Понимание инверторов: Полное руководство для студентов электротехники и электроники

Введение:

В этой статье объясним, что такое инвертор, его функция и принцип работы. Инверторы встречаются в фотоэлектрических установках для получения переменного тока в домах и офисах. Также в частотных преобразователях для управления скоростью, моментом и направлением вращения асинхронных двигателей в вентиляторах, насосах, компрессорах.

Что такое инвертор?

Начнем с основ. Известны два типа электроэнергии: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). Постоянный ток — для фонариков, солнечных панелей, батарей, малой электроники. Крупная бытовая техника работает от переменного тока из розетки. У обоих типов есть ограничения, часто нужно преобразовывать один в другой для максимальной эффективности.

Инвертор — устройство, преобразующее DC в AC. На осциллографе DC — прямая линия (ток в одну сторону, максимальное напряжение). AC — синусоида, напряжение чередуется между пиками плюс и минус за цикл. Ток движется «туда-сюда».

Принцип работы инвертора

Для понимания рассмотрим схему: источник DC питает нагрузку AC. Для преобразования нужно четыре ключа. Парные: когда 1 и 4 замкнуты, 2 и 3 разомкнуты, и наоборот. Нагрузка воспринимает переменный ток, хотя подключена к DC.

Когда одна пара открыта, ток течет через правую сторону нагрузки. Когда вторая — через левую. Нагрузка получает переменный ток.

Сигнал не синусоидальный, а прямоугольный (резкое переключение). Это может повредить прибор, нужно сглаживать. Инженеры используют диоды, IGBT, MOSFET и др.

Применение IGBT в инверторах:

IGBT (изолированный затвор биполярный транзистор) — трехвыводной полупроводниковый прибор. Рассмотрим схему для двигателя.

Источник DC, нагрузка AC, группа IGBT, подключенных к контроллеру. Каждый IGBT получает сигнал от контроллера — когда открываться/закрываться. IGBT объединены в пары.

При включении контроллер переключает пару IGBT, пропуская ток ограниченное время — двигатель получает переменный ток.

Использование инверторов для управления скоростью двигателя:

IGBT открываются/закрываются пульсирующе много раз за цикл — широтно-импульсная модуляция (PWM). Цикл делится на малые сегменты, контроллер задает время открытия IGBT для каждого. Таким образом, через двигатель проходит переменный ток переменной амплитуды.

Средняя мощность на сегменте образует синусоиду. Чем больше сегментов, тем гладче синусоида. Двигатель получает синусоидальный переменный ток.

Контроллер регулирует время открытия IGBT, управляя частотой и длиной волны — скоростью, моментом и направлением вращения.

Применение инверторов:

• От малых автомобильных адаптеров до офисных, бытовых и крупных сетевых систем.
• Фотоэлектрические установки.
• Частотные преобразователи для управления скоростью, моментом, направлением AC-двигателей.
• HVAC-системы промышленных и коммерческих объектов.
• ИБП (бесперебойные источники питания).
• Солнечные энергосистемы.
• Центробежные вентиляторы, миксеры, насосы, конвейеры, экструдеры и др.