В самом общем понимании инвертором называется электронное устройство, предназначенное для получения переменного тока из постоянного. Тем не менее, не всегда слово «инвертор» следует трактовать буквально, ведь иногда инвертор может выступать лишь в качестве части более сложного устройства.
Далее мы рассмотрим несколько популярных разновидностей современных преобразователей напряжения различного назначения, присмотримся к их особенностям, к принципиальным отличиям друг от друга, разберемся, где и как в них используется конкретно «инвертор».
Автомобильный инвертор 12 В — 220 В
В арсенале каждого автолюбителя, пожалуй, есть автомобильный инвертор. Он предназначен для того, чтобы иметь возможность запитать какой-нибудь бытовой прибор (обычно требующий домашней розетки) от бортовой сети автомобиля.
Бортовая сеть автомобиля обеспечивается аккумуляторной батареей с постоянным напряжением 12 вольт. В бытовой розетке, как известно, напряжение переменное, его средняя величина составляет 220 вольт, а частота 50 Гц. Автомобильный инвертор преобразует постоянный ток, получаемый от автомобильного аккумулятора — в переменный ток более высокого напряжения с частотой 50 Гц, как в розетке.
Для того, чтобы это стало возможным, в автомобильном инверторе реализовано минимум три стадии преобразования электроэнерги:
-
На первой стадии постоянное напряжение 12 вольт преобразуется в переменное напряжение высокой частоты (несколько десятков килогерц) и большей величины (около 230 вольт). Это осуществляется с помощью полевых транзисторов и трансформатора на феррите.
-
На второй стадии это переменное напряжение выпрямляется при помощи диодов. Получается постоянное напряжение в районе 310 вольт.
-
На третьей стадии напряжение 310 вольт, при помощи транзисторного моста, подается попеременно (с частотой 100 Гц) на выходные клеммы розетки инвертора. В итоге получается переменное напряжение с частотой 50 Гц (в реальности - очень далекое от синусоиды) при среднем значении в районе 220 вольт.Более дорогостоящие инверторы имеют на выходе дополнительный блок формирования «чистой синусоиды».
Источник бесперебойного питания (ИБП, UPS)
Источник бесперебойного питания (ИБП), незаменимый атрибут серверной комнаты, также имеет в своей структуре инвертор наподобие автомобильного.
Здесь будет уместным вспомнить, что самые первые автомобильные инверторы всегда содержали в себе тяжелый низкочастотный трансформатор на железе, и преобразование 12 вольт в 220 вольт происходило у них на низкой частоте (транзисторы инвертора работали на частоте 50 Гц).
Лишь те автомобильные инверторы, которые стали массово выпускаться позже, получили в свою схему высокочастотное преобразовательное звено и транзисторы, формирующие ток низкой частоты сразу на нагрузке.
В классических ИБП инвертор выполнен по низкочастотной схеме, содержащей тяжелый трансформатор на железе. Ведь, что такое источник бесперебойного питания? Это, во-первых, зарядное устройство, постоянно поддерживающее резервные аккумуляторы в заряженном состоянии. Во-вторых, инвертор, который при отключении электричества в централизованной сети, мгновенно включается и подает питание к нагрузке от батарей, преобразовывая постоянное низкое напряжение от резервных аккумуляторов — в переменное напряжение сетевого уровня и сетевой частоты.
Источником резервного питания для бесперебойного электроснабжения часто служат специальные инверторные генераторы.
Сварочный аппарат
Электрические сварочные аппараты не случайно называют сварочными инверторами. В них, так же, как и в автомобильных инверторах, и в источниках бесперебойного питания, есть блок преобразования постоянного напряжения одной величины — в переменное напряжение другой величины.
Конкретно для сварочного аппарата характерно понижение постоянного напряжения в районе 310 вольт (получается из выпрямленного сетевого напряжения) до уровня около 60 вольт переменного высокочастотного напряжения (на частоте в несколько десятков килогерц). Далее это напряжение выпрямляется и служит для электросварки.
О том, какие бывают сварочные инверторы и как они работают, рассказано здесь: Сварочные аппараты инверторного типа
Частотный преобразователь
Подключив трехфазный асинхронный двигатель к сети переменного тока напрямую, мы не сможем регулировать его обороты без снижения мощности. Однако, применив специальное устройство - частотный преобразователь, нам удастся произвольно регулировать обороты двигателя в широких пределах.
Внутри частотного преобразователя есть трехфазный инвертор, который преобразует выпрямленное сетевое напряжение - в переменное трехфазное напряжение, частоту которого можно регулировать, и таким образом перестраивать скорость вращения двигателя под собственные нужды.
Статьи про частотные преобразователи на сайте "Школа для электрика":
Частотное регулирование асинхронного двигателя
Скалярное и векторное управление асинхронными двигателями - в чем различие?
Особенности современных частотных преобразователей
Инверторы на солнечных электростанциях
Для использования энергии, генерируемой солнечными панелями, необходим инвертор. Ведь в питаемую от солнечной электростанции сеть необходимо предоставить 220 вольт с частотой 50 Гц. Вместе с тем, энергию, получаемую от солнца, необходимо все время где-то накапливать и продолжительно сохранять.
Таким образом, солнечный инвертор выполняет две важные функции: во-первых, он заряжает накопительные аккумуляторы постоянным током при напряжении 12 вольт, получая эти 12 вольт путем понижения (на высокой частоте) более высокого напряжения, которое генерируют солнечные панели (до 50 вольт). Во-вторых, 12 вольт с аккумуляторов преобразуются в 220 вольт переменного тока для подачи в сеть и питания бытовых потребителей. Здесь, конечно, может быть не обязательно 12, а 24 и более вольт.
Аналогичную роль инверторы играют в мощных промышленных ветрогенераторах.
Инвертор в электрокаре
Аккумулятор в электрокаре является источником постоянного тока. Двигателю же необходим ток переменный.
Когда водитель жмет на педаль газа, желая ускорить автомобиль, инвертор постепенно увеличивает частоту тока, пропускаемого через обмотки двигателя, чтобы ротор двигателя вращался все быстрее и быстрее, но без снижения мощности и без проскальзываний. Программное обеспечение электрокара следит за тем, чтобы повышение частоты тока не оказалось чрезмерным.
Если же водитель сбрасывает газ, инвертор понижает частоту тока, подаваемого на двигатель, замедляя таким образом автомобиль. При рекуперативном торможении, инвертор превращается в зарядное устройство, и энергия движущегося автомобиля, передаваемая ротору, направляется теперь в аккумулятор — инвертор на время торможения превращается в зарядное устройство.
Тяговые подстанции постоянного тока
Вдоль полотна железной дороги периодически (через 8 - 10 км) располагаются тяговые подстанции постоянного тока на напряжение 3,3 кВ.
Тяговая подстанция получает питание от высоковольтной ЛЭП, далее это напряжение с помощью трансформатора понижается, выпрямляется и подается через выключатель - в контактную сеть железнодорожного транспорта.
С появлением у поездов рекуперативного торможения, на Ж/Д тяговых подстанциях также внедряются инверторы, задача которых — когда напряжение контактной сети становится выше номинала - подавать энергию от контактной сети — в общую сеть переменного тока.
Смотрите также:
Способы увеличения частоты тока
Как устроены силовые преобразовательные устройства для высоковольтных линий постоянного тока