Инвертеры. Inverters. Vaheldid. PhD Olga Ruban. Инве́ртер устройство для преобразования постоянного тока в переменный ток с изменением величины напряжения. - презентация

1 Инвертеры. Inverters. Vaheldid. PhD Olga Ruban

2 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.постоянного тока переменный ток напряжениягенератор периодического напряжения синусоиде Toshiba, Shnеider Electric,… 12/8/20132

3 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. 12/8/20133

4 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. 12/8/20134

5 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. 12/8/20135

6 Существуют две группы инвертеров, которые различаются по стоимости примерно в 1,5 раза: Первая группа более дорогих инвертеров обеспечивает синусоидальное выходное напряжение. напряжение Вторая группа обеспечивает выходное напряжение упрощённой формы, заменяющей синусоиду. Чаще всего выходной сигнал - в виде трапецеидального синуса. напряжениесинусоиду трапецеидального синуса 12/8/20136

7 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. 12/8/20137

8 Синусоида важна только для некоторых телекоммуникационных, измерительных, лабораторных приборов, медицинской аппаратуры, а также профессиональной (HI-FI, HI-END,) аудио аппаратуры. Синусоида 12/8/20138

9 9 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.

10 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. 12/8/201310

11 12/8/ 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.

12 12/8/ 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.

13 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. 12/8/201313

14 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.электродвигателейасинхронного двигателя Высокомощные трёхфазные инвертеры применяются в тяговых преобразователях в электроприводе дизель-электровозов (тепловозов), дизель- электроходов (теплоходов), троллейбусов, трамваев, прокатных станов, буровых вышек, в индукторах (установки индукционного нагрева).тяговых преобразователяхэлектроприводе дизель-электровозовтепловозовдизель- электроходовтеплоходовтроллейбусовтрамваев прокатных становбуровых вышекиндукторах 12/8/201314

15 12/8/201315

16 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 перегрузка холодильника Мощность инвертeра примерно равна либо выше расчётной мощности ветроустановки.ощностьмощностиветроустановки 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. 12/8/201316

17 Режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертера.мощности 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. минутмощность Режим пусковой. В данном режиме инвертер способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких миллисекунд, для обеспечения запуска электродвигателей и ёмкостных нагрузок. 12/8/201317

18 12/8/ Выбор инвертера производится, исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц. пиковой мощностинапряженияВГц Пример методики выбора – в дополнительном материале

19 12/8/ КПД лежит в пределах от 84 до 90% 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%. 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)

20 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). 12/8/201320

21 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. 12/8/201321

22 12/8/201322

23 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. 12/8/201323

24 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. 12/8/201324

25 12/8/ Выходное напряжение имеет форму в зависимости от падения напряжения на нагрузке.

26 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. 12/8/201326

27 Схемы полноволнового управляемого выпрямителя могут работать как инвертеры online, когда угол включения (зажигания) ключа α>π/2. 12/8/201327

28 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. 12/8/201328

29 Методы управления - ещё одна классификация. Есть принцип блочного управления (другие названия - квадратно-волновое управление и управление с шестью шагами), и Принцип импульсного управления. 12/8/201329

30 Частота выхода АС инвертeра точно корректируется управлением переключающей части устройств инвертера. Частота выхода АС инвертeра точно корректируется управлением переключающей части устройств инвертера. Частота обычно определяется частотой "генератора синхросигналов" в схеме управления инвертера. Частота обычно определяется частотой "генератора синхросигналов" в схеме управления инвертера. 12/8/201330

31 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. 12/8/201331

32 12/8/ 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.

33 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 12/8/201333

34 12/8/ 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.

35 12/8/201335

36 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. 12/8/201336

37 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. 12/8/201337

38 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. 12/8/201338

39 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. 12/8/201339

40 12/8/201340

41 Модуляция ширины импульса, или метод PWM (Pulse width modulation) – самый перспективный для управления. 12/8/201341

42 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) Резонансные инвертеры Резонансный инвертер напряжения International Rectifier

43 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

44 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 V out L C V in T4T4 T3T3 T2T2 T1T1

45 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 V out L C V in T4T4 T3T3 T2T2 T1T1

46 Резонансные инвертеры питания 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

47 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 LC V in T4T4 T3T3 T2T2 T1T1 V out

48 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)

49 Резонансно-переключающиеся инвертеры также назвали квазирезонансными инверторами ZCS – D1D1 D2D2 D3D3 D4D4 U out UdUd 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.

50 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

51 Инвертеры - существенные стандартные блоки ac электронных систем. Нагрузки ac доминируют в промышленности, бизнесе, и жизни, инвертеры становятся объектами выбора для многих проектировщиков и клиентов

52 12/8/201352