Конвертор и инвертор в чем разница

Конверторы, инверторы, назначение, основные схемы, принцип работы

Конвертором называют преобразователь постоянного напряжения одного значения напряжения в другое.

Функционально конвертор включает в себя следующие узлы:

· Инвертор – осуществляет преобразование поступающего на вход постоянное напряжение в переменное напряжение высокой (20-40кГц) частоты;

· Выпрямитель с фильтром.

В настоящее время применяют два типа конверторов:

1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;

2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Принцип инвертирования напряжения

Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом дуальности. Инвертор является устройством, противоположным выпрямителю, т.к. он преобразует напряжение постоянного тока в разнополярное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы. Поменяем местами источник с нагрузкой в схеме выпрямителя и получим схему инвертора напряжения:

Для формирования двухполярного напряжения необходимо определенным образом

управлять ключевыми элементами. Обеспечить стабилизацию (регулирование)

напряжения на выходе инвертора можно изменением длительности импульсов управления

ключами в зависимости от дестабилизирующих факторов.

Электромеханические преобразователи — это класс устройств, созданных для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Также возможно преобразование электрической энергии в электрическую же энергию другого рода. Основными видом электромеханического преобразователя является электродвигатель (электрогенератор).

Электрические машины

Электрические машины, за редким исключением, совершают однонаправленное непрерывное преобразование энергии. Особым видом электрической машины является трансформатор, не имеющий движущихся частей, участвующих непосредственно в преобразовании энергии, но принципиально схожий с генераторами и двигателями. Все электрические машины являются обратимыми (могут быть как генераторами, так и двигателями).

По назначению разделяют:

· генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую

· двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую

· преобразователи, преобразующие параметры (род тока, напряжение, частота, число фаз переменного тока) электрической энергии

По действию разделяют:

· индуктивные (представлены ниже)

· емкостные (изменение электрического поля)

Трансформатор

Трансформатором называется статическая электрическая машина, способная преобразовывать электрическую энергию из одного вида в другой, изменяя её основные параметры — напряжение (трансформатор напряжения), мощность (трансформатор мощности), силу тока (трансформатор тока) или частоту (трансформатор частоты).

Основным параметром любого трансформатора является коэффициент трансформации — величина, равная отношению значений изменяемого параметра (напряжения, тока, мощности или частоты).

Синхронная машина

Синхронная машина — это такая электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора равна частоте изменения (вращения) электромагнитного поля статора.

Асинхронная машина

Асинхронной машиной, в противовес синхронной, называют такую электрическую машину, в которой частота вращения ротора меньше частоты изменения (вращения) электромагнитного поля статора. Эта разница называется скольжением.

Машина постоянного тока

Машина постоянного тока — электрическая машина, преобразующая энергию в два этапа: электрическую энергию постоянного тока в электрическую энергию переменного тока при помощи преобразователя частоты (механического выпрямителя — коллектора); электрическую энергию переменного тока в механическую энергию на валу двигателя.

Умформер

Умформер (моторгенератор) — устройство, объединяющее, как правило, оба вида машин переменного тока (синхронную и асинхронную), либо переменного и постоянного тока. Преобразует один вид электрической энергии в электрическую энергию другого рода. Является электромеханическим преобразователем электрического тока.

Источник

Инверторы, конверторы и преобразователи частоты

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Преобразование постоянного тока в переменный называется инвертированием, а электротехнические устройства, выполняющие такую функцию, называются инверторами.

ЭТО ВАЖНО. Различают два типа инверторов: инверторы, ведомые сетью; и автономные инверторы. Инверторы, ведомые сетью, передают энергию в сеть переменного тока. Автономные инверторы передают энергию от источника постоянного тока потребителям, и не имеют в цепи источников переменного тока.

Рассмотрим принцип работы автономного инвертора на примере однофазного инвертора со средней точкой (рис.14.6, а).

ПРИНЦИП РАБОТЫ инвертора заключается в том, что источник напряжения постоянного тока U_d, в результате коммутации тиристоров VS1 и VS2, попеременно подключается к обмотке W₁₁ или к обмотке W₁₂ трансформатора Т. Тем самым в сердечнике трансформатора создается намагничивающая сила каждый раз противоположной полярности. Поэтому во вторичной обмотке трансформатора W₂ создается переменная ЭДС.

Работа схемы. К примеру, на интервале от 0 до система управления СУ, импульсом управления, включает тиристор VS1 (рис.14.6, б). По обмоткам трансформатора W₁₁ и W₁₂ будут протекать токи i₁ и i₂, соответственно. В цепи конденсатора С_к будет протекать ток i_С (ток заряда конденсатора). С течением времени величина тока заряда конденсатора, и соответственно тока i₂, постепенно уменьшается, а величина тока i₁ с течением времени увеличивается. Конденсатор С_к в этом случае будет иметь потенциалы, соответствующие знакам без скобок (рис.14.6, а). Путь тока от положительного потенциала источника к его отрицательному потенциалу можно представить алгоритмом

На втором интервале от до 2 , система управления СУ открывает тиристор VS2. К тиристору VS1 через тиристор VS2 прикладывается напряжение конденсатора С_к, которое является обратным для тиристора VS1, и поэтому он закрывается. После разряда конденсатор С_к перезаряжается (полярность на рис.14.6, а соответствует знакам в скобках), с течением времени ток i₂ > i_1, т.е. ток нагрузки i_Н становится отрицательным (рис.14.6, г), что означает изменение его направления во вторичной обмотке трансформатора W₂.

ЭТО ВАЖНО. Конверторы это устройства осуществляющие преобразование напряжения постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока повышенной или пониженной величины (в сравнении с входным напряжением).

Структурная схема конвертора показана на рис.14.7. Для того чтобы уменьшить массу и габариты трансформатора, а также улучшить качество выходного напряжения конвертора, рабочая частота автономного инвертора АИ выбирается по возможности высокой (в транзисторных преобразователях небольшой мощности эту частоту обычно выбирают в диапазоне от единиц до нескольких десятков килогерц). Стабилизация выходного напряжения конверторов может осуществляться как за счет силовых ключей инвертора, так и за счет выпрямителя В, у которого силовая схема выполнена на управляемых вентилях. Для обеспечения требуемого качества выходного напряжения на выходе конверторов применяются сглаживающие фильтры Ф.

Несмотря на то, что поток преобразуемой электроэнергии проходит через несколько устройств, применение в конверторах промежуточного высокочастотного преобразования позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели преобразователя.

ЭТО ВАЖНО. Преобразователи частоты – это устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты.

Различают два класса преобразователей частоты: преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока и

непосредственные преобразователи частоты (НПЧ).

На рис.14.8. представлена структурная схема преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Переменное напряжение питающей сети U₁ с частотой f₁ выпрямляется с помощью управляемого выпрямителя В, фильтруется LC-фильтром Ф и преобразуется автономным инвертором АИ в переменное напряжение U₂ с частотой f₂, как выше, так и ниже частоты питающей сети. Система управления СУ обеспечивает регулирование параметров электроэнергии и может осуществлять функции защиты преобразователя от аварийных режимов работы.

Кроме преобразования напряжения постоянного тока в переменный ток, автономный инвертор выполняет функции регулирования частоты выходного напряжения, а функции регулирования напряжения выполняет управляемый выпрямитель. Иногда обе функции выполняет инвертор, а выпрямитель выполняется неуправляемым.

Основным недостатком преобразователей частоты с промежуточным звеном постоянного тока является двойное преобразование электрической энергии, что приводит к уменьшению КПД и повышению массы и габаритов преобразователя.

НПЧ в сравнении с преобразователями частоты с промежуточным звеном постоянного тока имеет ряд преимуществ: высокий КПД, вследствие однократности преобразования электроэнергии; высокая надежность, перегрузочная способность и простота силовой схемы, что определяется естественной коммутацией вентилей; возможность независимого плавного регулирования частоты и напряжения; высокое быстродействие и малое время переходных процессов.

Принцип формирования выходного напряжения НПЧ рассмотрим на примере работы трехфазно-однофазной схемы (рис.14.9, а) на активную нагрузку.

Преобразователь содержит две группы тиристоров: катодная группа (VS1, VS2, VS3) и анодная группа (VS4, VS5, VS6). Управляющие импульсы, синхронизированные по частоте с напряжением питающей сети, в процессе работы поступают на тиристоры анодной и катодной групп поочередно. Положительный полупериод выходного напряжения формируется при поочередной подаче управляющих импульсов на тиристоры катодной группы, а отрицательный – при подаче управляющих импульсов на тиристоры анодной группы. Управляющие импульсы поступают на тиристоры со сдвигом относительно точек естественной коммутации (точек пересечения фазных напряжений питающей сети) на угол (рис.14.9 б).

В результате цикличной работы двух групп вентилей НПЧ на нагрузке формируется переменное напряжение с частотой f₂ более низкой, чем частота питающей сети f₁. Изменением угла регулируется выходное напряжение преобразователя.

ВЫВОДЫ.Таким образом, статические преобразователи электроэнергии – вторичные источники электроэнергии, в сравнении с преобразователями, выполненными на базе электрических машин имеют ряд существенных преимуществ, и прежде всего, по надежности и ресурсу работы, быстродействию и массогабаритным показателям.

ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ

Цель занятия: Изучить основы цифровой микроэлектроники и микропроцессорные средства, применяемые в современных системах автоматического управления

Источник

Общие сведения об инверторах и конверторах

Первичные источники вырабатывают электрическую энергию постоянного тока одного напряжения. Для функционирования устройств электроники необходимо напряжение постоянного и переменного тока разного значения. Для его получения используют преобразователи постоянного напряжения, которые формируют либо требуемое переменное напряжение, либо постоянное напряжение заданного значения, либо несколько постоянных напряжений разных значений.

Преобразователи, у которых на выходе есть переменное напряжение, называют инверторами. Преобразователи, имеющие на выходе постоянное напряжение одного или нескольких значений, называют конверторами.

Основными элементами инверторов и конверторов являются транзисторы и тиристоры, работающие в вентильном режиме «открыто-закрыто», которые периодически прерывают ток или изменяют его направление. Благодаря этому КПД инверторов и конверторов может достигать 99 %.

Инверторы

Инверторы классифицируют по ряду признаков:

— по типу коммутирующих устройств (тиристорные и транзисторные);

— по принципу коммутации (ведомые питающей сетью и автономные инверторы);

— по роду преобразуемой величины (инверторы тока и инверторы напряжения).

Тиристорные инверторы – это инверторы большой мощности; транзисторные инверторы выполняют на малую и среднюю мощность, не превышающую нескольких киловатт.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

На рисунке 15.23 представлена схема такого инвертора, являющегося однофазным двухполупериодным инвертором с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол управления α 0 (рисунок15.23 б). При α = 90 0 среднее значение напряжения равно нулю.

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток i₁ и напряжение u₁ находились в противофазе. Это возможно, если тиристоры поочерёдно будут открываться при отрицательной полярности напряжений u_2a и

u_2b, т.е. происходит поочерёдное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е. Однако, если очередной тиристор открывать точно при угле управления

Это явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Для устранения срыва инвертирования делают угол управления α меньше 180 0 на угол, называемый углом опережения открытия тиристора. Закрытие и открытие тиристоров происходит под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Отсюда и термин инвертор, ведомый сетью.

Рисунок 15.23—Схема однофазного двухполупериодного инвертора, ведомого сетью,

работающего выпрямителем (а); и графики изменения изменения

напряжении во времени при фиксированных углах управления α.

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоянного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие электроэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекуперацией.

Для обеспечения надёжной работы реверсивного преобразователя нельзя допускать увеличения напряжения генератора постоянного тока и уменьшения напряжения сети переменного тока. В противном случае, увеличится время коммутации тиристоров, что может привести к короткому замыканию через обмотки трансформатора. Таким образом, в реверсивном преобразователе необходимы регуляторы напряжения питающей сети и напряжения генератора постоянного тока.

Рисунок 15.24— Схема реверсивного преобразователя для электропривода

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо:

1) Получить переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии – топливные элементы, МГД – генераторы, термо- и фотоэлектрические генераторы, контактная сеть электрического транспорта постоянного тока, аккумуляторы и т.д.;

2) преобразовать переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты, например, в частотных преобразователях для асинхронных и синхронных двигателей;

3) получить переменный ток высокой частоты для электротермических установок, с помощью которых плавят металлы, нагревают и закаливают изделия, производят сушку зерна и зерновых продуктов и т.д.

Автономные инверторы классифицируют как автономные инверторы тока (АИТ),

автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). В АИТ источник питания работает в режиме источника тока, в АИН источник питания работает в режиме источника напряжения, а в АИР источник питания работает в режиме резонанса токов или напряжений.

Для устойчивой работы АИТ используют «отсекающие» диоды, схема такого инвертора представлена ниже. Диоды используют для недопущения работы инвертора в режиме холостого хода. Они включены между конденсатором С_К и первичной обмоткой трансформатора и исключают возможность разряда конденсатора через трансформатор.

Рисунок 15.25—Схема автономного инвертора тока с «отсекающими» диодами

Для улучшения формы выходного переменного напряжения применяют мостовые инверторы. Схема однофазного мостового инвертора показана ниже.

Рисунок 15.26—Принципиальная схема однофазного автономного инвертора напряжения

Тиристоры в этой схеме включаются попарно через активно-индуктивную нагрузку Z_Н. При переключении тиристоров ток через нагрузку плавно уменьшается до нуля какое-то время и лишь затем ток меняет своё направление на обратное. В этот период времени работавшие тиристоры уже закрыты, а другая пара тиристоров уже открыта и существующий ток нагрузки для них имеет противоположное направление, что может привести к повреждению тиристоров. Включённые параллельно тиристорам в обратном направлении диоды как раз и предназначены для того, чтобы пропустить этот обратный ток нагрузки. Поэтому диоды называют обратными.

Конверторы

Конвертором называют преобразователь постоянного тока одного напряжения в постоянный ток, имеющий другое значение напряжения.

В основном применяют два типа конверторов:

1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;

2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением бывают малой и средней мощности. Структурная схема такого преобразователя изображена ниже.

Рисунок 15.27—Структурнаясхема преобразователя постоянного

напряжения с самовозбуждением

Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до нужного значения. После выпрямления в выпрямителе В оно подаётся на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Z_Н.

В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы с общим эмиттером, включаемым по двухтактной схеме.

Рисунок 15.28—Релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы

с трансформаторной положительной обратной связью

Для обеспечения прямоугольной формы генерируемых колебаний материал магнитопровода трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы. Частота переменного тока на выходе релаксационного генератора может достигать значений близких к 50 кГц. Поэтому силовые диоды для выпрямителя необходимо выбирать с учётом частоты переменного тока. В противном случае при выпрямлении напряжений с крутыми фронтами диоды теряют свои выпрямительные свойства и возможна потеря работоспособности конвертора.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение путём изменения параметров входных импульсов. Чаще всего применяют широтно-импульсную (ШИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ) модуляцию при регулировании. ШИМ – это изменение длительности импульсов, а ЧИМ – изменение частоты импульсов.

Рисунок 15.29—Схема (а) и динамические диаграммы тока нагрузки (б)

импульсного однотактного преобразователя постоянного напряжения

В качестве ключа используется тиристор. Между нагрузкой Z_Н и тиристором включён сглаживающий LC-фильтр. Диод необходим для пропускания тока нагрузки при выключенном тиристоре. Принцип действия данного ИППН таков: когда тиристор открыт, всё напряжение U₀ поступает на сглаживающий фильтр и далее на нагрузку Z_Н; при этом диод VD не пропускает ток; когда тиристор закрыт, ток через нагрузку проходит за счёт энергии накопленной в конденсаторе С_Ф и в катушке L_Ф.

Однотактные ИППН работают при мощности не более 100 кВт. Если требуется мощность больше, то используют многотактные ИППН, которые содержат несколько параллельно включённых однотактных ИППН. Для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры включают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/n (n – количество однотактных ИППН). Поэтому тиристоры работают поочерёдно или с некоторым перекрытием.

В качестве примера ИППН ниже приведена схема импульсного источника питания, реализованная на микросхеме VIPerX7.

Рисунок 15.30—Принципиальная электрическая схема ИППН с обратной связью

Зависимый от сети инвертор при трехфазной однополупериодной схеме преобразования. Основные соотношения по выбору элементов схемы.

Однофазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель при идеальных и реальных параметрах элементов схемы. Основные соотношения по выбору элементов схемы. Преимущества и недостатки схемы.

Если энергия передается от сети к нагрузке, то преобразователь является управляемым выпрямителем; если энергия передается от источника постоянного тока в сеть, то преобразователь называют ведомым сетью инвертором.

Зависимые инверторы (другое название – инверторы, ведомые сетью) требуют наличия внешних источников переменного напряжения. Такие инверторы используют в электроприводах.

Инвертор – устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т. е. выполняет функцию, обратную той, которую выполняет выпрямитель.

В УВ можно организовать режим работы, при к-ом энергия будет передаваться от сети пост тока в сеть. Условия этого режима:

1. в нагрузке должна быть включена большая L

2. должен отсутствовать обратный диод

3. ЭДС нагрузки должна быть направлена согласно с U на выходе УВ.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = Ud · Id преобразователя. Поскольку ток Id не может изменить своего направления из-за односторонней проводимости тиристоров, изменение знака мощности достигается за счет изменения знака напряжения Ud. Для этого необходимо обеспечить увеличение угла управления до α > 900. Рассмотрим кратковременный режим инвертирования (ключ К на рис. замкнут).

Пусть в некоторый момент времени угол управления скачком изменяется от a1 900. Тогда, благодаря большой постоянной времени нагрузки, ток id в течение некоторого времени (до момента wtэм) протекает в прежнем направлении при отрицательной полярности напряжения Udи. В момент wtэм энергия в индуктивности полностью израсходована и ток При wt>wtэм имеет место режим прерывистого тока, при котором Ud= 0. В течение интервала с отрицательным значением Udэнергия, накопленная в индуктивности отдается в сеть – имеет место кратковременный режим инвертирования.

Источник