Полупроводниковые инверторы и их применение в современных технологиях

Статья посвящена специальным электронным силовым полупроводниковым устройствам, называемым инверторами. Рассмотрены основные свойства и принцип действия приборов. Описана область их практического применения.

Ключевые слова: инвертор, полупроводник, частота, транзистор, тиристор, источники питания, стабилизация.

В современных условиях вместо массивных электронных устройств все чаще применяются компактные устройства на базе полупроводниковых приборов, примером которых может служить инвертор. Инвертором называется устройство для преобразования постоянного тока в переменный с регулируемыми или постоянными значениями напряжения и частоты на выходе. Можно сказать, что инвертор – это генератор периодически изменяющегося напряжения, форма которого может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной [1, 2].

К свойствам инверторов можно отнести:

• устранение или ослабление зависимости работы информационных систем от качества сетей переменного тока;
• преобразование энергии, где инвертор является промежуточным звеном в цепи преобразователей (частота в десятки-сотни кГц);
• высокий КПД, надежность, приемлемые массогабаритные характеристики;
• допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения и отсутствие при работе недопустимого для других потребителей уровня пульсации на зажимах источника энергии [3].

Работа инвертора напряжения основана на переключении источника постоянного напряжения для периодического изменения полярности напряжения на зажимах нагрузки. Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми контроллером (управляющей схемой), который может решать задачи регулирования напряжения, синхронизации частоты переключения ключей, защиты ключей от перегрузок и др. [3].

По принципу действия инверторы делятся на: автономные (АИ) – инверторы, работающие на нагрузку, не имеющую другого источника питания; зависимые (ЗИ) – инверторы, ведомые сетью (силовой преобразователь рентгеновского флюорографического аппарата). В роли переключательных элементов в АИ нашли широкое применение все виды транзисторов, а также стандартные и двухоперационные тиристоры. Транзисторные ключи на биполярных и полевых транзисторах применяются в устройствах небольшой и средней мощности. Тиристоры и IGBT чаще используют в мощных схемах.

Автономные инверторы делятся на два типа:

1) АИ напряжения генерируют в нагрузке переменное напряжение периодическим подсоединением ее к источнику напряжения за счет поочередного попарного подключения вентилей (рис. 1). Частота тока в нагрузке задается управляющей схемой. Источник питания работает в режиме генератора напряжения (аккумулятор или выпрямитель с емкостным фильтром) [1].

2) В АИ тока схема (рис. 2) получает питание через индуктивность большого номинала, поэтому потребляемый ток практически не изменяется. При поочередном переключении вентильных пар (не запираемых) в нагрузке генерируются прямоугольные токовые импульсы, а форма напряжения зависит от характера нагрузки, которая обычно бывает активно-емкостной. В нагрузке генерируется напряжение с частотой, задаваемой схемой управления. Форма напряжения зависит от сопротивления нагрузки Rн (при больших значениях она ближе к треугольной, при более низких – к прямоугольной), а величина – от коэффициента трансформации Е и значения Rн.

Рис. 1 – Схема автономного инвертора напряжения

В роли управляющей схемы можно использовать транзисторный симметричный мультивибратор с эмиттерными повторителями, подсоединенными к управляющим электродам тиристоров, питающийся от того же блока питания [1].

Рисунок 2 – Схема автономного инвертора тока

Реализация инверторов предполагает следующее.

1) Ключи инвертора должны быть управляемыми (включение и выключение по сигналу управления), а также обладать свойством двухсторонней проводимости тока. Их получают шунтированием транзисторов обратными диодами. Исключение – полевые транзисторы, в которых такой диод является внутренним элементом их структуры.

2) Регулирование выходного напряжения (ВН) инверторов достигается изменением площади импульса полуволны. В наиболее простом варианте – регулирование длительности (ширины) импульса полуволны (метод широтно-импульсной модуляции сигналов).

3) Нарушение симметрии полуволн ВН порождает побочные продукты преобразования с частотой ниже основной, включая возможность появления постоянной составляющей, недопустимой для цепей с трансформаторами.

4) Для получения управляемых режимов работы инвертора, ключи и алгоритм управления ключами должны обеспечить последовательную смену структур силовой цепи (прямой, коротко замкнутой и инверсной).

5) Мгновенная мощность потребителя p(t) пульсирует с удвоенной частотой, поэтому первичный источник питания должен допускать работу с пульсирующими и даже изменяющими знак токами потребления. Переменные составляющие тока определяют уровень помех [3].

Ввиду высокой частоты преобразования постоянного напряжения в переменное, инверторы часто применяются в системах, где являются промежуточным звеном в цепочке преобразователей. К примеру, широкое применение инверторы получили в сварочных источниках питания, называемых инверторными источниками сварочного тока. Инверторный источник сварочного тока на текущий момент является одним из самых популярных сварочных аппаратов для всех видов дуговой сварки, в полной мере соответствующий указанным параметрам сварочного процесса, одним из которых является его устойчивость к колебаниям и помехам. [4].

Функциональная схема инверторного источника питания следующая. Напряжение питающей сети (380 В) преобразуется входным выпрямителем в постоянное 500 В, поступает на инвертор, преобразуется в переменное напряжение повышенной частоты (до десятков кГц) и поступает на высокочастотный трансформатор, где понижается до 70-90 В, а сила тока повышается до необходимых для сварки 100-200 А. Вторичная обмотка трансформатора соединена с выпрямителем, к выходу которого через сглаживающий дроссель присоединены электрод и изделие [5].

В инверторном сварочном аппарате сила сварочного тока нужной величины достигается преобразованием высокочастотных токов, а не путем преобразования ЭДС в катушке индукции (как в трансформаторных аппаратах). Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет снизить массу и объем материалов, идущих на его изготовление, что уменьшает потери мощности и повышает КПД источника питания.

В первых источниках питания сварочной дуги инверторы содержали тиристоры. Основным недостатком таких схем является сравнительно низкая частота преобразования, зависящая от времени выключения тиристора. Современные быстродействующие тиристоры позволяют получить предельную частоту около 5 кГц, а мощные транзисторы по сравнению с тиристорами имеют более высокую скорость преобразования и обеспечивают частоту инвертируемого напряжения и тока до 100 кГц. Источники сварочного тока с транзисторными инверторами позволяют перейти с аналогового управления, как в тиристорных схемах, на цифровое управление на базе микропроцессоров, что позволяет решать многие технологические задачи при организации процесса сварки [5, 6].

Для более ясного представления всех свойств инверторных сварочных источников предлагается сравнение их с обычными трансформаторными сварочными аппаратами [6, 7] (табл. 1).

Таблица 1 – Сравнение инверторных сварочных источников и трансформаторных сварочных аппаратов

Список литературы

1. Инвертор в электронике [Электронный ресурс]. – URL: http://www.texnic.ru/tools/gl/gl010-2.html (дата обращения: 23.02.2018)

2. Инвертор напряжения, как он работает, применение инвертора [Электронный ресурс]. – URL: http://electricalschool.info/electronica/1889-chto-takoe-invertor-naprjazhenija-kak.html (дата обращения: 23.02.2018)

3. Инверторы в электротехнике [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Инвертор_ (дата обращения: 23.02.2018)

4. Инверторный источник сварочного тока [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Инверторный_источник_сварочного_тока (дата обращения: 23.02.2018)

5. Инверторные источники сварочного тока [Электронный ресурс]. – URL: http://otdelkaprofi.narod.ru/svarka/5/invert_istochniki_svarochnogo _toka.htm (дата обращения: 23.02.2018)

6. Что такое сварочный инвертор и как он работает [Электронный ресурс]. – URL: http://electrik.info/main/news/573-chto-takoe-svarochnyy-invertor.html (дата обращения: 23.02.2018)

7. Сварка: трансформатор или инвертор [Электронный ресурс]. – URL: http://foxweld.ru/stati11/transformator_ili_invertor (дата обращения: 23.02.2018).

Авторы: П.А. Пуеров, А.Н. Лыков канд. техн. наук. Пермский национальный исследовательский политехнический университет, электротехнический факультет, кафедра микропроцессорных средств автоматизации, Пермь, lokengarviel@yandex.ru, lykov45@yandex.ru