Змініть схему випрямлення, підключіть один кінець до постійного струму (DC), а інший кінець може виводити змінний струм (AC). Це інвертор, пристрій, який перетворює постійний струм в змінний.
Більшість комерційних, промислових і житлових навантажень потребують живлення змінного струму, але живлення змінного струму не може зберігатися в батареях, а зберігання в батареях є важливим для резервного живлення. У наш час цей недолік можна подолати за допомогою джерела постійного струму.
Полярність живлення постійного струму не змінюється з часом, як живлення змінного струму, тому живлення постійного струму може зберігатися в батареях і суперконденсаторах. Тож ми можемо спочатку перетворити змінний струм на постійний, а потім зберегти його в акумуляторі. Таким чином, щоразу, коли для роботи приладів змінного струму потрібне джерело живлення змінного струму, джерело постійного струму перетворюватиметься назад на живлення змінного струму для роботи приладів змінного струму.
Відповідно до джерела вхідного сигналу, способу підключення, форми сигналу вихідної напруги тощо інвертори поділяються на наступні 17 основних категорій.
1. Класифікуйте за джерелом введення
Вхід інвертора може бути джерелом напруги або джерелом струму, тому він поділяється на інвертори з джерелами напруги (VSI) і інвертори з джерелами струму (CSI).
Інвертор джерела напруги (VSI)
Якщо вхід інвертора є джерелом постійної напруги постійного струму, інвертор називається інвертором джерела напруги.
На вході інвертора джерела напруги є джерело жорсткої постійної напруги з нульовим опором. Насправді імпедансом джерела постійної напруги можна знехтувати. Якщо припустити, що VSI живиться від ідеального джерела напруги (джерело з надзвичайно низьким опором), вихідна напруга змінного струму повністю визначається станом комутаційних пристроїв інвертора та застосованого джерела живлення постійного струму.
Інвертор джерела струму (CSI)
Якщо на вході інвертора є джерело постійного постійного струму, інвертор називається інвертором джерела струму.
Жорсткий струм подається від джерела постійного струму до CSI, де джерело постійного струму має високий імпеданс. Зазвичай для забезпечення жорстких струмів використовуються великі котушки індуктивності або замкнуті регулюючі струми. Результуюча хвиля струму є жорсткою і на неї не впливає навантаження. Вихідний струм змінного струму повністю визначається комутаційними пристроями інвертора та станом джерела живлення постійного струму.
2. Класифікуйте за вихідною фазою
Відповідно до вихідної напруги та фази струму інвертори в основному поділяються на дві категорії: однофазні інвертори та трифазні інвертори.
Однофазний інвертор
Однофазний інвертор перетворює вхідний постійний струм в однофазний вихід. Вихідна напруга/струм однофазного інвертора має лише одну фазу, а його номінальна частота становить номінальну напругу 50 Гц або 60 Гц.
Номінальна напруга визначається як рівень напруги, при якому працює електрична система. Існують різні номінальні напруги, а саме: 120 В, 220 В, 440 В, 690 В, 3,3 КВ, 6,6 КВ, 11 кВ, 33 кВ, 66 кВ, 132 кВ, 220 кВ, 400 кВ і 765 кВ. Низька номінальна напруга може бути досягнута безпосередньо за допомогою внутрішніх трансформаторів або інверторів із підвищуючими та понижуючими схемами, тоді як для високої номінальної напруги використовуються зовнішні підвищувальні трансформатори.
Однофазні інвертори використовуються для малих навантажень. Однофазні втрати вищі, а однофазний ККД нижчий, ніж у трифазних інверторів. Тому трифазні інвертори є кращим вибором для високих навантажень.
Трифазний інвертор
Трифазний інвертор перетворює постійний струм у трифазну. Трифазне джерело живлення забезпечує три канали живлення змінного струму з рівномірно розділеними фазовими кутами. Амплітуда та частота всіх трьох хвиль, що генеруються на вихідному кінці, однакові, але дещо змінюються через навантаження, і кожна хвиля має фазовий зсув на 120 градусів між собою.
В основному, один трифазний інвертор складається з трьох однофазних інверторів, кожен із фазовою відстанню 120 градусів, і кожен однофазний інвертор підключений до однієї з трьох клем навантаження.
3. Класифікуються за технологією комутації
За технологією комутації їх можна розділити на два основних типи: інвертори лінійної комутації та інвертори примусової комутації. Крім того, можуть існувати допоміжні комутаційні інвертори та додаткові комутаційні інвертори, але оскільки вони зазвичай не використовуються, ми коротко обговоримо два основні типи тут.
Розворот лінії
У цих типах інверторів мережева напруга ланцюга змінного струму може бути отримана через обладнання; Коли струм в SCR відчуває нульові характеристики, пристрій вимикається. Цей процес комутації називається лінійною комутацією, а інвертори, які працюють за цим принципом, називаються лінійними комутаційними інверторами.
Примусова комутація
У такому типі комутації в джерелі живлення не буде нульової точки. Тому для виправлення пристрою потрібні зовнішні джерела. Цей процес комутації називається примусовою комутацією, а інвертори, засновані на цьому процесі, називаються інверторами примусової комутації.
4. Класифікуються за способом з'єднання
Відповідно до способу з’єднання тиристорів у схемі, його можна розділити на послідовні інвертори, паралельні інвертори та мостові інвертори, серед яких мостові інвертори поділяються на напівмостові, повні мостові та трифазні мостові.
Послідовний інвертор
Послідовний інвертор складається з пари тиристорів і ланцюгів RLC (опір, індуктивність і ємність). Один тиристор з'єднаний паралельно з ланцюгом RLC, а один тиристор з'єднаний послідовно між джерелом живлення постійного струму та ланцюгом RLC. Цей тип інвертора називається послідовним інвертором, тому що навантаження безпосередньо з'єднане послідовно з джерелом постійного струму за допомогою тиристорів.
Послідовні інвертори також відомі як самокомутаційні інвертори, оскільки тиристори цього типу інверторів самокомутуються навантаженням. Інша назва цього інвертора - «інвертор комутації навантаження». Причиною такої назви є те, що LCR є навантаженням, яке забезпечує комутацію.
Паралельний інвертор
Паралельний інвертор складається з двох тиристорів, конденсатора, центрального трансформатора та індуктора. Тиристори використовуються для забезпечення шляху проходження струму, тоді як індуктори використовуються для підтримки постійного джерела струму. Провідність і вимикання цих тиристорів контролюються підключеними між ними комутаційними конденсаторами.
Його називають паралельним інвертором, тому що під час роботи конденсатор підключається паралельно навантаженню через трансформатор.
Напівмостовий інвертор
Для роботи напівмостового інвертора потрібні два електронні перемикачі. Перемикачами можуть бути MOSFET, IJBT, BJT або тиристори.Напівмост із тиристорними та двосторонніми перемикачами вимагає двох додаткових діодів, за винятком чистих резистивних навантажень, тоді як MOSFET мають вбудовані діоди. Коротше кажучи, двох перемикачів достатньо для задоволення чистих резистивних навантажень, тоді як інші навантаження (індуктори та конденсатори) вимагають двох додаткових діодів. Ці діоди називаються діодами зворотного зв'язку або діодами вільного ходу.
Принцип роботи напівмостового інвертора однаковий для всіх перемикачів, але тут ми обговорюємо напівмостовий з тиристорними перемикачами. Є два комплементарних тиристора, що означає проведення одного тиристора за раз. Для резистивних навантажень схема працює в двох режимах. Частота перемикання визначатиме вихідну частоту. Коли вихідна частота становить 50 Гц, кожен тиристор проводить один раз протягом 20 мс.
Повний мостовий інвертор
Однофазний повний мостовий інвертор має чотири керовані перемикачі, які використовуються для керування напрямком потоку струму в навантаженні. Цей міст має 4 діоди зворотного зв’язку, які можуть повертати енергію, що зберігається в навантаженні, до джерела живлення. Ці діоди зворотного зв'язку функціонують лише тоді, коли всі тиристори вимкнені, а навантаження не є суто резистивним.
При будь-якому навантаженні одночасно працюють тільки 2 тиристора. Тиристори Т1 і Т2 будуть проводити в одному циклі, тоді як Т3 і Т4 будуть проводити в іншому циклі. Іншими словами, коли T1 і T2 перебувають у стані ON, T3 і T4 перебувають у стані OFF, а коли T3 і T4 перебувають у стані ON, два інших перебувають у стані OFF. Одночасне відкриття двох або більше тиристорів може призвести до короткого замикання, виділення надмірного тепла та негайного спалювання ланцюга.
Трифазний мостовий інвертор
Промислові та інші великі навантаження вимагають трифазного живлення. Для роботи цих великих навантажень від накопичувачів або інших джерел живлення постійного струму потрібен трифазний інвертор. Для цього можна використовувати трифазний мостовий інвертор.
Трифазний мостовий інвертор — ще один тип мостового інвертора, який складається з 6 керованих перемикачів і 6 діодів, як показано на малюнку.
5. Класифікуються за режимом роботи
За режимом роботи інвертори діляться на три основні категорії:
Незалежний інвертор
Незалежний інвертор безпосередньо підключається до навантаження і не буде перериватися іншими джерелами живлення. Незалежний інвертор або «інвертор у режимі вимкнення мережі», інвертор забезпечує живлення навантаження незалежно, не піддаючись впливу мережі чи інших джерел живлення.
Ці інвертори називаються інверторами, що не працюють у режимі електромережі, оскільки на них не впливає енергосистема. Ці інвертори не можна підключити до електромережі, оскільки вони не мають можливості синхронізації, де синхронізація є процесом узгодження фази та номінальної частоти (50/60 Гц) двох джерел змінного струму.
Інвертор, підключений до мережі
Інвертори, підключені до мережі або підключені до мережі (GTI), виконують дві основні функції. Однією з функцій інверторів, підключених до мережі, є забезпечення живлення змінного струму від накопичувачів (джерел живлення постійного струму) до навантажень змінного струму, а іншою функцією інверторів, підключених до мережі, є додаткове живлення до мережі.
Інвертори, підключені до мережі, також відомі як інтерактивні інвертори для комунальних послуг, інвертори для з’єднання мереж або інвертори зі зворотним зв’язком до мережі, синхронізують частоту та фазу струму для адаптації до комунальної мережі. Збільшуючи рівень напруги інвертора, потужність передається від джерела постійного струму до комунальної мережі.
Двопіковий інвертор
Двопіковий інвертор може працювати як інвертор, підключений до мережі, так і як незалежний інвертор. Ці інвертори можуть вводити в мережу додаткову енергію з відновлюваних джерел енергії та накопичувачів, а також отримувати електроенергію з мережі, коли енергії, виробленої відновлюваними джерелами енергії, недостатньо. Іншими словами, ці інвертори можуть працювати як незалежні інвертори та інвертори, підключені до мережі, відповідно до вимог навантаження. Двопікові інвертори багатофункціональні, включаючи функції незалежних інверторів і інверторів, підключених до мережі.
Функція подвійного пікового інвертора буде змінюватися залежно від навантаження. Якщо виникне проблема з електромережею або коли потужності відновлюваної енергії достатньо для задоволення навантаження, його функцію буде змінено на незалежний інвертор (він стане незалежним інвертором). У цьому випадку перемикач від’єднає інвертор від мережі.
Як тільки відновлювана енергія почне виробляти додаткову енергію, режим роботи зміниться з незалежного режиму на режим підключення до мережі. Інвертор синхронізує свою фазу і частоту з інвертором і починає вводити додаткову енергію в мережу.
6. Класифікуйте за формою вихідного сигналу
Ідеальний інвертор відноситься до інвертора, який перетворює сигнали постійного струму в чисті синусоїдальні вихідні сигнали змінного струму. Проблема справжніх інверторів полягає в тому, що їхні вихідні сигнали не є чисто синусоїдальними. За формою вихідного сигналу інвертори діляться на три категорії:
Інвертор квадратної хвилі
Це найпростіші інвертори для перетворення постійного струму в змінний, але форма вихідного сигналу не є необхідною чистою синусоїдою. Ці інвертори мають квадратні хвилі на вихідному кінці. Іншими словами, ці інвертори перетворюють вхідний постійний струм у змінний у формі квадратних хвиль. Між тим, прямокутні інвертори також дешевші.
Найпростішою структурою цих інверторів може бути Н-мостовий інвертор. Як показано на малюнку, за допомогою перемикачів SPDT (single push double throw) перед трансформатором можна отримати простішу версію. Цей трансформатор також допоможе досягти будь-якого бажаного рівня вихідної напруги.
Робота даної моделі надзвичайно проста. Просте вмикання та вимикання вимикача одночасно змінює струм на вихідній клемі. Іншими словами, перемикання однополюсного подвійного потоку на бажаній частоті генеруватиме прямокутні хвилі змінного струму на виході типового інвертора (тобто центрального трансформатора). Гармонійне спотворення типової синусоїди становить близько 45%, яке можна додатково зменшити за допомогою фільтрів для фільтрації деяких гармонік.
Квазісинусоїдний інвертор
Квазіінвертор синусоїдальної хвилі, також відомий як модифікований інвертор синусоїдальної хвилі зі ступінчастою синусоїдою. Іншими словами, вихідні сигнали цих інверторів поступово збільшуються в позитивній полярності. Після досягнення позитивного піку вихідний сигнал поступово зменшується, поки не досягне негативного піку, як показано на малюнку.
Структура квазісинусоїдального інвертора набагато простіша, ніж чистий синусоїдальний інвертор, але складніша, ніж чистий прямокутний інвертор.
Хоча кінцева форма вихідного сигналу цих інверторів не є чистою синусоїдою, гармонійне спотворення вихідного сигналу все одно зменшено до 24%. Фільтрування ще більше зменшить викривлення, але кількість викривлень все одно є значною. З цієї причини ці інвертори не є кращим вибором для управління різними навантаженнями, включаючи електронні схеми.
Квазісинусоїди можуть остаточно пошкодити електронні пристрої з таймерами в схемі. При підключенні до квазісинусоїдального інвертора всі електроприлади з двигунами не працюватимуть так ефективно, як підключені до чистого синусоїдального інвертора. Крім того, швидкі зміни форми сигналу можуть спричинити шум. Через ці проблеми застосування квазісинусоїдальних інверторів обмежене.
Чистий синусоїдальний інвертор
Інвертор із чистим синусом перетворює постійний струм на майже чистий синус змінного струму. Форма вихідного сигналу інвертора з чистою синусоїдальною хвилею все ще не є ідеальною синусоїдальною хвилею, але вона набагато плавніша, ніж у інверторів прямокутної та квазісинусоїдальної хвилі.
Форма вихідного сигналу інвертора з чистою синусоїдальною хвилею має надзвичайно низькі гармоніки. Гармоніки — це синусоїди з непарними кратними основної частоти різних амплітуд. Гармоніки дуже непопулярні, оскільки можуть викликати серйозні проблеми з різними електроприладами. Використовуючи різні методи ШІМ і потім пропускаючи вихідний сигнал через фільтр низьких частот, ці гармоніки можна додатково зменшити.
Конструкція та робота інверторів із чистою синусоїдальною хвилею набагато складніші, ніж інвертори прямокутної хвилі та модифіковані інвертори прямокутної хвилі.
Ці інвертори перевершують перші два інвертори, оскільки для кращої роботи більшості електричного обладнання потрібні чисті синусоїди. Як згадувалося раніше, інвертори прямокутної або квазісинусоїдальної хвилі можуть пошкодити електроприлади, особливо обладнані двигунами. Тому для практичного використання використовується чистий синусний інвертор.
7. Класифікується за кількістю вихідних рівнів
Вихідний рівень будь-якого інвертора може бути не менше двох і більше. За кількістю вихідних рівнів інвертори діляться на дві категорії: дворівневі інвертори та багаторівневі інвертори.
Дворівневий інвертор
Дворівневий інвертор має два рівні виходу. Вихідна напруга змінюється між позитивним і негативним, і змінюється на основній частоті (50 Гц або 60 Гц).
Деякі так звані «дворівневі інвертори» мають три рівні вихідного сигналу. Причина віднесення трирівневих інверторів до цієї категорії полягає в тому, що один із рівнів є нульовою напругою. Власне, нульовий - це третій рівень, але його все одно відносять до двоступеневих інверторів.
Дворівнева схема інвертора складається з джерела та деяких перемикачів, які контролюють струм або напругу. Через обмеження втрат перемикача та номінальних характеристик пристроїв робота на високій частоті дворівневих інверторів у системах високої напруги обмежена. Однак номінальне значення перемикача можна збільшити за допомогою послідовних і паралельних комбінацій. Група перемикачів, які забезпечують позитивний напівперіод у дворівневому інверторі, називається перемикачем позитивної групи, тоді як інша група перемикачів, яка забезпечує негативний напівперіод, називається перемикачем негативної групи.
Через наступні причини дворівневий інвертор не є кращим. Інвертори потребують мінімальної кількості перемикачів і джерел живлення для роботи та перетворення потужності з малими кроками напруги. Менший крок напруги забезпечить якісні сигнали. Крім того, це також може зменшити напругу (dv/dt) і проблеми з електромагнітною сумісністю навантаження. Тому багаторівневі інвертори є більш практичним першим вибором.
Багаторівневий інвертор (MLI)
Багаторівневий інвертор перетворює сигнали постійного струму в багаторівневі ступінчасті сигнали. Форма вихідного сигналу багаторівневого інвертора є не безпосередньо позитивним і негативним чергуванням, а багаторівневим чергуванням. Через те, що плавність форми сигналу прямо пропорційна кількості рівнів напруги. Тому багаторівневі інвертори створюватимуть більш плавні форми сигналів. Як згадувалося раніше, ця характеристика робить його придатним для практичного застосування.
Висновок:
У цій статті представлено 17 основних типів інверторів, але насправді існує багато інших класифікацій інверторів. Наприклад, багаторівневі інвертори також можна розділити на інвертори з літаючими конденсаторами (FCMI), інвертори з діодними затискачами (DCMI) і інвертори з каскадним Н-мостом.
З точки зору практичного застосування, трифазні інвертори підходять для застосування з високим навантаженням, інвертори з чистим синусом можуть краще захистити електроприлади, а багаторівневі інвертори є більш практичним вибором.