансформатора (коричневый пончик) через вращающуюся пластину (красная и синяя) с перекрестными соединениями. Когда пластина вращается, она многократно переключает соединения с первичной обмоткой, поэтому на вход трансформатора поступает переменный ток вместо постоянного.Это повышающий трансформатор с большим количеством витков во вторичной обмотке (желтый зигзаг, правая сторона), чем в первичной, поэтому он повышает небольшое входное напряжение переменного тока до большего выходного переменного тока. Скорость, с которой вращается диск, определяет частоту переменного тока на выходе. Большинство инверторов не работают так; это просто иллюстрирует концепцию. Инвертор, настроенный таким образом, будет давать очень грубый прямоугольный сигнал на выходе.

Типы инверторов

Если вы просто включите и выключите постоянный ток или перевернете его обратно и вперед, так что его направление продолжает меняться, то, что вы в конечном итоге получите, очень резкие изменения тока: все в одну сторону, все в другую направлении и обратно.Нарисуйте график силы тока (или напряжения) против времени, и вы получите прямоугольную волну. Хотя электричество варьируется таким образом, технически , переменный ток, это совсем не то, что переменный ток поставляемый в наши дома, который изменяется в гораздо более плавной волнистая синусоида). В общем, здоровенный бытовая техника в наших домах, использующая грубую энергию (например, электрическая обогреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники) все равно какую форму волны они получают: все, что им нужно, это энергия и много это – так что прямоугольные волны действительно не беспокоят их.Электронные устройства, вкл. с другой стороны, гораздо более суетливы и предпочитают более плавный ввод они получаются из синусоиды.

Надпись: Никола Тесла. Хотя он выиграл войну токов, его соперника Томаса Эдисона до сих пор помнят как первооткрывателя электроэнергии. Гравюра Теслы на дереве работы Саронга, около 1906 г., любезно предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США.

Это объясняет, почему инверторы бывают двух разных видов: инверторы с истинной / чистой синусоидой (часто сокращается до PSW) и модифицированные/квазисинусоидальные инверторы (сокращенно MSW).В виде их название предполагает, что настоящие инверторы используют то, что называется тороидальным (бубликообразные) трансформаторы и электронные схемы для преобразования постоянного тока в плавно меняющийся переменный ток очень похоже на подлинную синусоиду, обычно поставляемую в наши дома. Их можно использовать для питания любых устройств переменного тока от источника постоянного тока. источника, включая телевизоры, компьютеры, видеоигры, радиоприемники и стереосистемы.

Модифицированные синусоидальные инверторы, с другой стороны, используют относительно недорогая электроника (тиристоры, диоды и другие простые компоненты) для производят своего рода «закругленную» прямоугольную волну (гораздо более грубую приближение к синусоиде) и хотя они подходят для доставки мощность здоровенным электроприборам, они могут вызывать и вызывают проблемы с тонкой электроникой (или что-нибудь с электронным или микропроцессорным контроллером), так что, как правило, это означает, что они не подходят для таких вещей, как ноутбуки, медицинское оборудование, цифровое часы и умные домашние устройства.Также, если подумать, их закругленная площадь волны обеспечивают большую мощность для устройства в целом, чем чистая синусоида (площадь под квадратом больше, чем под кривой). Это делает их менее эффективными и потерянная мощность, рассеиваемая в виде тепла, означает, что существует некоторый риск перегрева инверторов MSW. С положительной стороны, они, как правило, немного дешевле, чем настоящие инверторы.

Изображение: модифицированная синусоида (MSW, зеленый) больше похожа на синусоиду (синяя), чем на прямоугольную (оранжевая), но все же включает внезапные резкие изменения тока.Чем больше шагов в модифицированной синусоиде, тем ближе она приближается к идеализированная форма истинной синусоиды.

Хотя многие инверторы работают как автономные блоки с аккумулятором, они полностью независимы от сети, другие (известные как интерактивные инверторы или инверторы, связанные с сетью ) специально разработан для постоянного подключения к сети; обычно они используются для передачи электричества от чего-то как солнечная панель обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.Это нормально, если ваша главная цель — генерировать собственную силу. это не так полезно если вы хотите иногда быть независимым от сетки или хотите резервный источник питания на случай отключения, ведь если ваш подключение к сети пропадает, и вы не производите электричество самостоятельно (например, сейчас ночь и ваши солнечные батареи не работают), инвертор тоже выходит из строя, и вы совершенно бессильны — настолько же беспомощны, насколько вы были бы вы генерировали свою собственную силу или нет.По этой причине некоторые люди используют бимодальные инверторы или двунаправленные инверторы , которые могут работать либо в автономном, либо в сетевом режиме (но не в обоих режимах одновременно). С у них есть дополнительные детали, они, как правило, более громоздкие и более дорого.

На что похожи инверторы?

Инверторы могут быть очень большими и тяжелыми, особенно если они имеют встроенный батарейные блоки, чтобы они могли работать автономно. Они тоже выделяют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы.Как вы можете видеть на нашей верхней фотографии, типичные размером с автомобильный аккумулятор или автомобильное зарядное устройство; более крупные единицы выглядят немного похоже на банк автомобильных аккумуляторов в вертикальной стопке. Самые маленькие инверторы больше переносные коробки размером с автомобильный радиоприемник, которые можно вставить в прикуриватель розетка для производства переменного тока для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Фото: Микроинверторы — это небольшие компактные инверторы, обычно используемые для преобразования выходного постоянного тока одной фотоэлектрической солнечной панели в переменный ток, который можно подавать прямо в энергосистему.Другими словами, каждая панель имеет свой микроинвертор. На этой фотографии показаны шесть микроинверторов Enphase IQ 6, проходящих испытания в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL). Они подключены к Интернету, что означает, что вы можете отслеживать их работу через веб-браузер. и отследить, как он меняется со временем. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL.

Точно так же, как электроприборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности. в мощности, которую они производят. Как правило, на всякий случай нужен инвертор номиналом примерно на четверть выше максимальной мощности устройства, которым вы хотите управлять.Это допускает тот факт, что некоторые бытовые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют пиковую мощность при первом включении. Пока инверторы могут обеспечивать пиковую мощность в течение коротких периодов времени, это важно отметить, что они на самом деле не предназначены для работы на пике мощность в течение длительного времени.

Как инверторы преобразуют постоянный ток в переменный?

Одно из самых значительных сражений 19 века велось не за землю или ресурсы, а за установление типа электричества который питает наши здания.

В самом конце 1800-х годов американские электрические пионер Томас Эдисон (1847–1931) изо всех сил старался продемонстрировать что постоянный ток (DC) был лучшим способом подачи электроэнергии мощность, чем переменный ток (AC), система, поддерживаемая его заклятый соперник Никола Тесла (1856–1943). Эдисон испробовал все виды изощренные способы убедить людей, что переменный ток слишком опасен, от убить слона электрическим током, чтобы (довольно хитро) поддержать использование AC на электрическом стуле за вынесение смертного приговора.Несмотря на это, Система Теслы победила, и мир в значительной степени работает на переменном токе. власть с тех пор.

Единственная проблема в том, что многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, небольшие электрогенераторы часто производят постоянный ток. Тот означает, что если вы хотите запустить что-то вроде устройства с питанием от переменного тока от Автомобильный аккумулятор постоянного тока в мобильном доме, вам нужно устройство, которое будет преобразовывать Преобразователь постоянного тока в переменный — так называемый инвертор. Давайте поближе посмотрите на эти гаджеты и узнайте, как они работают!

На фото: подборка электрических инверторов, которые можно использовать с оборудованием для производства возобновляемой энергии, например солнечными батареями и микроветряными турбинами.Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерство энергетики США/NREL (DoE/NREL).

В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока?

Когда учителя естественных наук объясняют нам основную идею электричества как поток электронов обычно говорят о прямом ток (постоянный). Мы узнаем, что электроны работают как линия муравьев, марширующих вместе с пакетами электрической энергии в одном и том же как муравьи переносят листья. Это достаточно хорошая аналогия для что-то вроде обычного фонарика, где у нас есть схема ( непрерывная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель и электрическая энергия систематически передается от батареи к лампу, пока вся энергия батареи не будет исчерпана.

В более крупных бытовых приборах электричество работает по-другому. Источник питания, поступающий от розетки в вашей стене, основан на переменный ток (AC), где электричество переключается направлении примерно 50–60 раз в секунду (другими словами, при частота 50–60 Гц). Может быть трудно понять, как AC обеспечивает энергия, когда она постоянно меняет свое мнение о том, куда она идет! Если электроны, выходящие из розетки, получают, скажем, несколько миллиметров вниз по кабелю, затем нужно изменить направление и вернуться опять же, как они вообще добираются до лампы на вашем столе, чтобы сделать это загораться?

Ответ на самом деле очень прост.Представьте себе кабели бегущий между лампой и стеной, набитой электронами. Когда Вы щелкаете выключателем, все электроны заполняют кабель вибрировать взад-вперед в нити накала лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и делает свечение лампочки. Электроны не обязательно должны бегать по кругу, чтобы переносить энергию: в АС они просто “бегут на месте”.

Анимация: В чем разница между электричеством постоянного и переменного тока? Предположим, вам нужно пропылесосить комнату.Прямой ток немного похож на движение от одной стороны к другой по прямой линии; переменный ток похож на движение вперед и назад по место. Оба выполняют свою работу, хотя и немного по-разному!

Что такое инвертор?

Одно из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса компании «Вестингауз Электрик Компани») заключается в том, что Большинство приборов, которые есть в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, которые нуждаются в постоянном токе, но должны потреблять энергию от розеток переменного тока требуется дополнительное оборудование, называемое выпрямителем, обычно строятся из электронных компонентов, называемых диоды для преобразования переменного тока в постоянный.

Инвертор выполняет противоположную работу, и его довольно легко понять суть того, как это работает. Предположим, у вас есть батарея в фонарик и переключатель замкнут, поэтому постоянный ток течет по цепи, всегда в одном направлении, как гоночный автомобиль на трассе. Что теперь если вынуть батарею и перевернуть. Предполагая, что это соответствует в противном случае он почти наверняка по-прежнему будет питать фонарик, и вы не заметите никакой разницы в свете, который вы получаете, но электрический ток на самом деле будет течь в противоположном направлении.Предположим, вы имели молниеносные руки и были достаточно ловки, чтобы продолжать батареи 50-60 раз в секунду. Тогда вы были бы своего рода механическим инвертор, превращающий постоянный ток батареи в переменный с частотой 50–60 герц.

Фото: Типичный электроинвертор. Этот сделан Xantrex/Trace Engineering. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (DoE/NREL).

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в магазинах электротоваров, не совсем работают. таким образом, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые включаются и выключаются на высокой скорости, чтобы изменить направление тока направление.Подобные инверторы часто производят то, что известно как прямоугольный выходной сигнал: ток течет либо в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями:

Такие внезапные перепады напряжения весьма опасны для некоторых видов электрооборудования. В обычном источнике переменного тока ток постепенно переключается с одного направления на другое по синусоидальной схеме, например:

Электронные инверторы могут использоваться для получения такого плавно изменяющегося выходного переменного тока от вход постоянного тока.В них используются электронные компоненты, называемые катушками индуктивности и конденсаторы для постепенного увеличения и уменьшения выходного тока чем резкое включение/выключение выходного прямоугольного сигнала, который вы получаете с базовый инвертор.

Инверторы также можно использовать с трансформаторами для изменения Входное напряжение постоянного тока в совершенно другое выходное напряжение переменного тока (либо выше, либо ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше чем входная мощность: из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не могут отдать больше энергии, чем потребляют в и некоторая энергия неизбежно будет потеряна в виде тепла, когда электричество течет через различные электрические и электронные компоненты.В На практике КПД инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что какая-то энергия — пусть даже небольшая — всегда куда-то пропало!

Как работает инвертор?

Мы только что сделали очень общий обзор инверторов, а теперь давайте еще раз кратко рассмотрим его. немного подробнее.

Представьте, что вы батарея постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас произвести AC вместо этого. Как бы вы это сделали? Если все ток, который вы производите, течет в одном направлении, как насчет добавления просто переключиться на выходной провод? Включение и выключение тока, очень быстро, будет давать импульсы постоянного тока, что будет хотя бы половину работы.Чтобы сделать правильный переменный ток, вам понадобится переключатель, который позволил полностью реверсировать ток и сделать это примерно на 50‐60 раз каждую секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, меняющую свои контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту. Вот какая аккуратная работа пальцами вам понадобится!

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку подключен к электрическому трансформатору. Если вы изучили нашу статья о трансформаторах, вы знаете, что они электромагнитные устройства, преобразующие переменный ток низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения или наоборот, с помощью двух катушек проволоки (называемых первичной и вторичной), намотанных вокруг общего железного ядра.В механическом инверторе либо электродвигатель или какой-либо другой автоматический механизм переключения, переключающий входящий постоянный ток туда и обратно в первичном, просто перевернув контакты, и это создает переменный ток во вторичном, поэтому он не так сильно отличается от воображаемого инвертора, который я набросал над. Коммутационное устройство работает примерно так же, как и в электрический дверной звонок. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, потянув его открыть и выключив его на очень короткое время.Пружина тянет за обратно в положение, снова включив его и повторив процесс — снова и снова.

Анимация: Основная концепция электромеханического инвертора. Постоянный ток подается на первичную обмотку (розовые зигзагообразные провода с левой стороны) тороидального трансформатора (коричневый пончик) через вращающуюся пластину (красная и синяя) с перекрестными соединениями. Когда пластина вращается, она многократно переключает соединения с первичной обмоткой, поэтому на вход трансформатора поступает переменный ток вместо постоянного.Это повышающий трансформатор с большим количеством витков во вторичной обмотке (желтый зигзаг, правая сторона), чем в первичной, поэтому он повышает небольшое входное напряжение переменного тока до большего выходного переменного тока. Скорость, с которой вращается диск, определяет частоту переменного тока на выходе. Большинство инверторов не работают так; это просто иллюстрирует концепцию. Инвертор, настроенный таким образом, будет давать очень грубый прямоугольный сигнал на выходе.

Типы инверторов

Если вы просто включите и выключите постоянный ток или перевернете его обратно и вперед, так что его направление продолжает меняться, то, что вы в конечном итоге получите, очень резкие изменения тока: все в одну сторону, все в другую направлении и обратно.Нарисуйте график силы тока (или напряжения) против времени, и вы получите прямоугольную волну. Хотя электричество варьируется таким образом, технически , переменный ток, это совсем не то, что переменный ток поставляемый в наши дома, который изменяется в гораздо более плавной волнистая синусоида). В общем, здоровенный бытовая техника в наших домах, использующая грубую энергию (например, электрическая обогреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники) все равно какую форму волны они получают: все, что им нужно, это энергия и много это – так что прямоугольные волны действительно не беспокоят их.Электронные устройства, вкл. с другой стороны, гораздо более суетливы и предпочитают более плавный ввод они получаются из синусоиды.

Надпись: Никола Тесла. Хотя он выиграл войну токов, его соперника Томаса Эдисона до сих пор помнят как первооткрывателя электроэнергии. Гравюра Теслы на дереве работы Саронга, около 1906 г., любезно предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США.

Это объясняет, почему инверторы бывают двух разных видов: инверторы с истинной / чистой синусоидой (часто сокращается до PSW) и модифицированные/квазисинусоидальные инверторы (сокращенно MSW).В виде их название предполагает, что настоящие инверторы используют то, что называется тороидальным (бубликообразные) трансформаторы и электронные схемы для преобразования постоянного тока в плавно меняющийся переменный ток очень похоже на подлинную синусоиду, обычно поставляемую в наши дома. Их можно использовать для питания любых устройств переменного тока от источника постоянного тока. источника, включая телевизоры, компьютеры, видеоигры, радиоприемники и стереосистемы.

Модифицированные синусоидальные инверторы, с другой стороны, используют относительно недорогая электроника (тиристоры, диоды и другие простые компоненты) для производят своего рода «закругленную» прямоугольную волну (гораздо более грубую приближение к синусоиде) и хотя они подходят для доставки мощность здоровенным электроприборам, они могут вызывать и вызывают проблемы с тонкой электроникой (или что-нибудь с электронным или микропроцессорным контроллером), так что, как правило, это означает, что они не подходят для таких вещей, как ноутбуки, медицинское оборудование, цифровое часы и умные домашние устройства.Также, если подумать, их закругленная площадь волны обеспечивают большую мощность для устройства в целом, чем чистая синусоида (площадь под квадратом больше, чем под кривой). Это делает их менее эффективными и потерянная мощность, рассеиваемая в виде тепла, означает, что существует некоторый риск перегрева инверторов MSW. С положительной стороны, они, как правило, немного дешевле, чем настоящие инверторы.

Изображение: модифицированная синусоида (MSW, зеленый) больше похожа на синусоиду (синяя), чем на прямоугольную (оранжевая), но все же включает внезапные резкие изменения тока.Чем больше шагов в модифицированной синусоиде, тем ближе она приближается к идеализированная форма истинной синусоиды.

Хотя многие инверторы работают как автономные блоки с аккумулятором, они полностью независимы от сети, другие (известные как интерактивные инверторы или инверторы, связанные с сетью ) специально разработан для постоянного подключения к сети; обычно они используются для передачи электричества от чего-то как солнечная панель обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.Это нормально, если ваша главная цель — генерировать собственную силу. это не так полезно если вы хотите иногда быть независимым от сетки или хотите резервный источник питания на случай отключения, ведь если ваш подключение к сети пропадает, и вы не производите электричество самостоятельно (например, сейчас ночь и ваши солнечные батареи не работают), инвертор тоже выходит из строя, и вы совершенно бессильны — настолько же беспомощны, насколько вы были бы вы генерировали свою собственную силу или нет.По этой причине некоторые люди используют бимодальные инверторы или двунаправленные инверторы , которые могут работать либо в автономном, либо в сетевом режиме (но не в обоих режимах одновременно). С у них есть дополнительные детали, они, как правило, более громоздкие и более дорого.

На что похожи инверторы?

Инверторы могут быть очень большими и тяжелыми, особенно если они имеют встроенный батарейные блоки, чтобы они могли работать автономно. Они тоже выделяют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы.Как вы можете видеть на нашей верхней фотографии, типичные размером примерно с автомобильный аккумулятор или автомобильное зарядное устройство; более крупные единицы выглядят немного похоже на банк автомобильных аккумуляторов в вертикальной стопке. Самые маленькие инверторы больше переносные коробки размером с автомобильный радиоприемник, которые можно вставить в прикуриватель розетка для производства переменного тока для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Фото: Микроинверторы — это небольшие компактные инверторы, обычно используемые для преобразования выходного постоянного тока одной фотоэлектрической солнечной панели в переменный ток, который можно подавать прямо в энергосистему.Другими словами, каждая панель имеет свой микроинвертор. На этой фотографии показаны шесть микроинверторов Enphase IQ 6, которые проходят испытания в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL). Они подключены к Интернету, что означает, что вы можете отслеживать их работу через веб-браузер. и отследить, как он меняется со временем. Фото Денниса Шредера предоставлено NREL.

Точно так же, как электроприборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности. в мощности, которую они производят. Как правило, на всякий случай нужен инвертор номиналом примерно на четверть выше максимальной мощности устройства, которым вы хотите управлять.Это допускает тот факт, что некоторые бытовые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют пиковую мощность при первом включении. Пока инверторы могут обеспечивать пиковую мощность в течение коротких периодов времени, это важно отметить, что они на самом деле не предназначены для работы на пике мощность в течение длительного времени.

Инвертор источника тока — обзор

Инвертор источника тока (CSI)

Термин «инвертор источника тока» уже использовался для описания силовой цепи, показанной на рис.9.24, поэтому пришло время объяснить, что означает этот термин.

Это может быть излишним, но мы начнем с того, что подчеркнем, что термин «инвертор источника тока» не означает, что ток в звене никогда не изменяется, как это может сказать читатель, знакомый с источниками тока в других контекстах, особенно при малой мощности. электроника, можно подумать. В данном контексте это означает, что при нормальных рабочих условиях ток звена не может изменяться быстро, то есть незначительно в течение одного полного периода кривой тока двигателя, даже при самой низкой рабочей скорости.Читатель не удивится, узнав, что катушка индуктивности играет центральную роль в достижении такого положения дел.

Мы уже много раз говорили в этой книге, что индуктивность в цепи приводит к тому, что форма волны тока становится намного более гладкой, чем форма волны напряжения (см., например, рис. 8.10), и что чем больше индуктивность, тем более плавной является сила тока. Нам нужно вспомнить, что напряжение на катушке индуктивности связано с током через нее уравнением

v=Ldidtordidt=vL

i.е. скорость изменения тока пропорциональна разности напряжений и обратно пропорциональна индуктивности.

Форма сигнала выпрямленного выходного напряжения выпрямителя со стороны питания обычно будет такой, как показано (слева) на рис. 9.26, на котором показан потенциал верхней части преобразователя (т. е. на левом конце индуктивности) по отношению к нижняя часть постоянного тока связь. Он имеет значительные пульсации в шесть раз выше частоты сети, а среднее напряжение (постоянного тока) составляет (В s ).

В то же время преобразователь со стороны двигателя (который подключен вверх ногами) инвертирует, и потенциал правого конца индуктора будет таким, как показано справа на рис. 9.26; среднее напряжение (постоянного тока) равно (В м ). Обратите внимание, что всякий раз, когда мы хотим, чтобы ток звена был постоянным, первое требование состоит в том, чтобы среднее напряжение на катушке индуктивности было равно нулю, что означает, что V s должно быть равно V m , т.е. напряжение одинаковое для обоих преобразователей.Контроллер тока будет регулировать угол включения выпрямителя со стороны питания, чтобы добиться этого. (На практике разница напряжений будет небольшой из-за сопротивления катушки индуктивности.)

Мгновенное напряжение на индуктивности представляет собой разницу между двумя сигналами на рис. 9.26. Найти разницу было бы сложно, потому что две формы волны не синхронизированы во времени, но мы можем видеть, что на катушке индуктивности будут значительные напряжения, не в последнюю очередь внезапные ступенчатые изменения в результате каждой коммутации преобразователя питания.Если бы не было индуктивности, то, следовательно, были бы огромные ступенчатые изменения тока в цепи и резкие колебания крутящего момента двигателя. Следовательно, нам нужно решить, какой «пульсирующий» ток мы можем выдержать, и соответственно выбрать катушку индуктивности. На практике для большинства применений типична пиковая пульсация, скажем, 5% от номинального тока.

Выбрав индуктор для подавления пульсаций тока, неизбежно, что когда мы хотим повысить или понизить средний ток для изменения крутящего момента, индуктор будет препятствовать нашим усилиям, и реакция контура управления током будет более вялый.К счастью, в больших двигателях мы обычно не стремимся к управлению крутящим моментом с высокой пропускной способностью, поэтому компромисс приемлем.

Причина для описания «текущий источник» теперь должна быть более ясной. Несмотря на переключение тока в звене с одной фазы на другую, в котором мгновенная Э.Д.С. сильно отличается, ток в звене остается более или менее неизменным, так что создается впечатление, что ток в звене не зависит от нагрузки, которую мы ему предъявляем.

Защита инвертора от пускового тока | Амерем

Защита инвертора от пускового тока

Автор: Мехди Самии
Кошик Дас

Инверторы

Инверторы — это электрические системы, которые обеспечивают переменное напряжение (выход переменного тока) при подключении к источнику постоянного тока.Инверторы доступны в двух вариантах: трехфазные и однофазные. Эти инверторы также известны как зарядные устройства для аккумуляторов со статической частотой или приводы с регулируемой частотой.

Пусковой ток в инверторах

Распространенная неисправность инверторов — перегрузка инвертора из-за пускового тока. Это связано с тем, что большинство инверторов спроектированы с минимальным сопротивлением для повышения их эффективности и минимизации тепловых потерь.

 

Компонент инвертора Причина отказа
Отказ электролитических конденсаторов Напряжение тока и напряжения
Сварка контакторов Пусковой ток
Отказ мостовых выпрямителей Пусковые токи выше указанного номинала

 

 

Причина отказа пускового тока:

Состояние перегрузки произойдет, даже если вы включите три прибора, один за другим, подключенных к инвертору.

Рассмотрим следующее:

  • Инвертор мощностью 1000 Вт (точнее, инвертор мощностью 1500 Вт с общей перегрузочной способностью 50 %)
  • Три стандартных электроприбора, такие как холодильник мощностью 300 Вт, ЖК-телевизор мощностью 300 Вт и компьютер мощностью 300 Вт. Суммарная нагрузка для этих приборов: 900 Вт.
  • Инвертор мощностью 1000 Вт полностью подходит для работы трех вышеуказанных устройств

Состояние перегрузки происходит из-за энергии, необходимой для запуска.Но пусковой или пусковой ток для каждого устройства может достигать 900 Вт или в 3 раза превышать номинальную мощность.

 

Инвертор перегружается в следующем сценарии:

  • Шаг 1: Если мы включим первый прибор, нагрузка составит 900 Вт, что меньше номинальной мощности инвертора. Таким образом, ситуация перегрузки не возникает
  • Шаг 2: При переключении второго устройства общая необходимая мощность будет следующей: Первое устройство 300 Вт + второе устройство 900 Вт = 1200 Вт.Ситуации перегрузки не наблюдается.
  • Шаг 3. При переключении третьего прибора общая мощность будет следующей:
    1-й прибор 300 Вт + 2-й прибор 300 Вт + 3-й прибор 900 Вт = 1500 Вт

Обратите внимание, что возникает состояние перегрузки, как только к инвертору подключается третий прибор.

См. (а) на рис. 1 ниже.

 


фигура 1

Решение — ограничитель пускового тока

Используйте термистор ограничения пускового тока (см. рис. 1(b).) для решения сценария перегрузки примера проблемы:

  • В соответствии с этапом 3 выше, необходимая мощность инвертора, включая условия перегрузки > 1500 Вт
  • Поскольку максимально допустимая выходная мощность составляет 1000 Вт
  • Допустимый ток: 8,0 А, 50 # 2 при 120 В
  • Нормальный непрерывный ток на прибор = 300 Вт/120 В = 2,50 А
  • Из-за пускового тока = 2,50 А x 3 = 7,50 А
  • Продолжительность пускового тока = один цикл = 1 x 1/50 с = 0,02 с
  • Энергия термистора = 120В x 7.50А 0,02 сек = 18,0 Дж
  • Примечание. Упомянутая выше потребность в энергии необходима для того, чтобы справиться без самоуничтожения.
  • Итак, для трех приборов, которые включаются одновременно, нам потребуется 3,0 х 18,0 Дж = 54 Дж
  • Минимальное сопротивление: 120 В x 1,414/8,0 А = 21,21 Ом
    (Это гарантирует, что ток не превышает 8,0 А.)
  • Итак, если предположить, что температура окружающей среды равна 50°C, минимальное сопротивление = 40 Ом, то мы можем повторно подключить


Ametherm предлагает два метода решения проблемы пускового тока:

Метод (а)

 


фигура 2

 

В приведенной выше схеме (рис. 2)

  • NTC = SL 22S0004 (50 Ом, 4.0 А, 75 Дж), UL (E204153), CSA (CA40663) используются для обхода перенапряжения через одну секунду.
  • Обратите внимание, что ограничитель пускового тока NTC не влияет на эффективность инвертора, поскольку реле также защищено от пускового тока термистором. Термистор будет проводить через реле с эффективностью потери тока 99,2%.
Метод (б)

Как показано на рис. 3, выберите Ametherm P/N: MS3220008 x 2, чтобы обеспечить 40 Ом, 10 А, 500 Дж.


Рисунок 3
  • КПД C 8,0 A = I2R = 14,1 Вт потери из-за термистора
  • RC 8,0 А = 0,22
  • КПД = 985,90/1000 Вт = 98,6%

Вывод: метод (b) более экономичен

Цепи инвертора с термисторами

Простые термисторы

NTC показаны ниже в следующих трех схемах: Рис. 4, 5 и Рис. 6.
Эти термисторы минимизируют влияние пускового тока на такие компоненты, как мостовые или промежуточные конденсаторы.

Схема

— классические схемы инвертора с ограничителями пускового тока NTC


Рисунок 4

Схема — частотное зарядное устройство с ограничителями пускового тока


Рисунок 5

Схема — частотно-регулируемый привод

Рисунок 6

 

                                                                     

 

Каталожные номера

  • Звуковые продукты Эллиота
  • Продукты Sinetech Advanced Power
  • Публикация Rockwell Automation PFLEX_A700lk_EN_P Сентябрь 2011 г.
  • Патент США 2003/0150369A1

 

Преобразование постоянного тока в переменный

: как инверторы преобразуют постоянный ток в переменный?

Поскольку Война Токов неофициально закончилась в 19 -м веке, переменный ток (AC) стал окончательным победителем, так как крупные контракты были предоставлены разработчикам AC.

Однако окончание войны не означало конца постоянного тока (DC), так как этот ток до сих пор существует в различной электронике: аккумуляторы, фотоэлектрические (PV) системы – практически везде.

В домах, использующих батареи или фотоэлектрические системы, требуются инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный. Преобразование постоянного тока в переменный является одним из наиболее важных вопросов в жилых, коммерческих и даже промышленных фотоэлектрических системах.

В этой статье вы узнаете о взаимосвязи между постоянным и переменным током, чем они отличаются и зачем они нужны.

Кроме того, вы узнаете о лучших инверторах.

Предисловие

Мы вложили много труда в разработку, исследование, написание, редактирование и рецензирование этих статей. Пожалуйста, поддержите нас, совершив покупку по одной из партнерских ссылок, указанных в этом посте.

DIY Solar Blueprints профессиональный дизайн

Мы знаем, насколько страшной может быть работа с электричеством, поэтому наш старший инженер-электрик разработал 3 надежные схемы подключения солнечных панелей специально для вас!


DC против.АС: В чем отличия?

Существует две формы электричества – переменный ток (AC) и постоянный ток (DC). Одно не лучше другого, так как оба необходимы.

Здесь мы объясним каждый из них и чем они отличаются друг от друга.

Как работает постоянный ток?

Постоянный ток — это линейный тип электрического тока — он движется по прямой линии/течет в одном направлении.

Этот ток движется от положительного полюса к отрицательному, в то время как электроны производят электричество, двигаясь от отрицательного к положительному.

Для постоянного тока положительные и отрицательные полюса всегда остаются одинаковыми.

Постоянный ток питает приборы с чувствительными электронными схемами, которым требуется простой и постоянный ток, протекающий в одном направлении.

В настоящее время этот тип тока питает мобильные телефоны, компьютеры и большую часть другой электроники.

Как работает переменный ток?

AC — это ток, который постоянно меняет свой поток между положительной и отрицательной клеммами.

Это означает, что электроны также изменяют свой поток, переходя от отрицательного конца к положительному при изменении полярности.

Скорость, с которой переменный ток меняет полярность и совершает несколько циклов за одну секунду, называется частотой и измеряется в герцах (Гц).

AC может поставляться в различных формах, как показано на рисунке выше. Бывают треугольные, квадратные, синусоидальные, и сложные волны с.

Стандартный переменный ток

, используемый в домах США, представляет собой чистую синусоидальную волну с амплитудой 120 В и частотой 60 Гц.


Различия между DC и AC

DC и AC сильно отличаются.В то время как положительные и отрицательные клеммы остаются одинаковыми для постоянного тока, это не то же самое для переменного тока, поскольку полярность постоянно меняется с положительной на отрицательную.

Энергия постоянного тока однонаправлена ​​и не меняется во времени, тогда как переменный ток двунаправлен, причем направление и величина волны меняются во времени.

Большинство устройств постоянного тока работают при низком напряжении 5 В, 12 В или до 24 В, в то время как устройства переменного тока обычно работают при более высоком напряжении 120–240 В.


Как работает преобразование постоянного тока в переменный?

Понимание того, как работает преобразование постоянного тока в переменный, важно для полного понимания того, как работает ваша фотоэлектрическая система.

Фотоэлектрические модули

генерируют энергию постоянного тока, а солнечные батареи также хранят энергию постоянного тока. Чтобы использовать эту энергию, вам необходимо преобразовать постоянный ток в переменный ток, необходимый для ваших приборов.

В прошлом инверторы преобразовывали постоянный ток в переменный, очень быстро переключая полярность выхода с положительной на отрицательную туда и обратно, создавая прямоугольную волну.

Инверторы

сначала увеличивают напряжение постоянного тока с помощью преобразователя постоянного тока, а затем создают прямоугольную волну.Выходная волна имеет повышенное напряжение с уменьшенным током, поддерживая выходную мощность, аналогичную входной.

Прямоугольные волны переменного тока

очень резкие и могут привести к повреждению некоторых чувствительных электронных устройств в вашем доме.

Чтобы решить эту проблему, производители изобрели выпрямительные устройства, которые изменяют волну, создавая так называемую модифицированную синусоиду (MSW).

MSW работает с обычными электроприборами более незаметно и может питать их, не причиняя вреда.

Хотя MSW лучше, чем прямоугольная волна, это все же не чистая синусоида, которая требуется для питания некоторых чувствительных электронных устройств.

Дальнейшие разработки в отрасли позволили создать схемы выпрямления, уступив место созданию чистых синусоидальных волн.

Благодаря инверторам с чистой синусоидой постоянного тока в переменный, солнечная технология, наконец, смогла преобразовывать генерируемую и хранимую энергию постоянного тока в полностью пригодную для использования энергию переменного тока для питания ваших приборов.

Создавая чистую синусоиду с амплитудой 110–120 В, солнечные инверторы могут обеспечить вас тем же типом энергии переменного тока, который вы получаете от электросетей, но используя 100% возобновляемую энергию.


Почему необходимо преобразование постоянного тока в переменный?

По сути, преобразование постоянного тока в переменный необходимо, поскольку для работы ваших приборов требуется синусоидальное напряжение 120 В. Большинство устройств просто спроектированы таким образом, поскольку переменный ток был нормой в течение нескольких десятилетий.

В 19 -м веке округ Колумбия пытался захватить власть, но AC давал больше преимуществ и в итоге победил. Это связано с тем, что транспортировка и преобразование энергии переменного тока стоит меньше, чем энергия постоянного тока, поэтому она стала мировым стандартом.

В настоящее время некоторые бытовые приборы используют как постоянный, так и переменный ток, но вам регулярно требуется переменный ток для питания ваших приборов. Вот почему у вас дома должен быть правильный преобразователь постоянного тока в переменный, позволяющий питать все ваши приборы правильным напряжением и волной переменного тока.


Какие инверторы лучше всего преобразуют постоянный ток в переменный?

Поиск лучших преобразователей постоянного тока в переменный требует времени и усилий.

Чтобы помочь вам выбрать, мы выбрали 5 лучших вариантов и рассмотрели их для вас.

Renogy 1000 Вт 12 В инвертор питания от батареи

Чистый синусоидальный инвертор Renogy мощностью 1000 Вт — это очень легкий и прочный инвертор, который можно использовать с батареями на 12 В.Этот инвертор имеет КПД более 90%, обеспечивая чистое синусоидальное напряжение 115 В при частоте 60 Гц. Этот инвертор может обеспечить постоянную выходную мощность 1000 Вт и пиковую выходную мощность 2000 Вт.

Инвертор имеет 2 розетки переменного тока и 1 порт USB. Оборудование оснащено системой защиты от отключения при низком напряжении (LVD), отключения при высоком напряжении (HVD), перегрузки по переменному току и перегрева. Инвертор также имеет защиту от замыкания на землю (GFCI).

Наиболее важные функции/характеристики

  • Оптимизирован для систем 12 В постоянного тока.
  • Защита от LVD, HDV, перегрузки по переменному току и перегрева.
  • Защита от замыканий на землю.
  • Пиковая мощность достигает 2000 Вт.
  • Включает 2 розетки переменного тока с чистой синусоидой (115 В).
  • Дополнительный пульт дистанционного управления Renogy в комплекте.
  • 1 год гарантии.

Инвертор мощности Krieger 1500 Вт

Krieger KR1500 — очень легкий и компактный преобразователь постоянного тока в переменный. Эта модель выводит модифицированную синусоиду, подаваемую через 2 розетки переменного тока, которые работают с максимальной постоянной мощностью 1500 Вт с дополнительными 10 Вт для портов USB.

Это устройство работает с выходным током 13 А с КПД 90%. Инвертор очень тихий из-за использования теплового вентилятора. Инвертор Krieger защищен от перегрузки по мощности, короткого замыкания постоянного тока, низкого напряжения, высокого напряжения, перегрузки по напряжению и перегрева.

Наиболее важные функции/характеристики

  • Может работать при напряжении 10,5–15,5 В постоянного тока.
  • Включает в себя 2 модифицированные синусоидальные розетки переменного тока (115 В/13 А).
  • Пульт дистанционного управления в комплекте.
  • Бесшумный инвертор.
  • Выдерживает максимальную пиковую выходную мощность 3000 Вт.
  • 3 года гарантии.

Renogy 2000 Вт, 12 В, инвертор питания от батареи

Произведенный одним из лучших брендов, инвертор Renogy мощностью 2000 Вт подходит для аккумуляторов большой емкости. Этот инвертор может использоваться для питания самых разных устройств, обеспечивая постоянную выходную мощность 2000 Вт или пиковую выходную мощность 4000 Вт.

Эта модель очень легкая, прочная и компактная, учитывая ее вместимость.Этот инвертор мощностью 2000 Вт очень безопасен в использовании, поскольку включает следующие системы защиты: LVD, HVD, защита от перегрузки по переменному току, перегрева и защита от короткого замыкания на землю. Эта модель включает в себя 1 порт USB и 3 розетки переменного тока с чистой синусоидой 115 В.

Наиболее важные функции/характеристики

  • Подходит для систем 12 В постоянного тока.
  • Защита от LVD, HDV, перегрузки по переменному току и перегрева.
  • Защита от замыканий на землю.
  • Пиковая выходная мощность составляет 4000 Вт.
  • Включает в себя 3 розетки переменного тока с чистой синусоидой (115 В).
  • Дополнительный пульт дистанционного управления в комплекте.
  • 1 год гарантии.

Giandel 2000 Вт постоянного тока в переменный ток чистая синусоида инвертор

Преобразователь постоянного тока Giandel в переменный ток с чистой синусоидой мощностью 2000 Вт представляет собой очень легкое устройство с бесшумной работой. Этот инвертор идеально подходит для установки с батареями и небольшими фотоэлектрическими системами. Оборудование может обеспечить выходную мощность 2000 Вт и пиковый скачок мощности 4000 Вт.

Этот преобразователь постоянного тока в переменный ток Giandel с чистой синусоидой имеет очень низкий коэффициент гармонических искажений (THD) менее 3% и общий КПД 90%. Модель включает защиту от перегрузки по переменному току, перегрева, имеет LVD и HVD.

Наиболее важные функции/характеристики

  • Оптимизирован для систем 24 В постоянного тока.
  • Он может выдавать пиковые импульсы до 4000 Вт.
  • Включает 2 розетки переменного тока с чистой синусоидой (110–120 В).
  • Включает защиту от перегрузки по переменному току, перегрева, LVD и HVD.
  • Защита от замыканий на землю.
  • 18-месячная гарантия.

Гроватт 3000 Вт (SPF 3000TL LVM-24P)

Инвертор мощности Growatt 3000 Вт представляет собой инвертор с чистой синусоидой 120 В переменного тока с КПД 93%. Это оборудование может обеспечить высокую постоянную выходную мощность 3000 Вт и пиковую мощность 6000 Вт. Эта модель работает не только как инвертор мощности, но и как контроллер заряда для приложений собственного потребления. Это делает его идеальным как для подключенных к сети, так и для автономных домов.

Вы можете настроить этот инвертор так, чтобы он отдавал приоритет питанию от сети или солнечной энергии, в зависимости от ваших потребностей. Это оборудование можно контролировать с помощью Wi-Fi или сети GPRS. Этот солнечный инвертор имеет параллельную мощность, что означает, что его можно установить с несколькими другими инверторами мощности Growatt 3000 Вт, чтобы либо увеличить выходную мощность, либо обеспечить две или три фазы в вашем доме.

Наиболее важные функции/характеристики

  • Параллельная емкость.
  • Встроенный контроллер заряда MPPT.
  • Вы можете отдать предпочтение сети или солнечным батареям.
  • Мониторинг через Wi-Fi/GPRS.
  • Обеспечивает пиковую мощность 6000 Вт.
  • Он может работать с максимальной мощностью фотоэлектрического массива 2000 Вт.
  • MPPT рабочее напряжение 30 -115В постоянного тока.
  • 5-летняя гарантия.

Заключительные мысли

Преобразование постоянного тока в переменный жизненно важно для фотоэлектрических систем и домов с аккумуляторами энергии. Наличие правильного инвертора солнечной энергии позволит вам питать ваши приборы с помощью правильного инвертора с чистой синусоидой.

Они должны иметь амплитуду 120 В и частоту 50–60 Гц, что требуется для большинства бытовых приборов.

При выборе солнечного инвертора для дома следует учитывать различные характеристики, технические характеристики и номинальную мощность по сравнению со стоимостью и потребностями вашего дома в электроэнергии.

Мы рекомендуем вам приобрести инвертор Renogy 1000 Вт или Krieger 15000 Вт для малых и средних систем, а также варианты мощностью 2000–3000 Вт для более крупных систем.

Как работают инверторы постоянного/переменного тока

Инверторы очень просты в установке.Большинство из них представляют собой устройства «подключи и работай», особенно инверторы меньшего размера с низким энергопотреблением. Эти инверторы имеют кабель с вилкой, которая подходит к прикуривателю вашего автомобиля или грузовика. Они предназначены для переноски, поэтому нет необходимости делать другие крепления.

Если вы покупаете инвертор, рассчитанный на более высокую мощность, правильная установка становится немного более важной. Ниже 400 Вт подключение к прикуривателю все еще возможно, но мощность выше этого требует прямого подключения к аккумулятору.Входные кабели инвертора имеют зажимы, которые можно прикрепить к клеммам аккумулятора, подобно набору соединительных кабелей. Если установка должна быть стационарной, кабели можно прикрепить к клеммам болтами. Сам инвертор можно монтировать где угодно, но он должен находиться в месте с хорошей вентиляцией. Инверторы выделяют достаточное количество тепла, и они используют охлаждающие вентиляторы и ребра рассеивания тепла для предотвращения перегрева. Более крупные и тяжелые инверторы имеют монтажные отверстия в корпусе, поэтому их можно прикрепить болтами к любой поверхности.Очевидно, что при постоянной установке вы, вероятно, захотите закрепить преобразователь болтами, но это не обязательно. Инвертор можно просто поставить в надежное и устойчивое положение, закрепить провода на аккумуляторе и подключить.

Как вообще выглядит инвертор? Что ж, самые маленькие инверторы могут поместиться в вашем кармане, в то время как модели с более высокой мощностью имеют размер и вес примерно как большой словарь. Общее правило: чем выше мощность, тем больше и тяжелее инвертор.В верхней части шкалы мощности инвертора некоторые инверторы могут иметь длину более двух футов и весить более 30 фунтов.

Современные инверторы имеют встроенные функции безопасности, которые еще больше упрощают их использование. Некоторые модели издают звуковой сигнал, когда напряжение батареи становится слишком низким. Это больше удобно, но в зависимости от того, какое оборудование вы подключаете, это также может быть ценной функцией безопасности. Инверторы обычно также имеют возможность автоматического отключения. Если устройство обнаружит перегрузку по току или перегрев, оно выключится, чтобы уменьшить или предотвратить вероятность возгорания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.