Принципы работы и сферы применения инверторов

Как известно, большинство бытовых приборов рассчитано на использование переменного тока напряжением 220 вольт, который подаётся обычной городской сетью. При аварийном отключении электричества все эти устройства, естественно, перестают работать. Это неудобно, но приемлемо, если речь идёт о фене, однако есть такое оборудование, которое останавливать нельзя. Поэтому и приходится устанавливать ИБП для котлов, серверов и другого важного оборудования. Частью системы бесперебойного питания являются инверторы. Эти устройства необходимы для превращения постоянного тока в переменный.

Принцип действия инвертора

Обычные аккумуляторные батареи создают в замкнутой цепи движение электронов, направление которого неизменно – от отрицательного полюса к положительному. Если очень быстро менять местами провода, присоединяя их то к одной клемме, то к другой, можно создать некое подобие переменного тока. По крайней мере, направление движения электронов в цепи действительно будет меняться. Но если нарисовать график такого тока – он крайне мало будет напоминать классическую синусоиду. Вместо этого будет виден резкий взлёт от нуля до максимума амплитуды, затем сразу отвесный обрыв назад к оси абсцисс, а после этого такая же «ступенька» вниз, к отрицательным значениям.

Другими словами, налицо будут грубые разнонаправленные импульсы. Их длительность, которая на графике выглядит как ширина «ступеньки», можно регулировать. Это превратит выглядящие хаотично всплески в аккуратные прямоугольники, то возвышающиеся над осью абсцисс, то уходящие под неё. Такой график уже больше похож на переменный ток, однако этого недостаточно. Чтобы образовалась синусоида, импульсы проходят через частотный фильтр, который пропускает лишь те из них, значения которых могут в итоге сформировать плавно поднимающуюся и опускающуюся кривую.

Конструкция инвертора

Первоначально создание знакопеременного напряжения в цепи обеспечивалось буквальным переключением проводов с одной клеммы на другую. Так действовали механические инверторы, которые иногда применяются и сейчас. Это довольно громоздкие устройства с низким КПД.

После развития полупроводниковых технологий появилась возможность обеспечивать смену полюсов без применения механических приспособлений. Для этого используются тиристоры, полупроводниковые приборы, действующие как электронные ключи. Возможно использование и другой элементной базы – транзисторов в сочетании с диодами. Тиристоры коммутируются сигналами управления, генерируемыми автоматически. В простейшем случае их источником может быть обыкновенное реле, действующее через строго определенные промежутки времени. В современных инверторах для создания управляющих импульсов используется программное обеспечение. Это даёт возможность варьировать частоту и амплитуду переменного тока.

Важной частью инвертора является преобразователь. Он повышает напряжение до требуемой величины, чаще всего от 12 вольт на выходе аккумулятора до 220 на входе в тиристорный мост. Преобразователи часто продаются также как отдельные устройства.

Инверторы с модифицированным и чистым синусом

Форма графика выходного напряжения после превращения постоянного тока в переменный зависит от того, были ли использованы частотные фильтры после широтно-импульсной модуляции, выполняемой при помощи перекоммутации тиристоров. Наиболее простые устройства дают на выходе так называемый «модифицированный синус». Это переменный ток, колебания напряжения которого отображаются на графике в виде прямоугольников.

Единственное преимущество инверторов с модифицированным синусом – дешевизна. Существуют нагрузки, для которых создаваемый ими ток вполне подходит (электродрели, резаки, даже компьютеры), но во многих случаях столь простая трансформация неприемлема. В некоторых случаях приборы, присоединенные к инвертору с модифицированным синусом, даже не включаются. А такие устройства, как холодильники, микроволновки, двигатели переменного тока или насосы будут работать недостаточно эффективно.

Таким образом, предпочтительнее выглядят инверторы с «чистым синусом», в которых выходной ток проходит предварительную частотную фильтрацию. Эти устройства, например, позволяют создать бесперебойное питание для газового котла и для многих других видов оборудования.

Высоко- и низкочастотные инверторы

Переменный ток, который подаётся по сети от электростанций, имеет стандартные параметры. Это напряжение 220 вольт и частота в 50 Герц (в США 60). Эти характеристики позволяют обеспечивать бытовые приборы необходимым для них количеством энергии. Такой же ток вырабатывается и низкочастотными инверторами. Частью конструкции этих приборов является трансформатор, довольно тяжелое и громоздкое устройство. Его роль довольно существенна. Во-первых, он обеспечивает постоянное поддержание мощности при прямом подключении. Во-вторых, он даёт возможность быстро зарядить аккумуляторы при обратном протекании тока (то есть при наличии напряжения в сети).

Основной недостаток низкочастотных инверторов – очень большой вес. Он увеличивается вместе с ростом мощности. Но если требуется подключить приборы, не расходующие много энергии, можно воспользоваться высокочастотными инверторами. Таковыми являются почти все автомобильные модели. Они способны, например, обеспечить питание небольшого пылесоса, ноутбука или компактной дрели. Частота создаваемого такими инверторами переменного тока может достигать 30 тысяч Герц. Вес такого устройства колеблется в диапазоне от одного до пяти килограммов, цены обычно невысоки. Вот только уже при подключении холодильника могут быть проблемы, поскольку мощности явно не хватает.

Использование инверторов в солнечной энергетике

Обычные электростанции генерируют переменный ток изначально, его требуется в дальнейшем только синхронизировать для передачи на расстояние. В то же время солнечные панели (которые также называют батареями) действуют совершенно иначе. Они создают постоянный ток высокого напряжения (от 200 до 600 вольт). В таком виде использовать его нельзя. Применяются специальные контроллеры, которые понижают напряжение тока. Эти приборы могут быть отдельными устройствами, или частью инвертора. Во втором случае монтажная схема солнечной электростанции несколько упрощается. Кроме того, стоимость встроенного в инвертор контроллера обычно меньше цены отдельного устройства. Тем не менее такую систему трудно назвать оптимальной. Во-первых, лучшие образцы солнечных контроллеров довольно велики по своим размерам, в корпус инвертора они не помещаются. Во-вторых, происходит избыточное преобразование тока, от высокого напряжения к низкому, а затем в обратную сторону.

Другой вариант – это применение сетевых инверторов. Они тоже обладают встроенным солнечным контроллером, однако не имеют подключения к аккумуляторам. Созданный фотоэлементами постоянный ток высокого напряжения сразу подаётся на тиристорный мост. Такие устройства часто даже не требуют наличия входных и выходных трансформаторов.

К сожалению, пока что сетевые инверторы продаются по довольно высоким ценам. Кроме того, в России пока еще нельзя использовать одно из главных преимуществ таких устройств – закачку избытка энергии в сеть. Следует также отметить, что отказ от аккумуляторов существенно снижает надёжность подобных систем.

Третий и наиболее «продвинутый» вариант – это гибридный инвертор. Это устройство может использовать подключение и к солнечному контроллеру, и к аккумуляторной батарее. Инвертор можно настроить таким образом, чтобы закачка избытка энергии в сеть не выполнялась (в противном случае вырастут показания прибора учета). Такое устройство позволяет сделать автономную сеть электроснабжения максимально гибкой и надёжной – ведь всегда есть возможность перейти на резервное питание от аккумуляторов.

Использование стабилизаторов

Некоторые модели инверторов оснащены встроенными стабилизаторами. Это устройство позволяет поддерживать постоянный уровень напряжения в сети. Такая функция полезна, однако возможности встроенных вариантов обычно невелики. Кроме того, не всегда на высоте и надёжность. При отсутствии подключения к городской электросети применять инвертор со встроенным стабилизатором не следует, поскольку дизель-генераторы обычно не обладают достаточным запасом мощности. Чтобы добиться этого, придется покупать наиболее дорогостоящее оборудование.

Программное управление

Наиболее современные модели инверторов управляются внутренним компьютером, который может контролировать состояние электросети, поддерживать оптимальные параметры работы системы и вести протоколирование всех происходящих событий. Для этого используется специализированное программное обеспечение, обычно распространяемое бесплатно. Применяются несколько разных операционных систем, в том числе и Android.

Инвертор напряжения — что это

Если коротко, то инвертор предназначен для преобразования тока из постоянного в переменный. Чаще всего такие устройства преобразуют постоянный ток определенной величины в переменный другой величины. Прибор работает с разными формами напряжения: импульсным и синусоидальным. Работать такие установки могут как в составе устройств бесперебойного электроснабжения, так и в роли самостоятельной единицы электропитания.

Принцип работы и применение

Инверторы применяются в простейших системах электроснабжения, таких как источники бесперебойного питания (ИБП). Чаще всего они работают в составе ИБП компьютерных систем. Преобразователь начнет работу при отключения напряжения в общей сети, и будет подавать на компьютер энергию с резервного аккумулятора. Работа небольших систем не продолжительна и позволяет только правильно выключить компьютер. Однако крупные ИБП рассчитаны на большое количество подключаемых приборов, имеют достаточную емкость аккумуляторных батарей, чтобы инвертор мог снабжать их энергией в течение нескольких часов. При появлении напряжения в сети, преобразователь начинает работать в обратном направлении, заряжая аккумуляторные батареи.

Широкое применение инверторы получили в системах производства электричества из возобновляемых источников энергии. Это обусловлено тем, что получаемое от ветровых или солнечных электростанций электричество не соответствует сетевым параметрам. Инверторы преобразуют полученную энергию в напряжение 220 (380) вольт с частотой 50 Гц, что является европейским стандартом общей сети, принятым и в Украине. В зависимости от назначения солнечной или ветровой электростанции (потребление для личных нужд или продажа по “Зеленому тарифу”), тип установленного инвертора будет отличаться. Рассмотрим какие типы электрических преобразователей сегодня предлагают производители.

Какие бывают типы

В зависимости от задач, для которых предназначены инверторы, их делят на несколько типов:

• Автономные работают с резервными аккумуляторными батареями. Получая от них напряжение 12-48 вольт, в зависимости от типа батарей, отдают переменные 220 вольт на потребляющие устройства. На основе таких преобразователей создаются независимые системы энергоснабжения.

• Сетевыене нуждаются в аккумуляторных батареях, так как преобразованную энергию сразу отдают в общую сеть. Такие устройства нашли применение в зеленых электростанциях, вырабатывающих электричество из возобновляемых источников энергии. Так как назначение таких электростанций заключается в продаже электричества по выгодному “Зеленому тарифу”, то нет смысла приобретать аккумуляторные батареи.

• Гибридные представляют собой сочетание автономных и сетевых преобразователей. Поэтому их называют гибридные инверторы. Особенность заключается в том, что они синхронизируют полученное напряжение с солнечных панелей или ветровых установок с параметрами сети. Но в момент проблем с электричеством в доме, гибридные инверторы могут поставлять его не в общую сеть, а заряжают аккумуляторные батареи, перенаправив свою работу на энергообеспечение дома.

Без сетевого или гибридного инвертора можно обойтись только в том случае, когда электростанция используется для личных нужд и не требуется синхронизация с общей сетью.

 

6.4. Инверторы: принцип работы и параметры

Печать

6.4. Инверторы: принцип работы и параметры

Теперь давайте увеличим масштаб и поближе рассмотрим один из ключевых компонентов цепи регулирования мощности — инвертор

. Почти любые солнечные системы любого масштаба включают в себя инвертор определенного типа, позволяющий использовать мощность на месте для устройств с питанием от переменного тока или в сети. Различные типы инверторов показаны на рис. 11.1 в качестве примеров. Доступные модели инверторов теперь очень эффективны (более 9КПД преобразования энергии 5 %), надежный и экономичный. В коммунальном масштабе основные проблемы связаны с конфигурацией системы, чтобы обеспечить безопасную работу и свести к минимуму потери преобразования.

Рисунок 11.1. Инверторы: небольшая инверторная коробка для бытового использования (слева) и инверторы Satcon коммунального масштаба (справа)

Предоставлено: Lauren Wellicome и Darin Dingler через Flickr

Три наиболее распространенных типа инверторов, предназначенных для питания нагрузок переменного тока, включают: ( 1) инвертор с чистой синусоидой (для общих применений), (2) модифицированный инвертор прямоугольной формы (для резистивных, емкостных и индуктивных нагрузок) и (3) инвертор прямоугольной формы (для некоторых резистивных нагрузок) (MPP Solar, 2015).

Эти типы волн были кратко представлены в Уроке 6 (рис. 11.2). Здесь мы более подробно рассмотрим физические принципы, используемые инверторами для создания этих сигналов.

Рисунок 11.2. Различные типы сигналов переменного тока, создаваемые инверторами.

Авторы и права: Марк Федкин

Процесс преобразования постоянного тока в переменный основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция — это создание разности электрических потенциалов в проводнике, когда он подвергается воздействию переменного магнитного поля. Например, если поместить катушку (катушку с проволокой) рядом с вращающимся магнитом, в катушке будет индуцироваться электрический ток (рис. 11.3).

Рисунок 11.3. Схематическое изображение электромагнитной индукции

Авторы и права: Марк Федкин

Далее, если мы рассмотрим систему с двумя катушками (рис. 11.4) и пропустим постоянный ток через одну из них (первичную катушку), эта катушка с постоянным током может действовать аналогично магнит (поскольку электрический ток создает магнитное поле). Если направление тока часто меняется на противоположное (например, с помощью переключающего устройства), переменное магнитное поле будет индуцировать переменный ток во вторичной обмотке.

Рисунок 11.4. Инверторные циклы. В течение 1-го полупериода (вверху) через верхнюю часть первичной обмотки включается постоянный ток от источника постоянного тока – солнечного модуля или батареи. Во время 2-го полупериода (нижний) постоянный ток включается через нижнюю часть катушки.

Авторы и права: Марк Федкин

Простая двухтактная схема, показанная на рис. 11.4, создает прямоугольный сигнал переменного тока. Это простейший случай, и если инвертор выполняет только этот шаг, то это прямоугольный инвертор. Этот тип вывода не очень эффективен и может быть даже вредным для некоторых нагрузок. Таким образом, прямоугольную волну можно дополнительно модифицировать, используя более сложные инверторы для получения модифицированной прямоугольной или синусоидальной волны (Dunlop, 2010).

Для получения модифицированного выходного сигнала прямоугольной формы, такого как показанный в центре рис. 11.2, в инверторе можно использовать управление низкочастотным сигналом. Эта функция позволяет регулировать длительность чередующихся прямоугольных импульсов. Также здесь используются трансформаторы для изменения выходного напряжения. Комбинация импульсов разной длины и напряжения приводит к многоступенчатой ​​модифицированной прямоугольной волне, которая близко соответствует форме синусоидальной волны. Инверторы низкой частоты обычно работают на частоте ~ 60 Гц.

Для получения синусоидального сигнала на выходе используются высокочастотные инверторы. В этих инверторах используется метод модификации ширины импульса: коммутация токов с высокой частотой и в течение переменных периодов времени. Например, очень узкие (короткие) импульсы имитируют ситуацию с низким напряжением, а широкие (длинные импульсы) имитируют высокое напряжение. Кроме того, этот метод позволяет варьировать интервал между импульсами: размещение узких импульсов на большем расстоянии друг от друга моделирует низкое напряжение (рис.

11.5).

Рисунок 11.5. Широтно-импульсная модуляция для приближения к истинной синусоидальной волне с помощью высокочастотного инвертора.

Авторы и права: Марк Федкин, изменено после Dunlop, 2010 г.

На изображении выше синяя линия показывает прямоугольную волну, которая изменяется в зависимости от длины импульса и времени между импульсами; красная кривая показывает, как эти переменные сигналы моделируются синусоидой. Использование очень высокой частоты помогает создать очень постепенные изменения ширины импульса и, таким образом, моделирует истинный синусоидальный сигнал. Метод широтно-импульсной модуляции и новые цифровые контроллеры позволили создать очень эффективные инверторы (Dunlop, 2010).

‹ 6.3. Архитектура крупномасштабных фотоэлектрических систем вверх 6.5. Эффективность инверторов ›

Принцип работы, схема, классификация и применение

Инвертор является одной из наиболее часто используемых электронных схем в большинстве приложений. Это схема, которая преобразует фиксированный источник постоянного тока в переменный источник переменного тока для питания нагрузок переменного тока. Широко используется в коммерческих, авиационных, жилых и промышленных целях. Его можно рассматривать как основу для большинства приложений. Он часто используется в качестве промежуточного устройства между источником постоянного тока и нагрузкой. Во многих случаях он также выступает в качестве промежуточного устройства между источником переменного тока и нагрузкой. Например, при управлении скоростью асинхронного двигателя источником питания является переменный ток, но переменный ток преобразуется в постоянный с помощью схемы выпрямителя, а постоянный ток снова преобразуется в переменный с помощью инвертора и подается на асинхронный двигатель. Это помогает улучшить качество электроэнергии за счет преодоления содержания гармоник.

Что такое инвертор?

Определение: Инвертор — это электронная схема, которая преобразует фиксированное питание постоянного тока в переменное питание переменного тока. Инвертор используется для питания нагрузок переменного тока от батареи или управления нагрузками переменного тока посредством преобразования переменного тока в постоянный. Инверторы также доступны в виде однофазных инверторов и трехфазных инверторов. Конечно, в трехфазном инверторе требуется больше коммутационных операций. Давайте посмотрим принципиальную схему и принцип работы однофазных и трехфазных инверторов.

Однофазный инвертор

Однофазный инвертор или также называемый полумостовым инвертором, преобразователь питания постоянного тока в однофазное питание переменного тока. Для этого используются два переключающих устройства для преобразования постоянного тока в переменный. Диоды, конденсаторы помогают схеме работать бесперебойно.

Принцип работы однофазного инвертора

Как следует из названия, полумостовой инвертор, выходное напряжение изменяется от +Vs/2 до -Vs/2. Как показано на схеме, два коммутационных аппарата соединены в одну общую ветвь или также называемую ветвью. Это переключение может быть SCR, MOSFET или IGBT. Как правило, мы используем MOSFET чаще для высокочастотных приложений. Еще одним преимуществом MOSFET является то, что он имеет низкие потери на переключение, но высокие потери проводимости.

Однофазный инвертор

Как показано на схеме, у нас есть два коммутационных устройства S1 и S2. Чтобы получить один цикл переменного напряжения, каждое устройство срабатывает одновременно. Другой выключен в тот же момент. Например, чтобы получить положительный цикл переменного питания, устройство S1 включается, а S2 остается выключенным. Точно так же, чтобы получить отрицательный цикл переменного питания, устройство S2 включается, а S1 остается выключенным. Выходная волна показана ниже.

Форма сигнала выходного напряжения Полумостовая схема

Как показано на рисунке вывода, когда S1 проводит от 0 до T/2, получается выход +Vs/2. Точно так же, когда S2 проводит от T/2 к T, получается выход -Vs/2. Следовательно, выходное напряжение меняется от +Vs/2 до -Vs/2, что считается переменным напряжением. Т — суммарный период времени проведения двух устройств. Можно отметить, что форма волны выходного напряжения представляет собой ступенчатую прямоугольную форму волны. В инверторах мы никогда не получаем синусоидальную форму волны. Ступенчатая прямоугольная форма сигнала чередуется между двумя значениями, что считается переменным напряжением. То же самое и для трехфазного инвертора.

Трехфазный инвертор

Как показано на принципиальной схеме, это трехфазный инвертор, также называемый мостовым инвертором. Всего для схемы нам потребуется шесть коммутационных аппаратов. От источника постоянного тока мы получаем трехфазное переменное напряжение на стороне нагрузки.

Схема трехфазного инвертора

Принцип работы трехфазного инвертора

Во-первых, устройства должны быть пронумерованы для правильной работы. Обратите внимание, что у нас есть шесть устройств, два устройства на одной ноге. Эта схема также называется трехступенчатой ​​операцией. В нумерации устройств есть логика. Устройства нумеруются в соответствии с последовательностью срабатывания. Это означает, что как показано на схеме, переключатель S2 срабатывает после S1, и аналогично для остальных устройств. Требуемый выход представляет собой трехфазное напряжение, что означает, что требуются трехфазные последовательности, разделенные на 120 градусов каждая. Для каждой последовательности фаз работает одна пара коммутационных аппаратов. Это означает, что для получения фазы R включаются S1-S2. Для получения фазы Y включаются фазы S3-S4, а для получения фазы B включаются фазы S5-S6. Форма выходного сигнала показана ниже.

Выходное напряжение трехфазного инвертора

Как показано на схеме, мы получаем ступенчатую прямоугольную форму волны. Следует отметить одну важную вещь: между срабатыванием одного устройства и другим должна быть временная задержка. Например, когда мы получаем фазу R, мы запускаем S1 и S2. S1, S2 не срабатывают одновременно. Там задержка 60 градусов. Однако каждое устройство может быть диодным или полевым МОП-транзистором с проводимостью на 120 градусов. Опять же, время проведения и момент срабатывания также зависят от режима проведения. У нас есть два режима, 180-градусный режим проводимости и 120-градусный режим проводимости. Принципиальное отличие в 120 градусах проводимости, на каждый прибор дается заведомая задержка 60 градусов во избежание короткого замыкания двух приборов.

Применение

Применения инверторов включают в себя промышленность, жилье и т. д. Это одно из наиболее часто используемых устройств. Кратко описано несколько применений.

1. Источник бесперебойного питания (ИБП) – Это широко используемые схемы в компьютерных системах. Чтобы избежать внезапного отключения питания компьютерных систем, компьютеры получают питание через ИБП.
2. Регулятор скорости электродвигателя – В этом приложении переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, а постоянный ток снова преобразуется в переменный с помощью инвертора. Это помогает получить переменный переменный ток из фиксированного постоянного тока. На стороне нагрузки мы можем получить переменный переменный ток для управления скоростью двигателя (управление напряжением якоря)
3. Холодильные компрессоры – В этом случае он используется для управления скоростью привода двигателя компрессора для переменного охлаждения.
4. Высоковольтные системы постоянного тока (HVDC) – При передаче мощности на большие расстояния мощность переменного тока преобразуется в постоянный ток, передается, и снова постоянный ток преобразуется обратно в переменный с помощью инверторов. Это преобразование необходимо для преодоления проблем со стабильностью при передаче переменного тока.
5. S olar Фотогальванические элементы (солнечная батарея) – Одна из новейших технологий с точки зрения преобразования возобновляемой энергии. Здесь энергия солнечного света используется для производства электроэнергии с помощью солнечных батарей. Солнечные батареи производят постоянный ток, который снова преобразуется в переменный ток с помощью инверторов.

Другими часто используемыми приложениями являются индукционный нагрев, электросеть, хранение энергии и т. д.

Как сделать инвертор?

Однофазный инвертор можно легко собрать даже дома. Для этого требуется батарея для МОП-транзисторов, нагрузка переменного тока и соединительные провода. Как показано на рисунке для однофазного инвертора, его можно легко подключить для получения регулируемого источника переменного тока.

Часто задаваемые вопросы

1). В чем разница между ИБП и инвертором?

ИБП или источник бесперебойного питания в основном используется для хранения энергии с помощью батарей. Но инверторы используются для преобразования источника постоянного тока в переменный для управления или питания нагрузок переменного тока. Комбинация ИБП и инверторов образует коммерческий ИБП, продаваемый на рынке.

2). Что опаснее, переменный ток или постоянный ток?

Учитывая величину, постоянный ток более опасен, чем переменный. AC меняет свою величину, а DC является фиксированной величиной.

3). На чем будет работать инвертор мощностью 3000 Вт?

С инвертором мощностью 3000 Вт многие домашние устройства, такие как два вентилятора, три ламповых светильника, телевизор, компьютерная система и т. д., могут быть легко запущены в течение 3-4 часов. Однако следует избегать тяжелых нагрузок, таких как кондиционер, холодильник и т. д.

4). Сколько ампер потребляет инвертор?

Ответ. Расчет прост. Мощность дается как произведение напряжения и силы тока. Таким образом, инвертор мощностью 300 Вт, 15 В может потреблять до 20 А. Однако с учетом потерь значения меньше.

5). Что такое технология двойного инвертора?

A Двойной инвертор переменного тока — это передовая технология, в которой используется двойной роторный компрессор, обеспечивающий более эффективную работу при меньшем уровне шума. Использование сдвоенных роторных компрессоров улучшает балансировку роторов и крутящий момент сжатия.