Преобразователи электрические статические
Содержание
Статический преобразователь или инвертор — это электронное устройство, предназначенное для преобразования входного напряжения по величине или частоте. В отличие от трансформаторов статические преобразователи могут из постоянного напряжения сделать переменное или из переменного одной частоты переменное другой частоты. В зависимости от области применения говорят о преобразователе напряжения, преобразователе частоты или их комбинации.
Огромным преимуществом инверторов, в отличие от ранее применявшихся умформеров, является то, что они не содержат вращающихся частей, при равной мощности гораздо меньше по размерам и весу, и практически бесшумны в работе.
Принцип работы статического преобразователя
Принцип работы большинства современных инверторов, преобразующих низкое постоянное напряжение в переменное частотой 50 Гц или иной, заключается в следующем: постоянное напряжение (обычно 12, 24 или 48 В) преобразуется электронной схемой на МОП-транзисторах (полевых транзисторах с изолированным затвором) в высокочастотное переменное частотой от 20 кГц до 100 кГц, которое подается на первичную обмотку высокочастотного трансформатора.
Выходной сигнал со вторичной обмотки трансформатора выпрямляется и сглаживается до значения, значительно превышающего амплитуду генерируемого переменного напряжения, например, 350–400 В при необходимом переменном 230 В. Для управления величиной подводимого к инвертору постоянного напряжения может быть установлен конвертор, а для улучшения формы синусоиды на выходе — фильтр.
Можно также преобразовать постоянное напряжение в напряжение низкой частоты (часто модифицированную синусоиду) непосредственно на стороне постоянного напряжения. Однако в этом случае для повышения напряжения требуется большой и тяжелый трансформатор сетевой частоты, что нецелесообразно для мощностей, превышающих 100 Вт. Трансформаторы же высокой частоты при равной передаваемой мощности гораздо меньше по размерам. Описанные выше высокочастотный трансформатор и фильтр низких частот обладают относительно небольшим весом и размерами именно оттого, что преобразование идет на высокой частоте.
Некоторое электрооборудование при включении потребляет очень большой пусковой ток, который может не выдерживать полупроводниковый статический преобразователь частоты. Поэтому многие инверторы снабжены защитными устройствами для предотвращения выхода из строя при таких нагрузках. Иногда чрезмерные пусковые токи способен предотвратить плавный пуск. Для устройств с мощными электродвигателями и большими пусковыми токами может потребоваться инвертор с запасом по мощности.
Типы статических преобразователей
Большинство современных инверторов — это статические преобразователи на полупроводниковых элементах. Ранее, до 1970-х годов преобразование происходило по иным принципам. Использовались инверторы с электромеханическими преобразователями и умформеры на основе электродвигателя и генератора.
В инверторах с электромеханическими преобразователями реле прерывало ток через катушку трансформатора с частотой от нескольких десятков до сотен раз в секунду. На катушке вследствие явления самоиндукции и возможного наличия конденсаторов появлялось переменное напряжение, которое повышалось трансформатором до нужной величины. При необходимости это переменное напряжение (в эпоху отсутствия полупроводниковых выпрямителей) могло быть выпрямлено контактами того же самого реле, которое создавало переменное напряжение.
Подобным преобразователем для питания анодных цепей лампового радиоприемника снабжался блок питания приемников советских автомобилей «Победа» и первых выпусков автомобиля «Волга» (в дальнейшем использовался транзисторный преобразователь).
Соединив на одном валу электродвигатель и генератор, можно было также преобразовать одно напряжение в другое, как по величине, так и по частоте. Входное напряжение подобного умформера определялось паспортными данными электродвигателя, а выходное — генератора.
Области применения статических преобразователей и их эффективность
Инвертор преобразовывает энергию с потерей мощности. Современное устройство, выдающее на выходе модифицированную синусоиду, может иметь коэффициент полезного действия до 90%. Такой высокий КПД стал возможен благодаря использованию биполярных транзисторов с изолированным затвором. При этом потери холостого хода также могут оставаться низкими и составлять 1% от максимальной непрерывной мощности, например, 6 Вт при непрерывной мощности до 600 Вт.
Статические преобразователи для бытового применения обычно обладают относительно небольшой мощностью. Такие инверторы часто используются для преобразования 12 В от автомобильного аккумулятора в переменное 220 В для питания устройств, предназначенных для работы от электрической сети, или в постоянное порядка 20 В для питания ноутбука в дороге. Цена подобных устройств определяется их желаемой мощностью (до нескольких сотен ватт) и качеством переменного напряжения на выходе.
Более качественные преобразователи выдают синусоидальное напряжение, а более дешевые — сигнал, схожий с прямоугольной волной (меандром). Последний вариант не всегда пригоден для питания некоторых устройств. Предпочтительнее питание модифицированной синусоидой.
Примером применения инверторов мощностью в несколько киловатт являются железнодорожные вагоны в некоторых европейских странах. В них постоянный ток в несколько киловольт от воздушных линий контактной сети преобразуется в 230 вольт, 50 Гц для целей освещения и отопления.
Статический частотный преобразователь требуется и для работы современных ветряных турбин в общей электрической сети. Переменный ток от ветрового генератора, частота которого может сильно варьироваться в зависимости от скорости ветра, сначала преобразуется в постоянное напряжение, а затем в переменное нужной частоты.
При получении электрической энергии посредством фотоэлектрических солнечных батарей и использования этой энергии для бытовых нужд также необходимы статические преобразователи. Мощность подобного инвертора варьируется от 100 Вт до примерно 6000 Вт, иногда до 15 кВт.
Загрузка...
