Инвертированием называют процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в переменный. Преобразователь, выполненный на базе полупроводниковых приборов и осуществляющий такое преобразование, называется инвертором.
Автономным (независимым) инвертором является преобразователь, выходные параметры которого (форма, амплитуда, частота выходного напряжения) определяются схемой преобразователя, системой управления и режимом его работы в отличие от инвертора, ведомого сетью, выходные параметры которого определяются параметрами сети.
Схема автономного инвертора изображена на рис. 1, а. Если переключать попарно через полупериод Т/2 ключи К1 — К3 и К2 — К4, то напряжение Uab на нагрузке будет прямоугольной формы с амплитудой U и частотой f = 1/Т (рис. 1 , 6).При активной нагрузке форма кривой тока будет повторять кривую напряжения. В схеме рис. 1 , а очень просто увеличить число фаз, для чего нужно добавить пару ключей и подключить нагрузку к точкам между ними (штриховые линии на рис. 1 , а ). В трехфазном варианте схема очень похожа на мостовой выпрямитель; разница состоит лишь в том, что источник питания и нагрузка поменялись местами.
Рис. 1. Схема автономного инвертора (а). Графики (б) напряжения Itb и тока Iн на выходе инвертора
Форму выходного напряжения и, следовательно, его гармонический состав можно менять, изменяя продолжительность включенного состояния tt и момент включения t пары ключей (штриховая линия на рис. 1, 6).
Процессы усложняются при активно-индуктивной нагрузке. При этом схема рис. 1, а окажется неработоспособной, поскольку при разрыве такой цепи напряжения на ключах достигают бесконечно большой величины. Для обеспечения нормальной работы ключи шунтируют диодами, а источник питания, если его внутреннее сопротивление велико — конденсатором (рис. 2, а). При прямоугольной форме напряжения кривые тока будут состоять из участков экспонент (рис. 2, 6). Напряжение и ток имеют различную форму и гармонический состав, первые гармоники тока и напряжения сдвинуты относительно одна другой на некоторый угол.
Преобразование постоянного напряжения в переменное может осуществляться с использованием всех типов силовых полупроводниковых ключей. За последние годы в области средних и больших мощностей до 1 000 кВт начинают широко применяться инверторы на IGBT. Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с традиционными тиристорами, они представляют разработчикам более широкие возможности формирования напряжения и тока.
По характеру процессов, протекающих в автономных инверторах, их разделяют на инверторы напряжения (АИН) и инверторы тока (АИТ).
Схема (см. рис. 2, а) представляет собой инвертор напряжения — именно оно формируется принудительно, а ток существенно зависит от нагрузки. В схеме АИН источник постоянного напряжения подключен непосредственно к ключевым элементам, которые периодически с изменением полярности подключают это напряжение к нагрузке. В результате нагрузка питается переменным напряжением. Нагрузка в э том случае должна носить индуктивный или активно-индуктивный характер.
Рис. 2. Схема автономного инвертора напряжения (а). Графики ( б) напряжения Utb и тока 1н на выходе инвертора
Рис. 3. Схема автономного трехфазного мостового инвертора напряжения (а). Диаграмма интервалов времени открытого состояния ключей ( б). Графики фазных (в) и линейного (г) напряжений на выходе инвертора
Для устранения перенапряжений на элементах схемы при коммутации ключей часть энергии, накопленной в индуктивной нагрузке, возвращают в цепь источника постоянного напряжения. С этой целью ключевые элементы шунтируют диодами, включенными «обратно» по отношению к полярности питающего источника. Такие диоды называют «обратными» диодами. Последние обеспечивают путь для протекания тока на интервалах времени, на которых знаки тока и напряжения противоположны.
В АИН с трехфазным выходом минимальное число управляемых ключей шесть (рис. 3, а). Номера ключей соответствуют очередности вступления их в работу, представленной на диаграмме (рис. 3, 6). Логика работы ключей: в каждой фазе обязательно должен быть замкнут один и только один из ключей в каждой паре (S1 или S4; S3 или S6; S5 или S2). В том случае, когда длительность открытого состояния каждого ключа равна п (и, следовательно, в открытом состоянии всегда находятся три ключа), кривые фазных Ua0, Ub0, Uc0, и линейного напряжения Uab, имеют вид, показанный на рис. 3, , Ё „ .
В выходном напряжении трехфазного мостового инвертора отсутствуют гармоники, кратные трем. Относительное значение 5-й гармоники равно 20 % основной, 7-й — 14,3 %, 11-й — 9 %, 13-й — 7,7 % и т.д.
Достоинствами АИН являются жесткая внешняя характеристика, независимость формы выходного напряжения от параметров нагрузки, возможность работы при переменной частоте и, в частности, при низких и сверхнизких частотах (единицы и доли герца).
Рис. 4. Схема автономного инвертора тока (а). Графики (б) напряжения Utb и тока Iн на выходе инвертора
Внешне АИТ похожи на АИН, имеют аналогичную структуру (рис. 4, а) однако процессы в них существенно различаются. Основное различие — в способе питания: на входе АИТ включен реактор Ld, индуктивность которого достаточна для поддержания тока нагрузки практически неизменным в течение полупериода выходной частоты АИТ. Таким образом, в АИТ задается мгновенное значение тока, он получает питание от источника тока. Напряжение — зависимая переменная ( рис. 4, 6). Индуктивность сглаживающего реактора Ld оказывает существенное влияние на динамические характеристики АИТ. В частности, чем меньше Ld, тем меньше всплески и провалы напряжения на выходе АИТ при скачкообразном изменении нагрузки на его выходе.
В АИТ ключевые элементы изменяют направление тока в нагрузке (но не мгновенное значение), так что нагрузка питается как бы от источника тока, что и нашло свое отражение в соответствующей терминологии — инвертор тока Нагрузка АИТ, как правило, носит емкостной характер (на рис. 4, а конденсатор Ск), так как при индуктивной нагрузке из-за скачкообразного изменения тока возникли бы перенапряжения, нарушающие нормальную работу схемы.
К числу достоинств АИТ относится сравнительно хорошая форма кривой выходного напряжения при наличии на выходе параллельного конденсатора. Основными недостатками АИТ являются падающая внешняя характеристика и зависимость величины и формы кривой выходного напряжения от частоты, в связи с чем обычно АИТ используется в диапазоне частот от 50 до 1000 Гц.
