Резонансные инвертеры

Инвертеры. Inverters.
Vaheldid.
PhD Olga Ruban


Инве́ртер — устройство для
преобразования постоянного тока в
переменный ток с изменением величины
напряжения или без. Обычно представляет
собой генератор периодического
напряжения, по форме приближённого к
синусоиде.
Toshiba, Shnеider Electric,…
5/7/2016
2




Инвертер - электрическое устройство, которое преобразовывает
постоянный ток (DC) в переменный ток (AC);
Преобразованный AC сигнал может быть любого необходимого
напряжения и частоты, использованием соответствующих
трансформаторов, способов переключения и управляющих цепей.
Статические инвертеры не имеют никаких движущихся частей и
используются в широком диапазоне, от маленьких источников
коммутируемой мощности в компьютерах, до применения в системах
постоянного тока высокого напряжения (например, в транспорте).
Инвертeры обычно используются, чтобы получить энергию AC из
источников DC, таких как солнечные панели или батареи или
топливные элементы.
5/7/2016
3



Инвертер выполняет противоположную
выпрямителю функцию.
Форма волны на выходе инвертера - важное
рассмотрение при выборе инвертeра.
Правильная синусоида, коэффициент гармоник
< 3% 50Гц/60Гц ±0,05%

Инвертер строится на управляемых ключах.
5/7/2016
4



Входное напряжение постоянного тока может
подаваться с выпрямленного выхода AC
источника питания, тогда инвертер называют DC
link inverter.
Наоборот, вход DC может быть из независимого
источника, такого как источник напряжения
постоянного тока или батарея.
Частота выхода АС инвертера точно
корректируется управлением переключающей
части устройств инвертера и обычно
определяется частотой "генератора
синхросигналов" в схеме управления инвертера.
5/7/2016
5



Существуют две группы инвертеров,
которые различаются по стоимости
примерно в 1,5 раза:
Первая группа более дорогих инвертеров
обеспечивает синусоидальное выходное
напряжение.
Вторая группа обеспечивает выходное
напряжение упрощённой формы,
заменяющей синусоиду. Чаще всего
выходной сигнал - в виде
трапецеидального синуса.
5/7/2016
6


С модифицированной синусоидальной волной (Modified
sine wave): Если оборудование может принять некоторые
изменения напряжения, то используется инвертер с
модифицированной синусоидальной волной. Этот
инвертер обеспечивает питание по более возможной цене.
Большинство приборов бытовой техники и электроники
функционируют отлично с использованием инвертера с
модифицированной синусоидальной волной.
5/7/2016
7

Синусоида важна только для некоторых
телекоммуникационных, измерительных,
лабораторных приборов, медицинской
аппаратуры, а также профессиональной
(HI-FI, HI-END,) аудио аппаратуры.
5/7/2016
8
Инвертер, разработанный, чтобы
обеспечить 115 V AC из 12 V DC
источника, применяется в
автомобиле.
Пример на рис обеспечивает до
1.2 А переменного тока, или для
приведения в действие 2 лампочек
на 60 ватт.
5/7/2016
9

MultiPower серия –
Офлайновый
(автономный) UPS,
разработанный
особенно для
пользователей
продвинутых
автоматизированных
рабочих мест и узлов
сети. Эта серия
представляет
последнее
достижение R&D,
включает
технологию SMD.
5/7/2016
10
При подключенной батарее работает
как ИБП.
Благодаря чистой синусоиде на
выходе идеально подходит для
запуска и работы
электродвигателей, вентиляторов,
насосов и индуктивных нагрузок,
чего не могут обеспечить
инвертеры с модифицированной
синусоидой.
Максимальная пиковая мощность в 2
раза выше номинальной, что
позволяет запускать
электродвигатели, пусковая
мощность которых в несколько раз
выше номинальной.
5/7/2016
11
Непрерывное электропитание
(UPS) использует батареи и
инвертeр, чтобы поставлять
МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА, когда главная сеть
(main power) недоступна.
Когда главная сеть
восстановлена, выпрямитель
используется, чтобы
поставлять DC энергию,
чтобы перезарядить батареи.
5/7/2016
12

Однофазные и трёхфазные инвертеры.
Инвертеры обычно разрабатываются, чтобы
обеспечить или один выход или выход с тремя
фазами.
Большие индустриальные приложения требуют АС
с тремя фазами.
5/7/2016
13


Трёхфазные инвертеры обычно используются для
создания трёхфазного тока для электродвигателей,
например для питания трёхфазного асинхронного
двигателя. При этом обмотки двигателя
непосредственно подключаются к выходу инвертера.
Высокомощные трёхфазные инвертеры применяются
в тяговых преобразователях в электроприводе
дизель-электровозов (тепловозов), дизельэлектроходов (теплоходов), троллейбусов, трамваев,
прокатных станов, буровых вышек, в индукторах
(установки индукционного нагрева).
5/7/2016
14
5/7/2016
15



В течение нескольких секунд большинство моделей
инвертеров могут отдавать мощность, в 1,5-2 раза
превышающую номинальную. Сильная кратковременная
перегрузка возникает, например, при включении
холодильника.
Мощность инвертeра примерно равна либо выше
расчётной мощности ветроустановки.
Инвертера мощностью 150 W достаточно, чтобы запитать
от бортовой электросети автомобиля практически любой
ноутбук. Для питания и зарядки мобильных телефонов,
аудио и фотоаппаратуры хватит 75W.
5/7/2016
16



Режим длительной работы. Данный режим
соответствует номинальной мощности инвертера.
Режим перегрузки. В данном режиме большинство
моделей инвертеров в течение нескольких десятков
минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза
больше номинальной.
Режим пусковой. В данном режиме инвертер
способен отдавать повышенную моментальную
мощность в течение нескольких миллисекунд, для
обеспечения запуска электродвигателей и ёмкостных
нагрузок.
5/7/2016
17
e


Выбор инвертера производится, исходя из
пиковой мощности энергопотребления
стандартного напряжения 220В/50Гц.
Пример методики выбора – в дополнительном
материале
5/7/2016
18
Инвертеры серии AEP-A3000R трёх
стандартных конфигураций: для работы от
сетей постоянного тока 12, 24 и 48 В.
Выходные напряжения 115 или 230 В
(частота 50/60 Гц) с отклонением
напряжения в пределах ±3% .
КПД лежит в пределах от 84 до 90%
Компактная конструкция (высота 1U) для монтажа в 19” шкафы
Правильная синусоида, коэффициент гармоник < 3% 50Гц/60Гц ±0,05%
Мощность в непрерывном режиме 2550Вт
Пиковая мощность 3060Вт (в течение 1 мин.), 3260Вт (в течение 3 сек)
5/7/2016
19



Вторая классификация относится к офлайновому
инвертированию (offline inverting ) и онлайн инвертированию
(online inverting).
Если единственный источник в линии переменного тока для
нагрузки - инвертер, то инвертер называют офлайновым
инвертером (offline inverting ) или автономным инвертером
(autonomous inverter). У некоторых офлайновых инвертеров
та же самая топология, как у управляемых выпрямителей.
С другой стороны, если инвертер - часть линии
электропередачи, инвертер называют сетевым инвертером,
ведомым сетью (online- инвертером).
5/7/2016
20


Инвертер источника напряжения (VSI, или
volt source inverter) формирует напряжение
с необходимыми свойствами: амплитуда,
частота, и фаза. Это - обычно
используемый тип инвертера.
Сигнал АС обеспечивается на стороне
выхода инвертера как функция источника
напряжения.
5/7/2016
21
5/7/2016
22
Особенность двунаправленный
электрический ток VSI. Чтобы
обеспечить эту особенность,
ключи должны быть созданы
на полноуправляемых
устройствах (транзисторы,
тиристоры GTO или MCT).
Электрический ток выхода VSI
имеет форму в зависимости
от значения напряжения и
сопротивления нагрузки.
5/7/2016
23
Инвертер источника тока -CSI-current source
inverter - источник электрического тока с
необходимыми свойствами: амплитуда, частота,
и фаза.
Ключи инвертера периодически изменяют
направление электрического тока выхода.
5/7/2016
24
Выходное напряжение
имеет форму в зависимости
от падения напряжения на
нагрузке.
5/7/2016
25
Регулировочная характеристика, представляющая собой
зависимость выходного напряжения инвертера от напряжения
управления (коэффициент модуляции).
 Внешняя (нагрузочная) характеристика инвертера,
представляющая собой зависимость напряжения на нагрузке от
тока нагрузки.
 Спектральные характеристики напряжения и тока в цепи
переменного тока.
Энергетические характеристики:
 зависимость тока в источнике питания и в полупроводниковых
элементах инвертера от тока в нагрузке;
 зависимость мощности, потребляемой от источника и мощности
потерь в полупроводниковых элементах инвертера от мощности в
нагрузке.

5/7/2016
26
Схемы полноволнового управляемого
выпрямителя могут работать как инвертеры
online, когда угол включения (зажигания)
ключа α>π/2.
5/7/2016
27
Есть два пути, которыми уровень гармоник может быть
снижен до низкого значения или по крайней мере в пределах
приемлемых пределов:
 один метод должен использовать фильтр на стороне
выхода инвертера; фильтр должен будет обработать большую
выходную мощность от инвертера;
 второй метод использует стратегию модуляции, которая
изменит уровень гармоник в выходном напряжении таким
способом, при котором необходимая фильтрация будет
минимальна.
5/7/2016
28
Методы управления - ещё одна
классификация.
 Есть принцип блочного управления (другие
названия - квадратно-волновое управление
и управление с шестью шагами), и
 Принцип импульсного управления.
5/7/2016
29


Частота выхода АС инвертeра точно
корректируется управлением переключающей
части устройств инвертера.
Частота обычно определяется частотой
"генератора синхросигналов" в схеме управления
инвертера.
5/7/2016
30



Открытие и закрытие полупроводникового ключа
формирует положительную или отрицательную половину
периода сигнала АС. Таким образом, прямоугольные блоки
напряжения сформированы на выходе инвертера.
Преимущества квадратно-волнового инвертера - высокая
производительность (около 98 %), хорошая надежность, и
скорость. В нём амплитуды высших гармоник напряжения
отфильтрованы индуктивностью нагрузки.
Высокочастотные операции возможны, что увеличивает
выходную частоту.
Быстрое переключение устройств, таких как транзисторы
МОS и IGBT может использоваться, чтобы достигнуть этой
производительности.
5/7/2016
31
Kонфигурация полумоста однофазного VSI. Ключами T1 и T2
может быть биполярный транзистор, MOSFET, IGBT, тиристоры
GTO, или SCR.
Диоды D1 и D2 известны как диоды обратной связи, потому что
они могут отдавать назад в нагрузку реактивную мощность.
5/7/2016
32
Формы волны показаны на
рисунке
В течение положительного
полупериода выходного
напряжения, включен ключ T1,
дающий на выход Uout =
+Ud/2.
В течение отрицательного
полупериода включен ключ T2,
который даёт
Uout = -Ud/2.
NB! До включения ключа, другой
ключ должен быть выключен;
иначе оба ключа проводят и
итог - короткое замыкание
питания dc
5/7/2016
33
Однофазный мостовой
транзисторный инвертер (Офлайн)
состоит из двух диагоналей. Каждая
диагональ включает пару
транзисторов с антипараллельными
разрядными диодными цепями
(freewheeling diodes) обратного
тока.
В случае резистивно-индуктивной
нагрузки, обратный электрический
ток нагрузки течёт по этим диодам.
Через два транзистора в каждой
диагонали ток течёт таким образом,
что, когда один из них находится в
выключенном состоянии, другой
находится во включенном.
Они оба выключаются на короткий
промежуток времени, известный как
blanking time, для избегания
короткого замыкания входа dc.
5/7/2016
34
5/7/2016
35



При достаточной индуктивности выходной ток
нагрузки будет течь непрерывно. Поэтому
выходное напряжение определяется статусом
ключей.
Выходное напряжение - обратной полярности.
В схеме с блочным управлением диагонали
моста переключаются таким образом, чтобы их
напряжения выхода были смещены друг
относительно друга. Если угол сдвига равен
нулю, выходное напряжение инвертера равно
нулю. Если изменение , выходное напряжение
максимально.
5/7/2016
36


Схема страдает от низковольтных пульсаций и
неустойчивости. Синусоидальное выходное напряжение не
может быть достигнуто, используя блочный принцип
управления. Диаграмма выходного напряжения инвертера
с блочным принципом управления - кусочная кривая,
которая значительно отличается от синусоидальной
кривой.
Инвертеры с блочным принципом управления обычно
используются в индустриальных применениях с низким
энергопотреблением, где диапазон напряжения ограничен
десять к одному, и динамическая производительность не
важна. Однако, они - достаточно перспективные системы
благодаря новой разработке векторных методов
управления.
5/7/2016
37


Форма выходного напряжения отличается
значительно от синусоидального, кроме
главной гармоники.
Поэтому инвертер с блочным
управлением хорошо применим в
диапазоне управления, где частота
выходного напряжения соответствует
основной гармонике.
5/7/2016
38


Если принцип импульсного управления
используется, управляемый сигнал АС
сформирован одним из методов
модуляции импульса.
Большое количество методик модуляции
существует, каждый имеет различную
производительность, особенно
относительно стабильности и слышимого
искажения управляемой нагрузки.
5/7/2016
39
5/7/2016
40

Модуляция ширины
импульса, или метод
PWM (Pulse width
modulation) – самый
перспективный для
управления.
5/7/2016
41
Резонансные инвертеры


Недостатки переключения увеличивают размер и вес и,
следовательно, увеличивают потери мощности. Поэтому, на
высоких частотах процессы переключения должны быть
произведены, когда напряжение через ключа и/или ток через
него - ноль в момент переключения.
Резонансные инвертeры –преобразователи, где управляемые
ключи включаются и выключаются при нулевом напряжении
(ключ нулевого напряжения, ZVS zero voltage switch) и/или
нулевом токе (нулевой ключ тока, ZCS zero current switch).
Резонансный инвертер напряжения
International Rectifier
07.05.2016
42
Резонансные инвертеры определены как
комбинация топологии инвертера и стратегий
переключения, которые приводят к нулевому
напряжению и/или нулевому переключению
тока:
 Резонансные dc-связанные инвертеры
(питания);
 Резонансные инвертеры нагрузки;
 Инвертеры резонансного выключения.
07.05.2016
43
Входное напряжение схемы ZVC и известной как "мягкий"
инвертер, является пульсирующим DC, которое колеблется
вокруг среднего уровня. В результате входное напряжение
становится нулем для конечной продолжительности, во время
которой статус инвертера изменяется.
L
T1
T2
C
Vin
Vout
T3
T4
07.05.2016
44

В начальном состоянии конденсатор разряжен. Все ключи инвертера
включены на нулевое напряжение, нулевые напряжения прикладываются к
нагрузке и конденсатору. Ток катушки индуктивности уменьшается через
ключи. Когда ток катушки индуктивности достигает соответствующего
уровня, один ключ в каждой диагонали открывается, и напряжение
прикладывается к нагрузке. Напряжение конденсатора затем достигает
величины, превышающей питание, в то время как ток катушки
индуктивности уменьшается. Колебание продолжается с напряжением на
конденсаторе, теперь уменьшающимся.
L
T1
T2
C
Vin
Vout
T3
T4
07.05.2016
45
Резонансные инвертеры питания (III)



Форма импульсов питания через диагональ инвертера
той же самой формы, как напряжение конденсатора.
Когда напряжения конденсатора уменьшается до
нуля, антипараллельные диоды зажимают
конденсаторное напряжение (отрицательное),
идущее через конденсатор короткое время и
мгновенно разряжающее его. Затем процесс
повторяется.
У этой схемы нет возможности дать импульсы с
непрерывным изменением ширины импульса, как в
обычном инвертере. Выходное напряжение должно
управляться модуляцией блоком, а не PWM.
07.05.2016
46

Эти инвертеры включают LC резонансную цепь между
модулем переключения и нагрузкой. Параллельные и
последовательные резонансные цепи и их
комбинации используются в инвертерах с
резонансной нагрузкой. Поток мощности в нагрузку
управляется резонансным импедансом, который в
свою очередь управляется частотой переключения.
T1
T2
Vin
T3
L
C
Vout
T4
07.05.2016
47



Резонансный инвертер состоит из схемы переключения T1
– T4 и резонансной цепи LC, которые формируют
переменное напряжение для нагрузки. Максимальная
частота резонансной цепи примерно равна частоте
коммутации ключей.
Частота резонансных инвертеров не может быть изменена
сигналом системы управления.
Такие инвертеры используются в электротермических
процессах для питания нагревающего оборудования
(микроволновых печей и ультразвукового оборудования).
07.05.2016
48

Резонансно-переключающиеся инвертеры
также назвали квазирезонансными
инверторами ZCS.
+
D1
Ud
–
D3
Uout
D2
D4
Входная катушка и конденсатор на выходе
схемы составляют цепь LC с устройством
переключения между ними. Резонансные
параметры цепи и частота переключения
подобраны таким способом, что ток выхода
прерывист. Когда ток падает до нуля,
тиристоры выключаются. Благодаря
нулевому переключению тока потери очень
низки, и ключи могут быть устройствами
низкой мощности. Кроме того, прерывистая
форма волны тока приводит к быстрому
регулированию амплитуды напряжения.
07.05.2016
49
Существенное уменьшение температуры нагрузки и процессы
коммутации напряжения приводят к росту надежности
инвертеров и росту частотного диапазона.
Однако, большинство проектов этого типа разделяет
обычные проблемы:
 Во-первых, резонанс вызывает более высокие напряжения,
чем напряжение питания, поэтому нужны более высокие
мощности при питании ключей и нагрузки; это может быть
преодолено с дополнением других ключей и элементов
аккумулирования энергии, чтобы поглотить лишнюю
энергию.
 Во-вторых, они требуют более сложных систем управления,
потому что момент переключения нужно ставить в
зависимость от нагрузки, чтобы поддержать резонанс.
07.05.2016
50

Инвертеры - существенные стандартные блоки
ac электронных систем. Нагрузки ac
доминируют в промышленности, бизнесе, и
жизни, инвертеры становятся объектами
выбора для многих проектировщиков и
клиентов.
07.05.2016
51
5/7/2016
52