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 to
.
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 VL
и Vc
можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (
VL
+
Vc
=
E
),
величины VL
и Vc
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 Тг
..
Если оба тиристора находятся в закрытом состоянии, то V
R
= 0, VL
=
0, следовательно, L
di
/
dt
= 0 и конденсатор С
остается незаряженным.
Фаза
III
.
В момент времени t
2
тиристор Т2
включается и инициирует отрицательный полупериод. Конденсатор разряжается через L
,
R
иТ2
.
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 VL
и Vc
можно получить с помощью теоремы Кирхгофа: (VL
+
Vc
= 0), величины VL
и Vc
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:
T
0
=
T
+ 2
td
.
где Г = l
/
ft
и t
6
-
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
=
tx
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
=
t
2
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
> XL
.
При этих условиях в этой схеме ток опережает по фазе напряжение. Ток в нагрузке изменяется синусоидально. В промежутке времени от t
0
до tl
тиристор Т1
находится в проводящем состоянии. В момент времени t
1
= t
2
тиристор Т1
, выключается, так как ток в цепи уменьшается до нуля. В промежутке времени от t
1
до t
2
диод D
1
находится в проводящем состоянии и мощность передается от нагрузки к источнику питания. Диод D
1
находится в проводящем состоянии до тех пор, пока на конденсаторе присутствует напряжение. Когда диод D
1
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 D
2
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 ТА1
и ТА2
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 t
1
запускается вспомогательный тиристор ТА1
.
По замкнутой цепи L
, С, Т{
и ТА1
начинает протекать ток, при этом ток через конденсатор синусоидально нарастает, как показано на рис.6в. В промежутке времени от t
1
до t
2
значение ic
<I0
. В момент времени t= t
2
;
tc
= I
0
.
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 t
3
до тех пор пока ic
- I0
положительны. В момент времени t
= t
3
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 Ta
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 Vr
После запирания диода D1
запускается тиристор Т2
.
Чтобы выключить тиристор Т2
необходимо включить тиристор Т
A
2
.
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 L
1
.
Напряжение на индуктивности L
1
равно нулю, так как через нее протекает постоянный ток. Конденсатор С, замкнут через Т1
и L
1
.
Конденсатор С2
заряжен до напряжения V
1
+ V
2
:
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 L
2
.
Это напряжение равно удвоенному напряжению питания. За счет взаимной индукции на индуктивности L
1
появляется напряжение, равное напряжению на индуктивности L
2
.
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 L
1
возможно благодаря тому, что энергия, запасенная в индуктивности L
1
передается на индуктивность L
2
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 L
2
и С2
начинает протекать ток. Диод D
2
смещается в обратном направлении напряжением на конденсаторе С2
.
Фаза
III
.
Как только полярность напряжения на конденсаторе изменяется на обратную, диод D
2
переходит в проводящее состояние и тем самым шунтирует конденсатор С2
. Энергия, запасенная на индуктивности L
2
поддерживает неизменное направление тока через тиристор Т2
идиод D
2
.
Постепенно запасенная в индуктивности L
2
энергия рассеивается на активном сопротивлении нагрузки, и тиристор Т2
выключается.
Фаза
IV
.
Диод D
2
по-прежнему смещен в прямом направлении за счет тока, протекающего через индуктивность нагрузки. Здесь имеет место процесс рециркуляции энергии, запасенной на индуктивности нагрузки. Диод D
2
находится в проводящем состоянии до тех пор, пока запасенная энергия передается источнику питания V
2
.
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.