Электротехнический инвертор

Сегодня встречается довольно много информации, в которой присутствует слово инвертор. Его используют как способ привлечения внимания покупателей к новинкам той или иной электротехнической продукции. Сегодня можно встретить инверторные кондиционеры, стиральные машины, сварочные аппараты и другие бытовые электроприборы.

Что означает это слово, а также некоторые сведения об устройствах, которые ему соответствуют, будут раскрыты далее более детально.

Находим в словаре значение слова

При желании разобраться с этим словом, можно удостовериться в его многозначимости. Существуют как минимум три инвертора, относящихся к различным областям техники:

• в электротехнике, видимо по причине краткости, его применяют вместо словосочетания «преобразователь напряжения». Хотя и обычный трансформатор, по сути, инвертирует выходное напряжение в зависимости от положения выводов в схеме.
• В аналоговой электронике, например, в операционных усилителях, присутствует инвертирующий вход. Поэтому, если на него подается сигнал, усилитель называют инвертором (см. ниже).

• В цифровой электронике, базирующейся на целой группе логических элементов, один из них именуется инвертором потому, что выполняет логическое отрицание. На принципиальных электрических схемах его отображение аналогично показанному далее:

Однако ощутимый экономический эффект, а, следовательно, и возможности изготовления хорошо продаваемых изделий, обеспечивают именно электротехнические инверторы. Они позволяют уменьшить как потери электрической энергии, так и вес изделия совместно с его габаритами, поэтому наиболее интересны для широкого круга пользователей. Следовательно, далее расскажем именно о них.   

Основные зависимости

Итак, мы имеем трансформаторы повсюду, где необходимо создать гальванически развязанные от сети (то есть полностью изолированные по постоянному току) источники ЭДС. Но даже маломощный трансформатор получается большим и тяжелым. Чтобы сохранить мощность, но при этом уменьшить его размеры и вес, нужно в первую очередь понимать, что же в трансформаторе происходит. Разберемся в деталях.

В трансформаторе у первичной и вторичной обмоток существует общий магнитный поток. Но связь между обмотками может быть лишь в пределах двух состояний сердечника:

• от некоторого минимального (остаточного) значения магнитного потока
• и до насыщения сердечника.

Один и тот же сердечник может достигать состояния насыщения с разной скоростью. Она зависит от величины напряжения, приложенного к первичной (намагничивающей) обмотке, и числа витков в ней. Поэтому за половину периода переменного напряжения сердечник не должен намагничиваться до состояния насыщения. При этих условиях данный сердечник способен обеспечить во вторичной обмотке определенную максимальную мощность. Она будет определена его размерами.

Если для этого же сердечника (а соответственно и трансформатора) частоту намагничивающего напряжения увеличить в два раза, скорость нарастания магнитного потока (относительно длительности периода переменного напряжения) уменьшится примерно в два раза. Следовательно, можно получить мощность во вторичной обмотке тоже примерно в два раза большую. Либо уменьшить примерно в два раза габариты трансформатора с изменением количества витков обмоток, сохранив мощность его на существующем уровне.

Но увеличение частоты приведет к усилению вихревых токов в сердечнике. Эта проблема решается применением специальных сплавов. Их соответствие частоте намагничивающего напряжения показано далее. Поскольку в таблице указаны лишь величины максимальной частоты, укажем нижние значения частотного диапазона:

• для пермаллоев это сотни герц, в зависимости от марки и толщины ленты;
• для ферритов это единицы килогерц, также в зависимости от марки.

Теперь, когда стало понятно, что увеличивая частоту намагничивающего напряжения, можно уменьшить вес и габариты трансформатора, нужно решить следующую задачу – как получить это напряжение. Единственное решение – это либо автогенератор, основанный на выходном трансформаторе, либо усилитель, работающий от специального отдельного генератора. А раз так, значит, нужны усиливающие элементы с входным и выходным сигналом.

Чтобы в этих элементах получились минимальные потери, они должны работать как ключи. Электронные лампы, как и появившиеся первые мощные полупроводниковые ключи – тиристоры, требовали включения конденсаторов последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора. Это ограничивало область применения таких инверторов исключительно промышленными потребностями.

Современные инверторные схемы

Но когда появились высоковольтные транзисторы и запираемые тиристоры, стало возможно создавать огромное число самых разнообразных инверторов. Например, сегодня подавляющее большинство бытовых электронных приборов и осветительных ламп использует те или иные варианты инверторных источников питания. Исключение – те устройства, в которых недопустимы электромагнитные помехи. Они в широком спектре частот создаются электрическими импульсами при включении и выключении полупроводниковых ключей.

Для инверторных схем применяется определенная классификация. Их разделяют на однотактные и двухтактные. Разницу поясняет изображение далее. Под тактом здесь подразумевается присоединение ключом (транзистором или иным прибором аналогичного назначения) первичной обмотки выходного трансформатора к намагничивающему напряжению. В однотактном варианте намагничивающий магнитный поток однонаправленный. В двухтактном намагничивающие потоки противоположны.

Однотактная схема

Инверторная схема может быть построена как на основе самовозбуждения (обе схемы на изображении выше), так и управляемой от отдельного источника сигналов (см. ниже).

Поскольку в трансформаторе однотактного варианта не происходит перемагничивания сердечника, его возможности по электрической мощности, снимаемой со вторичной обмотки, получаются недоиспользованными. То есть один и тот же трансформатор в однотактной схеме по мощности уступает в два раза по сравнению с двухтактной схемой. Но зато однотактные схемы – самые надежные, если выпрямитель во вторичной обмотке работает противофазно относительно основного ключа.

На изображении «Однотактный инвертор с управляемым ключом» около Т1 видны две точки. Таким способом в трансформаторе обозначаются концы обмоток с одинаковым потенциалом. В данном варианте ток через диод VD1 течет при открытом ключе VT1. Если при этом произойдет короткое замыкание на выходе выпрямителя (то есть Rн=0), ток в обмотках трансформатора многократно возрастет.

Поскольку запас прочности транзистора незначителен, вероятность его пробоя в такой ситуации 99,99%. Можно избежать порчи полупроводниковых ключей, поменяв местами концы одной из обмоток. В этом варианте в нагрузку будет отдаваться электрическая энергия, получаемая от уменьшения магнитного потока в трансформаторе. Этот процесс начинается с момента выключения транзистора VT1.

А сила тока увеличивается не скачком, как в предыдущем варианте (так называемый прямоходовой вариант, на изображении ниже справа), а нарастает почти линейно (обратноходовой вариант как на изображении ниже слева).

Мощность в нагрузке получается меньше, чем в случае прямоходовом, но зато короткие замыкания для VT в этой схеме нестрашны. На практике однотактные инверторы применяются в источниках вторичного электропитания мощностью до 200 Вт. При использовании выходного трансформатора для создания автогенерации необходимо избегать насыщения сердечника. Особенно, если он ферритовый. Суть в том, что у ферритов петля гистерезиса близка к прямоугольной (изображение ниже справа).

Поэтому вблизи насыщения ток намагничивания нарастает настолько быстро, что транзистор не успевает его прервать и сгорает. Чтобы избежать этого, необходимо либо ввести зазор в магнитопровод, либо использовать определенную частоту намагничивающего напряжения. Поскольку зазор заметно уменьшает мощность трансформатора, вместо него последовательно с первичной обмоткой включают дроссель. А частоту генерации задает либо RC-цепь, либо отдельный насыщаемый дроссель в цепи базы транзистора.

Но насыщение магнитопровода – не единственная опасность, угрожающая «жизни» главного ключа в инверторе однотактной схемы. Чем быстрее происходит выключение намагничивающего тока, тем больше напряжение на выключенном транзисторе. Он может быть поврежден этим высоковольтным импульсом.

И чтобы избавить главный ключ от перенапряжений, применяется схема на двух транзисторах, показанная далее.

В этой схеме напряжение делится между ними. А также после включения диодов VD1 и VD2 максимальное напряжение на концах обмотки W1 получается лишь немного больше E. Но используя два транзистора, можно построить двухтактный инвертор, который при одних и тех же параметрах напряжения и трансформатора позволит получить мощность в два раза большую, нежели однотактный вариант.

Двухтактные схемы

Известны три основные двухактные схемы. На основе этих инверторов придумано большое число других схем, в которых уменьшены или устранены их недостатки. Схема а) состоит из двух однотактных инверторов, работающих в противофазе. Следовательно, в ней транзисторы также находятся под повышенным напряжением (см. выше).

Полумостовая и мостовая схемы лишены перенапряжений на транзисторах. Но в них есть иная проблема. В этих схемах с автогенерацией колебаний высока вероятность появления сквозного тока. Это явление связано с тем, что выключение транзистора длится дольше, нежели включение. Следовательно, они получаются частично открытыми и проводят некоторый ток, выделяя дополнительное тепло. То есть создают потери, которые могут быть губительными для них. По этой причине для главных ключей предпочтительнее управление от отдельного генератора.

Этот способ дороже, но оправдывает себя надежностью. В управляющем сигнале для каждого ключа создаются несимметричные управляющие импульсы. В результате получается задержка включения (ступенька), которая позволяет избежать сквозного тока. 

Хотя в мостовой схеме в два раза больше транзисторов, она обеспечивает мощность в два раза большую в сравнении со схемой полумоста. То есть это получается на одном и том же сердечнике трансформатора. Напряжение питания и допустимые для транзисторов значения силы тока остаются такими же, как и в полумосте. Но амплитуда намагничивающего напряжения получается в два раза больше. Именно полумостовые и мостовые инверторные схемы применены в большинстве современных компьютеров, сварочных аппаратов и т.д. и т.п.

О перспективах развития инверторных систем

Они в некоторых старых моделях работают уже не один десяток лет, являясь эффективной заменой обычного трансформатора. Постепенно, по мере появления все более мощных полупроводниковых приборов, инверторы массово придут в электрические сети. Это будет настоящей революцией в электроснабжении. Вместо трех проводов и переменного тока можно будет использовать постоянный ток с одним-единственным проводом. Экономический эффект получится колоссальным. Ждать осталось не более 10–15 лет, а то и менее…