Дизайн 

Инвертор — преобразователь напряжения. Преобразователь напряжения Конструкция преобразователей напряжения


Частотные преобразователи – это технические устройства, преобразующие входные сетевые параметры в выходные на различных частотах. Современные инверторы переменного тока обладают широким частотным диапазоном.

Асинхронный преобразователь частоты предназначен для преобразования сетевого 3-х либо 1-но фазного переменного тока f 50 Гц в 3-х фазный либо 1-но фазный, f 1 ̴̴ 800 Гц.

Производителями выпускаются электро-индукционные частотники, представляющие собой конструктив:

  • асинхронный электродвигатель;
  • инверторы.

Частотники зачастую используются для плавной регулировки скорости вращения асинхронного двигателя (АД) за счет формирования на выходе частотника заданных параметров сети. В самых простых случаях регулировка f и U выполняется с соответствующей зависимостью V/f, в более навороченных инверторах реализуется как векторное управление.

Классификация преобразователей частоты

По типу питающего напряжения преобразователи частоты делятся на разновидности:

  • однофазные;
  • трехфазные;
  • высоковольтные аппараты.

Основную задачу преобразователя частоты можно сформулировать следующим образом: перевод рабочего процесса на экономичный режим с помощью управления скоростью и моментом двигателя, согласно заданным техническим параметрам и характеру нагрузки.

При этом цифровой дисплейприбора показывает такие параметры работы системы, как:

  • величина I и U двигателя;
  • выходные значения частоты, скорости, мощности и момента (f, v, Р и М);
  • отображение состояния дискретных входовдля регулирования скорости вращения вала АД и дистанционного управления системой;
  • продолжительность работы самого частотного преобразователя.

По сфере использования типы инверторы бывают:

  • промышленного назначения мощностью до 315 кВт;
  • ПЧ с векторным управлением мощностью до 500 кВт;
  • для управления механизмами с насосно-вентиляторным типом нагрузки (Р 15 — 315 кВт);
  • и других подъемных конструкций;
  • для применения в условиях взрывоопасности;
  • устанавливаемые ЧРП прямо на электродвигатель.

Структура частотного преобразователя

Структура современного ПЧ выстраивается по принципу преобразования энергии и включает в себя силовую и управляющую составляющую. Первая, как правило, исполняется на тиристорах или транзисторах, коим отводится роль электроключей. Управляющий блок реализуется на микропроцессорах. С помощью ключей размыкающий и замыкающий цепи он позволяет молниеносно решать множество заданий по диагностике, защите, контролю.

По принципу работы частотные преобразователи бывают двух типов:

  1. с наличием промежуточного звена постоянного тока;
  2. с непосредственной связью.

Всем им присуще ряд достоинств и недостатков, обуславливающих сферу эффективного использования каждого из них.

Непосредственные частотные преобразователи

Они принадлежат к наиболее ранним аппаратам с упрощенной силовой частью,представляющей собой выпрямитель на тиристорах.

Система управления по очереди отмыкает групповые тиристоры и подключает обмотки электродвигателя к сети питания. Непосредственные – это реверсивный тиристорный частотник. Основное его преимущество заключается в том, что он подключается напрямую в сеть без добавочных устройств.

Таким манером получается, что U вых частотника образуется из усеченных отрезков синусоид U вых. На рисунке приведён пример сформировавшегося U вых для одной из фаз нагрузки. На вход тиристоров подаётся 3-х фазное синусоидальные составляющие Uа, Uв, Uс. Напряжение U вых представляется несинусоидальной «пилообразной» формой, которая в аппроксимированном виде выглядит как синусоида (жирная кривая). На чертеже показано, что частота U вых не может быть равной либо превышать частоту сети питания. Поэтому и невелик диапазон управления частоты вращения электродвигателя (менее 1: 10). Ограничивающие пределы не дают возможность использовать подобные в навороченных ЧРП. Последние рассчитаны на широкий диапазон регулировкипоказателей.

Применение тиристоров в большей степени усложняет систему управления, и поэтому этого стоимость преобразователя частоты увеличивается.

Выходная «усеченная» синусоида частотника – это источник высокочастотных гармоник, вызывающих добавочные потери в электродвигателе, перегревание электромашины, уменьшение момента, мешающие работе шумы в сети питания. Использование компенсирующих приспособлений повышает цену, массу, размеры, понижает КПД всей системы.

Тем не менее, непосредственные радуют пользователей своими определёнными достоинствами. К ним относятся:

  • достаточно большой КПД, достигаемый одним преобразованием электроэнергии;
  • работа в различных режимах, включая с рекуперацией энергии в сеть;
  • надежность, относительная дешевизна, полная управляемость и удобство;
  • наличие возможности неограниченного наращивания мощности системы;

Такие схемы применяются в электроприводах выпуска прошлых лет. В новых конструкциях они на практике не разрабатываются.

Частотные преобразователи со звеном постоянного тока

Это устройства, выполненные по транзисторной или тиристорной схеме. Однако их основная отличительная особенность состоит в том, что корректная и безопасная работа частотника требует наличия звена постоянного напряжения. Поэтому для подключения их к промышленной сети требуется выпрямитель. Обычно, применяются комплектное оборудование, состоящее из частотного преобразователя и выпрямителя, регулируемые от одной системы управления.

В ПЧ этой группы применяется двухступенчатое преобразование электроэнергии: синусоидальное U вх с f = const выправляется в выпрямителе (В), отфильтровывается фильтром (Ф), разглаживается, и далее заново преобразуется инвертором (И) в U ̴. Ввиду двухступенчатого преобразования электроэнергии снижается КПД и несколько ухудшаются массогабаритные показателив сравнении с с непосредственной связью.

Для создания синусоидального U ̴ самоуправляющиеся . В качестве ключевой базы в них используются усовершенствованная тиристорная и транзисторная основа.

Основным преимуществом тиристорной преобразовательной аппаратуры считается возможность оперироватьс большими параметрами сети, с выдерживанием при этом продолжительной нагрузки и импульсных воздействий. Аппараты обладают более высоким КПД.

Частотные преобразователи на тиристорах на сегодня превосходят остальные высоковольтные приводы, мощность которых исчисляется десятками МВТ с U вых от 3до 10 кВ и более. Однако и цена на них соответственно наибольшая.

Преимущества:

  • наибольший КПД;
  • возможность использования в мощных приводах;
  • приемлемая стоимость, невзирая на внедрение добавочных элементов.

Принцип действия преобразователя частоты

Первооснову привода определяет инвертор двойного преобразования. Принцип действия заключается в том, чтобы:

  • входной переменный токсинусоидального типа 380 либо 220В выпрямляется блоком диодов;
  • потом фильтруется посредством конденсаторов для минимизации пульсации напряжения;
  • дальше напряжение подаётся на микросхемы и мосты транзисторов, создающие из него 3-х фазную волнус установленными параметрами;
  • на выходе прямоугольные импульсы превращаются в синусоидальное напряжение.

Как подключить и настроить преобразователь частоты?

Общая схема подключения асинхронного электродвигателя с применением частотного преобразователя в принципе не сложная, так как вся основная разводка заключается в корпусах приборов. Для технаря, владеющего практикой, разобраться в ней не составит сложности. В схеме место для преобразователя выделяется сразу после автоматического выключателя с номинальным током, равным номиналу электрического двигателя. При монтаже преобразователя в 3-х фазную сеть необходимо задействовать трехполюсный автомат,имеющий общий рычаг. При перегрузке это позволит мгновенно отключить все фазы от сети электроснабжения. Ток срабатывания должен быть равным току одной фазы электродвигателя. При однофазном питании, следует выбирать автоматический выключатель, с утроенным значением тока одной фазы.

Во всех случаях, монтаж инвертора должен осуществляться с включением автоматических выключателей в разрыв нулевого или заземляющего провода.

Практически настраивать частотный преобразователь – это значит, проводить подключение жил кабеля к видимым контактам электрического двигателя. Конкретное соединение определено характером напряжения, вырабатываемого непосредственно преобразователем частоты. Для 3-х фазных сетей на промышленных объектах электродвигатель подсоединяется «звездой» - этой схемой подразумевается параллельное подсоединение проводов обмоток. Для бытового применения в однофазных сетях применяется схема «треугольник» (где U вых не превышает U ном больше чем на 50%).

Пульт управления необходимо располагать втам, где будет комфортно пользоваться. Схема подключения пульта обычно отображена в пользовательской инструкции к частотному преобразователю. Перед установкой, до подачи электропитания рычаг нужно перевести в положение «выключено». После того должна загореться соответствующая индикаторная лампочка. По умолчанию для пуска аппарата требуется нажать на клавишу «RUN». Для плавного наращивания оборотов электродвигателя нужно не торопясь повернуть рукоятку пульта. При обратном вращении необходимо переустановить режим посредством кнопки реверса. Сейчас уже можнобудет перевести рукоятку в рабочее положение и установить требуемую скорость вращения. Стоит заметить, что на управляющих пультах отдельных ПЧ указывается не механическая частота вращения, а частота питающего напряжения.

Ради чего нужен преобразователь частоты?

Применение задвижек и регулирующих клапанов в производстве постепенно уходит в прошлое. Пришедшие им на замену асинхронные двигатели выгодно отличаются высокой производительностью и мощностью, но также не лишены характерных недостатков. К примеру, контроль над скоростью вращения ротора требует оснащения добавочными элементами. Пусковые токи превышают номинальные до семи раз. Такая ударная перегрузка отражается на сроке службы агрегата.

Высокоэкономичное функционирование насосов основывается на постоянной регулировке таких технических показателей как температура, давление и расход воды. и вентиляторов требует регулировки температурного режима, давления воздуха и разреженности газов. Экономичность использования станков предусматривается регулировкой скорости вращения двигателя. В конвейерной специфике работы важной особенностью является производительность. Специальные частотные агрегаты предназначены для решения подобных задач.

Для фирмы и предприятий частные преобразователи необходимы в плане:

  • экономии энергетических ресурсов;
  • долгосрочности службы механической и электрической части технологического оборудования;
  • уменьшения денежных затрат на плановые ремонтно-предупредительные процедуры;
  • ведения оперативного управления, принципиального контроля за техническими параметрами и т. п.

Повышает техническую эффективность производства еще и за счёт высвобождения некоторого оборудования.

Где используются частотные преобразователи?

Аппаратура широко применяется в промышленных и устройствах, где необходимо изменение скорости вращения двигателя, мероприятия по борьбе с амплитудными пусковыми токами или корректирование в регулирующих деталях (комбинации элементарных преобразователей с использованием обратной связи) и т. п. Рассмотрим их применение по мере востребованности:

Насосы. Поскольку потребляется мощность, пропорциональна, как известно, кубу скорости вращения, то использование позволяет сэкономитьпотребление электроэнергии до 60 %, в сравнении с методом регулировки мощности посредством заслонок на трубе. Годовое использование частотного преобразователя окупает все затраты на его приобретение. Аппараты позволяют также:

  • снижать тепловые и водные потери на 5 — 10 %,
  • уменьшать количество аварий на трубопроводах;
  • обеспечить полноценную защиту электрического двигателя.

Дополнительным преимуществом является решение проблемы с гидроударами: работающие ПЧ сглаживают пуск/останов насоса. На модернизированных насосных станциях налажены системы, позволяющие без необходимости в установке контроллера.

Вентиляторы. Все, вышесказанное для насосов, в полной мере имеет отношение и к вентиляторам. Что касается экономии потребления электричества, она здесь еще более значительна, так как в целях прямого пуска больших вентиляторов зачастую используются более мощные двигательные агрегаты. Усовершенствование технологических установок приводит к повышению рентабельности производства. Экономичность достигается и за счёт уменьшения потерь холостого хода.

Транспортеры. Адаптация скорости перемещения к скорости технологической системы, не являющейся постоянной величиной. Плавный запуск значительно увеличивает ресурс механической части системы, так как ударные нагрузки наносят вред техническому оборудованию.

Область использования преобразователей частоты довольно обширна. Среди управляемых типа небольшой мощности можно выделить также центробежные насосы, компрессоры, центрифуги, воздуходувки и т. д.

К общепромышленной серии управляемых ЧРП частотников средней мощности относятся двигатели в вентиляторах, дымососах, в системах водоснабжения, смесителях, дозаторах, производственных линиях.

Трудно представить без векторного управления с помощью преобразователей лифтовое и другое подъемно-транспортное оборудование со значительными перегрузками при пуске/остановке.

Использование ПЧ с обратной связью позволяет обеспечить точность скорости вращения, что станет залогом улучшения качества технологического процесса и решения поставленных задач. Известные производители имеют ряд моделей, ориентированных на рабочий режим в замкнутой системе. Техника рекомендована к использованию в деревообрабатывающей промышленности, робототехнике, системах точного позиционирования и др.

Вся перечисленная техника может управляться с помощью преобразователей с аналогово-цифровыми входами/выходами для регулирования, дистанционным контролем и мониторингомпо последовательной линии связи.

Другие преимущества частотников:

  • плавное регулирование скорости вращения двигателя даёт возможность не применять редукторы, вариаторы, дроссели и другую регулирующую аппаратуру, что делает структуру управления проще, дешевле и существенно надёжнее;
  • частотники в составе с АД могут вполне использоваться для замены электроприводов постоянного тока;
  • возможно создание многофункциональных систем управления приводами на базе ПЧ с контроллером;
  • модернизация технологического конструктива может производиться без перерыва в работе.

Заключение

Стоит отметить, что в отдельных случаях применение современного управления производством с помощью частотных преобразователей приводит к снижению не только энергоресурсов, но и потерь транспортируемых веществ. В промышленно-развитых странах уже практически невозможно найти асинхронный электродвигатель без преобразователя частоты.

Мы примерно знаем, как на сегодня обстоят дела у нас, а вот что ждёт нас в будущем? Глядя на ситуацию сквозь призму пользователя, предполагается деление преобразователей частоты на две части: первая будет содержать технику, ориентированную на пользовательского дилетанта и имеющую минимальное количество настроек и максимум автоматических, а во вторую – приборы, имеющие максимальное количество настроек с большими возможностями и рассчитанные на применение специалистами, способными все эти возможности использовать.

Купить готовое устройство не составит проблем – в автомагазинах можно найти (импульсные преобразователи напряжения) различной мощности и цены.

Однако, цена подобного устройства средней мощности (300-500 Вт) составляет несколько тысяч рублей, а надежность многих китайских инверторов достаточно спорна. Изготовление своими руками простого преобразователя – это не только способ ощутимо сэкономить, но и возможность улучшить свои знания в электронике. В случае отказа же ремонт самодельной схемы окажется ощутимо проще.

Простой импульсный преобразователь

Схема этого устройства очень проста , а большинство деталей могут быть извлечены из ненужного блока питания компьютера. Конечно, у нее есть и ощутимый недостаток – получаемое на выходе трансформатора напряжение 220 вольт далеко по форме от синусоидального и имеет частоту значительно больше, чем принятые 50 Гц. Напрямую подключать к нему электродвигатели или чувствительную электронику нельзя.

Для того, чтобы иметь возможность подключать к этому инвертору содержащую импульсные блоки питания технику (например, блок питания ноутбука), применено интересное решение – на выходе трансформатора установлен выпрямитель со сглаживающими конденсаторами . Правда, работать подключенный адаптер сможет только в одном положении розетки, когда полярность выходного напряжения совпадет с направлением встроенного в адаптер выпрямителя. Простые потребители типа ламп накаливания или паяльника можно подключать непосредственно к выходу трансформатора TR1.

Основа приведенной схемы – это ШИМ-контроллер TL494, наиболее распространенный в таких устройствах. Частоту работы преобразователя задают резистор R1 и конденсатор C2, их номиналы можно брать несколько отличающимися от указанных без заметного изменения в работе схемы.

Для большей эффективности схема преобразователя включает в себя два плеча на силовых полевых транзисторах Q1 и Q2. Эти транзисторы нужно разместить на алюминиевых радиаторах, если предполагается использовать общий радиатор – устанавливайте транзисторы через изоляционные прокладки. Вместо указанных на схеме IRFZ44 можно использовать близкие по параметрам IRFZ46 или IRFZ48.

Выходной дроссель наматывается на ферритовом кольце от дросселя, также извлекаемого из компьютерного блока питания. Первичная обмотка мотается проводом диаметром 0,6 мм и имеет 10 витков с отводом от середины. Поверх нее наматывается вторичная обмотка, содержащая 80 витков. Также можно взять выходной трансформатор из сломанного источника бесперебойного питания.

Читайте так же: Рассмотрим, какой стабилизатор напряжения выбрать?

Вместо высокочастотных диодов D1 и D2 можно взять диоды типов FR107, FR207.

Так как схема очень проста, после включения при правильном монтаже она начнет работать сразу и не потребует никакой настройки. Отдавать в нагрузку она сможет ток до 2,5 А, но оптимальным режимом работы будет ток не более 1,5 А – а это более 300 Вт мощности.

Готовый инвертор такой мощности стоил бы порядка трех-четырех тысяч рублей .

Эта схема выполнена на отечественных комплектующих и достаточно стара, но это не делает ее менее эффективной. Главное ее достоинство – это получение на выходе полноценного переменного тока с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц.

Здесь генератор колебаний выполнен на микросхеме К561ТМ2, представляющей собой сдвоенный D-триггер. Она является полным аналогом зарубежной микросхемы CD4013 и может быть заменена ей без изменений в схеме.

Преобразователь также имеет два силовых плеча на биполярных транзисторах КТ827А. Их главный недостаток по сравнению с современными полевыми – это большее сопротивление в открытом состоянии, из-за чего нагрев при той же коммутируемой мощности у них сильнее.

Так как преобразователь работает на низкой частоте, трансформатор должен иметь мощный стальной сердечник . Автор схемы предлагает использовать распространенный советский сетевой трансформатор ТС-180.

Как и другие инверторы на основе простых ШИМ-схем, этот преобразователь имеет на выходе достаточно отличающуюся от синусоидальной форму напряжения, но это несколько сглаживается большой индуктивностью обмоток трансформатора и выходным конденсатором С7. Также из-за этого трансформатор во время работы может издавать ощутимый гул – это не является признаком неисправности схемы.

Простой инвертор на транзисторах

Этот преобразователь работает по тому же принципу, что и перечисленные выше схемы, но генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор) в нем построен на биполярных транзисторах.

Особенность этой схемы в том, что она сохраняет работоспособность даже на сильно разряженном аккумуляторе: диапазон входных напряжений составляет 3,5…18 вольт. Но, так как в ней отсутствует какая-либо стабилизация выходного напряжения, при разрядке аккумулятора будет одновременно пропорционально падать и напряжение на нагрузке.

Так как эта схема также является низкочастотной, трансформатор потребуется аналогичный используемому в инверторе на основе К561ТМ2.

Усовершенствования схем инверторов

Приведенные в статье устройства крайне просты и по ряду функций не могут сравниться с заводскими аналогами . Для улучшения их характеристик можно прибегнуть к несложным переделкам, которые к тому же позволят лучше понять принципы работы импульсных преобразователей.

Читайте так же: Делаем самодельное зарядное устройство для автомобильного аккумулятора

Увеличение выходной мощности

Все описанные устройства работают по одному принципу: через ключевой элемент (выходной транзистор плеча) первичная обмотка трансформатора соединяется с входом питания на время, заданное частотой и скважностью задающего генератора. При этом генерируются импульсы магнитного поля, возбуждающие во вторичной обмотке трансформатора синфазные импульсы с напряжением, равным напряжению в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков в обмотках.

Следовательно, ток, протекающий через выходной транзистор, равен току нагрузки, помноженному на обратное соотношение витков (коэффициент трансформации). Именно максимальный ток, который может пропускать через себя транзистор, и определяет максимальную мощность преобразователя.

Существуют два способа увеличения мощности инвертора: либо применить более мощный транзистор, либо применить параллельное включение нескольких менее мощных транзисторов в одном плече. Для самодельного преобразователя второй способ предпочтительнее, так как позволяет не только применить более дешевые детали, но и сохраняет работоспособность преобразователя при отказе одного из транзисторов. В отсутствие встроенной защиты от перегрузок такое решение значительно повысит надежность самодельного прибора. Уменьшится и нагрев транзисторов при их работе на прежней нагрузке.

На примере последней схемы это будет выглядеть так:

Автоматическое отключение при разряде аккумулятора

Отсутствие в схеме преобразователя устройства, автоматически отключающего его при критическом падении напряжения питания, может серьезно подвести Вас , если оставить такой инвертор подключенным к аккумулятору автомобиля. Дополнить самодельный инвертор автоматическим контролем будет крайне полезно.

Простейший автоматический выключатель нагрузки можно сделать из автомобильного реле:

Как известно, каждое реле имеет определенное напряжение, при котором замыкаются его контакты. Подбором сопротивления резистора R1 (оно будет составлять около 10% от сопротивления обмотки реле) настраивается момент, когда реле разорвет контакты и прекратит подачу тока на инвертор.

ПРИМЕР : Возьмем реле с напряжением срабатывания (U р) 9 вольт и сопротивлением обмотки (R о) 330 ом. Чтобы оно срабатывало при напряжении выше 11 вольт (U min) , последовательно с обмоткой нужно включить резистор с сопротивлением R н, рассчитываемым из условия равенства U р / R о =(U min — U р)/ R н. В нашем случае потребуется резистор на 73 ома, ближайший стандартный номинал – 68 ом.

Конечно, это устройство крайне примитивно и является скорее разминкой для ума. Для более стабильной работы его нужно дополнить несложной схемой управления, которая поддерживает порог отключения гораздо точнее:

Что такое частотные преобразователи? Следует подумать, а не приспособление ли это, что владеет интеллектом. Оно применяет микроскопический контроллер достаточно большой производительности. Это преобразователи напряжения электрического тока, обладающие большим диапазоном частот. Если вы хотите купить преобразователь частоты обращайтесь на сайт Инстарт .

Есть преобразователи электронного типа, используемые для корректировки скорости крутящегося мотора (так задается напряжение нужной частоты, техпараметры преобразовываются для штатного рабочего режима мотора).
Какие типы самых популярных преобразователей частот есть? Вот:
-Промышленного использования;
-Векториальные;
-ПЧ Для насосов.
Частотные преобразователи для насосов и общепромышленные применяются не чаще всего, намного просты в использовании (при вкл. и выкл. двигателей в конце конкретного рабочего периода). Их можно включить на пару часов, на протяжении данного периода времени не трогать. А векториальные преобразователи (производственная линия, аппарат для прокатки металла и прочих материалов, лифт, подъемный механизм, другое, что имеет большую точность управления) должны быть намного надежными. Среди таких преобразователей есть еще подтипы. Это транзисторные и тиристорные приспособления для изменения частоты электрического напряжения. Тиристорные изменяют частоту регулировки электроприводов, имеют очень большой коэффициэнт полезного действия, стойки к мощному напряжению (высоковольтный подтип). Преобразователи на транзисторах (с изолированным запирающим механизмом) более управляемы, используются там, где необходима самая большая эфективность электро двигатель. На транзисторах выполняют преобразователи не очень большой мощности. Но в действительности сейчас применяются транзисторы (соединены постепенно) в сверхвысоковольтных преобразователях.
Как же работает частотник? Превращает ток при помощи 6-ти диодов, разрешающих ему перемещаться в одном направлении.

Хочется обратить собственное внимание еще на одно. Специальный эффект получается, если применяются частотные преобразователи там, в которых транспортируется обыкновенная вода, иная жидкость. На объектах по перевозке применяются же преобразователи Bosch VFC3610(взамен задвижек или клапанов).

Изготовителей частотных преобразователей, которые претендуют на лидерство, на так уж и много. Это «БОШ РЕКСРОТ», «ДАНФОСС», «ХЮНДАЙ», «МИЦУБИСИ ЭЛЕКТРИК», «ЭЙБИБИ», «ЭЛДЖИ», «ОУБЭН», «ЭМЕРСОН» и т.д.

Прекрасно бы в поисках изготовителя частотного преобразователя ориентироваться на выверенные компании. Ведь именно так можно определить, какие «детали» доступны для устройств, что за оборудование нужно заменить. Частотные преобразователи нашли большое применение там, где необходима защита электрического двигателя от пропадания фазы, электротермических перегрузок, ударных нагрузок. Частотный преобразователь можно собрать и собственными руками (дома). Преобразователи частотного диапазона нужны с целью решения ряда типовых задач любой фирмы или предприятия. Современные «преобразующие» устройства имеют много доп. опций и расширений.

Для преобразования постоянного тока в переменный применяют специальные электронные силовые устройства, называемые инверторами. Чаще всего инвертор преобразует постоянное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины.

Таким образом, инвертор - это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной . Инверторы применяют как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе систем бесперебойного электроснабжения (UPS).

В составе источников бесперебойного питания (ИБП), инверторы позволяют, например, получить непрерывное электроснабжение компьютерных систем, и если в сети напряжение внезапно пропадет, то инвертор мгновенно начнет питать компьютер энергией, получаемой от резервного аккумулятора. По крайней мере, пользователь успеет корректно завершить работу и выключить компьютер.

В более крупных устройствах бесперебойного электроснабжения применяются более мощные инверторы с аккумуляторами значительной емкости, способные автономно питать потребители часами, независимо от сети, а когда сеть снова вернется в нормальное состояние, ИБП автоматически переключит потребители напрямую к сети, а аккумуляторы начнут заряжаться.


Техническая сторона

В современных технологиях преобразования электроэнергии инвертор может выступать лишь промежуточным звеном, где его функция - преобразовать напряжение путем трансформации на высокой частоте (десятки и сотни килогерц). Благо, на сегодняшний день решить такую задачу можно легко, ведь для разработки и конструирования инверторов доступны как полупроводниковые ключи, способные выдерживать токи в сотни ампер, так и магнитопроводы необходимых параметров, и специально разработанные для инверторов электронные микроконтроллеры (включая резонансные).

Требования к инверторам, как и к другим силовым устройствам, включают: высокий КПД, надежность, как можно меньшие габаритные размеры и вес. Также необходимо чтобы инвертор выдерживал допустимый уровень высших гармоник во входном напряжении, и не создавал неприемлемо сильных импульсных помех для потребителей.

В системах с «зелеными» источниками электроэнергии (солнечные батареи, ветряки) для подачи электроэнергии напрямую в общую сеть, применяют Grid-tie – инверторы, способные работать синхронно с промышленной сетью.

В процессе работы инвертора напряжения, источник постоянного напряжения периодически подключается к цепи нагрузки с чередованием полярности, при этом частота подключений и их продолжительность формируется управляющим сигналом, который поступает от контроллера.

Контроллер в инверторе обычно выполняет несколько функций: регулировка выходного напряжения, синхронизация работы полупроводниковых ключей, защита схемы от перегрузки. Принципиально инверторы делятся на: автономные инверторы (инверторы тока и инверторы напряжения) и зависимые инверторы (ведомые сетью, Grid-tie и т.д.)

Схемотехника инверторов

Полупроводниковые ключи инвертора управляются контроллером, имеют обратные шунтирующие диоды. Напряжение на выходе инвертора, в зависимости от текущей мощности нагрузки, регулируется автоматическим изменением ширины импульса в блоке высокочастотного преобразователя, в простейшем случае это .

Полуволны выходного низкочастотного напряжения должны быть симметричными, чтобы цепи нагрузки ни в коем случае не получили значительной постоянной составляющей (для трансформаторов это особенно опасно), для этого ширина импульса НЧ-блока (в простейшем случае) делается постоянной.

В управлении выходными ключами инвертора, применяется алгоритм, обеспечивающий последовательную смену структур силовой цепи: прямая, короткозамкнутая, инверсная.

Так или иначе, величина мгновенной мощности нагрузки на выходе инвертора имеет характер пульсаций с удвоенной частотой, поэтому первичный источник должен допускать такой режим работы, когда через него текут пульсирующие токи, и выдерживать соответствующий уровень помех (на входе инвертора).

Если первые инверторы были исключительно механическими, то сегодня есть множество вариантов схем инверторов на полупроводниковой базе, а типовых схем всего три: мостовая без трансформатора, двухтактная с нулевым выводом трансформатора, мостовая с трансформатором.

Мостовая схема без трансформатора встречается в устройствах бесперебойного питания мощностью от 500 ВА и в автомобильных инверторах. Двухтактная схема с нулевым выводом трансформатора используется в маломощных ИБП (для компьютеров) мощностью до 500 ВА, где напряжение на резервном аккумуляторе составляет 12 или 24 вольта. Мостовая схема с трансформатором применяется в мощных источниках бесперебойного питания (на единицы и десятки кВА).

В инверторах напряжения с прямоугольной формой на выходе, группа ключей с обратными диодами коммутируется так, чтобы получить на нагрузке переменное напряжение и обеспечить контролируемый режим циркуляции в цепи .

За пропорциональность выходного напряжения отвечают: относительная длительность управляющих импульсов либо сдвиг фаз между сигналами управления группами ключей. В неконтролируемом режиме циркуляции реактивной энергии, потребитель влияет на форму и величину напряжения на выходе инвертора.


В инверторах напряжения со ступенчатой формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь формирует однополярную ступенчатую кривую напряжения, грубо приближенную по своей форме к синусоиде, период которой равен половине периода выходного напряжения. Затем мостовая НЧ-схема превращает однополярную ступенчатую кривую в две половинки разнополярной кривой, грубо напоминающей по форме синусоиду.

В инверторах напряжения с синусоидальной (или почти синусоидальной) формой на выходе, предварительный высокочастотный преобразователь генерирует постоянное напряжение близкое по величине к амплитуде будущей синусоиды на выходе.

После этого мостовая схема формирует из постоянного напряжения переменное низкой частоты, путем многократной ШИМ, когда каждая пара транзисторов на каждом полупериоде формирования выходной синусоиды открывается несколько раз на время, изменяющееся по гармоническому закону. Затем НЧ-фильтр выделяет из полученной формы синус.


Простейшие схемы предварительного высокочастотного преобразования в инверторах являются автогенераторными. Они довольно просты в плане технической реализации и достаточно эффективны на малых мощностях (до 10-20 Вт) для питания нагрузок не критичных к процессу подачи энергии. Частота автогенераторов не более 10 кГц.

Положительная обратная связь в таких устройствах получается от насыщения магнитопровода трансформатора. Но для мощных инверторов такие схемы не приемлемы, поскольку потери в ключах возрастают, и КПД получается в итоге низким. Тем более, любое КЗ на выходе срывает автоколебания.

Более качественные схемы предварительных высокочастотных преобразователей - это обратноходовые (до 150 Вт), двухтактные (до 500 Вт), полумостовые и мостовые (более 500 Вт) на ШИМ контроллерах, где частота преобразования достигает сотен килогерц.

Типы инверторов, режимы работы

Однофазные инверторы напряжения подразделяются на две группы: с чистым синусом на выходе и с модифицированной синусоидой. Большинство современных приборов допускают упрощенную форму сетевого сигнала (модифицированную синусоиду).

Чистая же синусоида важна для приборов, у которых на входе есть электродвигатель или трансформатор, либо если это специальное устройство, работающее только с чистой синусоидой на входе.

Трёхфазные инверторы обычно используются для создания трёхфазного тока для электродвигателей, например, для питания . При этом обмотки двигателя непосредственно подключаются к выходу инвертора. По мощности инвертор выбирают исходя из пикового значения оной для потребителя.

Вообще, существует три рабочих режима инвертора: пусковой, длительный и режим перегрузки. В пусковом режиме (заряд емкости, пуск холодильника) мощность может на долю секунды двукратно превысить номинал инвертора, это допустимо для большинства моделей. Длительный режим - соответствующий номиналу инвертора. Режим перегрузки - когда мощность потребителя в 1,3 раза превышает номинал - в таком режиме средний инвертор может работать примерно полчаса.

Преобразователь напряжения – устройство, изменяющее вольтаж цепи. В литературе зарубежной подразумевается: речь касается цепей переменного напряжения, в противном случае устройство называют преобразователем постоянного тока. Последние рассматриваются полноценными членами семейства.

Назначение преобразователей напряжения

Необходимость использования устройств подобного рода возникает, когда требуется электрический прибор внедрить в регионе, где стандарты промышленных сетей снабжения энергией отличаются от заложенных разработчиками изделия. Частоты и амплитуда напряжения США противопоставлены Европе, России. Видим ряд причин. Тесла заметил: при увеличении частоты возможно драматически снизить вес медной обмотки трансформатора, при достижении параметром значения 700 Гц электричество становится в большой мере безопасным для человеческого организма. Параллельно растут потери сердечников, начинается излучение электромагнитной волны в пространство.

Преобразователь вольтажа

Оценив весомость аргументов, США под влиянием Николы Тесла узаконили частоту 60 Гц. В России (Европе) приняли к сведению доводы прославленного инженера Доливо-Добровольского (обосновал выгодность использования трехфазных сетей). На протяжении Евразии стали эталоном де-факто 50 Гц. Амплитуды напряжения выбирали удобную. 220 вольт опасны для человека, потребитель одновременно затрачивает меньший ток. Сечение медных проводников допустимо ощутимо снизить. Американские 110 вольт переменного тока нельзя считать безопасными полностью. Люди осведомлены, наученные боевиками, не раз главный герой уничтожал врага электрическим разрядом местной энергосети.

Влияние параметров на технику описываются просто:

  1. Частота оборотов двигателя определена амплитудой приложенного напряжения. Скорость вращения вала асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором напрямую зависит от частоты питающей сети.
  2. Нагревательные приборы рассчитаны на рабочий ток, пропорциональный величине напряжения. Сопротивление преимущественно активное. Мощность изменяется вчетверо (ток берется в квадрате) при аналогичном варьировании между сетями 110/220 вольт. Потребитель ожидает от изделия номинальных параметров, прибор может быть не рассчитан на нестандартную эксплуатацию.
  3. Бытовая техника в составе часто использует напряжения отличные от сетевых со строго определенной амплитудой. Обеспечиваются условия блоком питания. Для нормальной работы требуется преобразователь напряжения.

Зачем мировой практике разные напряжения

Электрификация в массовом порядке велась с начала XX века. Участвовало великое количество людей, каждый преследовал, помимо объективных, собственные интересы. Эдисон продвигал постоянное напряжение, Тесла назло – переменное. Доливо-Добровольский имел основания недолюбливать второго ученого (конфликт интересов в сфере трёхфазных сетей), возможно, частоту 50 Гц ввел наперекор США, Европа прислушалась к мнению более близкого той окрестности инженера.

Что касается СССР, нет сомнений: вольтаж на 220 вольт оставлен только из военных, стратегических соображений противостояния в холодной войне. Диаметр сигареты соответствовал калибру патрона для скорейшего перевода оборудования на выпуск специфической продукции.

Местоположение преобразователей напряжения в общей классификации

  • Постоянного тока:
  1. Преобразователи уровня напряжения (обсуждался выше).
  2. Регуляторы напряжения.
  3. Линейный стабилизатор напряжения.

  • Переменный ток в постоянный:
  1. Выпрямители.
  2. Блоки питания.
  3. Импульсные стабилизаторы напряжения.
  • Постоянный ток в переменный:
  1. Инверторы.
  • Переменного напряжения:
  1. Трансформаторы различного рода.
  2. Преобразователи напряжения.
  3. Регуляторы напряжения.
  4. Преобразователи формы и частоты напряжения.
  5. Трансформаторы переменной частоты.

Преобразователи напряжения образуют еще два класса. Блоки питания в первую очередь. Каждый содержит в своём составе преобразователь напряжения. Трансформатор. Преобразователи уровня подходят под отечественное определение предмета беседы, выделяются в отдельный класс. Вопрос ставится книгой М.А. Шустова по рассматриваемой теме.

Классификация преобразователей напряжения

Проведём первичную классификацию преобразователей напряжения:


Используя обычные трансформаторы или автотрансформаторы для преобразования амплитуды напряжения, помним о частоте. Многие двигатели, сконструированные для работы на 60 Гц, будут перегреваться сетями 50 Гц, пусть амплитуда напряжения соответствует заданной. Что касается встроенных опций блоков питания, далеко не всегда присутствует возможность переключить настройки. Изделие способно маркироваться наклейкой (помимо заводского шильдика), доступно поясняющей условия работы прибора, согласно предназначению. Что касается расхождений между Европой и Россией (230 – 220 = 10 вольт), указанное несоответствие не сильно влияет на работу (есть негативные моменты). Отмечали в предыдущих топиках влияние параметра на срок службы лампочек накала, электронных ламп.

В соответствии с конструкцией в электронике преобразователи напряжения делят так:

  1. Бестрансформаторные конденсаторные.
  2. С коммутируемыми конденсаторами.
  3. Мультиплексорные.
  4. Импульсные преобразователи.
  5. Импульсные источники питания.
  6. Трансформаторные с импульсным возбуждением.
  7. Автогенераторные.
  8. На пьезоэлектрических трансформаторах.

Конструкция преобразователей напряжения

С ростом частоты увеличиваются потери, вызванные вихревыми токами, в сердечниках трансформаторов. Явление пытаются пресечь путем шихтования. Сердечник разделяется на пластины, с плоскостью параллельной линиям магнитного поля. Используется особая электротехническая сталь с высоким удельным сопротивлением.

По мере роста частоты магнитный поток вытесняется толщей сердечника наружу. Ферромагнитные материалы применяют для увеличения индуктивности. На высоких частотах становится нецелесообразным по указанной выше причине. Магнитная проницаемость перестает расти, нет смысла изготавливать подобный сердечник. На ВЧ широко используются магнитодиэлектрики прессованным порошком. Устраняя потери, созданные вихревыми токами. Сила магнитного потока сильно снижается. Периодичность законов изменения тока, напряжения диктует следующее правило…

Энергия, запасенная преобразователем за период, пропорциональна квадрату емкости или индуктивности системы.

В устройствах используют накопители индуктивного или емкостного типа. Это объясняет применение ферромагнитных материалов блоками питания, объясняет, почему Тесла в опытах шел иным путем. Ученый для создания токов высокой частоты использовал колебательные контуры. Аналогичным путем сегодня движется техника преобразователей напряжения. Для постоянного тока конструкция выглядит такова:

  1. Входное напряжение становится одновременно питающим.
  2. Сердцем преобразователя выступает генератор переменного напряжения. Известный мультивибратор (триггер на двух транзисторах), изображение доступно повсеместно. Иногда выгодно применять готовые микросхемы промышленных серий, инверторы.
  3. Результирующее напряжение переменное, часто прямоугольной формы. При необходимости усиливается, умножается или понижается (при помощи коммутируемых конденсаторов), выпрямляется, получается нужная полярность (преобразователь полярности напряжения). Заметим: эти каскады иногда выполнены на микросхемах. Мультиплексоры широко применяются для коммутации конденсаторов, запасающих мощность.

Преобразователь напряжения не строится напрямую без трансформатора. Однако если отклоняться от строго определения, удастся решить разнообразные задачи. Любой мультивибратор содержит цепочку RC, что и применил Тесла. Для получения напряжения нужно полярности применяется должным образом выполненное включение диодов и фильтрующих конденсаторов. Выпрямитель делается мостовым (см. ).

Подобные схемы на практике встречаются в электронике по простой причине: сложно получить высокую мощность. Не создано полупроводниковых ключей, обходящих ограничение, емкости конденсаторов потребовались бы просто гигантские. Поэтому производители постоянно борются за экономию электроэнергии.

Системный блок ПК применяет импульсные трансформаторы, генерации стабильной чистоты используются кварцевые резонаторы. Укажем отличие. Работа с высокочастотным напряжением, позволяет значительно уменьшить количество запасенной за период колебания энергии. Габариты трансформаторов можно сильно уменьшить, вредные ферромагнитные сердечники выбросить вовсе, понизив вес. Имеются конструктивные особенности и другого рода. Как пишет выдающийся схемотехник М.А. Шустов:

  1. Индуктивные преобразователи меньших габаритов при прочих равных. Поэтому применяются для повышенных мощностей. Что видим на примере трансформаторов.
  2. Что касается емкостных преобразователей, выгодно использовать для малых мощностей. Вспомним о мультивибраторах с RC цепочкой.

Слышали про «трансформаторы» постоянного напряжения. Допустимо отнести к конструктивным особенностям. В составе генератора используется звено обратной связи – кристалл кварца. Запасающий конденсатор управляет режимом работы транзистора, переменное напряжение в виде акустической волны проходит пьезоэлемент. В силу очевидных обстоятельств рабочие частоты лежат в области единиц МГц, мощность мала. Понятно, что напрямую постоянное напряжение система передавать неспособна, термин трансформатор применяется иносказательно.