Автономные инверторы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

Д. Н. Томашевский 

АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ 

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 

для студентов вуза, обучающихся 

по направлению подготовки  

13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2019 

УДК 621.314.572(075.8)
ББК 31.264.534я73
          Т56

Р е це н з е н ты: 

завкафедрой «Энергетика» д‑р техн. наук, проф. С. М. Шанчуров 
(ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет»);
директор науч.‑техн. центра ООО НПП «РЭЛТЕК», канд. техн. наук 
С. М. Фаткуллин 

На у ч н ы й  р е д а к т о р  — д‑р техн. наук, доц. В. Э. Фризен 

На обложке использовано изображение с сайта https://habr.com/en/post/388867/

Т56

Томашевский, Д. Н.
Автономные инверторы : учебное пособие / Д. Н. Томашевский. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2019. — 120 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2681‑5

В пособии излагаются основные понятия и теоретические положения дисциплин 

«Источники питания электротехнологических установок», «Силовые полупроводниковые преобразователи». Описаны различные схемы автономных инверторов, 
представлена их классификация, принцип действия, особенности моделирования. 
Предназначено для студентов вуза.

Библиогр.: 9 назв. Рис. 80. Прил. 3.

УДК 621.314.572(075.8)
ББК 31.264.534я73 

ISBN 978‑5‑7996‑2681‑5
© Уральский федеральный 
     университет, 2019

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АД — асинхронный двигатель 
АИ — автономный инвертор 
АИН — автономный инвертор напряжения 
АИР — автономный инвертор резонансный 
АИТ — автономный инвертор тока
ВКЗ — вентильно‑коммутационное звено 
ДОТ — двухоперационный тиристор 
ИТП — индукционная тигельная печь 
НПЧ — непосредственный преобразователь частоты 
ООТ — однооперационный тиристор 
РГТ — режим граничного тока 
РДИ — резонансный диссипативный инвертор 
РЕКТ — режим естественной коммутации тока
РНТ — режим непрерывного тока 
РПТ — режим прерывистого тока 
РРИ — резонансный рекуперативный инвертор 
СЭПСЧ — системы электропитания средней частоты 
ЦПРТ — цепь переменного тока 
ЦПТ — цепь постоянного тока 
ШИМ — широтно‑импульсная модуляция 
ШИР — широтно‑импульсное регулирование 
ЭМП — электромагнитные параметры 

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ

Полупроводниковый преобразователь предназначен для изменения 

параметров электрической энергии, передаваемой конечной единице 
электрооборудования. Одним из параметров, по которому осуществляется преобразование электрической энергии, является частота. Для повышения частоты применяются схемы инвертирования, которые являются частью схемы полупроводникового преобразователя и могут 
быть использованы как для промежуточного, так и для окончательного преобразования частоты.

Преобразование частоты применяется в цепях питания приборов 

малой мощности (например, компактные люминесцентные лампы 
мощностью от единиц ватт) и мощных индукционных печей или мощных регулируемых электроприводов переменного тока, мощность которых достигает сотни киловатт и единиц мегаватт.

В учебном пособии дается представление о разнообразии схем автономных инверторов, приводится их классификация, принцип и особенности работы, даются основы математического описания.

Отдельные главы посвящены моделированию процессов в схемах автономных инверторов в специально разработанной программе и в пакете прикладных программ математических расчетов Matlab.

В приложениях содержится справочная информация о характеристиках элементов схем инверторов.

Содержание и объем информации, представленной в учебном пособии, способствует формированию профессиональных компетенций 
студентов профиля «Электротехнологические установки и системы» 
и «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» направления «Электроэнергетика и электротехника».

1. ИНВЕРТИРОВАНИЕ  

В СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Инвертированием в силовой электронике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное, т. е. в некотором смысле процесс, обратный выпрямлению. Устройства, осуществляющие такое преобразование, называются инверторами. Различают 
два типа инверторов:

• зависимые инверторы, или инверторы, ведомые сетью;
• независимые, или автономные инверторы.
Зависимый инвертор работает при наличии в его выходной цепи 

источника переменного напряжения, который задает форму, частоту 
и величину напряжения образованной им сети переменного напряжения. В этой сети могут находиться потребители переменного тока, 
и задача зависимого (от этой сети) инвертора сводится к поставке в нее 
недостающей или дополнительной активной мощности. С примером использования зависимого инвертора мы сталкиваемся в системе 
передачи электрической энергии постоянным током при связи двух 
энергосистем переменного напряжения. В таком случае на передающем конце линии выпрямитель преобразует переменное напряжение 
в постоянное, а на приемном конце — зависимый инвертор преобразует постоянный ток в переменный, добавляя в приемную энергосистему свою активную энергию. Возможна смена функций вентильных 
преобразователей на обратные для обращения потока активной мощности в линии постоянного тока.

Автономные инверторы (АИ) — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой 
и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного 
тока) нагрузку. В этом главное отличие автономных инверторов от ведомых, также преобразующих постоянный ток в переменный, но рабо

1. инвертирование в силовой электронике 

тающих на сеть переменного тока. Нагрузкой автономного инвертора 
может быть единичный потребитель (асинхронный двигатель, электротехнологическая установка) или разветвленная сеть потребителей 
(несколько нагрузок, работающих по своему графику).

АИ может работать при отсутствии на его выходе каких‑либо источников переменного напряжения. При этом частота выходного напряжения автономного инвертора определяется частотой импульсов 
управления вентилями инвертора, а форма и величина выходного напряжения — характером, величиной нагрузки и его схемой.

Различают три типа автономных инверторов:
• автономный инвертор напряжения (АИН);
• автономный инвертор тока (АИТ);
• автономный резонансный инвертор (АИР).
Основой АИ является вентильное переключающее устройство, которое может выполняться по однофазным и трехфазным схемам (схемам с нулевым выводом или мостовым схемам). В качестве ключей, 
в АИ используются транзисторы и тиристоры. При использовании однооперационных тиристоров (ООТ), схему дополняют элементами, 
предназначенными для их коммутации. Одним из главных элементов 
является конденсатор. Важно отметить, что назначение конденсаторов не ограничивается лишь запиранием тиристоров. Конденсаторы также применяются для формирования кривой выходного напряжения инвертора, для определения характера переходных процессов 
в цепи переменного тока и для повышения напряжения на нагрузке.

Основные области применения автономных инверторов [2]:
• питание потребителей переменного тока (АИН, АИТ) в устройствах, у которых одним из источников энергии является аккумуляторная батарея (бортовые вторичные источники питания, резервные бытовые источники питания и др.), а также резервное 
питание ответственных потребителей при возможном отключении сети переменного тока;

• электротранспорт (АИН, АИТ), питающийся от контактной сети 

или какого‑либо источника постоянного тока, у которого в качестве тяговых электродвигателей желательно иметь простые, надежные и дешевые короткозамкнутые асинхронные двигатели;

• электропривод с асинхронными и синхронными двигателями 

(АИН, АИТ), у которого схема АИ служит источником регулируемых напряжения и частоты;

Классификация АИ

• преобразователи постоянного напряжения (АИН, АИТ, АИР);
• устройства для получения переменного тока (АИН, АИТ, АИР) 

необходимой частоты от источников прямого преобразования 
энергии (термои фотоэлектрические генераторы, топливные 
элементы, МГД‑генераторы), вырабатывающих энергию на постоянном токе;

• электротермия (АИТ, АИР) для получения переменного тока повышенной частоты (плавка металла, нагрев и закалка изделий).

Классификация АИ производится по различным признакам, среди которых можно выделить следующие [3]:

• по виду схем включения управляемых приборов (полумостовые, 

мостовые, со средней точкой трансформатора и др.);

• по принципу коммутации (выключения) управляемых приборов 

(индивидуальная, пофазная, групповая, общая; естественная и принудительная; параллельная, последовательная, последовательнопараллельная; при нулевом значении тока и напряжения и др.);

• по принципу управления ключами — с независимым или с самовозбуждением;

• по типу используемых приборов с полууправляемыми приборами (ООТ); с полностью управляемыми приборами (двухоперационный тиристор (ДОТ), IGBT, MOSFET и др.);

• по характеру протекающих в них электромагнитных процес
сов — автономные инверторы тока; автономные инверторы напряжения, автономные резонансные инверторы;

• по виду переходного процесса в цепи нагрузки (цепи переменного тока) — апериодические и колебательные.

Условия работы вентилей в схемах АИТ и АИН таковы, что они 

подвергаются повышенному динамическому воздействию токов и напряжений в процессе коммутации — di
dt
/
 и du
dt
/
. Поэтому АИН, 

выполненные на ООТ, критичных к di
dt
/
 и du
dt
/
, не нашли широкого применения в электротехнологических установках. По этой же 
причине АИТ применяются в ограниченном частотном диапазоне, 
в основном 250–2400 Гц. Однако с применением IGBTи MOSFETтранзисторов, область применения АИТ и АИН в электротехнологии 
значительно расширяется и охватывает частотный диапазон 0,01–
1 МГц с мощностями в единице оборудования до 1 МВт.

Отличительной особенностью АИР является то, что коммутация 

вентилей в них происходит при естественном подходе тока к нулю, 

1. инвертирование в силовой электронике 

и относительно низких динамических воздействиях токов и напряжений (низких di
dt
/
 и du
dt
/
), и повышенном времени восстановления. Поэтому АИР, выполненные на ООТ, позволяют генерировать 
токи частотой 2,4–25 кГц и служат основой для построения источников питания для многих электротехнологических процессов [3].

В зависимости от типа системы электропитания средней частоты 

(СЭПСЧ) [3] требования к АИ могут существенно различаться и оказывать значительное влияние на выбор схемного решения, принципов управления и защиты, способов регулирования режимов работы.

Общие требования к АИ как функциональному элементу системы 

электропитания можно свести к следующим:

• высокий КПД в различных режимах;
• минимальные размеры;
• по возможности минимальная масса и стоимость;
• максимальная надежность;
• простота обслуживания;
• минимальное влияние на питающую сеть.
Для АИ, используемых в индивидуальных СЭПСЧ, можно сформулировать частные требования:

• возможность работы на нагрузку с широким диапазоном изменения эквивалентных параметров (от короткого замыкания 
до холостого хода) как при медленном, так и при быстром их 
изменении;

• широкий диапазон регулирования выходных параметров;
• надежная защита оборудования в аварийных ситуациях.
В системах централизованного питания, АИ включены на общие 

выходные шины, на которых поддерживается стабильное напряжение и частота, поэтому требования к ним специфичны:

• возможность независимого регулирования токовой нагрузки;
• плавный ввод в действие и вывод в резерв;
• отсутствие взаимовлияния параллельно работающих инверторных блоков;

• отключение инверторного блока в аварийной ситуации без нарушения работы всей централизованной СЭПСЧ.

Системы группового питания индукционных установок сочетают 

в себе свойства индивидуальных и централизованных систем. Поэтому и требования к АИ могут быть представлены как их совокупность 
для первых двух систем, но отличительным требованием является то, 

Требования к АИ

что управление, регулирование и защита АИ в такой системе должны 
осуществляться при полном напряжении на шинах постоянного тока. 
В связи с тем, что для ряда технологий требуется обработка методом 
двух частот (закалка сложных поверхностей деталей, плавка металла 
в ИТП), АИ должны иметь возможность формирования двухчастотного выходного тока. В групповых СЭПСЧ могут быть использованы 
АИ различных типов в зависимости от требований технологической 
нагрузки, но при общем питании по шинам постоянного тока должно 
быть исключено взаимное влияние одновременно работающих АИ как 
в номинальных режимах, так и при развитии аномальных процессов.

При мощностях примерно до 500 кВт возможно прямое подключение преобразователя частоты к питающей сети 0,4 кВ. Для большихмощностей рекомендуется подключение через трансформатор к сети 
напряжения 6 или 10 кВ. Чтобы уменьшить влияние на питающую 
сеть, иногда применяют двенадцатифазные выпрямители. При подключении нескольких трансформаторов к одной сети, группы соединения их обмоток могут быть выбраны таким образом, чтобы получилась двенадцатифазная схема.

2. автономные инверторы  наПряжения

2. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ  

НАПРЯЖЕНИЯ

Автономные инверторы напряжения (АИН) [2] имеют наиболее 

широкие возможности и области применения. Его считают лучшим 
универсальным модулем преобразования электрической энергии. Помимо основной функции преобразования постоянного тока в переменный, он может в обращенном режиме выполнять обратную функцию, 
т. е. преобразовать переменное напряжение в постоянное. При нулевой частоте выходного напряжения, он превращается в реверсивный 
преобразователь постоянного напряжения. На его основе выполняются активные фильтры напряжения и тока, компенсаторы реактивной 
мощности, регуляторы переменного напряжения, непосредственные 
преобразователи частоты, т. е. ячейка инвертора напряжения является источником новых схем.

VS2
VD2

VS3
VD3

VS4
VD4

VS1
VD1

Rн
L н

uн

i н

E

+


+(-)
-(+)

Рис. 2.1. Схема силовых цепей однофазного АИН

Однофазные АИН чаще всего выполняют по мостовой схеме 

(рис. 2.1). Нагрузка (обычно активно‑индуктивного характера) включается в диагональ моста, образованного тиристорами VS1–VS4 и обратно включенными диодами VD1–VD4. Диоды предназначены для