Introducere în diferite tipuri de invertoare

Alimentarea cu curent alternativ (AC) este utilizată pentru aproape toate nevoile rezidențiale, comerciale și industriale. Dar cea mai mare problemă cu AC este că nu poate fi stocată pentru o utilizare viitoare. Deci AC este transformat în DC și apoi DC este stocat în baterii și ultra-condensatori. Și acum, ori de câte ori este nevoie de curent alternativ, DC este din nou convertit în curent alternativ pentru a rula aparatele pe bază de curent alternativ. Deci, dispozitivul care convertește DC în curent alternativ se numește invertor. Invertorul este utilizat pentru a converti DC în AC variabil. Această variație poate fi în mărimea tensiunii, numărul de faze, frecvența sau diferența de fază.

Clasificarea invertorului

Invertorul poate fi clasificat în mai multe tipuri pe baza ieșirii, sursei, tipului de sarcină etc. Mai jos este clasificarea completă a circuitelor invertorului:

(I) Conform caracteristicii de ieșire

1. Invertor de undă pătrată
2. Invertor Sine Wave
3. Invertor de undă sinusoidală modificat

(II) Potrivit sursei invertorului

1. Inversorul sursei curente
2. Invertor de sursă de tensiune

(III) În funcție de tipul de încărcare

1. Invertor monofazat
   1. Invertor pe jumătate de pod
   2. Invertor Full Bridge
2. Invertor cu trei faze
   1. Mod de 180 de grade
   2. Mod de 120 de grade

(IV) Conform diferitelor tehnici PWM

1. Modulare simplă a lățimii impulsurilor (SPWM)
2. Modulație multiplă a lățimii impulsurilor (MPWM)
3. Modulația lățimii impulsului sinusoidal (SPWM)
4. Modulare a lățimii impulsurilor sinusoidale modificate (MSPWM)

(V) În funcție de numărul de nivel de ieșire

1. Invertor regulat pe două niveluri
2. Invertor multi-nivel

Acum le vom discuta pe toate pe rând. Puteți verifica aici un eșantion de proiectare a circuitului invertorului de 12v DC la 220v AC.

(I) Conform caracteristicii de ieșire

În funcție de caracteristica de ieșire a unui invertor, pot exista trei tipuri diferite de invertoare.

• Invertor de undă pătrată
• Invertor Sine Wave
• Invertor de undă sinusoidală modificat

1) Invertor cu undă pătrată

Forma de undă de ieșire a tensiunii pentru acest invertor este o undă pătrată. Acest tip de invertor este cel mai puțin utilizat printre toate celelalte tipuri de invertor, deoarece toate aparatele sunt proiectate pentru alimentarea cu unde sinusoidale. Dacă furnizăm undă pătrată aparatului pe bază de undă sinusoidală, acesta se poate deteriora sau pierderile sunt foarte mari. Costul acestui invertor este foarte mic, dar aplicația este foarte rară. Poate fi folosit în scule simple cu un motor universal.

2) Unda sinusoidală

Forma de undă de ieșire a tensiunii este o undă sinusoidală și ne oferă o ieșire foarte similară cu sursa de utilitate. Acesta este avantajul major al acestui invertor, deoarece toate aparatele pe care le folosim sunt proiectate pentru unde sinusoidale. Deci, acesta este rezultatul perfect și oferă garanția că echipamentele vor funcționa corect. Acest tip de invertoare este mai scump, dar este utilizat pe scară largă în aplicații rezidențiale și comerciale.

3) Unda sinusoidală modificată

Construcția acestui tip de invertor este complexă decât invertorul cu undă pătrată simplă, dar mai ușor în comparație cu invertorul cu undă sinusoidală pură. Ieșirea acestui invertor nu este nici unda sinusoidală pură, nici unda pătrată. Ieșirea unui astfel de invertor este cea dintre cele două unde pătrate. Forma de undă de ieșire nu este exact unda sinusoidală, dar seamănă cu forma unei unde sinusoidale.

(II) Conform sursei invertorului

• Invertor de sursă de tensiune
• Inversorul sursei curente

1) Invertor de sursă de curent

În CSI, intrarea este o sursă curentă. Acest tip de invertoare este utilizat în aplicația industrială de medie tensiune, unde formele de undă de curent de înaltă calitate sunt obligatorii. Dar CSI-urile nu sunt populare.

2) Invertorul sursei de tensiune

În VSI, intrarea este o sursă de tensiune. Acest tip de invertor este utilizat în toate aplicațiile, deoarece este mai eficient și are o fiabilitate mai mare și un răspuns dinamic mai rapid. VSI este capabil să ruleze motoare fără declasare.

(III) În funcție de tipul de încărcare

• Invertor monofazat
• Invertor trifazat

1) invertor monofazat

În general, sarcina rezidențială și comercială utilizează energie monofazată. Invertorul monofazat este utilizat pentru acest tip de aplicație. Invertorul monofazat este împărțit în continuare în două părți;

• Invertor monofazat cu jumătate de punte
• Invertor monofazat cu punte completă

A) Invertor cu jumătate de pod monofazat

Acest tip de invertor este format din două tiristoare și două diode, iar conexiunea este așa cum se arată în figura de mai jos.

În acest caz, tensiunea DC totală este Vs și împărțită în două părți egale Vs / 2. Timpul pentru un ciclu este T sec.

Pentru jumătate de ciclu de 0

Pentru a doua jumătate a ciclului de T / 2

Vo = Vs / 2

Prin această operație, putem obține o formă de undă de tensiune alternativă cu frecvență 1 / T Hz și amplitudine de vârf Vs / 2. Forma de undă de ieșire este o undă pătrată. Acesta va fi trecut prin filtru și va elimina armonicele nedorite care ne oferă o formă de undă sinusoidală pură. Frecvența formei de undă poate fi controlată de timpul ON (Ton) și timpul OFF (Toff) al tiristorului.

Mărimea tensiunii de ieșire este jumătate din tensiunea de alimentare perioada de utilizare și sursa este de 50%. Acesta este un dezavantaj al invertorului cu jumătate de punte, iar soluția acestuia este invertorul cu punte completă.

B) Invertor monofazat cu punte completă

În acest tip de invertor, se utilizează patru tiristoare și patru diode. Diagrama circuitului podului monofazat complet este așa cum se arată în figura de mai jos.

La un moment dat, două tiristoare T1 și T2 conduc pentru prima jumătate a ciclului 0 <t <T / 2. În această perioadă, tensiunea de încărcare este Vs, care este similară cu tensiunea de alimentare DC.

Pentru a doua jumătate a ciclului T / 2 <t <T, conduc două tiristoare T3 și T4. Tensiunea de încărcare în această perioadă este -Vs.

Aici putem obține tensiunea de ieșire AC la fel ca tensiunea de alimentare DC și factorul de utilizare a sursei este de 100%. Forma de undă a tensiunii de ieșire este formă de undă pătrată, iar filtrele sunt utilizate pentru ao converti într-o undă sinusoidală.

Dacă toți tirorii conduc în același timp sau într-o pereche de (T1 și T3) sau (T2 și T4), atunci sursa va fi scurtcircuitată. Diodele sunt conectate în circuit ca diodă de feedback, deoarece este utilizată pentru feedback-ul de energie la sursa de curent continuu.

Dacă comparăm invertorul cu punte completă cu invertorul cu jumătate de punte, pentru sarcina dată de tensiune de alimentare DC, tensiunea de ieșire este de două ori, iar ieșirea este puterea de patru ori în invertorul cu punte completă.

2) Invertor trifazat de pod

În cazul încărcării industriale, se folosește alimentarea trifazată ca și pentru aceasta trebuie să folosim un invertor trifazat. În acest tip de invertor, se utilizează șase tiristoare și șase diode și sunt conectate așa cum se arată în figura de mai jos.

Poate funcționa în două moduri în funcție de gradul impulsurilor de poartă.

• Mod de 180 de grade
• Mod de 120 de grade

A) Mod de 180 de grade

În acest mod de funcționare, timpul de conducere pentru tiristor este de 180 de grade. În orice moment al perioadei, trei tiristoare (câte un tiristor din fiecare fază) sunt în modul de conducere. Forma tensiunii de fază este formată din trei forme de undă în trepte, iar forma tensiunii de linie este o undă cvasi-pătrată așa cum se arată în figură.

Vab = Va0 - Vb0 Vbc = Vb0 - Vc0 Vca = Vc0 - Va0

Faza A	T1	T4	T1	T4
Faza B	T6	T3	T6	T3	T6
Faza C.	T5	T2	T5	T2	T5
Grad	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Conducta tiristorului	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6	1 5 6	6 1 2	1 2 3	2 3 4	3 4 5	4 5 6

În această operație, diferența de timp dintre comutarea tiristorului de ieșire și conducerea tiristorului de intrare este zero. Deci, este posibilă conducerea simultană a tiristorului de intrare și de ieșire. Rezultă un scurtcircuit al sursei. Pentru a evita această dificultate, se folosește modul de operare de 120 de grade.

B) Mod de 120 de grade

În această operație, la un moment dat conduc doar doi tiristoare. Una dintre fazele tiristorului nu este nici conectată la terminalul pozitiv, nici conectat la terminalul negativ. Timpul de conducere pentru fiecare tiristor este de 120 de grade. Forma tensiunii de linie este în formă de undă în trei trepte, iar forma tensiunii de fază este o formă de undă cvasi-pătrată.

Faza A	T1		T4		T1		T4
Faza B	T6		T3		T6		T3		T6
Faza C.		T2		T5		T2		T5
grad	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Conducta tiristorului	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Forma de undă a tensiunii de linie, a tensiunii de fază și a impulsului de poartă al tiristorului este așa cum se arată în figura de mai sus.

În orice comutatoare electronice de putere, există două tipuri de pierderi; pierderea de conducere și pierderea de comutare. Pierderea prin conducție înseamnă pierderea stării PORNITE în comutator, iar pierderea prin comutare înseamnă pierderea stării OPRIT în comutator. În general, pierderea de conducere este mai mare decât pierderea de comutare în cea mai mare parte a operației.

Dacă luăm în considerare modul de 180 de grade pentru o operație de 60 de grade, trei comutatoare sunt deschise și trei comutatoare sunt închise. Înseamnă pierderea totală este egală cu de trei ori pierderea de conducere plus de trei ori a pierderii de comutare.

Pierderea totală în 180 de grade = 3 (pierderea conductanței) + 3 (pierderea de comutare)

Dacă luăm în considerare modul de 120 de grade pentru o operație de 60 de grade, două comutatoare sunt deschise și restul celor patru comutatoare sunt închise. Înseamnă că pierderea totală este egală cu două ori a pierderii de conductanță plus patru ori a pierderii de comutare.

Pierderea totală în 120 de grade = 2 (pierderea conductanței) + 4 (pierderea de comutare)

(IV) Clasificare în conformitate cu tehnica de control

• Modulație de lățime a impulsului unic (PWM unic)
• Modulație multiplă a lățimii impulsurilor (MPWM)
• Modulația lățimii impulsului sinusoidal (SPWM)
• Modulație modificată a lățimii impulsurilor sinusoidale (MSPWM)

Ieșirea invertorului este semnal de undă pătrată și acest semnal nu este utilizat pentru încărcare. Tehnica de modulare a lățimii impulsurilor (PWM) este utilizată pentru a controla tensiunea de ieșire AC. Acest control este obținut prin controlul perioadei ON și OFF a comutatoarelor. În tehnica PWM sunt utilizate două semnale; unul este semnalul de referință și al doilea este semnalul purtător triunghiular. Pulsul porții pentru comutatoare este generat prin compararea acestor două semnale. Există diferite tipuri de tehnici PWM.

1) Modulație de lățime a impulsului unic (PWM unic)

Pentru fiecare jumătate de ciclu, singurul impuls este disponibil în această tehnică de control. Semnalul de referință este semnal de undă pătrată, iar semnalul purtător este semnal de undă triunghiulară. Pulsul porții pentru comutatoare este generat prin compararea semnalului de referință și a semnalului purtător. Frecvența tensiunii de ieșire este controlată de frecvența semnalului de referință. Amplitudinea semnalului de referință este Ar și amplitudinea semnalului purtător este Ac, atunci indicele de modulație poate fi definit ca Ar / Ac. Principalul dezavantaj al acestei tehnici este conținutul armonic ridicat.

2) Modulație multiplă a lățimii impulsurilor (MPWM)

Dezavantajul tehnicii de modulare a lățimii impulsului unic este rezolvat prin PWM multiple. În această tehnică, în loc de un impuls, sunt utilizate mai multe impulsuri în fiecare jumătate de ciclu al tensiunii de ieșire. Poarta este generată prin compararea semnalului de referință și a semnalului purtător. Frecvența de ieșire este controlată prin controlul frecvenței semnalului purtător. Indicele de modulație este utilizat pentru a controla tensiunea de ieșire.

Numărul de impulsuri pe jumătate de ciclu = fc / (2 * f0)

Unde fc = frecvența semnalului purtătorului

f0 = frecvența semnalului de ieșire

3) Modulația lățimii impulsurilor sinusoidale (SPWM)

Această tehnică de control este utilizată pe scară largă în aplicații industriale. În cele două metode de mai sus, semnalul de referință este un semnal de undă pătrată. Dar în această metodă, semnalul de referință este un semnal cu undă sinusoidală. Pulsul porții pentru comutatoare este generat prin compararea semnalului de referință al undei sinusoidale cu unda purtătoare triunghiulară. Lățimea fiecărui impuls variază în funcție de variația amplitudinii undei sinusoidale. Frecvența formei de undă de ieșire este aceeași cu frecvența semnalului de referință. Tensiunea de ieșire este o undă sinusoidală, iar tensiunea RMS poate fi controlată prin indicele de modulație. Formele de undă sunt așa cum se arată în figura de mai jos.

4) Modularea lățimii impulsului sinusoidal modificat (MSPWM)

Datorită caracteristicii undei sinusoidale, lățimea impulsului undei nu poate fi modificată cu variații ale indicelui de modulație în tehnica SPWM. Acesta este motivul pentru care este introdusă tehnica MSPWN. În această tehnică, semnalul purtător este aplicat în timpul primului și ultimului interval de 60 de grade din fiecare jumătate de ciclu. În acest fel, caracteristica sa armonică este îmbunătățită. Principalul avantaj al acestei tehnici este creșterea componentei fundamentale, numărul redus de dispozitive de putere de comutare și scăderea pierderilor de comutare. Forma de undă este așa cum se arată în figura de mai jos.

(V) În funcție de numărul de niveluri de ieșire

• Invertor regulat pe două niveluri
• Invertor multi-nivel

1) Invertor regulat pe două niveluri

Aceste invertoare au numai niveluri de tensiune la ieșire, care sunt tensiune de vârf pozitivă și tensiune de vârf negativă. Uneori, având un nivel de tensiune zero este, de asemenea, cunoscut sub numele de invertor cu două niveluri.

2) Invertoare pe mai multe niveluri

Aceste invertoare pot avea mai multe niveluri de tensiune la ieșire. Invertorul cu mai multe niveluri este împărțit în patru părți.

- Invertor de condensator de zbor

- Invertor cu diodă

- Invertor hibrid

- Invertor de tip Cascade H.

Fiecare invertor are propriul design pentru funcționare, aici am explicat pe scurt aceste invertoare pentru a obține idei de bază despre ele.