DC/AC-инверторы, AC/DC-выпрямители

Инверторы DC/AC преобразуют напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, подобные схемы очень распространены, например, в приводных применениях. Нагрузка, подключенная к АС-выходу, может быть активной и реактивной, ее характер определяется импедансом Z_L. При этом возникает разность фаз между выходным током и напряжением, равная фазному углу импеданса Z = Ze^jj = |Ζ|*φ. В каждый момент времени выходная мощность конвертора примерно равна входной, если коммутация происходит на частоте намного выше частоты выходного/входного сигнала. Мгновенное значение мощности нагрузки в каждый момент времени определяется произведением мгновенных значений тока и напряжения. Когда это произведение имеет положительное значение, нагрузка рассеивает энергию, когда знак меняется на отрицательный, нагрузка возвращает энергию обратно в источник.

Инвертор DC/AC должен, во-первых, работать с любым типом нагрузки и, во-вторых, быть способен изменять направление потока мощности. При «реверсе» он превращается в выпрямитель (AC/DC), поскольку энергия АС-источника поступает (через обратные диоды) в звено постоянного тока. Таким образом, в данном случае одно и то же устройство работает как инвертор и выпрямитель для различных направлений потока мощности. В принципе любой инвертор может работать как выпрямитель, в то время как неуправляемый AC/DC-конвертор такой обратимостью не обладает.

Нерегулируемые инверторы. Схемы силовых частей инверторов. Полумостовая схема. Мостовая схема.

Нерегулируемые инверторы.

Существуют большое число вариантов построения схем инверторов. Исторически первыми были механические инверторы, которые в эпоху развитияполупроводниковых технологий заменили более технологичные инверторы на базе полупроводниковых элементов, и цифровые инверторы напряжения.

Полумостовая схема.

Однофазная полумостовая схема инвертора напряжения применяется в источниках питания с промежуточным звеном повышенной частоты, а также может служить элементарной ячейкой трехфазного АИН. В схеме инвертора, показанной на рис. 1.3, одна вертикаль однофазного моста заменена двумя плечами емкостного делителя напряжения, создающего искусственную нулевую точку в источнике питающего напряжения. Как и в предыдущем случае, будем полагать элементы схемы идеальными.

Рассмотрим работу схемы инвертора при симметричном управлении, то есть при условии, что транзисторы VT1, и VT2 находятся во включенном состоянии 180 градусов по частоте выходного напряжения, но включаются со сдвигом по фазе на 180 градусов. Временные развертки электромагнитных процессов в схеме показаны на рис. 1.4. При включении транзистора VT2 точка b схемы подключается к положительному зажиму источника питания, а точка a остается подключенной к искусственной нулевой точке источника питания. При этом к нагрузке прикладывается напряжение равное , а в нагрузке нарастает ток в направлении, указанном на схеме. Так же, как и в мостовой схеме, эдс самоиндукции в этом случае препятствует увеличению тока в контуре. В момент транзистор VT2 выключаются и контур тока нагрузки размыкается. Однако, благодаря энергии, запасенной в индуктивности нагрузки, ток нагрузки поддерживается за счет эдс самоиндукции, при этом знак этой эдс меняется на обратную, что приводит к включению диода VD1. Таким образом, точка b схемы подключается к отрицательному зажиму источника питания, полярность напряжения на нагрузке меняется на обратную, и энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, сбрасывается в нижнюю половину источника питания. Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы к моменту спада тока нагрузки до нуля, транзистор VT1 был включен, что обеспечивает повторение всех процессов с другой полярностью тока. Таким образом, особенностью полумостового варианта схемы является то, что накопление энергии в индуктивности

Мостовая схема. Мостовая схема инвертора напряжения применяется на больших мощностях при повышенном уровне напряжения источника питания. Сигналы управления X1…X4 поступают таким образом, что в каждом полупериоде два транзистора включены, а два других выключены.

Существует два алгоритма управления ключевыми элементами инвертора напряжения: симметричный и несимметричный. На рисунке приведены временные зависимости токов и напряжений для этих двух алгоритмов. Рассмотрим принцип действия инвертора при симметричном управлении.

При подаче управляющих импульсов X1, X4 на транзисторы VT1, VT4 на интервале времени [t₃ ;t₄] ток протекает по контуру: “+” U₁; коллектор- эмиттер VT1; обмотка трансформатора (T) в первичной цепи; коллектор- эмиттер VT4; “-“ U₁. На этом же интервале накапливается реактивная энергия в цепи намагничивания трансформатора T, происходит плавное нарастание тока в первичной цепи по экспоненциальному закону.

На интервале [t₄; t₅] осуществляется рекуперация энергии в источник U₁ через обратные диоды по контуру: “+” ЭДС (E₁); VD3; противоположное направление по отношению к U₁; VD2; “–“ E₁. Тока источника спадает до нуля.

В плече моста инвертора напряжения достаточно управлять одним ключом для осуществления стабилизации напряжения на выходе инвертора (U₂), другой ключ можно удерживать в открытом состоянии, что исключает воздействие инвертора на входной источник. Рассмотрим принцип действия инвертора при несимметричном алгоритме управления.

На интервале времени [t₀; t₂ ] за период работы второго и третьего ключей в цепи намагничивания трансформатора T накопилась реактивная энергия. На интервале [t₂; t₃] происходит рекуперация энергии в нагрузку по контуру: “+” ЭДС (E₁); VD1; коллектор- эммитер VT3; “-” E₁. Если на данном интервале ток I₁ не снизился до нуля (т.е. ток не поменял свой знак), то на интервале [t₃; t₄] энергия передается в источник по контуру: “+” ЭДС (E₁); VD1; противоположное направление по отношению к U₁; VD4; “–“ E₁, при этом образуется “полочка” в форме напряжения U₂.