Зварювальний апарат інвертор постійного струму. Інвертори

Зварювальний апарат - одне з найбільш затребуваних обладнань в світі. Зварні роботи проводяться повсюдно і в дуже великому масштабі.

Звичайно ж, існує велика безліч різновидів даних пристроїв, що розрізняються за принципом роботи, габаритам, що видаються Ампераж та іншими технічними характеристикамиі. Існує також обладнання, яке працює на змінному і постійному струмі.

Зварювальний апарат постійного струму  найбільш поширений, тому що підтримує 2 режиму роботи - зварювання прямий (на електроді мінус, а на деталі плюс) і зворотної (навпаки, на електроді плюс, на деталі мінус) полярності. Дуже часто потрібно міняти режими роботи, тому що одні метали добре схоплюються на прямий, а інші на зворотній полярності.

Вибір того чи іншого апарату тісно пов'язаний з тим, з якою метою дотримується сам зварник:

• Який метал буде зварюватись (тип і товщина);
• Який струм (його напруга і сила) присутній на місці проведення робіт;
• Який час повинен буде працювати зварювальний апарат  без відпочинку;
• І інші ситуації.

Зварювальні апарати, використовувані в промисловості, на виробництві, на будівництві тощо відрізняються від тих, що застосовуються в домашніх умовах. Основною відмінністю між ними є потужність і, відповідно, вартість.

Сьогодні на ринку великим успіхом користуються, так звані, інвертори - апарати зварки. Вони відмінно підходять для проведення практично будь-яких зварювальних робіт, будь-якої складності та обсягів. Їх також найчастіше використовують в побуті з двох простих причин - вони мають невеликі габарити і невисоку вартість. Крім того, інвертори легкі в обігу і добре піддаються ремонту. А електронник, навіть з базовим набором знань, здатний створити саморобний зварювальний апарат постійного струму з численних схем, доступних в мережі.

Розглянемо вищезгадані критерії вибору інверторів більш докладно.

Деякі факти про інверторах і який вибрати для будинку

Почнемо зі зварюваного металу. Наприклад, на виробництві або в будівництві, часто потрібно зварювання товстих металевих деталей або металів з низьким коефіцієнтом зварюваності (здатність металів піддаватися зварюванні). В таких ситуаціях не обійтися без потужного зварювального апарату з Ампераж на виході приблизно 300-500 А або більше. Однак в побуті дуже рідко зустрічаються металеві листи або деталі товщиною більше 5 мм. А для їх зварювання цілком підійде інвертор з силою струму від 160 А.

Напруги, яким оснащений будинок, гараж і т.д., часто не вистачає для нормального функціонування надпотужних зварювальних апаратів, тому що їм потрібно 380 В (3 фази). Перед покупкою того або іншого інвертора необхідно заміряти напругу в тому місці, де будуть проводитися зварювальні роботи. Дуже часто трапляється таке, що власник перевіряє товар перед покупкою в магазині на працездатність, а приїхавши додому виявляється, що він не працює. Вся справа в нестачі напруги. Тому потрібно купувати інвертор з такими технічними характеристиками, які підійдуть для його нормальної роботи в домашніх умовах.

Інвертор - це найчастіше зварювальний апарат постійного струму, особливо якщо його будуть використовувати в домашніх умовах. Для того, щоб на виході отримати постійну напругу, використовуються спеціальні високовольтні перетворювачі. Саме вони під час своєї роботи дуже сильно нагріваються, що вимагає використання якісного охолодження. У дешевших моделях в інверторах використовуються металеві (алюмінієві або мідні) тепловідводи - радіатори. У більш дорогих моделях застосовується повітряне, або водяне охолодження, завдяки якому апарати здатні працювати дуже тривалий час без виключення. Однак для побутових цілей цілком підійдуть інвертори з радіаторні охолодженням електронних елементів.

Точно визначившись з усім вищесказаним, можна сміливо купувати ту чи іншу модель інвертора.

Слово «інвертор» стосовно до електротехніки означає пристрій, що перетворює напругу постійного струму в змінний струм. При цьому амплітуда напруги може змінюватися в більшу або меншу сторону.

Інвертори можуть бути як окремими пристроями (зварювальний або перетворювач напруги бортової мережі автомобіля в напругу 220 В змінного струму), так і окремим блоком або частиною схеми (блок живлення комп'ютера, телевізора). Ми ж зараз поговоримо про пристрої, що використовуються для електроживлення в аварійних ситуаціях, пов'язаних зі зникненням напруги мережі.

Куди йде напруга і коли повернеться?

Ні мереж зі стовідсотковою надійністю. Раптово світло в квартирі або будинку гасне. Пов'язано це з ушкодженнями кабельних або повітряних ліній, електрообладнання підстанцій. Аварії в межах міста, якщо вони не пов'язані зі стихійними лихами, ліквідуються відносно швидко. Для цього працюють диспетчерські служби і оперативні бригади. А виключити пошкоджену ділянку і замінити його іншим можливо через їх взаємного резервування.

У сільській місцевості і дачних господарствах все інакше. Лінія харчування одна, їхати бригаді далеко. Після ураганів або гроз кількість повалених дерев на проводи ліній збільшує шанси залишитися в темряві надовго. А при пошкодженні силового трансформатора чекати доведеться більше доби.

Час йде, продукти в холодильнику псуються. Чи не закип'ятити чайник - він електричний. Приготувати вечерю нема на чому. Розрядилася батарея мобільного телефону - неможливо зателефонувати в МНС. У темряві не знайти ліки для бабусі. Остигають нагрівальні прилади, а разом з ними - і сам будинок.

Щоб цього не відбувалося, потрібен персональний, незалежний від мережі джерело електропостачання. Для цієї мети і застосовується інвертор.

Принцип роботи джерела безперебійного живлення

Найпростіший інвертор - джерело безперебійного живлення  (ІБП) комп'ютера. Усередині нього знаходиться акумулятор, що накопичує енергію. Він працює в режимі постійної підзарядки. Для цієї мети до складу ДБЖ входить зарядний пристрій, що стежить за рівнем напруги на батареї. Залежно від нього воно регулює струм заряду або відключає батарею.

Як тільки напруга живлення зникає, пристрій управління відключає навантаження від мережі. Одночасно вона підключається до акумулятора через інвертор, який є частиною ДБЖ.

Акумуляторні батареї на 220 В існують, але займають приміщення, розміром з кімнату. Тому у всіх ДБЖ акумулятори виготовляються на низьку напругу. Інвертор, перетворюючи його в синусоидальное, одночасно підвищує цю величину до номінальної напруги мережі.

Таке джерело живлення хороший тим, що постійно готовий до роботи і переключається миттєво. Але ось головні його недоліки, що не дозволяють використовувати ДБЖ для безперебійного електропостачання будинку або його частини:

Інвертор для безперебійного енергопостачання будинку

Інвертор є логічним розвитком джерела безперебійного живлення комп'ютера, позбавленим властивих йому недоліків.

Збільшення ємності акумуляторної батареї прямо пов'язане з її габаритними розмірами. Розміщувати її в корпусі інвертора стає недоцільним. Тому він виділяється в самостійний пристрій, вирішальне три основних завдання:

• заряд батареї і контроль напруги мережі;
• перемикання джерел постачання;
• перетворення напруги батареї в величину 220 В змінного струму.

Основна характеристика інвертора - його потужність. Але при її виборі враховується один нюанс. Ми вже говорили, що джерело не може працювати з перевантаженням. Те ж саме стосується і інвертора. Якщо в складі навантаження плануються холодильник, електродвигуни насосів опалювальних котлів, то враховуються їхні пускові струми. У момент запуску електродвигуни споживають струм, в 3-5 разів більший номінального. Якщо сумарний струм навантаження при включенні холодильника перевищить номінальний струм інвертора, його відключить захист.

Ще одна характеристика інвертора, на якій варто загострити увагу, це - якість перетворення постійного струму в змінний. Напруга в мережі змінюється в часі за синусоїдальним законом. Жодне побутове напівпровідниковий пристрій НЕ згенерує синусоїдальна напруга так, щоб воно в точності повторювало мережеве. Величина напруги на виході змінюється не плавно, а дискретно, сходинками. Чим частіше відбувається ця зміна (вище частота дискретизації), Тим точніше сформований сигнал повторює синусоїдальний.

Але збільшення частоти дискретизації призводить до подорожчання пристрою. А ступінчаста форма напруги неприйнятна для роботи електродвигунів і деяких напівпровідникових пристроїв. Такі інвертори, що виробляють так звану модифіковану синусоїду, Використовуються тільки для харчування активного навантаження: нагрівальні елементи, лампи розжарювання. Для приладів, критичних до форми напруги живлення, доведеться придбати дорожчий інвертор.

Вибір акумуляторів для інвертора

Батареї до инвертору купуються окремо. Але і тут є особливість: акумулятори бувають кислотними або лужними. Принципи заряду у них різні, тому кожен інвертор годиться тільки для роботи з певним типом батарей. Інакше він буде неправильно визначати ступінь зарядженості акумуляторів і заряджати їх.

Використання автомобільних акумуляторних батарей в складі інверторів не виправдано. Вони, хоч і здатні видати протягом короткого часу потужний імпульс струму (в автомобілі це потрібно для роботи стартера), не переносять глибоких розрядів. А розряди неминучі при тривалій роботі інвертора. Тому ресурс таких батарей в системах енергопостачання обмежений.

Для роботи з інверторами оптимально застосування гелевих  або скловолоконних  акумуляторів. Вони виготовлені за спеціальною технологією і здатні багаторазово переносити глибокі розряди без втрат. І знову ж таки: зарядний пристрій інвертора має підтримувати режим заряду таких батарей.

Вибираючи ємність акумуляторів, виходять з бажаного часу автономної роботи  пристрою (T). Його неважко підрахувати, знаючи ємність (C), потужність планованого навантаження (P) і напруга батареї (U):

Цифри в останній колонці не вражають. Та й вартість інверторів і акумуляторів до них не така вже й маленька.

То чи є сенс в инвертор?

Переваги та недоліки інверторів

Альтернативою інверторів є дизельні або бензинові генератори. Тому і виявляти їх гідності будемо, порівнюючи з отриманням електрики за допомогою двигунів внутрішнього згоряння. Перерахуємо недоліки генераторів, від яких можна позбутися за допомогою інверторів:

• необхідність побудови окремого приміщення з вентиляцією і підігрівом в зимовий час;
• зберігання запасу палива (а для дизеля - заміна літнього палива на зимовий при настанні холодів);
• шум при роботі, який доставляє незручність не тільки господарям, а й сусідам;
• необхідність періодичного обслуговування (перевірки рівня масла, заміни свічок, фільтрів);
• ручний запуск, необхідність контролю параметрів в процесі роботи.

Инвертору ж не потрібно окремого приміщення, він не створює шуму при роботі (робота вентиляторів охолодження - не береться до уваги). Втручання користувача в процес роботи не потрібно. При розряді акумулятора (падінні величини напруги на батареї до мінімально можливого рівня) пристрій сам відключиться і завмре в очікуванні відновлення напруги мережі. Потім воно зарядить батарею, і буде чекати, коли зможе знову стати у пригоді.

І автоматичне перемикання з живлення від мережі на харчування від батареї підкуповує. але час автономної роботи інвертора мало. Навіть, якщо зменшити навантаження до мінімально можливої, рано чи пізно батарея розрядиться. «Кінець світу» відстрочений, але неминучий.

Тому при вирішенні питання: що використовувати для аварійного живлення житла - генератор або інвертор розглядають комплекс факторів.

Інвертор або генератор?

Для початку збирають статистичні дані  про те, як часто і на який період пропадає напруга в місті або селищі. Якщо ці події трапляються дуже рідко, то немає сенсу купувати генератор, будувати для нього окреме приміщення, де він буде простоювати в очікуванні свого часу.

потім визначають сумарну потужність електроприладів, Харчування яких планується від інвертора в аварійному режимі роботи. У цей список немає сенсу включати зовнішнє і підвальне освітлення, а при наявності в будинку трьох телевізорів досить одного. З метою економії жертвують тими електроприладами, без яких можна пережити добу або двоє. Решта при зникненні напруги живлення доведеться відключити від мережі вручну, або передбачити для цієї мети автоматику.

Але зате враховують систему теплопостачання (опалювальний котел), якщо він є. Причому, з урахуванням всіх пускових струмів його електродвигунів, не виключено, що йому доведеться запускатися при харчуванні будинку від інвертора.

І не забувають головне - холодильник з його пусковим струмом, якщо він компресорний. Також додати в список мікрохвильову піч або електроплитку, електрочайник.

За сумарною потужністю навантаження вибирають модель інвертора, Враховуючи додатково, якої якості синусоїдальна напруга він буде виробляти.

потім вибираються акумуляторні батареї   з урахуванням бажаного часу роботи інвертора на розраховану раніше навантаження. І тут потрібен розумний підхід. Якщо фінансів недостатньо, то доведеться заздалегідь продумати, чим можна пожертвувати. Основним завданням ставляться ті навантаження, для яких потрібна постійна робота: холодильник, котел, прилади опалення. Комп'ютери та телевізор на певному етапі доведеться відключити, щоб батарея інвертора протрималася довше.

Залишилося скласти ціни, отримавши підсумкову суму. І виконати той же самий розрахунок для генераторної установки. Тут теж можна заощадити: при нечастих відключеннях від мережі зовсім не обов'язково будувати під неї приміщення. Можна зберігати її в сараї, а при необхідності - винести на вулицю і підключити до мережі за допомогою гнучкого кабелю і роз'ємного з'єднання. Не забудьте додати до списку запасні частини, необхідні для обслуговування установки протягом терміну служби альтернативного їй інвертора. Тільки так можна розрахувати економічний ефект, а не початкові витрати на придбання обладнання. Інвертор не потребуватиме додаткових капіталовкладень протягом усього терміну служби, а ось двигуну внутрішнього згоряння догляд необхідний завжди.

Тепер порівнюємо отримані суми і приймаємо рішення. І пам'ятайте: за комфорт завжди потрібно переплачувати. Чи готові ви до цього чи ні - вирішувати вам.

тиристорні інвертори   - це пристрої, які працюють на автономну навантаження і призначені для перетворення напруги постійного струму в напругу змінного струму заданої або регульованої частоти. інвертуванням називають процес перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму (рис. 1).

Рис.1 Діаграма постійного і змінного струму.

застосування:

1. У системах електропостачання споживачів змінного струму, коли єдиним джерелом харчування є джерело напруги постійного струму (наприклад: акумуляторна або сонячна батарея).

2. У системах гарантованого електропостачання при зникненні напруги мережі живлення (наприклад: для особистих потреб електростанцій, ЕОМ).

3. Для частотного регулювання швидкості асинхронних двигунів.

4. Для живлення споживачів змінного струму від ліній електропостачання постійного струму.

5. У конверторах для перетворення постійної напруги однієї величини в постійну напругу іншої величини.

Комутаційними елементами в інверторах є тиристори або силові транзистори.

Інвертори поділяють на:

1. Автономні інвертори і перетворювачі частоти.

2. Інвертори, ведені мережею.

Автономні інвертори і перетворювачі частоти.

автономні інвертори - це пристрої, що перетворюють постійний струм в змінний з постійною або регульованою частотою і працюють на автономну навантаження. На відміну від інверторів, ведених мережею, у автономного інвертора на стороні змінного струму немає іншого джерела енергії тієї ж частоти, крім самого інвертора.

перетворювачі частоти - це пристрої, що перетворюють змінний струм однієї частоти в змінний струм іншої частоти.

До автономним інверторів і перетворювачів частоти, Які працюють в конкретній установці, ставляться такі вимоги:

1) забезпечення максимального к. П. Д .;

2) мінімальна встановлена ​​потужність окремих вузлів і елементів;

3) можливість широкого регулювання вихідної напруги;

4) забезпечення стабільності вихідної напруги при зміні величини і характеру навантаження, а також вхідної напруги;

5) забезпечення синусоїдальної або близької до синусоїдальної форми кривої вихідної напруги;

6) можливість регулювання в певних межах вихідний частоти, що перш за все необхідно в установках вентильного електроприводу;

7) відсутність зривів інвертування при перевантаженнях;

8) можливість роботи в режимі холостого ходу;

9) забезпечення максимальної надійності та стійкості. Природно, що вимоги, що пред'являються до схем автономних інверторів, залежать від конкретного призначення інвертора. Тому оптимальний варіант схеми інвертора необхідно вибирати, враховуючи режим роботи живляться від нього навантажень.

Автономні інвертори можна класифікувати  за такими основними ознаками:

1) за схемою перетворення;

2) за способом комутації (замикання);

3) за способом управління;

4) за характером протікання електромагнітних процесів.

Розрізняють такі основні схеми перетворення:

1) одновентільную (рис. 2.1, а);

2) однофазную з нульовим виводом (рис, 2.1, б);

3) однофазную з нульовим виводом джерела живлення (рис. 2.1, в);

4) однофазную бруківку (рис. 2.1, г);

5) трифазну мостову (рис. 2.1, д);

6) трифазну з нульовим виводом (рис. 2.1, е).

Всі інші схеми є похідними перерахованих груп. Найбільшого поширення в перетворювальної техніки знаходять мостові схеми. За способом комутації автономні інвертори можна розділити на кілька груп.

Мал. 2 .1. схеми перетворення

Інвертори з індивідуальною комутацією.  Комутуючі пристрій інвертора служить для замикання одного тиристора (вентильного плеча) інвертора. До даного типу інверторів відносяться інвертори на повністю керованих вентилях - двухопераціонних тиристорах і силових транзисторах.

Інвертори з пофазної комутацією.  Комутуючі пристрій інвертора служить для почергового замикання тиристорів двох вентильних плечей, що відносяться до однієї фазі інвертора.

Інвертори з групової комутацією.  У таких інверторах для замикання всіх вентильних плечей однієї групи (анодної або катодного) служить окреме комутуючі пристрій.

Інвертори із загальною комутацією.  Комутуючі пристрій є загальним для всіх вентильних плечей інвертора. У комутуючого пристрою інвертора міститься один коммутирующий конденсатор.

Інвертори з межвентільной комутацією.  У таких інверторах замикання кожного робочого тиристора відбувається при відмикання наступного по порядку роботи тиристора іншої фази, але цієї ж групи.

Інвертори з межфазовой комутацією.  Комутуючі пристрій інвертора служить для почергового замикання двох тиристорів різних фаз.

За способом управління інвертори поділяються на інвертори з самозбудженням і з зовнішнім (незалежним) збудженням.

В інверторах з самозбудженням керуючі імпульси, що подаються на тиристори, формуються з вихідного напруги інвертора. Частота вихідної напруги визначається параметрами навантаження.

В інверторах з незалежним збудженням керуючі імпульси формуються зовнішнім генератором, який і задає частоту вихідного напруги. З огляду на те що частота вихідної напруги не залежить від параметрів навантаження, даний тип інверторів отримав найбільш широке поширення в перетворювальної техніки.

Залежно від особливостей протікання електромагнітних процесів автономні інвертори можна розділити на три основні типи: інвертори струму  (Рис. 2.2, а); інвертори напруги  (Рис. 2.2, в); резонансні інвертори  (Рис. 2.2, д).

Для інверторів струму характерно те, що вони формують в навантаженні струм ( i  вих) а форма і фаза напруги залежать від параметрів навантаження.

Джерело постійного струму працює в режимі генератора струму, для чого у вхідному ланцюзі включається реактор L d  з великою індуктивністю. Крім того, реактор L d  виконує функції фільтра вищих гармонійних напруги, так як до нього в будь-який момент часу прикладається різниця між постійною напругою джерела живлення і пульсуючим напругою на вході інвертора; перешкоджає розряду конденсатора на джерело живлення під час комутації струму в тиристорах і забезпечує апериодический режим роботи інвертора, характерний малими пульсаціями вхідного струму. Слід зазначити, що при харчуванні інвертора від джерел з характеристиками, близькими до джерела струму, дросель L d  може бути відсутнім.

Інвертор струму повинен забезпечувати режим роботи, при якому між анодом і катодом закрився тиристора протягом деякого часу підтримується негативна напруга, необхідне для відновлення замикаючих властивостей тиристора. Це час t викл називається часом запирання (рис. 2.2, б).

При активно-індуктивному характері споживача баланс реактивної потужності забезпечується коммутирующими і компенсують конденсаторами. Конденсатори по відношенню до навантаження можуть бути включені паралельно, послідовно, послідовно-паралельно.

Для інверторів струму характерний енергообмін між коммутирующими і компенсують конденсаторами, включеними в колі змінного струму, реактивні ланцюга навантаження і дроселем L d  в ланцюзі вхідного струму.

У режимі холостого ходу інвертор струму непрацездатний внаслідок зростання амплітуди зворотних і прямих напруг на тиристорах. При перевантаженнях його робота ускладнена через недостатнє часу для відновлення замикаючих властивостей тиристорів. Інвертори струму мають близьку до синусоїдальної форму вихідної напруги, відносно малі пульсації вхідного струму, можливість реверсу напрямку потоку потужності без зміни напрямку струму (при переході в випрямний режим). Зовнішня характеристика інвертора струму м'яка.

Мал. 2.2. Однофазна мостова схема інвертора струму ( а) І інвертора напруги ( в); тимчасові діаграми струму і напруги на виході інвертора струму ( б), Інвертора напруги ( г) І резонансного інвертора ( д) При активно-індуктивному навантаженні

Інвертори напруги формують в навантаженні напруга, а форма і фаза струму залежать від характеру навантаження. Джерело живлення інвертора напруги працює в режимі генератора напруги. Якщо інвертор харчується від випрямляча, то на його вході ставиться конденсатор досить великої ємності для забезпечення провідності джерела постійної напруги в зворотному напрямку. Це необхідно, коли в складі навантаження є реактивні елементи будь-якого типу. Через зворотний випрямляч (Д1 ... Д4)  здійснюється енергообмін між накопичувачами, наявними в складі навантаження, і джерелом живлення або конденсатором З 0, А в багатофазних инверторах - також і енергообмін між фазами навантаження. конденсатор З 0 виконує функції фільтра вищих гармонійних струму, тому що по ньому протікає різниця між вихідним і постійним в межах полупериодов вхідним струмом. Інвертор напруги може працювати в режимі холостого ходу. Працездатність інвертора напруги в режимі, близькому до короткого замикання, визначається комутаційними властивостями повністю керованих вентилів або прийнятим способом комутації та параметрами комутуючих елементів звичайних тиристорів. Інвертори напруги працездатні, мають малі зміни форми кривої і величини вихідної напруги при зміні вихідної частоти в широких межах. Комутаційні процеси в них мало впливають на форму кривої вихідної напруги, а встановлена ​​потужність комутуючих елементів порівняно невелика. Зовнішня характеристика інвертора напруги жорстка.

Основними областями застосування інверторів струму і інверторів напруги є: стабілізовані по вихідним параметрам перетворювачі частоти; вторинні джерела живлення змінним струмом; установки частотно-регульованого електроприводу.

У резонансних инверторах навантаження, що має, як правило, значну індуктивність, утворює з реактивними елементами схеми інвертора коливальний контур з резонансом напруг. Вимкнення тиристорів інвертора відбувається завдяки плавному спадання до нуля анодного струму тиристора (струму коливального контуру) на кожному напівперіод (рис. 2.2, д).  Власна частота контура в резонансних инверторах повинна бути вище або дорівнює робочій частоті інвертора. Конденсатори, що входять до складу коливального контуру, можуть бути включені послідовно з навантаженням, паралельно їй або послідовно-паралельно, а дроселі - в ланцюзі вхідного струму, в анодних ланцюгах вентилів або послідовно з навантаженням.

Для резонансних інверторів характерний інтенсивний енергообмін між накопичувачами, що входять до складу схеми. Резонансні інвертори можуть харчуватися від джерел, які працюють в режимі генератора е. д. з. або струму. Інвертори, що живляться від генератора е. д. з., називаються инверторами з відкритим входом, а харчуються від генератора струму - з закритим входом.

Резонансні інвертори мають близьку до синусоїдальної форму напруги і струму в навантаженні, плавне наростання (в більшості схем без зворотних діодів) і спад струму через вентилі, що забезпечує малі комутаційні втрати потужності в останніх. Даний тип інверторів доцільно застосовувати при підвищених частотах вихідної напруги (одиниці кГц, десятки кГц).

Слід підкреслити, що конкретні схеми автономних інверторів часто мають одночасно ознаками різних класифікаційних груп в залежності від співвідношення параметрів, режиму роботи і т. Д.

Інвертори, ведені мережею.

ведені інвертори  (ВІ) працюють на мережу, в якій є інші джерела електроенергії. Комутації вентилів в них здійснюються за рахунок енергії цієї мережі. Частота на виході ВІ дорівнює частоті мережі, а напруга - напрузі мережі.

Принцип роботи інвертора, веденого мережею,  можна розглянути на прикладі роботи найпростішого однофазного інвертора , Наведеного на рис. 3, а.  Ланцюг містить джерело постійної інвертіруемой е .   д. з. U d. послідовне яким включені тиристор В,  дросель L d  і вихідний трансформатор Тр. первинна обмотка Тр  підключена до мережі змінного струму, що створює на вторинній обмотці напруга u 2. По відношенню до тиристору В  це напруга періодично змінює знак, в одну частину періоду складався з напругою U dв іншу - віднімаючи з нього. По відношенню до інвертіруемому напрузі тиристор В  завжди включений в провідному напрямку.

Енергія передається від інвертора в мережу змінного струму тоді, коли напрямки інвертованого струму i B  і змінної напруги u 2; протилежні, т. е. коли u 2  і U d  Зустрічні.

Процес инвертирования можливий, якщо U 2  m\u003eU d.Для інвертування необхідно відмикати тиристор до моменту O  1, коли напруга на аноді буде ще більше нуля. Це має місце для всіх кутів управління г< < 0 ,   де г - граничний кут управління, при якому досягається граничний режим роботи інвертора.

Мал. 3 Схеми однофазного (а) і двофазного (в) інвертора, веденого мережею; тимчасові диаграма струмів і напруг (б, г), сімейство вхідних характеристики інвертора (д).

Нехтуючи втратами в схемі, можна записати

де x d -  реактивний опір контуру.

З рівняння випливає, що швидкість зміни струму i B  буде прямо пропорційна різниціU d -u 2.

Якщо,, ток i B  зростає (рис. 3, б). при U d -u 2 = 0 i B  досягає максимуму, при U d -u 2 < 0 i B  зменшується і підтримується за рахунок енергії, накопиченої в індуктивності дроселя L d. Тривалість роботи тиристора після точки O  1 визначається часом, протягом якого ця енергія буде розсіяна. Величина накопиченої енергії пропорційна площам S 1і S 2, А розсіяною - S 1 '  і S 2 '. Тому переривання струму в ланцюзі інвертора визначиться моментом, коли при заданому куті управління обидві площі ( S 1  і S 1 '  або S 2  і S 2 ') Стають рівними між собою.

При зміні кута управління в сторону його зменшення площа S 1  буде весь час зростати. Відповідно до цього повинна зростати і площа S 1 '. Однак зростання цієї площі при зазначених значеннях U 2  m  і U d  обмежений ділянкою синусоїди O 1 ...O 1 ". Як тільки буде витрачений весь резерв цієї площі, тиристор, раз включившись, вже більше вимкнутися не зможе, і з точки O 1 '  його ток почне знову зростати під дією напруги U d -u 2  \u003e 0, інвертор перейде в режим короткого замикання. Крапка O 1 ',  яка визначає межу стійкої роботи інвертора, називається граничною,

Втрата стійкості інвертором (перекидання) в реальних инверторах настає раніше, ніж це визначається точкою O 1 ", Так як для відновлення замикаючих властивостей тиристора після його виключення необхідний деякий проміжок часу () для розсмоктування електричних зарядів в p-n-переходах. Отже, в реальній схемі інвертора тиристор повинен виключатися раніше на кут, ніж буде досягнута точка O 1 ", Причому це випередження має завжди відповідати найбільш важкого режиму роботи тиристора, при якому = max.

Аналогічну картину можна отримати і якщо = const, a U d= Var.

Розглянута схема містить ті ж елементи, що і керований випрямляч, що працює на протидії е. д. з. Однак роль протидії е. д. з. в інверторному режимі виконує не U d,  а напруга мережі змінного струму. Для того щоб це могло мати місце, необхідно при переході від випрямного режиму до інверторному змінити знак U d  і збільшити кут управління за межі граничного.

Співвідношення між основними параметрами схеми при цьому не змінюються, і, отже, робочий режим інвертора буде описуватися тими ж рівняннями, що і робочий режим керованого випрямляча, з тією різницею, що джерело U d  виступає в цьому випадку не як споживач, а як генератор активної потужності. За рахунок цього джерела і покриваються всі втрати в инвертор. Таким чином, позначивши власну е. д. з. інвертора в режимі холостого ходу через U d  отримаємо:

де U  x і U  a - реактивні і активні втрати напруги.

У инверторе, відомому мережею, U  x \u003e\u003e U a. Найпростіший однофазний інвертор, ведений мережею, характеризується досить низькими енергетичними показниками через погане використання вихідного трансформатора і значного спотворення форми струмів як на стороні змінного, так і на стороні постійного напруг. З цієї причини інвертори, ведені мережею, як правило, виконуються багатофазними.

На рис. 3, в, г  представлені двухфазная схема інвертора   і тимчасові діаграми струмів і напруг, що пояснюють його роботу.

Вибір необхідних ділянок робочої напруги, при яких забезпечується послідовний пропуск струму тиристорами В 1  і В 2  в межах кожного з періодів змінної напруги, досягається вибором моменту відмикання тиристорів за допомогою імпульсів управління. При подачі імпульсу управління на тиристор В 1  незадовго до того, як напруга на фазі А  стає негативним, цей тиристор відмикається і пропускає струм переважно при негативній напрузі фази А.

Зустрічний напрямок негативного напруги е  21 по відношенню до анодному току i  21 свідчить про прийом даної фазою потужності від джерела постійного струму. Ця потужність в процесі трансформації струму передається через вторинну і первинну обмотки трансформатора в мережу однофазного струму. Така ж передача потужності відбувається в наступний напівперіод через фазу В  вторинної обмотки, коли через неї і тиристор В 2  протікає струм.

Перехід (комутація) струму з тиристора В 1  на тиристор В 2  відбувається так само, як і при випрямному режимі, протягом певного проміжку часу, званого кутом комутації .

Роль тиристорів при інвертуванні струму зводиться до ролі перемикачів, поперемінно замикаючих ланцюг джерела постійного струму на одну з вторинних обмоток, а саме на ту, яка забезпечує в дану частину періоду найбільш негативна напруга. Для того щоб мала місце природна комутація струму, що характеризується переходом струму від одного тиристора до іншого, відмикання чергового тиристора має відбуватися з деяким випередженням проти початку негативного напівперіоду. Це випередження в кутовому вимірі носить назву кута випередження.

Кут випередження повинен бути достатній не тільки для того, щоб могла відбутися природна комутація струмів тиристорів (кут), але і для того, щоб після комутації струмів залишався до появи позитивної напруги достатній за величиною кут, протягом якого закінчив свою роботу тиристор повинен встигнути відновити свої замикаючі властивості.

Якщо послекоммутаціонний кут менше, ніж потрібно для відновлення замикаючих властивостей тиристора, то з появою позитивного напруги на аноді тиристора, який закінчив роботу, він знову відмикається, і струм продовжує протікати при позитивному напівперіоді змінної напруги, що призводить до перекидання інвертора.

Таким чином, для нормальної роботи інвертора необхідно, щоб

де - кут випередження (управління), відлічуваний від точки перетину фазових напруг в сторону випередження; t  Восс -   час відновлення керуючих властивостей тиристора.

Співвідношення між струмами і напругами для веденого інвертора можна отримати з співвідношень для аналогічної схеми керованого випрямляча, в яких замість підставлено значення (-).

Вираз для розрахунку струму інвертора має вигляд:

Середнє значення вхідної напруги інвертора (власна протидії е. Д. С.) Підсумовується з напруги холостого ходу і збільшення напруги в період комутації:

Напруга холостого ходу визначається виразом:

(1)

Збільшення напруги, обумовлене явищем комутації, так само:

або в функції вхідного струму

(2)

З виразу (1) і (2) отримуємо вираз вхідний характеристики інвертора:

З виразу (3) видно, що на відміну від зовнішньої характеристики випрямляча, де другий доданок визначає її спад зі зростанням струму, у інвертора другий доданок визначає підйом вхідний характеристики. Підвищення вхідної напруги U d  b з ростом вхідного струму I d  b пояснюється додаванням комутаційної майданчика до синусоидальному вихідній напрузі холостого ходу.

На рис. 3, д  наведено сімейство вхідних характеристик інвертора. Початкові точки на осі ординат відповідають напрузі холостого ходу. Верхнє обмеження характеристик визначається величинами струмів, при яких послекоммутаціонний кут при заданому куті стає min, т. Е. Кутом, достатнім для надійного відновлення замикаючих властивостей тиристорів (). точки A 1,A А2, А3  на вхідних характеристиках відповідають граничним струмів навантаження I d  b max і граничним напруженням U d  b max. Визначаючи обмежувальну характеристику інвертора.

Х арактерной особливості инверторного режиму   наступні:

а) інвертор може бути побудований тільки на керованих вентилях, так як більшу частину неробочого інтервалу до них прикладена позитивна напруга;

б) кут відмикання а повинен перевищувати 90 °;

в) полярність напруги на стороні постійного струму протилежна полярності випрямлячів;

г) у всьому діапазоні зміни струму навантаження і вхідної напруги повинна бути виконана така умова:\u003e + min.

Інвертори підрозділяються на залежні (ведені мережею) і автономні (незалежні).

Автономний інвертор працює на автономну навантаження, що не містить інших джерел енергії тієї ж частоти, що і вихідна частота інвертора.

Автономні інвертори, так само як і залежні, можуть працювати з природною і штучною комутацією. Природна комутація автономного інвертора має місце при його роботі на перекомпенсірованние синхронні двигуни, на статорні обмотки вентильного двигуна і т. Д. Однак найчастіше в автономних інверторах, виконаних на тиристорах, застосовується штучна комутація вентилів.

Залежно від режиму роботи джерела живлення інвертора і особливостей протікання в ньому електромагнітних процесів розрізняють інвертори напруги, струму  і резонансні інвертори. найбільш широке застосування  отримали інвертори напруги і струму. Резонансні інвертори виконуються на частоту вихідного напруги в кілька одиниць і десятків кілогерц і використовуються в основному в електротермії.

Класичні схеми автономних інверторів напруги та струму наведені відповідно на рис.2.13, а,б. Напруга і струм навантаження формуються в цих схемах при почерговому перемиканні вентилів VS1, VS2 і VSЗ, VS4.

Мал. 2.13. Схеми та діаграми автономних інверторів напруги (а) і струму (б)

Харчування інвертора напруги (рис.2.13, а) Проводиться від джерела напруги. У зв'язку з цим форма напруги визначається алгоритмом перемикання тиристорів, а форма струму залежить від характеру навантаження. Реактивна потужність навантаження компенсується за рахунок введення конденсатора досить великої ємності. Обмін реактивної енергією між навантаженням і конденсатором можливий завдяки підключенню так званого зворотного випрямляча (моста реактивного струму), утвореного із некерованих вентилів.

Інвертор струму (рис.2.13, 6 ) Отримує живлення від джерела струму, для чого в ланцюг постійного струму включена досить велика індуктивність L, і тому. Форма вихідного струму визначається тільки порядком перемикання тиристорів, а форма напруги залежить від характеру навантаження. Зображена на рис.2.13, б форма кривої струму передбачає можливість миттєвого зміни струму в ланцюзі навантаження, що неможливо, якщо навантаження інвертора носить індуктивний характер. Однак, якщо навантаження зашунтувати конденсатором досить великої ємності, то миттєва зміна струму виявляється можливим. Таким чином, загальне навантаження інвертора струму повинна мати ємнісний характер. При цьому конденсатор повинен компенсувати не тільки реактивну потужність навантаження, але і інвертора. Останнє означає, що за умови миттєвої комутації тиристорів до замикати вентиля повинен бути доданий негативна напруга протягом часу, що визначається кутом і необхідного для відновлення його керуючих властивостей. На рис.2.13, б  зображені криві напруги на конденсаторі, яке дорівнює напрузі на навантаженні, і на тиристори.

При регулюванні частоти вихідного струму необхідно змінювати ємність конденсатора обернено пропорційно квадрату частоти для збереження сталості кута. Це призводить до дуже великій величині ємності при низьких частотах. Тому схема, представлена ​​на рис.2.13, б, Практично не застосовується, використовуються більш складні схеми.

У зависи
  мости від того, як включений конденсатор по відношенню до навантаження, інвертори струму і напруги поділяються на паралельні, послідовні  і послідовно-паралельні. У паралельному инверторе (рис.2.13, б) Коммутирующий конденсатор підключається паралельно навантаженню.

Послідовні і послідовно-паралельні інвертори знаходять застосування в пристроях, де потрібна підвищена частота вихідної напруги (2000 ... 50000 Гц). Тому далі викладаються принципи роботи паралельних інверторів напруги та струму, що використовуються для управління електричними машинами змінного струму.

Автономні тиристорні інвертори в залежності від організації процесу комутації поділяються на інвертори з междуфазовая, пофазної, груповий, загальної та індивідуальної комутацією. Надалі на прикладі конкретних схем автономних інверторів розглядаються деякі види комутацій, що знайшли найбільш широке застосування.

Принцип роботи, характеристики і аналіз електромагнітних процесів автономних інверторів розглянемо спочатку на прикладі перетворювача, виконаного на транзисторах. Особливості роботи, пов'язані з комутаційними процесами в перетворювачі, викладаються при аналізі тиристорних інверторів напруги та струму.

Автономний інвертор напруги призначений для перетворення постійної напруги в змінну. Існують ще й інвертори струму, вони перетворять постійний струм в змінний. Однак найбільш широке застосування знайшли інвертори напруги. Вони застосовуються для перетворення постійної напруги, наприклад випрямних установок, акумуляторних або сонячних батарей, в змінну напругу, найчастіше частотою 50 Гц або будь-який інший частоти з можливістю її регулювання.

Однофазний автономний інвертор напруги. Принцип дії

Змінна напруга на навантаженні формується шляхом короткочасних чергуються підключень джерела живлення постійної напруги до протилежних клем навантаження, тобто в один момент часу джерело живлення своїми клемами 1-2   підключений до клем навантаження 3-4 , А в наступний - до клем 4-3 . (мал. 1 ) В результаті чого струм через навантаження спочатку протікає в одному напрямку, а потім - в іншому. З підвищенням частоти таких перемикань зростає частота змінного струму на навантаженні.

Мал. 1 - Автономний інвертор напруги. Принцип дії

Ще простіше зрозуміти процес формування змінної напруги з постійного можна якщо уявити, що в одній руці знаходиться резистор, а в інший батарейка. При цьому резистор весь час знаходиться в одному фіксованому положенні, а батарейка підключається то полюсом, то мінусом до одного і того ж висновку резистора. Таким чином струм через резистор буде протікати то в одному, то в протилежному напрямку. Насправді роль перемикачів виконують напівпровідникові ключі.

Принципова схема автономного інвертора напруги показана на мал. 2.

Мал. 2 - Автономний інвертор напруги. Принципова схема

Розглянемо роботу інвертора на прикладі активно-індуктивного навантаження, як найбільш поширеної

В деякий момент часу t 1 (мал. 3 ) Одна пара діагонально протилежних транзисторів VT 1 , VT 4   відкрита, а друга VT 2 , VT 3 закрита. Струм, що протікає через інвертор напруги і навантаження, наростає по експоненціальному закону з постійною часу τ= L   Н / R   Н   по шляху «+» U   ІП – VT 1 – L   Н R   Н – VT 4 – «-» U   ІП . В наступний момент t 2 (мал. 4 ) транзистори VT 1 , VT 4   закриті, а VT 2 , VT 3 відкриті.

Мал. 3 - Шлях протікання струму через елементи інвертора на інтервалі часу t1-t2

Мал. 4 - Шлях протікання струму через елементи інвертора на інтервалі часу t 2- t 3

Однак через наявність індуктивності L   Н   струм не може миттєво змінити свій напрямок. Тому в момент t 2   закриття транзисторів VT 1 , VT 4   і відкриття VT 2 , VT 3 струм продовжує протікати через інвертор в тому ж напрямку до тих пір, поки запасені в індуктивності енергія магнітного поля W L   н = L   Н I 2 /2   не знизиться до нуля (проміжок часу t 2 — t 3 ) (см. мал. 4 ). оскільки транзистори VT 1 , VT 4   вже закриті, то струм буде протікати по такому колі: L   Н R   Н – VD 2 – U   ІП – VD 3 . Протягом цього інтервалу часу енергія з навантаження віддається джерела живлення U   ІП .

Якщо джерелом живлення служить випрямляч, то його необхідно шунтировать конденсатором C. Це дозволить току протікати в зворотному напрямку.

В момент t 3 (мал. 5 ) Ток знизиться до нуля, після чого зміниться його напрямок. У проміжку часу t 3 < t < t 4   ток буде наростати, протікаючи по шляху: «+» U   ІП – VT 2 – L   Н R   Н – VT 3 – «-» U   ІП . В монет часу t 4   транзистори VT 2 , VT 3 знову закриються, VT 1 , VT 4   відкриються. Струм на відрізку часу t 4 < t < t 5   залишиться протікати в колишньому напрямі, поки не знизиться до нуля. Шлях проходження струму: L   Н R   Н – VD 1 – U   ІП – VD 4 .

Мал. 5 - Шлях проходження струму за елементами інвертора на інтервалі часу t 3- t 4

В наступний момент часу t 5 (мал. 6 ) Ток стане рівним нулю, а потім, змінивши свій напрямок, почне зростати в проміжку часу t 5 < t < t 6 . В момент t 6   знову відбудеться перемикання транзисторів і процеси повторяться.

Мал. 6 - Шлях проходження струму за елементами інвертора на інтервалі часу t 5- t 6

Струм по колу «+» U   ІП – VT 2 –R   Н L   Н – VT 3 – «-» U   ІП . Таким чином транзистори VT 1 …VT 4   поперемінно підключають джерело живлення U   ІП   до клем навантаження: спочатку плюс U   ІП   підключений до 3 -й клеми, а мінус до 4 -й клеми, потім навпаки.

Розглянутий вище алгоритм управління транзисторами дозволяє зберігати величину вихідної напруги інвертора і відповідно струму навантаження постійними, однак в більшості випадків необхідно змінювати напруги з метою отримання необхідної величини струму в навантаженні.

Способи регулювання напруги автономного інвертора

Існують два способи регулювання вихідної напруги інвертора:

1) першим способом є зміна величини напруги джерела живлення U ІП;

2) другий спосіб реалізується за допомогою так званих внутрішніх засобів інвертора, а саме за рахунок зміни форми вихідної напруги.

Перший спосіб досить простий і вимагає всього лише регульованого джерела живлення. Суть другого способу полягає в наступному. Для зміни напруги на виході інвертора необхідно зрушити керуючі імпульси, що подаються на бази транзисторів VT 2   і VT 4 , Щодо керуючих імпульсів на VT 1   і VT 3   на кут управління α (мал. 7 ).

Мал. 7 - Алгоритми управління транзисторами однофазного інвертора напруги

Розглянемо роботу інвертора на при регулюванні величини вихідної напруги

На інтервалі часу t 1 < t < t 2 (мал. 8 ) .Відкриття транзистори VT 1   і VT 4   напруга на навантаженні одно джерела живлення u   н = U   ІП . В наступний момент t 2   закривається VT 1   і відкривається VT 3. Впродовж часу t 2 < t < t 3 (мал. 9 ) Струм по колу R   Н L   Н – VT 4- VD 3   і відбувається закорочування навантаження внаслідок чого напруга на ній дорівнює нулю u   н =0 . В момент t 3   отпирающий сигнал подається на базу транзистора VT 2   і знімається з бази VT 4 .

В результаті цього до навантаження прикладається напруга в мережі u   н = — U   ІП . Наявність в ланцюзі індуктивності призводить до того, що на інтервалі часу t 3 < t < t 4 (мал. 10 ) Струм через інвертор продовжує протікати в колишньому напрямі: L   Н R   Н – VD 2 – U   ІП – VD 3 , А після того, як спаде до нуля, він змінить свій напрямок і потече по ланцюгу: U   ІП – VT 2 – R   Н L   Н – VT 3 (мал. 11 ).

Мал. 8 - Шлях проходження струму на інтервалі часу t 1- t 2

Мал. 9 - Шлях проходження струму на інтервалі часу t 2- t 3

Мал. 10 - Шлях проходження струму на інтервалі часу t 3- t 4

Мал. 11 - Шлях проходження струму на інтервалі часу t > t 4

В результаті застосування такого алгоритму управління транзисторами в кривій напруги виникає пауза, що тягне за собою зниження діючого значення напруги. Отже, для регулювання величини напруги на виході інвертора необхідно змінювати кут управління α.

У даній статті розглянуто принцип роботи однофазного дворівневого інвертора напруги, однак існують ще багатофазні і багаторівневі інвертори, але основою їх роботи є принцип дії розглянутого інвертора.

Головна » Інструменти і обладнання » Зварювальний апарат інвертор постійного струму. Інвертори