Преобразование постоянного тока в переменный

Как из постоянного тока сделать переменный

Для некоторых электроприборов требуется электропитание в виде переменного напряжения, однако не всегда оно доступно. В таком случае возникает вопрос, как из постоянного тока сделать переменный. Его можно решить, используя преобразователь постоянного электрического напряжения в переменное.

История использования

О токе, который теперь называется постоянным, человечество узнало давно. О существовании переменного стало известно при изучении свойств электромагнитного поля. Первая работа на эту тему была опубликована в 1831 году.

В США первоначально рассматривалось применение и постоянного, и переменного тока для электропитания на равных. Оба варианта имели своих сторонников и веские аргументы для внедрения. Однако по причинам коммерческого характера преимущество получило использование переменного электротока. Постепенно это стало общемировым стандартом.

Необходимость преобразования напряжения

Для каждого прибора имеются требования к характеристикам питающего тока. В быту обычно используют переменный ток с частотой 50 Гц, из которого получают тот, который необходим для конкретного вида электрооборудования. Например, для этой цели может быть использован адаптер питания для смартфона.

Иногда возникает необходимость выполнить противоположное преобразование. Это актуально в тех случаях, когда электроэнергию получают в виде постоянного тока. Такая ситуация, например, возникает при использовании солнечных батарей. Этот способ является дешевым и эффективным, но требует дальнейшего преобразования постоянного тока в переменный.

Преобразовывать постоянный ток в переменный выгодно из-за преимуществ последнего. В качестве примера можно привести следующие факты:

• Использование в трансформаторах сокращает потери при передаче электроэнергии на значительные расстояния.
• Переменный электроток обеспечивает эффективную работу индукционных нагревателей.
• Дроссельные фильтры дают возможность избавляться от высокочастотных помех. Выбор частоты осуществляется путём изменения индуктивности катушки.
• Использование переменного тока позволяет получать постоянно изменяющееся магнитное поле.

Техника преобразования

Чтобы получить переменный ток из постоянного, необходимо воспользоваться прибором, который называют инвертором. Он может работать с использованием различных схем. На рисунке представлен простейший вариант устройства.

Схема простого инвертора включает два транзистора, которые попеременно открываются и закрываются. В результате устройство подключается к источнику постоянного тока с разной полярностью. Таким образом происходит преобразование из постоянного тока в переменный. При этом необходимо обеспечить наличие нужной частоты. Иногда для этого применяют электронное управление с помощью микросхем.

После инвертора электроток не всегда обладает нужными характеристиками. Чтобы получить их, переменный ток пропускают через трансформатор. Это преобразующее устройство создает на выходе ток с необходимыми параметрами, например, ток частотой 50 Гц и переменное напряжение 220 В.

Существуют различные типы инверторов. Каждый из них обладает своими особенностями, что необходимо учитывать при выборе. В интернете можно найти множество инструкций, как сделать инвертор самостоятельно. Но следует учитывать, что такая не простая работа требует определенного уровня квалификации. Поэтому проще приобрести нужную модель в магазине.

Разновидности инверторов

Инверторы могут классифицироваться по нескольким признакам. Одним из них является форма получаемого сигнала. Инверторы способны вырабатывать:

• Сигналы прямоугольной формы.
• Ступенчатой формы. В этом случае постоянное напряжение обрабатывается в два этапа. Сначала происходит образование однополярных импульсов нужного вида и удвоенной частоты. Затем при помощи мостового преобразователя получают разнополярный сигнал с необходимыми характеристиками.
• Синусоидальной формы. В этом случае сначала получают высокочастотный сигнал одинаковой амплитуды. Затем при помощи мостового инвертора многократно выполняют специальную модуляцию.

По принципу действия инверторы делятся на автономные и ведомые сетью. Последние называются зависимыми. Они применяются, например, на электровозах в качестве силовых преобразователей.

Автономные устройства делятся на:

• инверторы напряжения;
• тока;
• резонансные.

Инверторы строятся на основе разных схем:

• Мостовой инвертор без трансформатора используется для преобразования постоянного напряжения в тех случаях, когда на выходе необходимо получить мощность выше 500 В×А при напряжении 220 или 380 В.
• Схема с нулевым выходом трансформатора преобразует постоянный ток в переменный, если требуется мощность не более 250–500 В×А. Такой инвертор обеспечит питание устройствам, потребляющим 12 или 24 В.
• Для промышленных целей, когда требуется мощность от нескольких киловольт-ампер до десятков или для обеспечения энергией ответственного оборудования, используют мостовой инвертор с трансформатором.

Во всех перечисленных случаях получают переменный ток, амплитуда которого по форме в той или иной степени приближается к синусоиде.

Как выбрать инвертор

Чтобы выбрать подходящий инвертор, необходимо обратить внимание на следующее:

• Мощность устройства должна превышать ту, которую имеют его потребители.
• Необходимо, чтобы характеристики переменного тока (частота, амплитуда, форма импульсов) подходили для использующих его электроприборов.
• При преобразовании немаловажное значение имеет фаза синусоиды. Инвертор должен обеспечивать питание даже тогда, когда потребление подключённых устройств достигает максимума. Это особенно актуально в тех случаях, когда речь идёт об электродвигателях, насосах или компрессорах.

Чтобы рассчитать требуемую мощность преобразователя, необходимо предпринять такие шаги:

1. Нужно из технической документации подключаемых приборов определить их номинальную мощность. Для примера можно привести холодильник (200 Вт) и пылесос (1000 Вт). Суммарная мощность будет равна 200 + 1000 = 1200 Вт.
2. Требуется определить пиковое значение мощности. Для этого полученную величину необходимо умножить на 1.3. В рассматриваемом примере получается 1200×1.3 = 1560 Вт.
3. Дополнительно следует учесть коэффициент, который равен 0.6–0.99. Для вычислений используют минимальное значение: 1560/0.6 = 2600. Результирующее значение выражается в Вольт-Амперах. Оно представляет собой мощность, которую должен обеспечивать инвертор для питания в рассмотренном случае.

Инвертор, обеспечивающий преобразование тока, постоянно отслеживает фазу электросети и поддерживает значение выходного напряжения, которое несколько превышает значение сетевого.

Как работает инвертор постоянного напряжения? Виды, мощность, схемы

В этой статье рассматриваются электросхемы преобразователей напряжения, назначение и принцип работы оборудования. Также здесь объясняется, какие бывают устройства, даются рекомендации по их выбору, указываются ключевые характеристики.

Принцип работы преобразователей напряжения

Инверторы постоянного напряжения представляют собой устройства, предназначенные для преобразования входного напряжения. Они могут повышать или понижать его, преобразовывать постоянный электроток в переменный и наоборот. Соответственно, принцип функционирования оборудования зависит от его типа. Существуют следующие основные разновидности устройств.

Преобразователи постоянного напряжения в постоянное

Они также называются DC/DC‑конвертеры. Применяются в вычислительной аппаратуре, средствах связи, схемах управления и автоматики. Обеспечивают снижение или повышение напряжения от источника электропитания (например, аккумуляторов или гальванических элементов) до нужного для питания нагрузки значения. Некоторые модели также могут инвертировать сигнал для получения напряжения с обратной полярностью. Электросхема конвертеров обычно включает такие элементы, как входной фильтр, конденсатор, катушки индуктивности, ключевого транзистора или тиристора, диода. Управление ключом осуществляется с помощью ШИМ. Ниже представлена функциональная схема повышающего преобразователя.

В категорию DC/DC‑конвертеров входят высоковольтные преобразователи. Они используются для нагрузок с малыми потребляемыми токами, которые не требуют значительной мощности источника электропитания. К ним относятся, например, счетчики радиационных излучений, ионизаторы воздуха, аноды электроннолучевых трубок в осциллографах.

Большинство современных ДС/ДС‑преобразователей имеет гальваническую развязку. В таких устройствах входные и выходные электроцепи разделены изоляционным барьером. Это решение позволяет защитить людей и подключаемую нагрузку от аварийного повышения напряжения на входе, а также улучшает помехозащищенность конвертера.

Преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители)

AC/DC‑преобразователи применяются для преобразования переменного напряжения (например, стандартного напряжения бытовых или промышленных электросетей 220/380 В) в стабилизированное постоянное напряжение. Устройства широко применяются в промышленной автоматизации, изготовлении источников питания, телекоммуникациях, на транспорте, в гальванике, энергосиловых установках, сварочных аппаратах. В зависимости от используемых силовых ключей, выпрямители бывают:

1. Тиристорными. Они состоят, как правило, из таких основных компонентов:

• трансформатор. Необходим для понижения/повышения напряжения, а также гальванической развязки выпрямителя от электросети;
• тиристорный мост (вентильная группа). Предназначен для преобразования переменного электротока в постоянный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний напряжения на входе;
• блок управления вентильной группой;
• емкостной, индуктивный или комбинированный фильтр (LC-фильтр). Предназначен для сглаживания пульсаций выходных параметров.

2. Транзисторными. В состав таких выпрямителей входят следующие элементы:

• входной LC-фильтр. Необходим для защиты питающей сети от помех, создаваемых выпрямителем;
• диодный мост;
• ВЧ-преобразователь. Предназначен для преобразования постоянного тока в высокочастотный импульсный и регулирования (стабилизации) параметров выпрямленного тока, вне зависимости от колебаний входного напряжения;
• ВЧ-трансформатор. Предназначен для понижения/повышения напряжения импульсного тока;
• диодный или транзисторный выпрямительный мост. Предназначен для преобразования высокочастотного импульсного тока в постоянный;
• блок управления;
• выходной LC-фильтр.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор постоянного напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Критерии выбора и расчет инвертора напряжения

Важнейшие характеристики инвертора:

• частота преобразователя напряжения и форма напряжения. Желательно приобрести аппарат, который выдает чистый синусоидальный сигнал. К такому преобразователю можно подключать даже высокочувствительное оборудование;
• номинальная мощность. Она должна быть выше, чем суммарная нагрузка всех подключенных потребителей;
• максимальная пиковая мощность. Это значение определяет, какую наибольшую нагрузку выдержит устройство при подключении техники с малым значением коэффициента cos ф. К такому оборудованию относятся электродвигатели, насосы, компрессоры;
• значение входного/выходного напряжения и силы электротока.

Чтобы выполнить расчет необходимой мощности DC/AC преобразователя, необходимо:

1. Сложить мощность, потребляемую подключаемым оборудованием. Ее берут из паспортных данных на технику. Например, холодильник — 200 Вт, стиральная машина — 1500 Вт, пылесос — 1000 Вт. Итого в сумме: 200 + 1500 + 1000 = 2700 Вт.
2. Учесть пиковую нагрузку. Для этого полученную сумму умножаем на коэффициент 1,3 (для рассматриваемого примера: 2700*1,3 = 3510 Вт).
3. Учесть коэффициент cos ф для получения результата в вольт-амперах. Его значение для разного оборудования варьируется в пределах 0,60. 0,99. Для расчета лучше принять минимальную величину. 3510/0,6 = 5850 ВА ≈ 6 кВА. Именно на это значение следует ориентироваться при выборе инвертора постоянного напряжения.

Заключение

В статье были рассмотрены основные разновидности преобразователей напряжения, особенности их работы и сферы применения. Также были приведены типовые электросхемы преобразователей напряжения и описаны критерии выбора DC/AC инверторов.

ИНВЕРТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрический прибор, необходимый, чтобы преобразовать постоянное напряжение размером двенадцать вольт в переменное напряжение, размером в двести двадцать вольт, это приблизительно частота в пятьдесят герц, называется инвертор напряжения (иногда такое устройство называют инвертор постоянного тока). Этот прибор применяется для подключения различных электрических приборов, функционирующих от бытовой сети с напряжением и частотой пятьдесят герц ко всякому источнику с постоянным током. Батареи автомобиля и аккумуляторы чаще всего служат источниками постоянного тока. Преобразователи напряжения бывают электронными или просто электромеханическими. В настоящее время более часто устанавливаются приборы электронного типа. Существуют различные виды устройств, которые отличаются как по конструкции, так и по цене.

Инверторы делятся на несколько видов по форме напряжения, которое они генерируруют. Когда напряжение переменного тока имеет прямоугольную форму, трапециевидную или ступенчатую, то подобным устройствам дано название несинусоидальных. Такие модели подойдут для питания простых приборов в быту. Но имеются приборы такого типа, которым необходима особенная форма напряжения. К приборам такого типа принадлежат ноутбук, электрические инструменты и газовые котлы. Для таких приборов необходимо применять инвертор синусоидального типа. На выходе форма напряжения переменного тока сильно похожа на синусоидальную форму, то есть подобна форме напряжения переменного тока во всякой бытовой электрической сети.

Чаще всего, хороший автомобильный инвертор имеет три режима работы:

• Первый режим — это режим работы инвертора продолжительное время. Такой режим чаще всего должен соответствовать начальному значению мощности.
• Следующий режим — перегрузка. В этом режиме большинство типов инверторов в продолжение какого — то времени (до получаса, в зависимости от модели) способны снабжать мощностью в полтора раза больше, чем при режиме первого типа.
• Третий режим — режим пуска. Данный режим способен дать повышенную мощность, которая служит для запуска электрического двигателя или для определенных нагрузок емкости.

К примеру, когда стоит инвертор 12 220 вольт мощностью в сто пятьдесят ватт, то его будет достаточно, чтобы зарядить от электросети автомобиля любой ноутбук или нетбук, или чтобы зарядить мобильный телефон, фотоаппарат. Осуществлять выбор преобразователя необходимо из расчёта самой большой пиковой нагрузки потребления. Необходимо принимать во внимание, что отдельные электрические приборы (к примеру, холодильник) в момент запуска способны потреблять в несколько раз больше, чем предполагаемая начальная мощность.

Преобразователи постоянного напряжения

Низковольтное постоянное напряжение сначала инвертируют (превращают в переменное напряжение), далее с помощью трансформатора его трансформируют в более высокое, после чего выпрямляют. Часто возникает необходимость иметь на выходе преобразователя не только различные по величине постоянные напряжения, но и ряд переменных напряжений. В этих случаях трансформатор преобразователя постоянного напряжения снабжают несколькими вторичными обмотками. Одни из них работают на выпрямители, а другие обмотки непосредственно подключены к потребителям переменного тока.

Обычно первичное постоянное напряжение преобразуют в переменное напряжение прямоугольной формы. При этом амплитуды выпрямленного и первичного постоянного напряжений равны между собой. Потери в процессе этого преобразования невелики. Обратное преобразование прямоугольного переменного напряжения в постоянное также выгодно, благодаря малым пульсациям выпрямленного напряжения.

На рис. 121 приведена схема двухтактного самовозбуждающегося полупроводникового преобразователя. Основными элементами схемы являются два транзистора Т 1 и Т 2 трансформатор Тр, выпрямитель В и сопротивление нагрузки Z н . Делитель напряжения R 1 —R 2 служит для того, чтобы на участках база—эмиттер транзисторов создать напряжение прямого перехода.

Сопротивление R 1 значительно меньше сопротивления R 2 . В сумме они должны обеспечить величину тока делителя, превышающую величину тока базы транзисторов не менее чем в 5— 6 раз. Трансформатор выполняют обычно на сердечнике из пермалоя, который имеет прямоугольную петлю гистерезиса и хорошо работает на частотах до нескольких килогерц.

Трансформатор имеет три обмотки: первичную I, вторичную повышающую II и обмотку обратной связи III. Первичная обмотка и обмотка обратной связи выполнены с выводом средней точки. Включение обмоток трансформатора должно быть таким, чтобы на концах, обозначенных точками, наводились напряжения одной полярности.

Рис. 121. Схема двухтактного полупроводникового преобразователя.

При подключении преобразователя постоянного напряжения к первичному источнику постоянного напряжения, из-за неидентичности транзисторов и обеих половин первичной обмотки трансформатора, в сердечнике возникает некоторый возрастающий магнитный поток. На зажимах плеч обмотки обратной связи появляются э. д. с. При правильном подключении обмотки обратной связи увеличится отрицательное напряжение на базе того транзистора, у которого ток коллектора был больше (например, на транзисторе Т 2 ).

Это вызывает дальнейший рост коллекторного тока одного транзистора (Т 2 ) и уменьшение коллекторного тока другого транзистора (Т 1 ). В результате транзистор T 1 оказывается запертым, а транзистор Т 2 — полностью открытым.

К плечу первичной обмотки трансформатора, в которое включен транзистор Т 2 , приложено напряжение

где ΔU Т2 — падение напряжения на открытом транзисторе. Поэтому плечу проходят два тока: ток нагрузки i н величина которого определяется как сопротивлением нагрузки, так и напряжением U вх , и намагничивающий ток i L , определяемый возрастающим магнитным потоком в сердечнике. При насыщении сердечника (особенно резко насыщение наступает у сердечников, изготовленных из материала с прямоугольной петлей гистерезиса) исчезает э. д. с. в обмотке обратной связи. Ток коллектора и магнитный поток убывают, и в плечах обмотки обратной связи наводится э. д. с. Знаки э. д. с. таковы, что теперь Т 2 запрется, а T 1 —откроется. К плечу первичной обмотки трансформатора, в которое включен транзистор T 1 оказывается приложенным напряжение

В дальнейшем процесс повторяется в той же последовательности. Происходит автоматическое переключение транзисторов. Конденсатор С сглаживает пики напряжения, которые возникают во время переключения транзисторов. Эта схема обеспечивает надежный запуск преобразователя, но потери мощности в пусковых цепях па делителе несколько снижают его к. п. д.

В заключение следует отметить некоторые особенности работы транзисторов и трансформатора в рассмотренной схеме преобразователя напряжения . Транзисторы работают в ключевом режиме. Когда триод открыт, ток коллектора максимален, напряжение же на участке коллектор— эмиттер минимально. Когда триод закрыт, ток коллектора практически отсутствует, а напряжение на переходе коллектор—эмиттер максимально. Отсюда следует, что потери мощности в транзисторах весьма малы. У германиевых транзисторов максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером не превышает 50—60 в. Поэтому UBK может быть не более 24—27 в, так как к запертому транзистору оказывается приложенным примерно удвоенное напряжение первичного источника.

Транзистор работает на частотах от 300 до 5000 гц, причем частота преобразования определяется данными трансформатора:

U вх — первичное напряжение; S с — сечение магнитопровода; К з.с — коэффициент заполнения сердечника магнитным материалом (≈07÷09); N 1 — число витков первичной обмотки; В макс = 0,9B s — максимальное значение магнитной индукции; B s — магнитная индукция насыщения.

Частота преобразования прямо пропорциональна входному напряжению и обратно пропорциональна числу витков первичной обмотки.