Інвертор - перетворювач напруги

Актуальність потужних перетворювачів напруги

Перетворення електричної енергії це одна з основних задач, яка вирішується на всіх етапах виробництва і передачі її споживачам. Воно дозволяє зменшити втрати пов`язані з електропостачанням віддалених споживачів шляхом значного збільшення напруги. Перетворює його трансформатор або автотрансформатор, приєднаний до генератора, який обертає турбіну або інший механічний рушій. Трансформатор далі транслює одержувану енергію в лінію електропередачі.

З протилежного боку цієї ЛЕП приймальний трансформатор виконує нове перетворення напруги з пониженням його величини для розподілу на рівні району. Тут все повторюється - знову є районна ЛЕП, трансформатори і так до тих пір, поки все не закінчиться формуванням фазної напруги 220 В 50 Гц. При такому електропостачанні лінія електропередачі є основним джерелом втрат, які можуть становити майже п`яту частину переданої потужності. В їх основі лежить змінну напругу.

З цієї причини індуктивність і ємність ЛЕП визначає величину втрат електроенергії. Тому щоб значно зменшити втрати при електропостачанні треба перевести ЛЕП великої протяжності на постійну напругу. Для цього на вході ЛЕП потрібно випрямляч, а на її виході - інвертор, тобто пристрій, який з постійної напруги зробить змінну напругу. Таку ефективну систему електропостачання можна побудувати тільки при використанні в инвертор досить потужних швидкодіючих перемикачів (ключів) без механічних контактів.

Першими подібними пристроями були ртутні вентилі. Вони стали доступні для широкого використання тільки з середини 20 століття. Розвиток силової електроніки, яке призвело до можливості комерційного використання швидкодіючих замикаються тиристорів і високовольтних транзисторів приблизно з 70-х років 20 століття привело до витіснення ртутних вентилів з технічних рішень для потужних інверторів в енергетичних системах. Швидкодія для комутаторів є найважливішим властивістю.

напівпровідникові ключі

Воно дозволяє зменшити втрати електроенергії, які пов`язані зі зміною опору комутатора. Опір близько до нуля у включеному стані ключа і прагнути до нескінченності (в ідеальному випадку) при його повне відключення. У цих граничних станах електрична потужність, яка у вигляді тепла виділяється в ключі, невелика і не є небезпечною для нього. Але уповільнення перехідного процесу між ними для ключа несе в собі небезпеку його руйнування від перегріву. І ця небезпека зростає зі збільшенням напруги.

Низьковольтні інвертори на напівпровідникових приладах використовуються вже давно. Вони з`явилися разом з транзисторами, які є найкращими комутаторами для них. Тиристор, навіть замикається, гірше транзистора, тому що він по суті своїй складається з двох біполярних транзисторів. Він істотно менш стійкий до перешкод і його опір у включеному стані помітно більше, в порівнянні з транзистором. Швидкодія тиристора також гірше, ніж у транзистора, особливо в порівнянні з польовим транзистором.

Важливість швидкодії ключа пояснюється тим, що чим швидше він спрацьовує, тим більше частота змінної напруги може бути отримана. А оскільки для перетворення напруги все одно буде потрібно трансформатор як найефективніший пристрій для цього, його маса і габарити будуть тим менше, чим більше частота напруги на первинній обмотці. Число витків первинної обмотки, яке в основному визначається насиченням осердя трансформатора, теж буде менше, так само як і число витків інших обмоток залежать від первинної обмотки.

Трансформатор інвертора, що працює на частоті в кілька сотень Герц, вже виходить значно дешевше трансформатора 50 Гц такої ж потужності. Його вартість зменшується зі збільшенням робочої частоти. Причому здешевлення зачіпає не тільки обмотки, а й сердечник трансформатора. Висока частота електромагнітного поля змушує використовувати спеціальні матеріали - ферити для виготовлення муздрамтеатру инверторного трансформатора. Він формується методом пресування і спікання, що значно дешевше виготовлення муздрамтеатру з пластин спеціальної трансформаторної сталі.

Де застосовуються перетворювачі напруги?

Інвертор використовується не тільки для харчування первинної обмотки трансформатора з метою зміни величини напруги. Ключі керованими та можуть формувати напруги прямокутної форми різних частот. Тому інвертор, який за спеціальним алгоритмом формує напруги однаковоюамплітуди, але різної частоти на вході спеціального фільтра дозволяє отримати на його виході синусоїдальна напруга необхідної частоти. Цей метод носить назву «широтно-імпульсна модуляція», або скорочено «ШИМ».

Такі пристрої стали дуже затребуваними останнім часом. Вони знаходять застосування в електростанціях, що використовують сонячні батареї і також в міні - електростанціях з двигунами внутрішнього згоряння. Попит на пристрої малої енергетики безперервно росте через зростання цін на енергоносії. Без інверторів неможливо створення електротранспорту і гібридних автомобільних систем. Вони забезпечують найбільш ефективне управління електродвигунами, що особливо помітно в таких транспортних засобах як метро і приміські електропоїзди, міський електротранспорт.

Часті зупинки з подальшим розгоном найбільш енерговитратних, а плавність ходу рухомого складу при цьому необхідні умови його комфортності та безпеки пасажирів. Інверторне керування в електроприводі забезпечує економічність і комфортність транспортного засобу. Іточнікі безперебійного електроживлення в основному побудовані з використанням акумулятора і перетворювача напруги на напівпровідникових ключах.

Вони з мінімальною затримкою здатні увійти в робочий режим і забезпечити працездатність підключеного до них обладнання без будь-яких збоїв в його роботі. У них так само застосовується метод ШІМ для формування синусоїдальної вихідної напруги. На новий якісний рівень виходить зварювання із застосуванням інверторів. Зварювальний апарат, які раніше важив десятки кілограмів і був досить значних розмірів, тепер поміщається в портфель. А харчування електричної дуги при инверторной зварюванні може бути забезпечено при постійній напрузі. Це значно покращує якість зварного шва.

 Однак є і певні обмеження для застосування інверторів. Головна причина в тому, що комутації супроводжуються електромагнітним випромінюванням з широким спектром частот, в тому числі, використовуваному для радіозв`язку. З цієї причини навіть при відповідному конструктивному виконанні у вигляді якісного екранування радіоприймачі будуть «чути» потужний інвертор в широкому діапазоні радіочастот. Але це, мабуть, їх єдиний недолік, який не є актуальним на тлі їх енергетичної ефективності і користі пов`язаної з нею.