Ознайомлення з різними типами інверторів

Джерело змінного струму (змінного струму) використовується майже для всіх житлових, комерційних та промислових потреб. Але найбільша проблема AC є те, що її не можна зберігати для подальшого використання. Отже, змінний струм перетворюється в постійний, а потім постійний струм зберігається в батареях та ультраконденсаторах. І тепер, коли потрібен змінний струм, постійний струм знову перетворюється в змінний для запуску приладів на основі змінного струму. Тож пристрій, який перетворює постійний струм в змінний, називається інвертором. Інвертор використовується для перетворення постійного струму в змінний змінний. Ця варіація може бути у величині напруги, кількості фаз, частоті або різниці фаз.

Класифікація інвертора

Інвертор можна класифікувати на багато типів залежно від потужності, джерела, типу навантаження тощо. Нижче наводиться повна класифікація схем інвертора:

(I) Відповідно до вихідної характеристики

1. Квадратно-хвильовий інвертор
2. Інвертор синусоїди
3. Модифікований синусоїдальний інвертор

(II) Відповідно до джерела інвертора

1. Інвертор джерела струму
2. Інвертор джерела напруги

(III) Відповідно до типу навантаження

1. Однофазний інвертор
   1. Інвертор половинного мосту
   2. Повний мостовий інвертор
2. Трифазний інвертор
   1. 180-градусний режим
   2. 120-градусний режим

(IV) Відповідно до різних методів ШІМ

1. Проста модуляція ширини імпульсу (ШІМ)
2. Модуляція багаторазової імпульсної ширини (MPWM)
3. Синусоїдальна модуляція ширини імпульсу (ШІМ)
4. Модифікована синусоїдальна модуляція ширини імпульсу (MSPWM)

(V) За числом вихідного рівня

1. Звичайний дворівневий інвертор
2. Багаторівневий інвертор

Зараз ми обговоримо їх усіх по одному. Ви можете перевірити зразок схеми інвертора змінного струму від 12 до 220 В тут.

(I) Відповідно до вихідної характеристики

За вихідною характеристикою інвертора можуть бути три різні типи інверторів.

• Квадратно-хвильовий інвертор
• Інвертор синусоїди
• Модифікований синусоїдальний інвертор

1) Квадратний хвильовий інвертор

Вихідною формою сигналу напруги для цього інвертора є квадратна хвиля. Цей тип інвертора найменше використовується серед усіх інших типів інверторів, оскільки всі прилади розроблені для подачі синусоїди. Якщо ми поставляємо квадратну хвилю на прилад на основі синусоїди, він може пошкодитися або втрати дуже великі. Вартість цього інвертора дуже низька, але застосування дуже рідко. Його можна використовувати в простих інструментах з універсальним двигуном.

2) Синусоїда

Вихідною формою сигналу напруги є синусоїда, і вона дає нам дуже подібний вихід до джерела живлення. Це головна перевага цього інвертора, оскільки всі прилади, якими ми користуємось, розроблені для синусоїди. Отже, це ідеальний результат і дає гарантію належної роботи обладнання. Цей тип інверторів є більш дорогим, але широко використовується в житлових та комерційних цілях.

3) Модифікована синусоїда

Конструкція цього типу інвертора є складною, ніж простий прямокутний інвертор, але простіша в порівнянні з інвертором із чистою синусоїдою. Вихід цього інвертора не є ні чистою синусоїдою, ні квадратною хвилею. Виходом такого інвертора є частина двох квадратних хвиль. Вихідна форма сигналу - це не зовсім синусоїда, але вона нагадує форму синусоїди.

(II) Відповідно до джерела інвертора

• Інвертор джерела напруги
• Інвертор джерела струму

1) Інвертор поточного джерела

У CSI вхід є джерелом струму. Цей тип інверторів використовується в промислових цілях середньої напруги, де якісні сигнали струму є обов'язковими. Але CSI не популярні.

2) Інвертор джерела напруги

У VSI вхід є джерелом напруги. Цей тип інвертора використовується у всіх додатках, оскільки він є більш ефективним, має вищу надійність та швидший динамічний відгук. VSI здатний працювати на двигунах без зниження рейтингу.

(III) Відповідно до типу навантаження

• Однофазний інвертор
• Трифазний інвертор

1) однофазний інвертор

Як правило, житлове та комерційне навантаження використовує однофазне живлення. Для цього типу застосування використовується однофазний інвертор. Далі однофазний інвертор розділений на дві частини;

• Однофазний напівмостовий інвертор
• Однофазний повномостовий інвертор

А) Однофазний напівмостовий інвертор

Цей тип інвертора складається з двох тиристорів та двох діодів, а підключення відбувається, як показано на малюнку нижче.

У цьому випадку загальна напруга постійного струму дорівнює Vs і ділиться на дві рівні частини Vs / 2. Час одного циклу - T с.

Для напівцикла 0

Для другої половини циклу Т / 2

Vo = Vs / 2

Завдяки цій операції ми можемо отримати форму сигналу змінної напруги з частотою 1 / Т Гц та піковою амплітудою Vs / 2. Вихідною формою сигналу є квадратна хвиля. Він пройде через фільтр і видалить небажані гармоніки, які дають нам чисту форму синусоїди. Частотою сигналу можна керувати за часом включення (тон) та часу вимкнення (тофф) тиристора.

Величина вихідної напруги становить половину від напруги живлення і джерела період використання становить 50%. Це недолік напівмостового інвертора, і рішення цього - повномостовий інвертор.

Б) Однофазний повномостовий інвертор

У цьому типі інвертора використовуються чотири тиристори та чотири діоди. Схема однофазного повного мосту така, як показано на малюнку нижче.

Одночасно два тиристори T1 і T2 проводять протягом першого півцикла 0 <t <T / 2. У цей період напруга навантаження дорівнює Vs, що аналогічно напрузі живлення постійного струму.

Для другого напівцикла T / 2 <t <T проводять два тиристори T3 і T4. Напруга навантаження в цей період становить -Vs.

Тут ми можемо отримати вихідну напругу змінного струму, таку ж, як напруга живлення постійного струму, а коефіцієнт використання джерела становить 100%. Форма сигналу вихідної напруги є квадратною, і фільтри використовуються для перетворення її в синусоїду.

Якщо всі тиристори працюють одночасно або в парі (Т1 і Т3) або (Т2 і Т4), тоді джерело буде короткозамкнене. Діоди з'єднані в ланцюзі як діод зворотного зв'язку, оскільки він використовується для зворотного зв'язку енергії з джерелом постійного струму.

Якщо порівняти повний мостовий інвертор з напівмостовим інвертором, для даного навантаження напруги постійного струму вихідна напруга в два рази, а вихідна потужність - чотири рази в повному мостовому інверторі.

2) Трифазний інвертор мосту

У випадку промислового навантаження використовується трифазне живлення змінного струму, і для цього нам потрібно використовувати трифазний інвертор. У цьому типі інвертора використовується шість тиристорів і шість діодів, які підключені, як показано на малюнку нижче.

Він може працювати в двох режимах відповідно до ступеня імпульсів затвора.

• 180-градусний режим
• 120-градусний режим

А) 180-градусний режим

У цьому режимі роботи час провідності тиристора становить 180 градусів. У будь-який час періоду три тиристори (по одному тиристору від кожної фази) перебувають у режимі провідності. Форма фазної напруги становить три ступінчасті форми, а форма лінійної напруги - квазіквадратична хвиля, як показано на малюнку.

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

Фаза А	Т1	Т4	Т1	Т4
Фаза В	Т6	Т3	Т6	Т3	Т6
Фаза С	Т5	Т2	Т5	Т2	Т5
Ступінь	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Тиристор проводить	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

У цій операції розрив у часі між комутацією вихідного тиристора та провідністю вхідного тиристора дорівнює нулю. Отже, можлива одночасна проведення вхідного та вихідного тиристора. Це призводить до короткого замикання джерела. Щоб уникнути цієї складності, використовується 120-градусний режим роботи.

Б) 120-градусний режим

У цій операції одночасно проводять лише два тиристори. Одна з фаз тиристора не підключена ні до позитивної, ні до негативної клеми. Час провідності кожного тиристора становить 120 градусів. Форма лінійної напруги є триступеневою, а форма фазної напруги - квазіквадратичною.

Фаза А	Т1		Т4		Т1		Т4
Фаза В	Т6		Т3		Т6		Т3		Т6
Фаза С		Т2		Т5		Т2		Т5
ступінь	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Тиристор проводить	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	6 5	1 6	2 1	3 2	3 4	4 5	5 6

Форма сигналу лінійної напруги, фазної напруги та імпульсу затвора тиристора така, як показано на малюнку вище.

У будь-яких силових електронних вимикачах є два типи втрат; втрати провідності та комутаційні втрати. Втрата провідності означає втрату стану у вимкненому стані в комутаторі, а втрата при перемиканні означає втрату стану у вимкненому стані в комутаторі. Як правило, втрати на провідність більші, ніж втрати на перемикання у більшості операцій.

Якщо розглянути 180-градусний режим для однієї 60-градусної роботи, три перемикачі відкриті, а три перемикачі закриті. Означає, що загальна втрата дорівнює трьом кратним втратам провідності плюс три рази комутаційним втратам.

Загальна втрата в 180 градусів = 3 (втрата провідності) + 3 (втрата при перемиканні)

Якщо розглянути 120-градусний режим для однієї 60-градусної роботи, два перемикачі відкриті, а решта з чотирьох перемикачів закриті. Означає, що загальна втрата дорівнює двом кратам втрат провідності плюс чотири рази втрат від перемикання.

Загальна втрата в 120 градусів = 2 (втрата провідності) + 4 (втрата при перемиканні)

(IV) Класифікація відповідно до техніки контролю

• Модуляція по одній імпульсній ширині (одинарна ШІМ)
• Модуляція багаторазової імпульсної ширини (MPWM)
• Синусоїдальна модуляція ширини імпульсу (ШІМ)
• Модифікована синусоїдальна модуляція ширини імпульсу (MSPWM)

Виходом інвертора є сигнал прямокутної хвилі, і цей сигнал не використовується для навантаження. Метод широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) використовується для контролю вихідної напруги змінного струму. Цей контроль отримується шляхом управління періодом увімкнення та вимкнення вимикачів. У техніці ШІМ використовуються два сигнали; один - опорний сигнал, а другий - трикутний несучий сигнал. Імпульс затвора для комутаторів генерується шляхом порівняння цих двох сигналів. Існують різні типи методів ШІМ.

1) Модуляція по одній імпульсній ширині (одинарна ШІМ)

На кожні півцикли в цій техніці контролю доступний єдиний імпульс. Опорним сигналом є квадратний хвильовий сигнал, а несучим - трикутний хвильовий сигнал. Імпульс затвора для комутаторів генерується порівнянням опорного сигналу та сигналу несучої. Частота вихідної напруги регулюється частотою опорного сигналу. Амплітуда опорного сигналу Ar, а амплітуда несучого сигналу Ac, тоді індекс модуляції можна визначити як Ar / Ac. Основним недоліком цієї техніки є високий вміст гармоніки.

2) Модуляція багаторазової імпульсної ширини (MPWM)

Недолік техніки модуляції з однією імпульсною шириною вирішується багаторазовим ШІМ. У цій техніці замість одного імпульсу використовується кілька імпульсів в кожному півциклі вихідної напруги. Затвор генерується порівнянням опорного сигналу та сигналу несучої. Вихідна частота регулюється контролем частоти несучого сигналу. Індекс модуляції використовується для управління вихідною напругою.

Кількість імпульсів за півциклу = fc / (2 * f0)

Де fc - частота несучого сигналу

f0 = частота вихідного сигналу

3) Синусоїдальна модуляція ширини імпульсу (ШІМ)

Ця техніка управління широко використовується в промислових цілях. У наведених вище обох методах опорним сигналом є сигнал прямокутної хвилі. Але в цьому методі опорний сигнал є сигналом синусоїди. Імпульс затвора для комутаторів генерується шляхом порівняння опорного сигналу синусоїди з трикутною несучою хвилею. Ширина кожного імпульсу змінюється залежно від зміни амплітуди синусоїди. Частота вихідного сигналу така ж, як частота опорного сигналу. Вихідна напруга є синусоїдою, а середньоквадратичну напругу можна регулювати за допомогою індексу модуляції. Форми хвилі показані на малюнку нижче.

4) Модифікована синусоїдальна модуляція ширини імпульсу (MSPWM)

Через характеристику синусоїди, ширину імпульсу хвилі не можна змінювати із зміною показника модуляції в техніці ШПВМ. Ось причина, впроваджена методика MSPWN. У цій техніці несучий сигнал застосовується протягом першого та останнього 60-градусного інтервалу кожного напівцикла. Таким чином покращується його гармонічна характеристика. Головною перевагою цієї техніки є збільшення основного компонента, зменшення кількості пристроїв імпульсної потужності та зменшення комутаційних втрат. Форма сигналу така, як показано на малюнку нижче.

(V) Відповідно до кількості рівнів на виході

• Звичайний дворівневий інвертор
• Багаторівневий інвертор

1) Звичайний дворівневий інвертор

Ці інвертори мають лише рівні напруги на виході, які є позитивною піковою напругою та негативною піковою напругою. Іноді наявність нульового рівня напруги також називають дворівневим інвертором.

2) Багаторівневі інвертори

Ці інвертори можуть мати кілька рівнів напруги на виході. Багаторівневий інвертор розділений на чотири частини.

- Літаючий конденсатор-інвертор

- Інвертор із затисканням діодів

- Гібридний інвертор

- Каскадний інвертор H-типу

Кожен інвертор має власну конструкцію для роботи, тут ми коротко пояснили цей інвертор, щоб отримати основні уявлення про них.