Инвертор. Принцип работы, разновидность, область применения

Последовательный инвертор

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов последовательного инвертора изображены на рис. 1. Такая схема называется последовательным инвертором, поскольку в ней нагрузочное сопротивление включено последовательно с емкостью. R - нагрузочное сопротивление, L и С - коммутационные элементы. Такой тип инвертора содержит два тиристора. Рассмотрим подробнее фазы работы такой схемы.

Фаза I. Тиристор Т₁ включается в момент времени t_o. Начинается заряд конденсатора от источника питания. Последовательная цепь R, L и С формирует синусоидальный ток через нагрузочное сопротивление и выполняет функцию демпфирующей цепи. Когда ток в цепи уменьшается до нуля, тиристор Т₁ запирается. Напряжение на нагрузочном сопротивлении находится в фазе с током тиристора. Формы напряжений V_L и V_c можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (V_L+ V_c = E), величины V_L и V_c должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Фаза II. Тиристор Т₂ не должен включаться сразу после того, как ток через тиристор Г, уменьшится до нуля. Для лучшего запирания тиристора Т₁, к нему необходимо приложить небольшое обратное напряжение. Если тиристор Т₂ включается без запаздывания, или мертвая зона отсутствует, напряжение источника питания замыкается через открытые тиристоры Т₁ и Т_г._. Если оба тиристора находятся в закрытом состоянии, то V_R = 0, V_L= 0, следовательно, L di/dt = 0 и конденсатор С остается незаряженным.

Фаза III. В момент времени t₂ тиристор Т₂ включается и инициирует отрицательный полупериод. Конденсатор разряжается через L, R и Т₂. Следует заметить, что электрический ток через нагрузочное сопротивление R протекает в противоположном направлении. В момент времени, когда этот ток уменьшается до нуля, тиристор Т₂ выключается. Формы напряжений V_L и V_c можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (V_L + V_c = 0), величины V_L и V_c должны удовлетворять условиям этого уравнения.

Рис.1 - Последовательный инвертор:

а) Электрическая схема;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях последовательного
инвертора

Если тиристор Т₁ запустить с задержкой на величину мертвого времени, вышеупомянутые процессы повторятся.

Преимущества:

1. Простая конструкция.

2. Выходное напряжение близко к синусоидальному.

Недостатки:

1. Индуктивность L и конденсатор С имеют большие габариты.

2. Источник питания используется только в течение положительного полупериода.

3. В выходном напряжении имеются высшие гармоники из-за наличия мертвой зоны.

Последовательный инвертор лучше всего подходит для высокочастотных устройств, так как для требуемых значений 1 и С уменьшаются их габариты. Время периода для одного цикла составляет:

T₀=T + 2t_d. где Г = l/f_t и t₆ - мертвое время.

Выходная частота последовательного инвертора всегда меньше резонансной частоты вследствие наличия мертвой зоны. Значение выходной частоты может варьироваться путем изменения мертвого времени.

Рис.1г. -Форма выходного напряжения последователного инвертора

Параллельный инвертор

Базовая схема параллельного инвертора изображена на рис.2а. Когда ключ 1 замкнут, помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют положительный потенциал. Выходное напряжение - положительное. Во второй половине периода ключ 1 размыкается и замыкается ключ 2. Помеченные точкой выводы обмоток A, D и С имеют отрицательный потенциал и выходное напряжение - отрицательное.

Электрическая схема, рабочие фазы и формы выходных сигналов параллельного инвертора изображены на рис.2. Параллельные инверторы применяются в низкочастотных устройствах. В них используются трансформатор с отводом из центра первичной обмотки, два тиристора и коммутирующий конденсатор. Источник питания включается между центральным выводом и общей точкой катодов тиристоров. Эквивалентное нагрузочное сопротивление, пересчитанное в цепь первичной обмотки, подключено параллельно коммутационному конденсатору. Следовательно, инвертор такого типа является параллельным.

В момент времени t= t_x тиристор Т₁ включается. Напряжение источника питания Е приложено к обмотке трансформатора А. Согласно закону самоиндукции такое же напряжение Е индуцируется на обмотке трансформатора В, но противоположной полярности. Поскольку обмотки А и В соединены последовательно, на них будет суммарное напряжение 2Е. Этим напряжением конденсатор предварительно заряжается до напряжения +2Е.

В момент времени t= t₂ тиристор Т₂ включается. Полярность напряжений на обмотках А и В меняется на обратную, к конденсатору, и тем самым к тиристору Т₁, прикладывается обратное напряжение, за счет чего тиристор Т₁ выключается. Полярность напряжения на конденсаторе меняется, и он перезаряжается до напряжения - 2Е. Также меняет на обратное направление ток во вторичной обмотке, то есть через нагрузочное сопротивление протекает переменный ток прямоугольной формы. Форма выходного напряжения аналогична форме напряжения на конденсаторе.

Рис.2 - а) Базовая схема параллельного инвертора;

б) Фазы работы схемы;

в) Формы напряжений и токов в цепях параллельного инвертора

Недостатки

1. Номинальное напряжение конденсатора должно быть 2Е.

2. Ток источника питания не является чистым постоянным током.

3. Колебания тока источника питания, являются причиной дополнительного выделения тепла в первичной цепи параллельного инвертора.

Мостовые инверторы. Однофазный полумостовой инвертор

Однофазный полумостовой инвертор состоит из двух источников питания и двух коммутаторов. Нагрузка подключена между общим выводом источников питания и общей точкой коммутаторов.

Полумостовой инвертор с RLC – нагрузкой

Рис.5 - а) Схема полумостового инвертора с RLC-нагрузкой, б) Форма напряжения и тока полумостового инвертора

Электрическая схема и форма выходного сигнала однофазного полумостового инвертора с RLС-нагрузкой изображены на рис.5. Если инвертор питает RLС-нагрузку, отдельная цепь коммутирования не требуется. Это можно объяснить с помощью символического изображения на рис.5б. Рабочая частота инвертора должна быть выбрана такой, чтобы Х_с > X_L. При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t₀ до t_l тиристор Т₁ находится в проводящем состоянии. В момент времени t₁ = t₂ тиристор Т₁, выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t₁ до t₂ диод D₁ находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D₁ находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D₁ находится в состоянии проводимости, тиристор Т₁ смещен в обратном направлении. Таким образом, специальная цепь принудительной коммутации в этом случае не требуется. В этой схеме RLC-нагрузка обеспечивает коммутацию тиристоров. В течение отрицательного полупериода тиристор Т₂ находится в проводящем состоянии, через некоторое время диод D₂ начинает проводить, вследствие этого тиристор Т₂ смещается в обратном направлении и запирается.

Инвертор Мак-Мюррея (инвертирующий преобразователь)

Принцип работы инвертора Мак-Мюррея основан на коммутировании тока. Полумостовой инвертор работает на индуктивную нагрузку, как изображено на рис.6. Тиристоры Т_А1 и Т_А2 в этой схеме являются вспомогательными. Они используются для коммутации основных тиристоров Т₁ и Т₂. Индуктивность L и емкость С являются коммутирующими элементами. Конденсатор предварительно заряжен слева отрицательно, а справа -положительно. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т₁ запускается, тем самым инициируется положительный полупериод преобразования. Постоянный ток нагрузки протекает через тиристор Т₁.

Фаза I I. В момент времени t₁ запускается вспомогательный тиристор Т_А1. По замкнутой цепи L, С, Т_{ и Т_А1 начинает протекать ток, при этом ток через конденсатор синусоидально нарастает, как показано на рис.6в. В промежутке времени от t₁ до t₂ значение i_c <I₀. В момент времени t= t₂; t_c = I₀. Ток, текущий через тиристор Т₁, становится равным нулю, и тиристор выключается. Следует заметить, что в этой фазе ток через тиристор Т₁, уменьшается до нуля.

Фаза III. После выключения тиристора Т₁ ток продолжает протекать через D₁. Диод находится в состоянии проводимости до момента времени t₃ до тех пор пока i_c - I₀ положительны. В момент времени t = t₃ диод D₁, перестает проводить, так как ток через него уменьшается до нуля.

Фаза IV. После того как диод D₁ запирается, постоянный ток нагрузки протекает через конденсатор и дозаряжает его слева отрицательно, а справа положительно. Напряжение на конденсаторе изменяется линейно, так как через конденсатор протекает постоянный ток.

Фаза V. Ток через диод увеличивается, в то время как ток через конденсатор уменьшается. Когда ток через тиристор T_a уменьшается до нуля, тиристор выключается.

Фаза VI. На индуктивной нагрузке изменяется полярность напряжения, и диод D₁ смещается в прямом направлении. Начинается процесс рециркуляции. Энергия, запасенная в нагрузке, передается обратно в источник питания V_r После запирания диода D₁ запускается тиристор Т₂. Чтобы выключить тиристор Т₂ необходимо включить тиристор Т_A2. Далее подобные процессы повторяются аналогично вышеизложенным.

Инвертор Мак-Мюррея – Бедфорда

Инвертор Мак-Мюррея содержит два вспомогательных тиристора. Инвертор Мак-Мюррея-Бедфорда не требует никаких вспомогательных тиристоров. Один основной тиристор в этой схеме коммутирует другой основной тиристор. Электрическая схема, рабочие фазы и форма выходного сигнала инвертора Мак-Мюррея - Бедфорда изображены на рис.7. Рабочие фазы этой схемы устройства следующие.

Фаза I. Тиристор Т₁ запущен. Постоянный ток протекает через тиристор Т₁ , и индуктивность L₁. Напряжение на индуктивности L₁ равно нулю, так как через нее протекает постоянный ток. Конденсатор С, замкнут через Т₁ и L₁. Конденсатор С₂ заряжен до напряжения V₁ + V₂: верхняя обкладка заряжена положительно, а нижняя - отрицательно.

Рис.7 - а) Схема инвертора Мак-Мюррея; б) Фазы работы схемы

Фаза II. После включения тиристора Т₂ напряжение с конденсатора С₂ подается на индуктивность L₂. Это напряжение равно удвоенному напряжению питания. За счет взаимной индукции на индуктивности L₁ появляется напряжение, равное напряжению на индуктивности L₂. Напряжение на катоде тиристора Т₁ равно учетверенному напряжению питания, а на аноде удвоенному напряжению питания. Таким образом, после включения тиристора Т₂ тиристор Т₁ выключается. Быстрое выключение тиристора L₁ возможно благодаря тому, что энергия, запасенная в индуктивности L₁ передается на индуктивность L₂ поскольку общий магнитный поток должен оставаться постоянным. Из рис.7в видно, что ток в схеме перераспределяется от тиристора Т₁ на тиристор Т₂ в начале фазы II. По цепи L₂ и С₂ начинает протекать ток. Диод D₂ смещается в обратном направлении напряжением на конденсаторе С₂.

Фаза III. Как только полярность напряжения на конденсаторе изменяется на обратную, диод D₂ переходит в проводящее состояние и тем самым шунтирует конденсатор С₂. Энергия, запасенная на индуктивности L₂ поддерживает неизменное направление тока через тиристор Т₂ и диод D₂. Постепенно запасенная в индуктивности L₂ энергия рассеивается на активном сопротивлении нагрузки, и тиристор Т₂ выключается.

Фаза IV. Диод D₂ по-прежнему смещен в прямом направлении за счет тока, протекающего через индуктивность нагрузки. Здесь имеет место процесс рециркуляции энергии, запасенной на индуктивности нагрузки. Диод D₂ находится в проводящем состоянии до тех пор, пока запасенная энергия передается источнику питания V₂.

Тиристор Т₂ снова включается, тем самым инициируя аналогичный отрицательный полупериод инвертора. В конце отрицательного полупериода тиристор Т₁ остается в проводящем состоянии и процесс, описанный выше, повторяется.