Инвертор — преобразователь напряжения

Актуальность мощных преобразователей напряжения

Преобразование электрической энергии это одна из основных задач, которая решается на всех этапах производства и передачи её потребителям. Оно позволяет уменьшить потери связанные с электроснабжением удалённых потребителей путём значительного увеличения напряжения. Преобразует его трансформатор или автотрансформатор, присоединённый к генератору, который вращает турбина или иной механический движитель. Трансформатор далее транслирует получаемую энергию в линию электропередачи.

На другом конце этой ЛЭП приёмный трансформатор выполняет новое преобразование напряжения с понижением его величины для распределения на уровне района. Здесь всё повторяется – опять есть районная ЛЭП, трансформаторы и так до тех пор, пока всё не закончится формированием фазных напряжений 220 В 50 Гц. При таком электроснабжении линия электропередачи является основным источником потерь, которые могут составлять почти пятую часть передаваемой мощности. В их основе лежит переменное напряжение.

По этой причине индуктивность и ёмкость ЛЭП определяет величину потерь электроэнергии. Поэтому чтобы значительно уменьшить потери при электроснабжении надо перевести ЛЭП большой протяжённости на постоянное напряжение. Для этого на входе ЛЭП потребуется выпрямитель, а на её выходе – инвертор, то есть устройство, которое из постоянного напряжения сделает переменное напряжение. Такую эффективную систему электроснабжения можно построить только при использовании в инверторе достаточно мощных быстродействующих переключателей (ключей) без механических контактов.

Первыми подобными устройствами были ртутные вентили. Они стали доступны для широкого использования только с середины 20 века. Развитие силовой электроники, которое привело к возможности коммерческого использования быстродействующих запираемых тиристоров и высоковольтных транзисторов примерно с 70-х годов 20 века привело к вытеснению ртутных вентилей из технических решений для мощных инверторов в энергетических системах. Быстродействие для коммутаторов является важнейшим свойством.

Преобразователи напряжения

Полупроводниковые ключи

Оно позволяет уменьшить потери электроэнергии, которые связаны с изменением сопротивления коммутатора. Сопротивление близко к нулю во включённом состоянии ключа и стремиться к бесконечности (в идеальном случае) при его полном отключении. В этих граничных состояниях электрическая мощность, которая в виде тепла выделяется в ключе, невелика и не опасна для него. Но замедление переходного процесса между ними для ключа несёт в себе опасность его разрушения от перегрева. И эта опасность растёт с увеличением напряжения.

Низковольтные инверторы на полупроводниковых приборах используются уже давно. Они появились вместе с транзисторами, которые являются наилучшими коммутаторами для них. Тиристор, даже запираемый, хуже транзистора, потому что он по сути своей состоит из двух биполярных транзисторов. Он существенно менее устойчив к помехам и его сопротивление во включённом состоянии заметно больше, по сравнению с транзистором. Быстродействие тиристора также хуже, чем у транзистора, особенно в сравнении с полевым транзистором.

Важность быстродействия ключа объясняется тем, что чем быстрее он срабатывает, тем больше частота переменного напряжения может быть получена. А поскольку для преобразования напряжения всё равно потребуется трансформатор как самое эффективное устройство для этого, его масса и габариты будут тем меньше, чем больше частота напряжения на первичной обмотке. Число витков первичной обмотки, которое в основном определяется насыщением сердечника трансформатора, тоже будет меньше, так же как и число витков остальных обмоток зависящих от первичной обмотки.

Трансформатор инвертора, работающий на частоте в несколько сотен Герц, уже получается значительно дешевле трансформатора 50 Гц такой же мощности. Его стоимость уменьшается с увеличением рабочей частоты. Причём удешевление затрагивает не только обмотки, но и сердечник трансформатора. Высокая частота электромагнитного поля вынуждает использовать специальные материалы — ферриты для изготовления магнитопровода инверторного трансформатора. Он формируется методом прессования и спекания, что значительно дешевле изготовления магнитопровода из пластин специальной трансформаторной стали.

Где применяются преобразователи напряжения?

Инвертор используется не только для питания первичной обмотки трансформатора с целью изменения величины напряжения. Ключи управляемы и могут формировать напряжения прямоугольной формы различных частот. Поэтому инвертор, который по специальному алгоритму формирует напряжения одинаковой амплитуды, но разной частоты на входе специального фильтра позволяет получить на его выходе синусоидальное напряжение необходимой частоты. Этот метод носит название «широтно-импульсная модуляция», или сокращённо «ШИМ».

Такие устройства стали очень востребованными в последнее время. Они находят применение в электростанциях, использующих солнечные батареи и также в мини – электростанциях с двигателями внутреннего сгорания. Спрос на устройства малой энергетики непрерывно растёт из-за роста цен на энергоносители. Без инверторов невозможно создание электротранспорта и гибридных автомобильных систем. Они обеспечивают наиболее эффективное управление электродвигателями, что особенно заметно в таких транспортных средствах как метро и пригородные электропоезда, городской электротранспорт.

Частые остановки с последующим разгоном наиболее энергозатратны, а плавность хода подвижного состава при этом необходимые условия его комфортности и безопасности пассажиров. Инверторное управление в электроприводе обеспечивает экономичность и комфортность транспортного средства. Иточники бесперебойного электропитания в основном построены с использованием аккумулятора и преобразователя напряжения на полупроводниковых ключах.

Они с минимальной задержкой способны войти в рабочий режим и обеспечить работоспособность подключенного к ним оборудования без каких-либо сбоев в его работе. В них так же применяется метод ШИМ для формирования синусоидального выходного напряжения. На новый качественный уровень выходит сварка с применением инверторов. Сварочный аппарат, которые ранее весил десятки килограммов и был весьма внушительных размеров, теперь помещается в портфель. А питание электрической дуги при инверторной сварке может быть обеспечено при постоянном напряжении. Это значительно улучшает качество сварного шва.

Инверторный сварочный аппарат

 Однако есть и определённые ограничения для применения инверторов. Главная причина в том, что коммутации сопровождаются электромагнитным излучением с широким спектром частот, в том числе, используемом для радиосвязи. По этой причине даже при соответствующем конструктивном исполнении в виде качественного экранирования радиоприемники будут «слышать» мощный инвертор в широком диапазоне радиочастот. Но это, пожалуй, их единственный недостаток, который не является актуальным на фоне их энергетической эффективности и пользы связанной с ней.

Электротехника Январь 21, 2017 admin в 8:08
7 535 0
Добавить отзыв