Меню

Как инвертировать полярность постоянного тока

Инвертирование постоянного тока

Применение в выпрямителях тиристоров позволяет не только регулировать напряжение выпрямителя, но и превратить выпрямитель в инвертор ( преобразование постоянного тока в переменный).

На железных дорогах переменного тока этим свойством пользуются для передачи энергии, получаемой при электрическом рекуперативном торможении поезда, в контактную сеть, а на дорогах постоянного тока — для передачи этой энергии из контактной сети в сеть трехфазного тока, питающего тяговую подстанцию.

В технике применяют инверторы двух типов: ведомые сетью (зависимые) и автономные (независимые). При работе инверторов, ведомых сетью, частота и напряжение в приемной сети переменного тока определяются источниками тока, подключенными к этой сети (синхронными генераторами электрических станций). Поэтому режим работы такого инвертора (частота и напряжение) полностью зависит от этих источников. Автономные инверторы сами задают напряжение и частоту в сети переменного тока, к которой в этом случае не подключены другие источники переменного тока.

Преобразовательные агрегаты, установленные на э.п.с. переменного тока и на тяговых подстанциях, при рекуперативном торможении работают как зависимые инверторы, так как они подключены к сети с заданным напряжением и частотой. Автономные инверторы применяют для преобразования постоянного тока в переменный, изменения частоты переменного тока, а также в схемах автоматики для получения импульсов прямоугольной и другой формы.

Принцип действия инвертора. Преобразователь с управляемыми вентилями может работать в выпрямительном и инверторном режимах. Выпрямительным режимом называют такой режим, когда электрическая мощность передается из цепи переменного тока в цепь постоянного тока. При инверторном режиме, наоборот, мощность передается из цепи постоянного тока в цепь переменного тока.

Рассмотрим особенности этих двух режимов на примере простейшего однополупериодного преобразователя, принимая, что в цепи постоянного тока отсутствует индуктивность.

При выпрямительном режиме трансформатор Т (рис. 28, а) работает в качестве источника электрической энергии с э.д.с. епер, а в цепь выпрямленного тока включен потребитель с некоторой э.д.с. Епост, например машина постоянного тока М, работающая в двигательном режиме. Для того чтобы электрическая мощность передавалась от трансформатора Т в двигатель М, э.д.с. епер должна быть больше э.д.с. двигателя Епост. В этом случае при положительных полупериодах переменного напряжения трансформатора ток протекает против э.д.с. Епост и совпадает с э.д.с. епер.

Рис. 28. Схемы, поясняющие принцип работы преобразователя при выпрямительном (а) и инверторном (б) режимах и кривые изменения э.д.с. и токов (в,г).

Ток в цепи начинает протекает при положительных полупериодах в момент времени, когда епер становится больше Епост. Значение его в каждый момент времени определяется разностью епер— Епост. Когда епер станет меньше Епост, протекание тока i прекращается (рис. 28, в), так как вентиль V не пропускает ток в обратном направлении. Следовательно, ток в цепи проходит за время, соответствующее углу y1. Мощность на стороне переменного тока преобразователя Р2 = еперi положительна, поскольку ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора действуют в одном направлении. Положительный знак мощности означает потребление ее от источника. Если в данной схеме сделать э.д.с. Епост больше епер в течение всего полупериода, то ток не сможет протекать от машины постоянного тока к трансформатору, так как этому препятствует вентиль V. Этим объясняется то, что вентильные преобразователи в отличие от электрических машин не обладают свойством обратимости (способностью изменять направление проходящего через них потока электрической энергии).

При инверторном режиме машина постоянного тока G (рис. 28, б) работает в качестве источника электрической энергии (в генераторном режиме), а трансформатор Т является приемником электрической энергии и передает ее дальше в сеть переменного тока. Для передачи электрической мощности от генератора G к трансформатору Т необходимо, чтобы э.д.с. Епост была больше епер, ток был направлен против э.д.с. епер и совпадал с э.д.с. Епост.

Для осуществления инверторного режима необходимо изменить полярность машины постоянного тока G (направление э.д.с. Епост) или переключить ее так, чтобы с выводом а вторичной обмотки трансформатора был соединен не положительный полюс генератора G, а его отрицательный полюс, а с выводом х — положительный полюс. Однако, если не принять специальных мер, при таком изменении полярности э.д.с. епер будет направлена так же, как на рис. 28, а, т.е. при положительных полупериодах питающего напряжения она будет совпадать с э.д.с. Епост. При этом по цепи будет проходить очень большой ток, создаваемый суммой э.д.с. еперпост. Значение этого тока ограничивается малым внутренним сопротивлением генератора G и трансформатора Т, поэтому его можно рассматривать как ток короткого замыкания. Такой режим работы называется опрокидыванием инвертора. Он недопустим для преобразователя и генератора. Если в схеме рис. 28, б использовать тиристор V, то можно при положительных полупериодах питающего переменного напряжения не отпирать его и не допускать прохождения большого тока по цепи. При отрицательных же полупериодах питающего напряжения, когда э.д.с. епер действует против Епост, можно открывать тиристор, так как в этом случае по цепи будет протекать гораздо меньший ток i, создаваемый разностью э.д.с. Епост — епер. Ток i протекает по цепи при отрицательных полупериодах питающего переменного напряжения в том же направлении, что и в выпрямительном режиме, но в генераторе он совпадает с э.д.с. епер. Следовательно, генератор отдает электрическую энергию, а втроричная обмотка трансформатора принимает ее.

Читайте также:  Электрический ток в металлах от чего зависит сопротивление

Кривые э.д.с. епер, Епост и тока i, показанные на рис. 28, г, соответствуют работе вентильного преобразователя в инверторном режиме при отсутствии индуктивности в цепи постоянного тока. При положительных значениях э.д.с. епер ток по цепи не протекает. Он проходит только в период времени, соответствующий углу y2, и в каждый момент времени определяется разностью Епост — епер.

Ток начинает проходить от источника постоянного тока к трансформатору в момент времени, соответствующий углу а = 180 0 и протекает до тех пор пока э.д.с. епер не станет больше Епост. В этот момент направление тока рассматриваемой цепи должно измениться, но этому препятствует вентиль V.

Для того чтобы не происходило опрокидывание инвертора, необходимо, чтобы значение Епост не превышало амплитудного значения епер. Кроме того, следует так регулировать момент отпирания тиристора V, чтобы угол регулирования а не мог быть больше 270 0 . В противном случае тиристор будет продолжать пропускать ток, что в дальнейшем при изменении полярности э.д.с. епер в трансформаторе (т.е. при а больше 360 0 ) приведет к возникновению очень большого тока под действием суммы э.д.с. Епост + епер.

Таким образом, для работы инвертора в данной схеме необходимо соблюдение следующих условий:

преобразовательная установка должна иметь управляемые вентили, допускающие возможность их регулирования при углах регулирования а³ 180 0 ;

вентили должны отпираться не при положительных, а при отрицательных полупериодах переменного напряжения;

к источнику переменного тока (трансформатору) должно быть подведено первичное напряжение, чтобы в его вторичной обмотке индуцировалась э.д.с. епер; при отсутствии этой э.д.с. под действием э.д.с. Епост через вентиль, генератор и трансформатор будут протекать большие токи короткого замыкания;

при переходе из выпрямительного режима в инверторный должна быть изменена полярность источника постоянного тока, чтобы ток в цепи выпрямленного тока проходил через вентиль V в одном и том же направлении. Можно также иметь две группы вентилей: одну для выпрямительного режима и другую со встречно-включенными вентилями для инверторного.

Однофазный двухполупериодный инвертор. Для инвертирования постоянного тока, вырабатываемого тяговым двигателем G (рис. 29, а) электровоза, работающим в генераторном режиме, необходимо изменить его полярность так, чтобы э.д.с. Ег была направлена к точке А моста, а не к точке К, как при выпрямительном режиме.

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируется переменная э.д.с., направление которой в один полупериод соответствует сплошной стрелке еах, а второй полупериод — штриховой стрелке еха. Чтобы электрическая мощность передавалась от источника э.д.с. постоянного тока G к источнику переменного тока, необходимо открывать очередную пару тиристоров V1,V3 и V2, V4 только тогда , когда э.д.с. еах или еха и э.д.с. Ег источника постоянного тока действуют встречно. К моменту же изменения направления э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора работающие тиристоры должны полностью закрыться, так как в противном случае э.д.с. Ег и э.д.с. еах или еха будут действовать согласно и произойдет опрокидывание инвертора. Например, когда во вторичной обмотке трансформатора действует э.д.с. еха,, должны быть открыты тиристоры V1, V3 и закрыты V2, V4, когда же действует э.д.с. еах, должны быть открыты вентили V2, V4 и закрыты V1, V3.

Читайте также:  Опишете механизм возникновения индукционного тока

На рис. 29, б изображены кривые изменения э.д.с. еах и еха, э.д.с. Ег и напряжения ud, действующего в цепи постоянного тока (на выходе инвертора) между точками А и К. Показанным на рис. 29, а направлениям еах и еха соответствуют отрицательные полуволны на рис. 29,б.

Для надежной работы инвертора необходимо открыть очередную пару тиристоров, например V1, V3 , заранее, до момента перехода через нулевое значение э.д.с., действующей в цепи при работе тиристоров V2, V4. Промежуток времени от момента открытия очередного тиристора (точкаБ) до момента перехода указанной э.д.с. через нуль (точка А) называется углом опережения b.

Угол b можно регулировать, изменяя угол регулирования а, так как b=180 0 — а. Угол b необходимо устанавливать так, чтобы процесс коммутации тока с одной пары тиристоров на другую, характеризуемый угол g, заканчивался до момента прохождения через нулевое значение э.д.с. еах или еха, действующей в цепи при включении пары тиристоров, оканчивающих работу. Между окончанием процесса коммутации и этим моментом должно пройти некоторое время, соответствующее углу d, который называется углом погасания инвертора. Таким образом, угол b=g+d. Наличие угла d необходимо для того, чтобы к моменту подачи на аноды тиристоров, заканчивающих работу, например V2, V4, положительной полуволны э.д.с. еах , они восстановили свою вентильную прочность. Если же угол d окажется меньше минимально допустимого, то при подаче на эти тиристоры положительного потенциала они откроются и произойдет короткое замыкание двигателя и трансформатора. Для управляемых ртутных вентилей минимально допустимый угол d составляет 5 — 6 0 , для полупроводниковых вентилей — около 1 0 . Однако для большей надежности работы инвертора этот угол обычно принимают равным 20 -25 0 .

Рис. 29 Схема двухполупериодного инвертора (а) и кривые изменения фазных напряжений и тока (б — е)

Токи, проходящие через вентили и по вторичной обмотке трансформатора при очень большой индуктивности Ld в цепи постоянного тока (рис. 29, в), направлены против э.д.с. еах и еха , поэтому вторичная обмотка трансформатора работает как приемник электрической энергии. Ток в источнике постоянного тока G (рис.29, е) совпадает по направлению с э.д.с. Ег (см. рис. 29, а), следовательно, этот источник работает в генераторном режиме и отдает электрическую энергию. По первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток i1 приблизительно прямоугольной формы (рис. 29, д), совпадающий по направлению с э.д.с., действующей в этой обмотке, поэтому первичная обмотка отдает электрическую энергию в сеть переменного тока . Рассматриваемый преобразователь передает электрическую энергию от источника G, работающего в генераторном режиме, во вторичную обмотку трансформатора и далее через его первичную обмотку в сеть переменного тока.

Дата добавления: 2015-09-28 ; просмотров: 5801 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

4.11. Инвертирование постоянного напряжения и тока

Инвертирование, как преобразование, возможно осуществить только с помощью управляемых нелинейных элементов (транзисторов, тиристоров, запираемых тиристоров).

Инвертирование – это преобразование, обратное выпрямлению. Входной величиной является постоянное напряжение, а выходной – переменное (рис. 4.65).

Создадим схему простейшего инвертора с помощью ключевых элементов (рис. 4.66), функцию которых могут выполнять транзисторы, тиристоры, и запираемые тиристоры. В этом случае работу инвертора можно рассмотреть на базе теории переходных процессов. Если одновременно замкнуть ключи 1 и 2, то будет наблюдаться переходный процесс включения нагрузки на постоянное напряжение.

Рассмотрим режим работы с момента времени t = 0. Пусть в этот момент замыкаются ключи 1 и 2. К нагрузке прикладывается напряжение слева направо. В момент времени t1 замыкаются ключи 3 и 4, а ключи 1 и 2 размыкаются.

При этом полярность напряжения на нагрузке меняется (рис. 4.67). Если в момент времени t2 вновь замкнуть ключи 1 и 2, то получим двухполярное прямоугольное напряжение.

Рассмотрим работу инвертора на примерах конкретной нагрузки.

Работа инвертора на rL-нагрузку

нагрузка, состоящая из активно-индуктивных сопротивлений Zн(r,L), источник постоянной ЭДС.

Пусть требуется найти ток нагрузки инвертора.

Исследовать процессы в r-L-нагрузке на периоде повторения будем на базе переходных процессов. Заменим заданную схему (рис. 4.66) схемой замещения (рис. 4.68) и рассмотрим переходные процессы включения цепи на ЭДС E12 и E34.

По величине эти ЭДС равны E. Тогда при t = 0 формируется схема, процессы в которой описываются уравнением:

Читайте также:  Утечка тока при перегреве

В момент времени t = t1 процессы описываются уравнением:

Его решение имеет вид:

. Найдем постоянную интегрирования А из условия:

Дальнейшие процессы повторяются. Примерный вид тока показан на рис. 4.67 или на рис. 4.69 (сплошная жирная линия)

Переходный процесс будет идти до тех пор, пока постоянные интегрирования А1 и А2 не станут равными.

Важно обеспечить строгое равенство интервалов 1 и 2.

Работа инвертора на rC— нагрузку

В цепи (см. рис. 4.68) подставим вместо L-элемента С-элемент. Начнем расчет из условия: Uc(0_) = 0, тогда решение для тока первого интервала будет иметь вид:

Для напряжения на конденсаторе решение равно:

Во втором интервале эти решения будут аналогичными. В совокупности эти решения представлены на (рис. 4.70).

Источник



Принцип инвертирования напряжения

Аналоговый стабилизатор

Регулирующим элементом работает транзистор VT1, выбор которого зависит от выходного тока стабилизатора, т.к. весь ток идет через этот транзистор и стабилизируемый регулируемый процесс происходит с помощью изменения эмиттерного и коллекторного напряжения. Усилителем и сравнительным элементом работает транзистор VT2. На эмиттер подается напряжение стабилитрона. Стабилитрон находится в роли источника сравнительного напряжения. На базу подается выходное напряжение с делителя напряжения R3 и R4. Если по каким-либо причинам выходное напряжение стабилизатора вырастет, тогда вырастет напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 и это повлечет за собой увеличение коллекторного тока транзистора VT2. С этим вырастет потеря напряжения на сопротивление R1 и потеря напряжения на базе регулируемого транзистора VT1 изменится на негативное (уменьшится базовый ток). Напряжение на сопротивлении R4 уменьшится — цикл замкнулся..

Раздел 9 — Инверторы 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.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Инверторы полярности напряжения (- + / + -)

Иногда для питания устройства требуется иметь двуполярное напряжение. При этом обычно основным является источник положительного напряжения, а цепь отрицательного является вспомогательной (маломощной). Если конструкция предназначена для автономного питания, иметь две батареи неудобно.

Получить дополнительное напряжение (любой полярности) можно при помощи трансформатора, подключенного к выходу микросхемы, работающей в режиме автогенератора. С вторичной обмотки этого трансформатора напряжение выпрямляется и подается на схему. Мощность такого источника не может превышать 0,5. 1 Вт.

Второй способ получения дополнительного напряжения отрицательной полярности показан на рис. 5.25.

Конденсаторный преобразователь обеспечивает получение стабилизированного отрицательного напряжения, величина которого зависит от Un и типа примененной микросхемы стабилизатора DA2 (6 В или 9 В для микросхем соответственно 78L06 (КР1157ЕН602) и 78L06 (КР1157ЕН902)). Ток в цепи нагрузки не должен превышать 20 мА.

В том случае, если требуется иметь в цепи с инверсным напряжением большой ток (до 4 А), можно воспользоваться схемой преобразователя с более мощным выходным каскадом, выполненным на двух комплементарных полевых транзисторах, рис. 5.26.

Инверторы полярности напряжения (- + / + -)

Рис. 5.25. Схема для получения двухполярного напряжения от одного источника

Применение в выходном каскаде мощных полевых МДП-транзисторов с индуцированным каналом (MOSFET) позволяет увеличивать рабочую частоту такого преобразователя до 100. 500 кГц — это дает возможность уменьшить габариты устройства, а также обеспечить более высокий КПД преобразования по сравнению с каскадом, выполненным на биполярных транзисторах.

Еще одна схема инвертора показана на рис. 5.27. Она позволяет повысить отрицательное напряжение относительно источника питания за счет возникающей в катушке э.д.с. противоположной Полярности после закрывания ключа ѴТ1. Транзистор ѴТ1 подойдет любой с P-каналом, не имеющий внутри диода между стоком и истоком, или же потребуется установить дополнительный диод (Шотки), показанный на схеме пунктиром.

Схема мощного инвертора напряжения

Рис. 5.26. Схема мощного инвертора напряжения.

Схема повышающего напряжение инвертора напряжения

Рис. 5.27. Схема повышающего напряжение инвертора напряжения.

В зависимости от необходимого минимального тока нагрузки (I„), выбранной рабочей частоты преобразователя (F) и скважности импульсов (D), минимальная допустимая индуктивность дросселя L1 определяется по формуле:

формула

где Un — напряжение питания.

Литература: Радиолюбителям: полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.

Источник