Принцип работы инвертора

Принцип работы инвертора напряжения

Резервное электроснабжение >> Полезная информация >> Статьи >> Принцип работы инвер...

Инвертор напряжения (ИН, DC/AC converter) предназначен для преобразования электрической энергии, получаемой от источника постоянного тока в электрическую энергию переменного тока.

Эта технология применяется в различных сферах. Преобразователи работают как автономно, так и в составе сложных систем, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных объектов. Востребованность инверторов связана с развитием технологий и появлением риска потери ценных данных и остановки оборудования при отключении питания.
В этой статье мы рассмотрим принцип работы инвертора напряжения с чистым синусом и отметим преимущества данной технологии. Вы узнаете об отличительных особенностях эксплуатации преобразователей от ведущих производителей.

Как работает инвертор напряжения с «чистым синусом»

Принцип работы такого инвертора напряжения выглядит следующим образом.

1. В результате предварительного преобразования формируется напряжение постоянного тока, близкое по значению к выходному синусоидальному напряжению. После этого энергия направляется на мостовой инвертор.

2. На мостовом ИН происходит преобразование постоянного напряжения в переменное. Его форма приближена к синусоидальной. Нужные характеристики достигаются за счет применения специального принципа управления транзисторами (многократной широтно-импульсной коммутации).
Принцип этой технологии заключается в следующем. На интервале каждого полупериода соответствующая пара транзисторов мостового ИН многократно коммутируется на высокой частоте. Длительность подачи импульсов варьируется по синусоидальному закону.

3. Высокочастотный фильтр нижних частот придает напряжению точную синусоидальную форму («чистый синус»).
Кроме описанной выше схемы существуют и другие принципы построения и работы инверторов.

Такое оборудование применяют реже, т. к. устройства имеют существенные недостатки по сравнению с инверторами с «чистым синусом».

Преимущества применения инверторов с «чистым синусом»

Начнем с того, что многие современные аппараты оснащают импульсными блоками питания. Для них форма напряжения не имеет значения. Присутствующие на рынке телевизоры, магнитофоны, зарядные устройства и некоторые другие виды техники будут одинаково хорошо работать при подключении к любому инвертору. На режим работы оборудования повлияет только действующее значение напряжения.

Однако существует большая группа приборов, которая либо совсем не будет работать при подключении к инвертору с прямоугольной/ступенчатой формой напряжения, либо будет работать, но при этом ухудшатся эксплуатационные характеристики и сократится срок службы. Некоторые виды техники могут в скором времени выйти из строя. В эту группу оборудования входят приборы с трансформаторными БП, некоторые LCD-телевизоры, синхронные электродвигатели, насосы и газовые котлы, применяемые в системах отопления, кондиционеры и другие используемые в промышленности и быту агрегаты.

Вывод: преобразователи напряжения с «чистым синусом» универсальны. Режим работы любого устройства, подключенного к такому инвертору, будет правильным и стабильным.

Особенности оборудования ведущих производителей

Основные лидеры рынка - Victron Energy и Out Back Power. Инверторы этих концернов распространены по всему миру и находят применение в различных сферах.

Работа инверторов обеспечивает резервное электроснабжение:

загородных домов;
фермерских хозяйств;
банков;
медицинских учреждений;
передвижных лабораторий;
транспортных средств;
технических помещений;
промышленных предприятий;
коммерческих зданий и других объектов различного назначения.

Инверторные установки Victron Energy имеют ряд преимуществ:

Надежность. Концерны применяют передовые технологии в процессе производства оборудования. Инверторы устойчивы к двукратным перегрузкам.
Долговечность. Техника служит десятки лет.
Простота введения в эксплуатацию. Подключение агрегатов происходит без каких-либо проблем.
Удобство. Инверторы запускаются в автоматическом режиме. Работа не сопровождается образованием выхлопных газов. Устройства практически бесшумны.
Большой набор полезных функций. При необходимости вы сможете добавить мощность к сети или генератору или подключить инверторы к альтернативным источникам энергии.

1 декабря 2016

ПредыдущаяСледующая

Все статьи

принцип работы, разновидности и области применения

Одна из самых значительных достижений 19-го века была связана не с землей или ресурсами, а с установлением типа электричества, которое все чаще стало внедряться в наши здания. Существует два вида тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Ученых всегда интересовала возможность преобразования одного вида в другой. Так появился инвертор.

История появления преобразователя
Электричество постоянного и переменного тока
Что предстваляет собой инвертор
Принцип работы устройства
Классификация инверторов

История появления преобразователя

В конце 1800-х годов американский электрик-пионер Томас Эдисон (1847−1931) вышел из своей лаборатории, чтобы продемонстрировать, что постоянный ток (DC) является лучшим способом подачи электроэнергии, чем переменный ток (AC), который был новой системой, поддерживаемой его сербским соперником Николой Тесла (1856−1943). Эдисон пробовал всевозможные хитрые способы убедить людей в том, что AC слишком опасен: от электроочистки слона до поддержки использования переменного тока в электрическом стуле для управления смертной казнью. Несмотря на это, система Tesla выиграла тот день, и мир с тех пор довольно много работает на электросети.

Единственная проблема заключается в том, что, хотя многие из наших приборов предназначены для работы с переменным током, маломощные генераторы часто производят постоянный. Это означает, что если вы хотите запустить что-то вроде гаджета с питанием от переменного тока от аккумуляторной батареи постоянного тока в мобильном доме, вам потребуется устройство, которое преобразует DC в AC-инвертор, как его называют.

Электричество постоянного и переменного тока

Когда преподаватели науки объясняют основную идею электричества как поток электронов, они обычно говорят о постоянном токе (DC). Мы узнаем, что электроны немного похожи на линию муравьев, идущих вместе с пакетами электрической энергии так же, как муравьи несут листья. Это достаточно хорошая аналогия для чего-то вроде базового фонарика, где у нас есть схема (сплошная электрическая петля), соединяющая батарею, лампу и выключатель, а электрическая энергия систематически транспортируется от батареи к лампе, пока вся энергия батареи истощается.

В больших бытовых приборах электричество работает по-другому. Источник питания, который поступает от розетки в стене, основан на переменном токе (AC), где электричество переключается в направлении 50−60 раз в секунду (другими словами, на частоте 50−60 Гц). Трудно понять, как AC доставляет энергию, когда он постоянно меняет свое мнение о том, куда он идет. Если электроны, выходящие из настенной розетки, добираются, скажем, на несколько миллиметров вниз по кабелю, тогда нужно обратить вспять направление и вернуться назад, как они когда-либо добираются до лампы на столе, чтобы та засветилась?

Ответ на самом деле довольно прост. Представьте, что между лампой и стеной заполнены электроны. Когда вы щелкаете на переключателе, все электроны, заполняющие кабель, вибрируют назад и вперед в нитях лампы — и это быстрое перетасовка преобразует электрическую энергию в тепло и лампа засвечивается. Электроны необязательно должны вращаться по кругу для переноса энергии: в АС они просто «бегут на месте».

Что предстваляет собой инвертор

Одним из наследий Теслы (и его делового партнера Джорджа Вестингауза, босса Westinghouse Electrical Company) является то, что большинство приборов, которые мы имеем в наших домах, специально разработаны для работы от сети переменного тока. Приборы, нуждающиеся в постоянном токе, но потребляющие электроэнергию от розетки переменного, нуждаются в дополнительной части оборудования, называемой выпрямителем, как правило, из электронных компонентов, называемых диодами, для преобразования AC в DC.

Инвертор выполняет противоположную работу, и довольно легко понять ее суть. Предположим, у вас есть аккумулятор в фонарике, а переключатель закрыт, поэтому DC течет по цепи всегда в том же направлении, что и гоночный автомобиль вокруг дорожки. Теперь, если вы вытащите батарею и развернете ее, предполагая, что это соответствует другому способу, он почти наверняка все еще подаст свет, и вы не заметите какой-либо разницы в освещение, которое вы получаете, — но электрический ток будет протекать противоположным образом.

Предположим, у вас были молниеносные руки, и они были достаточно ловкими, чтобы переворачивать батарею 50−60 раз в секунду. Тогда бы вы стали своего рода механическим инвертором, превратив питание постоянного тока батареи в переменный на частоте 50−60 Гц.

Конечно, инверторы, которые вы покупаете в электрических магазинах, работают не так, хотя некоторые из них действительно механические: они используют электромагнитные переключатели, которые быстро переключаются на текущее направление. Инверторы, подобные этому, часто производят так называемый прямоугольный выход: ток либо протекает в одну сторону, либо наоборот, или он мгновенно переключается между двумя состояниями.

Такие внезапные перемены направления опасны для некоторых видов электрооборудования. При нормальной мощности AC, он постепенно переходит с одной стороны в другую в виде синусоидальной волны.

Электронные инверторы могут использоваться для создания такого рода плавно изменяющегося выхода переменного от входа постоянного тока. Они используют электронные компоненты, называемые индукторами и конденсаторами, для увеличения и снижения выходного тока, чем резкий, прямоугольный выходной сигнал включения / выключения, который вы получаете с помощью базового инвертора.

Инверторы также могут использоваться с трансформаторами для изменения определенного входного напряжения DC на совершенно другое выходное напряжение переменного (выше или ниже), но выходная мощность всегда должна быть меньше входной мощности. Из закона сохранения энергии следует, что инвертор и трансформатор не может выдавать больше энергии, чем они потребляют, и некоторая энергия должна быть потеряна как тепло, поскольку электричество протекает через различные электрические и электронные компоненты. На практике эффективность инвертора часто превышает 90 процентов, хотя базовая физика говорит нам, что какая-то часть энергии — какой бы она ни была — всегда где-то теряется.

Принцип работы устройства

Представьте, что вы аккумулятор постоянного тока, и кто-то хлопает вас по плечу и просит вас вместо этого произвести переменный. Как бы вы это сделали? Если весь ток, который вы производите, вытекает в одном направлении, как насчет добавления простого переключателя на ваш выход? Включение и выключение вашего тока может очень быстро обеспечить импульсы DС, которые могли бы выполнять как минимум половину работы. Чтобы сделать правильный AC, вам понадобится переключатель, который позволит полностью отменить ток и сделать это примерно 50−60 раз в секунду. Визуализируйте себя как человеческую батарею, которая меняет контакты туда и обратно более 3000 раз в минуту.

По сути, старомодный механический инвертор сводится к коммутационному блоку, подключенному к трансформатору. А так как электромагнитные устройства, которые меняют низковольтный переменный на высоковольтный ток или наоборот, используя две катушки провода (называемые первичной и вторичной) ранами вокруг общего железного ядра.

В механическом инверторе либо электродвигатель, либо какой-либо другой механизм автоматического переключения переворачивает входящий ток вперед и назад в основном просто путем изменения контактов и генерирует переменный во вторичном режиме. Коммутационное устройство работает так же, как в электрическом дверном звонке. Когда питание подключено, оно намагничивает переключатель, вытягивает его и очень быстро отключает. Пружина снова вернет переключатель, включив его, и потом будет повторять процесс снова и снова.

Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером). Контроллер также может решать дополнительные задачи:

Регулирование напряжения.
Синхронизация частоты переключения ключей.
Защитой их от перегрузок.

Классификация инверторов

Инверторы могут быть очень большими и массивными, особенно если они имеют встроенные батарейные блоки, поэтому они могут работать автономно. Они также генерируют много тепла, поэтому у них большие радиаторы (металлические плавники) и часто охлаждающие вентиляторы. Самые маленькие инверторы — это более портативные коробки размером с автомобильное радио, которое вы можете подключить к гнезду прикуривателя, чтобы произвести AC для зарядки портативных компьютеров или мобильных телефонов.

Так же, как приборы различаются по мощности, которую они потребляют, инверторы различаются по мощности, которую они производят. Как правило, чтобы быть в безопасности, вам понадобится инвертор, рассчитанный на четверть выше максимальной мощности устройства, которое вы хотите использовать. Это позволяет предположить, что некоторые приборы (например, холодильники и морозильники или люминесцентные лампы) потребляют максимальную мощность при первом включении. Хотя инверторы могут обеспечивать максимальную мощность в течение коротких периодов времени, важно отметить, что они не предназначены для работы на пиковой мощности в течение длительного времени.

По принципу действия инверторы делятся на:

Автономные.
Инверторы напряжения (АИН).
Инверторы тока (АИТ).
Резонансные инверторы (АИР).
Зависимые (инверторы, ведомые сетью).

Здоровенные приборы в наших домах, которые используют большое количество энергии (такие вещи, как электрические нагреватели, лампы накаливания, чайники или холодильники), не очень заботятся о том, какую форму волны они получают: все, что они хотят, это энергия и как можно больше. Электронные устройства, с другой стороны, намного более суетливы и предпочитают более плавный вход, который они получают от синуидальной волны.

Многие инверторы работают как автономные устройства с аккумулятором, которые полностью независимы от сети.
Другие, так называемые утилитарно-интерактивные инверторы или инверторы с привязкой к сетке, специально разработаны для подключения к сети все время. Как правило, они используются для передачи электроэнергии от чего-то вроде солнечной панели обратно в сеть с точно правильным напряжением и частотой.

Это прекрасно, если ваша главная цель — создать собственную силу. Но это не так полезно, если вы хотите иногда быть независимыми от сети, или вам нужен резервный источник питания в случае сбоя, потому что если ваше соединение с сетью опускается, и вы не производите электричество самостоятельно (например, это ночное время, и ваши солнечные панели неактивны), инвертор тоже опускается, и вы полностью без энергии, независимо от того, генерируете ли вы свою силу или нет.

По этой причине некоторые люди используют бимодальные или двунаправленные устройства, которые могут работать как в автономном, так и в сетчатом режиме (хотя и не одновременно). Поскольку у них есть дополнительные части, они, как правило, более громоздки и дороже.

Крупные коммутационные устройства для применений передачи энергии, установленные до 1970 года, преимущественно использовали ртутно-дуговые клапаны. Современные инверторы обычно являются твердотельными (статические инверторы). Современный метод проектирования включает компоненты, расположенные в конфигурации моста H. Этот дизайн также довольно популярен среди небольших потребительских устройств.

Используя трехмерную печать и новые полупроводники, исследователи из Национальной лаборатории Oak Ridge Департамента энергетики создали инвертор мощности, который мог бы сделать электромобили более легкими, более мощными и более эффективными.

Как работает инвертор? | Колонка продуктов Fuji Electric

Приводы переменного тока (низкое напряжение)

Как работает инвертор?

Как и чем управляет инвертор? Краткое объяснение, чтобы понять основную структуру.

Начнем со схемы преобразователя и схемы инвертора, чтобы получить правильное представление об устройстве инвертора
Классификация вариантов использования инверторных устройств и цепей по напряжению и частоте

Начнем со схемы преобразователя и схемы инвертора, чтобы иметь правильное представление об устройстве инвертора

Мы начнем введение с подробного объяснения механизма инверторного устройства. Роль инверторного устройства заключается в управлении напряжением и частотой источника питания и плавном изменении скорости вращения двигателей, используемых в бытовой технике и промышленном оборудовании.

Первое, что нужно иметь в виду, когда дело доходит до понимания внутренней структуры инверторного устройства, это то, что схема преобразователя преобразует переменный ток (AC), поступающий от источника питания, в постоянный ток (DC), а инвертор схема преобразует преобразованный постоянный ток (DC) обратно в переменный ток (AC). Они работают в комплекте. На приведенной ниже диаграмме показана роль, которую они играют, и то, как они работают.

Во-первых, схема преобразователя, используемая в передней части, постоянно преобразует переменный ток в постоянный. Этот процесс называется ректификацией. Направление и величина волны периодически меняются с течением времени, поскольку переменный ток представляет собой синусоидальную волну. Поэтому диод, который является полупроводниковым устройством, используется для пропускания электричества в прямом направлении для преобразования его в постоянный ток, но не в обратном направлении.

Когда постоянный ток проходит через диод, электричество проходит только в прямом направлении, и появляется положительный пик. Однако другая половина цикла будет потрачена впустую, поскольку пик не проходит в отрицательном направлении. Причина, по которой структура диода имеет форму моста, заключается в том, что он может пропускать отрицательный пик в прямом направлении. Это называется двухполупериодным выпрямлением из-за того, что оно преобразует пики как прямой, так и отрицательной волны.

Однако двухполупериодное выпрямление само по себе не может обеспечить гладкую форму волны, поскольку останутся следы переменного тока и пульсации колебаний напряжения. Поэтому, чтобы очистить их, конденсатор многократно заряжается и разряжается, мягко сглаживая и изменяя форму волны, близкую к форме постоянного тока.

Затем схема инвертора выдает переменный ток с переменным напряжением и частотой. Механизм преобразования постоянного тока в переменный переключает силовые транзисторы, такие как «IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)», и изменяет интервалы включения/выключения для создания импульсных волн различной ширины. Затем он объединяет их в псевдосинусоиду. Это называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Компьютер автоматически регулирует ширину импульса. Некоторые специализированные однокристальные компьютеры, управляющие двигателем, включают продукт с предустановленной функцией ШИМ. Это позволяет создавать псевдосинусоиды различной частоты и управлять скоростью вращения двигателя, просто задавая нужные параметры.

Классификация вариантов использования инверторных устройств и цепей по напряжению и частоте

Инверторные схемы и устройства используются в различных электротехнических изделиях, таких как бытовые кондиционеры, холодильники, плиты IH (индукционного нагрева), люминесцентные лампы, компьютерные блоки питания (включая ИБП), промышленные вентиляторы, насосы, лифты и краны. Они широко используются и стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Тип	Элементы для замены	Использование инвертора
VVVF	Напряжение/частота	Промышленные двигатели, насосы, кондиционеры, холодильники и т. д.
CVVF	Только частота	Электромагнитная плита, рисоварка, люминесцентные лампы и т. д.
CVCF	Постоянное напряжение и частота	Блок питания компьютера, ИБП (источник бесперебойного питания) и т. д.

Как было сказано в начале, инверторные схемы и устройства используются в бытовых кондиционерах, холодильниках, промышленных насосах, лифтах и т.п. для регулировки скорости вращения двигателя. В этом случае инвертор используется для изменения как напряжения, так и частоты, это называется «VVVF (переменное напряжение, переменная частота)».

В плитах IH или люминесцентных лампах нет встроенных двигателей, но изменение частоты с помощью схемы инвертора позволяет точно регулировать нагрев и яркость. Например, плита IH использует высокую частоту в своей катушке, которая нагревает кастрюлю, используя схему инвертора. Люминесцентные лампы также используют переменный ток высокой частоты для увеличения скорости освещения, чтобы поддерживать яркость и подавлять мерцание при низком энергопотреблении. В это время схема инвертора изменяет только частоту, поэтому она называется «CVVF (переменная частота постоянного напряжения)».

И последнее, но не менее важное: схема инвертора работает и в компьютерных блоках питания. Это может показаться бессмысленным, потому что он используется для вывода постоянного напряжения или частоты переменного тока из постоянного напряжения или частоты переменного (или постоянного) тока. Тем не менее, его можно использовать в качестве стабильного источника питания, когда частота переменного тока коммерческого источника питания колеблется или происходит сбой питания. Поскольку он поддерживает постоянное напряжение и постоянную частоту, он называется «CVCF (постоянное напряжение, постоянная частота)».

Фейсбук Твиттер

Сопутствующие товары

Связанный столбец

6.4. Инверторы: принцип действия и параметры

Печать

6.4. Инверторы: принцип действия 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.

Принцип работы инвертора