Инверторы DC/AC, ИБП (UPS) - чистый синус. Преобразователи напряжения DC/DC.
Продажа печатных плат в сборе (OEM).
Инновационная компания A-electronica.ru Инвертор 12/24/220 с чистой синусоидой 
( inverter DC/AC, true sine wave)

Серийное производство силовой электроники

Исследования Разработка Производство
ИК "A-electronica.ru", г. Новосибирск, т.89138915104, info@a-electronica.ru
Главная О компании Каталог Прайс Интернет-магазин Почта Технологии Партнёры Наши статьи F.A.Q.

Система защиты выхода в инверторах
от "A-electronica.ru" и анализ ее работы при разных типах перегрузок.

г. Новосибирск
26 января 2011 года
Инновационная компания "A-electronica.ru"

( При копировании любой части нашего первоисточника ссылка на сайт www.a-electronica.ru обязательна! )

Содержание:

1.        Назначение. Описание принципа работы системы защиты выхода.
2.        Анализ работы системы защиты выхода при следующих типах перегрузок:
1)        КЗ
2)        Перегрузка активным током
3)        Перегрузка индуктивным током
4)        Перегрузка емкостным током
5)        Подача потенциала
6)        Подача переменного напряжения
7)        Перегрузка при старте электромотора

1.        Назначение. Описание принципа работы системы защиты выхода.

Система защиты выхода предназначена для обеспечения работоспособности инвертора в случаях неправильного подключения нагрузки и защиты от переходных процессов при подключении мощных нагрузок. Данная система защиты работает совместно с другими системами защиты, например с тепловой защитой, защитой от перенапряжения в звене постоянного тока.

Принцип работы системы защиты выхода заключается в регулировании выходного тока инвертора и ограничении его на безопасном уровне. Для этого используется цифровая программная система управления. Подробности реализации являются интеллектуальной собственностью компании А-Электроника и в рамках данной статьи не разглашаются, но в статье описываются результаты применения этой технологии. Числовые значения приведены для младшей модели в линейке ПН5, инвертора ПН5-12-350.
Для графической иллюстрации на рис.№1 приведены области возможных мгновенных значений выходного напряжения и силы тока. При долговременной работе выходные напряжения принимают значения в диапазоне от -310В до +310В как и синусоида с действующим значением 220В. При номинальной реактивной нагрузке выходной ток не превышает 4А по амплитуде. В этих условиях защита выхода не работает, потому что порог тока не превышен. На рис. №1 эта область обозначена как область долговременной работы. Защита выхода срабатывает, если мгновенное значение тока на выходе достигает 8А по амплитуде. При этом инвертор перестает работать в качестве источника напряжения и начинает стабилизировать ток. То есть выходное напряжение инвертора отклоняется от синусоидального и мгновенное значение напряжения может принимать значение от -400В до +400В. Данная область мгновенных значений выходного напряжения и силы тока является безопасной для инвертора и обозначена на рис.№1 как область, ограниченная защитой. Однако работа в этом режиме перегружает инвертор и поэтому допускается кратковременно. При длительной работе в области, ограниченной защитой инвертор отключается специальной подпрограммой.


Рис. №1. Область возможных мгновенных значений выходного напряжения и силы тока.

Если же мгновенные значения выходного напряжения и силы тока инвертора выйдут за область, ограниченную защитой, возможно разрушение инвертора. Так произойдет например, если подключить к выходу инвертора высоковольтный (более 0.4кВ) и мощный (более 8А) источник напряжения (постоянного или переменного).
По знаку выходного напряжения и тока область, ограниченная защитой, делится на 4 квадранта. В I квадранте выходное напряжение и ток положительны, в III квадранте и ток и напряжение отрицательны. Инвертор работает в I и III квадрантах если нагрузка активная. Во II и IV квадрантах напряжение и ток имеют разные знаки. Инвертор работает также и в этих квадрантах, если нагрузка реактивная. Так как защита выхода может работать в каждом квадранте, то защита называется четырехквадрантной.
Теперь рассмотрим работу системы защиты при подключении реальных нагрузок.

2. Анализ работы системы защиты выхода.

2.1. КЗ.

При работе инвертора с закороченным выходом, т.е. в режиме КЗ система защиты выхода работает практически постоянно, ограничивая выходной ток на уровне +/- 8А. Графики выходного напряжения и тока приведены на рис №2.

Рис. №2. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

При КЗ мощность в нагрузку не передается, однако инвертор работает с большой амплитудой тока, составляющей около 8А, что обуславливает большие тепловые потери. Для защиты от перегрева инвертор отключается через 2 секунды и затем снова включается через 20с. Это позволяет как уменьшить в 10 раз среднюю мощность потерь, так и автоматически переходить в нормальный режим работы при снятии КЗ.

2.2. Перегрузка активным током.

При подключении активной нагрузки большой мощности, если амплитуда тока достигает 8А, то срабатывает система защиты выхода инвертора. Графики выходного напряжения и тока приведены на рис №3.


Рис. №3. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

Инвертор работает в I и III квадрантах. Форма выходного напряжения и тока искажается относительно синусоиды. При этом, чем больше мощность нагрузки, тем больше искажения и тем большую часть периода происходит ограничение тока и напряжения. Для защиты от больших токов инвертор отключается после некоторого времени работы с перегрузкой. Это время может варьироваться в зависимости от того, какую часть периода ограничивается ток. Так, если ограничение происходит большую часть периода, то инвертор отключается, как и при КЗ, через 2 секунды. Если же ограничение занимает незначительную часть периода, отключение может и не произойти, либо отключение произойдет из-за других защит, например защиты по входному току.

2.3. Перегрузка индуктивным током.

В данной части статьи рассматривается работа на реальную индуктивную нагрузку, то есть нагрузку, имеющую как индуктивную, так и активную составляющие комплексного сопротивления. Если амплитуда тока при подключении нагрузки меньше 8А, то инвертор является генератором синусоидального напряжения, форма тока также синусоидальна и инвертор обеспечивает как активный, так и реактивный ток в нагрузке. Однако если амплитуда тока достигает 8А, то срабатывает система защиты выхода инвертора. Графики выходного напряжения и тока в этом режиме приведены на рис №4.


Рис. №4. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

Инвертор работает в течении периода во всех 4-х квадрантах. Форма выходного напряжения и тока искажается относительно синусоиды. При этом искажается только часть периода выходного напряжения и тока. Часть же периода, начинающаяся с перехода напряжения инвертора через нуль, остается неизменной. В части же периода, где происходит ограничение тока, форма напряжения искажается, мгновенное напряжение уменьшается относительно синусоиды. Для защиты от больших токов инвертор отключается после некоторого времени работы с перегрузкой.

2.4. Перегрузка емкостным током.

При подключении емкостной нагрузки большого номинала, если амплитуда тока достигает 8А, то срабатывает система защиты выхода инвертора. Графики выходного напряжения и тока приведены на рис №5.


Рис. №5. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

Инвертор работает в течении периода во всех 4-х квадрантах. Форма выходного тока прямоугольная, так как защита выхода работает практически постоянно. Форма выходного напряжения треугольная, так как емкость заряжается стабилизированным током. Для защиты от больших токов инвертор отключается после некоторого времени работы с перегрузкой.
Для иллюстрации практических результатов был записан видеоролик. Это запись реально произведенного эксперимента по питанию емкостной электрической нагрузки от двух моделей инверторов. Емкостная нагрузка представляет собой батарею конденсаторов емкостью 20 мкФ. Такой конденсатор можно встретить в бытовой технике, например в цепях коррекции коэффициента мощности газоразрядной лампы мощностью 250Вт или электродвигателя такой же мощности. Одна модель инвертора- ПН5-12-350 с чистой синусоидой на выходе и четырехквадрантной системой защиты выхода. Этот инвертор работает с тестовой батареей конденсаторов 20мкФ штатно, как и сеть ~220В 50Гц. При этом потребление тока увеличивается на 1.1А, то есть потери от протекающего реактивного тока ~13Вт. Вторая же использованная модель инвертора- noname китайского производства с модифицированной синусоидой. Этот инвертор проработал с батареей конденсаторов около 3-х секунд и необратимо вышел из строя. При этом потребление тока увеличилось на 12А, то есть потери от протекающего реактивного тока составили ~144Вт.

2.5. Подача потенциала.

При подаче потенциала на выход инвертора от источника напряжения система защиты ограничивает выходной ток, если потенциал находится в диапазоне области, ограниченной защитой, то есть +\-400В. Если же потенциал выходит за эти границы, то инвертор может разрушиться. Графики выходного напряжения и тока приведены на рис №6.


Рис. №6. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

Инвертор работает в I и II квадрантах. Работа инвертора в данных условиях похожа на работу при КЗ, однако выходной ток может быть ассиметричной формы, так как система также несимметрична. Для защиты от больших токов инвертор отключается после некоторого времени работы с перегрузкой точно так же, как и при КЗ.

2.6. Подача переменного напряжения.
При подаче на выход инвертора переменного напряжения от стороннего источника напряжения, например от бытовой сети ~220В 50Гц, выходное напряжение перестает определяться инвертором и определяется сторонним источником. Инвертор же переходит в режим источника тока, и система защиты выхода работает постоянно, ограничивая ток на выходе на уровне +\- 8А. Графики выходного напряжения и тока приведены на рис №7.


Рис. №7. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

Так как выходное напряжение инвертора и стороннее напряжение не синхронизированы, между ними постоянно накапливается разница фаз. Поэтому инвертор работает попеременно во всех 4-х квадрантах. Для защиты от больших токов инвертор отключается после некоторого времени работы с перегрузкой точно так же, как и при КЗ.
Для иллюстрации практических результатов был записан видеоролик. Это запись реально произведенного эксперимента по подключению выхода инвертора к сети ~220В 50Гц. Для сравнения использованы две модели инверторов. Одна модель инвертора - ПН5-12-350 с чистой синусоидой на выходе и четырехквадрантной системой защиты выхода. Этот инвертор сохраняет работоспособность при подключении к сети ~220В 50Гц. Система защиты выключает инвертор при подключении к сети и затем инвертор снова включается через 20с, чем обеспечивается автоматическое восстановление электропитания. Вторая же использованная модель инвертора- noname китайского производства с модифицированной синусоидой. Этот инвертор необратимо вышел из строя при подключении к сети ~220В 50Гц. При этом сработал предохранитель в сети ~220В 50Гц и началось возгорание в корпусе инвертора.

2.7. Перегрузка при старте электромотора.

При старте электромотора возможна перегрузка выхода инвертора. При этом происходят такие же процессы, как и при перегрузке индуктивным током. Отличие состоит в том, что при старте электромотора он начинает вращаться и генерировать ЭДС. Эта ЭДС уменьшает напряжение, прикладываемое к элементам схемы замещения двигателя, соответственно рабочий ток двигателя становится меньше пускового. Поэтому старт двигателя может происходить с перегрузкой инвертора, а дальнейшая работа - без перегрузки. Графики выходного напряжения и тока приведены на рис №8.


Рис. №8. Графики напряжения и тока на выходе инвертора.

Инвертор работает в течении периода во всех 4-х квадрантах. Во время старта электромотора форма выходного напряжения и тока искажается относительно синусоиды. При этом искажается только часть периода выходного напряжения и тока. Часть же периода, начинающаяся с перехода напряжения инвертора через нуль, остается неизменной. В части же периода, где происходит ограничение тока, форма напряжения искажается, мгновенное напряжение уменьшается относительно синусоиды.
Для защиты от больших токов инвертор отключается после некоторого времени работы с перегрузкой. Поэтому возможны 2 ситуации при старте мотора с перегрузкой:
-если инвертор работает без перегрузки при рабочем режиме мотора и время старта мотора невелико, то возможен пуск мотора.
- если инвертор перегружается при рабочем режиме мотора или время старта мотора велико, то пуск мотора невозможен.
Данные рассуждения касаются ситуаций, когда пусковая мощность мотора больше пусковой мощности инвертора. Инвертор обеспечивает пиковый ток выхода до 8А, соответственно его пусковая мощность составляет Соответственно, данные рассуждения применимы, если пусковая мощность мотора более 1200ВА. Если же пусковая мощность мотора менее 1200ВА, то защита при пуске не сработает и пуск будет происходить как от идеального источника ~220В 50Гц.
Для иллюстрации практических результатов был записан видеоролик. Это запись реально произведенного эксперимента по запуску электрического двигателя компрессора холодильника от инвертора. Для сравнения использованы две модели инверторов. Одна модель инвертора - ПН5-12-350 с чистой синусоидой на выходе и четырехквадрантной системой защиты выхода. Этот инвертор запускает электрический двигатель компрессора холодильника и, соответственно, обеспечивает работу холодильника. При этом выходное напряжение инвертора уменьшается в момент пуска электродвигателя, это значит, что пусковая мощность холодильника превышает пусковую мощность инвертора и составляет более 1200ВА. Вторая же использованная модель инвертора- noname китайского производства с модифицированной синусоидой. Этот инвертор не запускает электрический двигатель компрессора холодильника. Работа холодильника не обеспечивается.

г. Новосибирск
26 января 2011 года
Инновационная компания "A-electronica.ru"

( При копировании любой части нашего первоисточника ссылка на сайт www.a-electronica.ru обязательна! )

г. Новосибирск_________2003 - 2011 год
Rambler's Top100