Strømomformer - Power inverter

Fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
En inverter på et fritstående solcelleanlæg
Oversigt over solcelleomformere

En effektomformer eller inverter er en elektronisk enhed eller et kredsløb, der ændrer jævnstrøm (DC) til vekselstrøm (AC). Den resulterende vekselstrømsfrekvens, der opnås, afhænger af den anvendte enhed. Invertere gør det modsatte af "konvertere", som oprindeligt var store elektromekaniske enheder, der konverterede AC til DC.

Input spænding , udgangsspænding og frekvens, og den samlede effekt håndtering afhænger af designet af den specifikke enhed eller kredsløb. Inverteren producerer ikke strøm; strømmen leveres af jævnstrømskilden.

En effektomformer kan være helt elektronisk eller kan være en kombination af mekaniske effekter (såsom et roterende apparat) og elektroniske kredsløb. Statiske invertere bruger ikke bevægelige dele i konverteringsprocessen.

Effektomformere bruges primært til elektriske applikationer, hvor der er høje strømme og spændinger; kredsløb, der udfører den samme funktion for elektroniske signaler, som normalt har meget lave strømme og spændinger, kaldes oscillatorer . Kredsløb, der udfører den modsatte funktion, konvertering af AC til DC, kaldes ensrettere .

Input og output

Indgangsspænding

En typisk strømomformer enhed eller kredsløb kræver en stabil jævnstrømskilde, der er i stand til at levere tilstrækkelig strøm til systemets tilsigtede strømbehov. Indgangsspændingen afhænger af omformerens design og formål. Eksempler inkluderer:

  • 12 V DC, til mindre forbrugere og kommercielle invertere, der typisk kører fra et genopladeligt 12 V blybatteri eller en stikkontakt til biler.
  • 24, 36 og 48 V DC, som er almindelige standarder for hjemmeenergisystemer.
  • 200 til 400 V DC, når strømmen kommer fra solcelleanlæg.
  • 300 til 450 V jævnstrøm, når strømmen er fra batteripakker til elbiler i køretøj-til-net-systemer.
  • Hundredtusinder af volt, hvor inverteren er en del af et højspændings jævnstrømstransmissionssystem .

Udgangsbølgeform

En inverter kan producere en firkantbølge, modificeret sinusbølge, pulseret sinusbølge, pulsbreddemoduleret bølge (PWM) eller sinusbølge afhængigt af kredsløbsdesign. Almindelige typer af invertere producerer firkantede eller kvasi-firkantede bølger. Et mål for renheden af ​​en sinusbølge er den totale harmoniske forvrængning (THD). En 50% duty puls firkantbølge svarer til en sinusbølge med 48% THD. Tekniske standarder for kommercielle elfordelingsnet kræver mindre end 3% THD i bølgeform ved kundens tilslutningspunkt. IEEE Standard 519 anbefaler mindre end 5% THD til systemer, der opretter forbindelse til et elnet.

Der er to grundlæggende designs til produktion af husstandsspænding fra en jævnstrømskilde med lavere spænding, hvoraf den første bruger en switch boost-konverter til at producere en jævnstrøm med højere spænding og derefter konverteres til AC. Den anden metode konverterer jævnstrøm til vekselstrøm ved batteriniveau og bruger en linjefrekvens transformer til at skabe udgangsspændingen.

Firkantet bølge

Firkantet bølge

Dette er en af ​​de enkleste bølgeformer, som et inverterdesign kan producere og er bedst egnet til applikationer med lav følsomhed såsom belysning og opvarmning. Firkantbølgeoutput kan producere "brummen", når det er tilsluttet lydudstyr og er generelt uegnet til følsom elektronik.

Sinusbølge

Sinusbølge

En effektomformerindretning, der producerer en sinusformet vekselstrømsbølgeform i flere trin, kaldes en sinusbølgeomformer . For mere tydeligt at skelne invertere med udgange med meget mindre forvrængning end den modificerede sinusbølge (tre-trins) inverterdesign bruger producenterne ofte sætningen ren sinusbølgeomformer . Næsten alle invertere af forbrugerkvalitet, der sælges som en "ren sinusbølgeomformer", producerer slet ikke en jævn sinusbølgeoutput, bare en mindre hakket udgang end kvadratbølgen (totrins) og modificeret sinusbølge (tre-trins) invertere. Dette er dog ikke kritisk for de fleste elektronik, da de håndterer output ganske godt.

Hvor effektomformerenheder erstatter standardstrømforsyning, er en sinusbølgeoutput ønskelig, fordi mange elektriske produkter er konstrueret til at fungere bedst med en sinusbølge-vekselstrømskilde. Det elektriske standardværktøj giver en sinusbølge, typisk med mindre ufuldkommenheder, men nogle gange med betydelig forvrængning.

Sinusbølgeformere med mere end tre trin i bølgeoutputtet er mere komplekse og har betydeligt højere omkostninger end en modificeret sinusbølge med kun tre trin eller firkantbølgetyper (et trin) af den samme effekthåndtering. Switch-mode strømforsyningsenheder (SMPS), såsom pc'er eller DVD-afspillere, fungerer på modificeret sinusbølgeeffekt. Vekselstrømsmotorer, der drives direkte på ikke-sinusformet effekt, kan producere ekstra varme, kan have forskellige hastighedsmomentegenskaber eller kan producere mere hørbar støj, end når de kører på sinusformet effekt.

Modificeret sinusbølge

Bølgeform produceret af en cigarettænder 12 volt DC til 120 V AC 60 Hz inverter

Den modificerede sinusbølgeoutput fra en sådan inverter er summen af ​​to firkantbølger, hvoraf den ene er faseforskudt 90 grader i forhold til den anden. Resultatet er tre niveau bølgeform med lige store intervaller på nul volt; peak positive volt; nul volt; peak negative volt og derefter nul volt. Denne sekvens gentages. Den resulterende bølge ligner meget groft formen på en sinusbølge. De fleste billige forbrugerkraftomformere producerer en modificeret sinusbølge snarere end en ren sinusbølge.

Bølgeformen i kommercielt tilgængelige modificerede-sinus-bølgeomformere ligner en firkantbølge, men med en pause under polaritetsomvendingen. Skiftetilstande er udviklet til positive, negative og nul spændinger. Hvis bølgeformen vælges til at have sine spidsværdier i halvdelen af ​​cyklustiden, er spændingsforholdet mellem spænding og RMS den samme som for en sinusbølge. DC-busspændingen kan reguleres aktivt, eller "til" og "fra" -tiderne kan modificeres for at opretholde den samme RMS-værdioutput op til DC-busspændingen for at kompensere for DC-busspændingsvariationer. Ved at ændre pulsbredden kan det harmoniske spektrum ændres. Den laveste THD for en tretrins modificeret sinusbølge er 30%, når impulserne har en bredde på 130 grader af hver elektriske cyklus. Dette er lidt lavere end for en firkantet bølge.

Forholdet mellem til og fra tid kan justeres for at variere RMS-spændingen, samtidig med at der opretholdes en konstant frekvens med en teknik kaldet pulsbreddemodulation (PWM). De genererede portimpulser gives til hver switch i overensstemmelse med det udviklede mønster for at opnå det ønskede output. Harmonisk spektrum i output afhænger af impulsenes bredde og moduleringsfrekvensen. Det kan vises, at den minimale forvrængning af en tre-niveau bølgeform nås, når impulser strækker sig over 130 grader af bølgeformen, men den resulterende spænding vil stadig have ca. 30% THD, højere end kommercielle standarder for netforbundne strømkilder. Ved betjening af induktionsmotorer er spændingsovertoner normalt ikke bekymrende; harmonisk forvrængning i den aktuelle bølgeform indfører imidlertid yderligere opvarmning og kan frembringe pulserende drejningsmomenter.

Talrige elektriske apparater fungerer ret godt på modificerede inverter til sinusbølgeeffekter, især belastninger, der er modstandsdygtige, såsom traditionelle glødepærer. Elementer med en switch-strømforsyning fungerer næsten helt uden problemer, men hvis artiklen har en strømtransformator, kan denne blive overophedet afhængigt af, hvor marginalt den er klassificeret.

Belastningen kan dog fungere mindre effektivt på grund af harmoniske forbindelser forbundet med en modificeret sinusbølge og frembringe en brummende støj under drift. Dette påvirker også systemets effektivitet som helhed, da producentens nominelle konverteringseffektivitet ikke tager højde for harmoniske. Derfor kan rene sinusbølgelige omformere give betydeligt højere effektivitet end modificerede sinusbølgeomformere.

De fleste vekselstrømsmotorer kører på MSW-omformere med en effektivitetsreduktion på ca. 20% på grund af det harmoniske indhold. De kan dog være meget støjende. Et LC-seriefilter indstillet til den grundlæggende frekvens kan hjælpe.

En almindelig modificeret sinusbølge-inverter-topologi, der findes i strømforsyninger til forbrugere, er som følger: En indbygget mikrocontroller tænder og slukker hurtigt for MOSFET'er ved høj frekvens som ~ 50 kHz. MOSFET'erne trækkes direkte fra en jævnstrømskilde med lav spænding (f.eks. Et batteri). Dette signal går derefter gennem step-up transformere (generelt er mange mindre transformere placeret parallelt for at reducere den samlede størrelse af inverteren) for at producere et signal med højere spænding. Outputtet fra step-up transformatorerne filtreres derefter af kondensatorer til at producere en jævnstrømsforsyning med høj spænding. Endelig pulseres denne jævnstrømsforsyning med yderligere strøm-MOSFET'er af mikrokontrolleren for at producere det endelige modificerede sinusbølgesignal.

Mere komplekse omformere bruger mere end to spændinger til at danne en tilnærmelse med flere trin til en sinusbølge. Disse kan yderligere reducere spændings- og strømovertoner og THD sammenlignet med en inverter, der kun bruger alternerende positive og negative impulser; men sådanne invertere kræver yderligere koblingskomponenter, hvilket øger omkostningerne.

Nær sinusbølge PWM

Et eksempel på PWM-spænding moduleret som en række pulser . Lavpasfiltrering med serieinduktorer og shuntkondensatorer er påkrævet for at undertrykke skiftefrekvensen. Når det er filtreret, resulterer dette i en næsten sinusformet bølgeform . Filtreringskomponenterne er mindre og mere bekvemme end dem, der kræves for at udjævne en modificeret sinusbølge til en ækvivalent harmonisk renhed.

Nogle invertere bruger PWM til at skabe en bølgeform, der kan lavpasfiltreres for at genskabe sinusbølgen. Disse kræver kun en jævnstrømsforsyning på samme måde som MSN-designene, men skiftet finder sted med en langt hurtigere hastighed, typisk mange KHz, så den varierende bredde af impulser kan udjævnes for at skabe sinusbølgen. Hvis en mikroprocessor bruges til at generere skiftetimingen, kan det harmoniske indhold og effektiviteten kontrolleres nøje.

Udgangsfrekvens

AC-udgangsfrekvensen for en effektomformerindretning er normalt den samme som standard strømlinjefrekvens, 50 eller 60 hertz . Undtagelsen er i design til motorkørsel, hvor en variabel frekvens resulterer i en variabel hastighedskontrol.

Hvis udgangen fra enheden eller kredsløbet skal konditioneres yderligere (for eksempel forstærkes), kan frekvensen være meget højere for god transformereffektivitet.

Udgangsspænding

Vekselstrømsomformerens AC-udgangsspænding reguleres ofte til at være den samme som netledningsspændingen, typisk 120 eller 240 VAC ved fordelingsniveauet, selv når der er ændringer i belastningen, som inverteren kører. Dette gør det muligt for inverteren at drive adskillige enheder designet til standard strømforsyning.

Nogle invertere tillader også valgbare eller kontinuerligt variable udgangsspændinger.

Udgangseffekt

En effektomformer vil ofte have en samlet effektklassificering udtrykt i watt eller kilowatt. Dette beskriver den strøm, der vil være tilgængelig for enheden, som inverteren kører, og indirekte den strøm, der skal bruges fra jævnstrømskilden. Mindre populære forbruger- og kommercielle enheder designet til at efterligne strømforsyning varierer typisk fra 150 til 3000 watt.

Ikke alle inverterapplikationer vedrører udelukkende eller primært strømforsyning; i nogle tilfælde bruges frekvens- og / eller bølgeformegenskaberne af opfølgningskredsløbet eller enheden.

Batterier

Den runtime af en inverter drevet af batterier er afhængig af batteristrøm og den mængde strøm, som trækkes fra omformeren på et givet tidspunkt. Efterhånden som mængden af ​​udstyr, der bruger inverteren, øges, reduceres køretiden. For at forlænge en omformers driftstid kan der tilføjes ekstra batterier til inverteren.

Formel til beregning af inverterens batterikapacitet:

Batterikapacitet (Ah) = total belastning (i watt) X brugstid (i timer) / indgangsspænding (V)

Når du forsøger at tilføje flere batterier til en inverter, er der to grundlæggende muligheder for installation:

Seriekonfiguration
Hvis målet er at øge den samlede indgangsspænding til inverteren, kan man kæde batterier i seriekonfiguration. I et seriekonfiguration, hvis et enkelt batteri dør, er de andre batterier ikke i stand til at drive belastningen.
Parallel konfiguration
Hvis målet er at øge kapaciteten og forlænge omformerens driftstid, kan batterier tilsluttes parallelt . Dette øger den samlede amperetimer (Ah) for batterisættet.
Hvis der dog aflades et enkelt batteri, aflades de andre batterier gennem det. Dette kan føre til hurtig afladning af hele pakken eller endda en overstrøm og mulig brand. For at undgå dette kan store parallelle batterier forbindes via dioder eller intelligent overvågning med automatisk skift for at isolere et underspændingsbatteri fra de andre.

Ansøgninger

Brug af jævnstrømskilde

Inverter designet til at levere 115 V AC fra 12 V DC-kilden, der leveres i en bil. Den viste enhed giver op til 1,2 ampere vekselstrøm eller nok til at få strøm til to 60 W-pærer.

En inverter konverterer jævnstrøm fra kilder såsom batterier eller brændselsceller til vekselstrøm. Elektriciteten kan være ved enhver ønsket spænding; især kan den betjene vekselstrømsudstyr designet til lysdrift eller rettet for at producere jævnstrøm ved enhver ønsket spænding.

Uafbrydelig strømforsyning

En uafbrydelig strømforsyning (UPS) bruger batterier og en inverter til at levere vekselstrøm, når der ikke er strømforsyning. Når strømmen er genoprettet, forsyner en ensretter jævnstrøm til at genoplade batterierne.

Elektrisk motorhastighedskontrol

Inverterkredsløb designet til at producere et variabelt udgangsspændingsområde bruges ofte inden for motorhastighedsregulatorer. DC-strømmen til invertersektionen kan stamme fra en normal vekselstrømsstikkontakt eller en anden kilde. Kontrol- og tilbagekoblingskredsløb bruges til at justere inverter-sektionens endelige output, som i sidste ende vil bestemme motorens hastighed under dens mekaniske belastning. Motorhastighedskontrolbehovet er mange og inkluderer ting som: industrielt motordrevet udstyr, elektriske køretøjer, jernbanetransportsystemer og elværktøj. (Se relateret: drev med variabel frekvens ) Skiftetilstande udvikles til positive, negative og nul spændinger i henhold til de mønstre, der er angivet i skiftetabel 1. De genererede portimpulser gives til hver switch i overensstemmelse med det udviklede mønster og dermed output opnås.

I kølekompressorer

En inverter kan bruges til at kontrollere kompressormotorens hastighed til at drive variabel kølemiddelstrøm i et køle- eller klimaanlæg for at regulere systemets ydeevne. Sådanne installationer er kendt som inverterkompressorer . Traditionelle metoder til køleregulering bruger kompressorer med en hastighed, der periodisk tændes og slukkes; inverter-udstyrede systemer har et frekvensomformer, der styrer motorens hastighed og dermed kompressoren og køleeffekten. Frekvensomformeren med variabel frekvens fra inverteren driver en børsteløs motor eller en induktionsmotor , hvis hastighed er proportional med frekvensen af ​​den vekselstrøm, den tilføres, så kompressoren kan køres ved variable hastigheder - eliminerer kompressorens stop-start-cyklusser øger effektiviteten. En mikrokontroller overvåger typisk temperaturen i det rum, der skal afkøles, og justerer kompressorens hastighed for at opretholde den ønskede temperatur. Den ekstra elektronik og systemhardware tilføjer udstyret omkostninger, men kan resultere i betydelige besparelser i driftsomkostningerne. De første inverter-klimaanlæg blev frigivet af Toshiba i 1981 i Japan.

Elnet

Gridbundne invertere er designet til at strømme ind i det elektriske kraftfordelingssystem. De overføres synkront med linjen og har så lidt harmonisk indhold som muligt. De har også brug for et middel til at detektere tilstedeværelsen af ​​forsyningsspænding af sikkerhedsmæssige årsager for ikke at fortsætte med farligt at føre strøm til nettet under strømafbrydelse.

Synkronomformere er invertere, der er designet til at simulere en roterende generator og kan bruges til at hjælpe med at stabilisere net. De kan være designet til at reagere hurtigere end normale generatorer på ændringer i netfrekvensen og kan give konventionelle generatorer en chance for at reagere på meget pludselige ændringer i efterspørgsel eller produktion.

Store omformere, vurderet til flere hundrede megawatt, bruges til at levere strøm fra højspændings jævnstrømstransmissionssystemer til vekselstrømsfordelingssystemer.

Solar

Internt billede af en solinverter. Bemærk de mange store kondensatorer (blå cylindre), der bruges til at gemme energi kort og forbedre outputbølgeformen.

En solinverter er en balance af systemkomponenten (BOS) i et solcelleanlæg og kan bruges til både nettilsluttede og off-grid- systemer. Solcelleomformere har specielle funktioner, der er tilpasset til brug med solcelleanlæg , herunder maksimal power point tracking og anti-ø- beskyttelse. Sol-mikro-invertere adskiller sig fra konventionelle invertere, da der er forbundet en individuel mikro-inverter til hvert solpanel. Dette kan forbedre systemets samlede effektivitet. Output fra flere mikro-invertere kombineres derefter og ofte føres til elnettet .

I andre applikationer kan en konventionel inverter kombineres med en batteribank, der vedligeholdes af en solopladningsregulator. Denne kombination af komponenter kaldes ofte en solgenerator.

Induktionsopvarmning

Omformere konverterer lavfrekvent hovedstrøm til højere frekvens til brug ved induktionsopvarmning . For at gøre dette rettes vekselstrøm først for at give jævnstrøm. Inverteren ændrer derefter jævnstrømmen til højfrekvent vekselstrøm. På grund af reduktionen i antallet af anvendte jævnstrømskilder bliver strukturen mere pålidelig, og udgangsspændingen har højere opløsning på grund af en stigning i antallet af trin, så den sinusformede referencespænding bedre kan opnås. Denne konfiguration er for nylig blevet meget populær inden for vekselstrømsforsyning og applikationer med drev med justerbar hastighed. Denne nye inverter kan undgå ekstra fastspændingsdioder eller spændingsbalanceringskondensatorer.

Der er tre slags niveauskiftede moduleringsteknikker, nemlig:

  • Fasemodstandsdisponering (POD)
  • Alternativ fase oppositionsposition (APOD)
  • Fasedisposition (PD)

HVDC-transmission

Med HVDC -transmission sendes vekselstrøm ud, og jævnstrøm med høj spænding transmitteres til et andet sted. På det modtagende sted konverterer en inverter i et statisk inverteranlæg strømmen tilbage til AC. Inverteren skal synkroniseres med netfrekvens og fase og minimere generering af harmonisk.

Elektrostødvåben

Elektroshock våben og tasere har en DC / AC inverter til at generere flere titusinder af V AC ud af et lille 9 V DC batteri. Først konverteres 9 V DC til 400-2000 V AC med en kompakt højfrekvent transformer, som derefter udbedres og midlertidigt lagres i en højspændingskondensator, indtil en forudindstillet tærskelspænding er nået. Når tærsklen (indstillet ved hjælp af en luftspalte eller TRIAC) er nået, dumper kondensatoren hele sin belastning i en impulstransformator, som derefter styrer den op til sin endelige udgangsspænding på 20–60 kV. En variant af princippet bruges også i elektroniske flash- og bug-zappere , selvom de er afhængige af en kondensatorbaseret spændingsmultiplikator for at opnå deres høje spænding.

Diverse

Typiske applikationer til effektomformere inkluderer:

  • Bærbare forbrugsenheder, der giver brugeren mulighed for at slutte et batteri eller et sæt batterier til enheden for at producere vekselstrøm til at køre forskellige elektriske genstande såsom lys, fjernsyn, køkkenudstyr og elværktøj.
  • Anvendes i kraftgenereringssystemer såsom elforsyningsselskaber eller solcelleanlæg til at konvertere jævnstrøm til vekselstrøm.
  • Brug inden for ethvert større elektronisk system, hvor der er et teknisk behov for at udlede en vekselstrømskilde fra en jævnstrømskilde.
  • Frekvensomregning - hvis en bruger i (siger) et land på 50 Hz har brug for en strømforsyning på 60 Hz til strømudstyr, der er frekvensspecifikt, såsom en lille motor eller en eller anden elektronik, er det muligt at konvertere frekvensen ved at køre en inverter med en 60 Hz output fra en jævnstrømskilde, såsom en 12V strømforsyning, der kører fra 50 Hz lysnettet.

Kredsløbsbeskrivelse

Øverst: Enkelt inverterkredsløb vist med en elektromekanisk afbryder og automatisk ækvivalent automatisk omskifterenhed implementeret med to transistorer og splitviklet autotransformator i stedet for den mekaniske afbryder.
Firkantet bølgeform med grundlæggende sinusbølgekomponent, 3. harmoniske og 5. harmoniske

Grundlæggende design

I et simpelt inverterkredsløb er jævnstrøm forbundet til en transformer gennem den primære viklingens midterhane. En switch skiftes hurtigt frem og tilbage for at tillade strøm at strømme tilbage til DC-kilden ved at følge to alternative stier gennem den ene ende af den primære vikling og derefter den anden. Vekselstrømretningen i transformatorens primære vikling frembringer vekselstrøm (AC) i det sekundære kredsløb.

Den elektromekaniske version af skifteindretningen inkluderer to stationære kontakter og en fjederunderstøttet bevægelig kontakt. Fjederen holder den bevægelige kontakt mod en af ​​de stationære kontakter, og en elektromagnet trækker den bevægelige kontakt til den modsatte stationære kontakt. Strømmen i elektromagneten afbrydes af kontakten, så kontakten kontinuerligt skifter hurtigt frem og tilbage. Denne type elektromekanisk omskifter, kaldet en vibrator eller summer, blev engang brugt i vakuumrørs bilradioer. En lignende mekanisme er blevet brugt i dørklokker, summer og tatoveringsmaskiner .

Da de blev tilgængelige med tilstrækkelig effekt, er transistorer og forskellige andre typer halvlederafbrydere blevet inkorporeret i inverter kredsløbskonstruktioner. Visse klassifikationer, især for store systemer (mange kilowatt), bruger tyristorer (SCR). SCR'er giver stor effekthåndteringsevne i en halvlederindretning og kan let styres over et variabelt skydeområde.

Kontakten i enkle inverter beskrevet ovenfor, når den ikke er koblet til en udgang transformer, frembringer en firkantet spænding bølgeform grund af sin enkle og tænde naturen i modsætning til den sinusformede bølgeform, som er den sædvanlige bølgeform af en AC strømforsyning. Ved hjælp af Fourier-analyse er periodiske bølgeformer repræsenteret som summen af ​​en uendelig serie af sinusbølger. Sinusbølgen, der har samme frekvens som den oprindelige bølgeform, kaldes den grundlæggende komponent. De andre sinusbølger, kaldet harmoniske , der er inkluderet i serien har frekvenser, der er integrerede multipla af den grundlæggende frekvens.

Fourier-analyse kan bruges til at beregne den samlede harmoniske forvrængning (THD). Den totale harmoniske forvrængning (THD) er kvadratroden af ​​summen af ​​kvadraterne for de harmoniske spændinger divideret med grundspændingen:

Avanceret design

H bro inverter kredsløb med transistorafbrydere og antiparallelle dioder

Der er mange forskellige power kredsløb topologier og kontrolstrategier , der anvendes i inverter design. Forskellige designtilgange adresserer forskellige problemer, der kan være mere eller mindre vigtige afhængigt af den måde, inverteren er beregnet til at blive brugt.

Baseret på den grundlæggende H- brotopologi er der to forskellige grundlæggende kontrolstrategier kaldet grundlæggende frekvensvariabel brokonverter og PWM-kontrol. Her, i det venstre billede af H-brokredsen, kaldes den øverste venstre switch som "S1", og andre navngives som "S2, S3, S4" i urets rækkefølge.

For den grundlæggende frekvensvariable broomformer kan afbryderne betjenes med den samme frekvens som AC i elnettet (60 Hz i USA). Det er dog den hastighed, hvormed kontakterne åbnes og lukkes, der bestemmer vekselstrømsfrekvensen. Når S1 og S4 er tændt, og de to andre er slukket, er belastningen forsynet med positiv spænding og omvendt. Vi kunne styre afbrydernes on-off-tilstand for at justere AC-størrelsen og fasen. Vi kunne også styre afbryderne for at eliminere visse harmoniske. Dette inkluderer styring af kontakterne for at skabe hak eller 0-tilstandsregioner i udgangsbølgeformen eller tilføjelse af udgangene fra to eller flere konvertere parallelt, der er faseforskudt i forhold til hinanden.

En anden metode, der kan bruges, er PWM. I modsætning til den grundlæggende frekvensvariable brokonverter, i PWM-styringsstrategien, kan kun to kontakter S3, S4 fungere ved frekvensen på AC-siden eller ved en hvilken som helst lav frekvens. De to andre skifter meget hurtigere (typisk 100 KHz) for at skabe firkantede spændinger af samme størrelse, men for forskellige tidsvarigheder, som opfører sig som en spænding med skiftende størrelse i en større tidsskala.

Disse to strategier skaber forskellige harmoniske. For den første gennem Fourier-analyse ville størrelsen af ​​harmoniske være 4 / (pi * k) (k er rækkefølgen af ​​harmoniske). Så størstedelen af ​​den harmoniske energi er koncentreret i de lavere ordens harmoniske. I mellemtiden ligger PWM-strategien, at harmonienes energi ligger i højere frekvenser på grund af den hurtige omskiftning. Deres forskellige karakteristika ved harmoniske fører til forskellige THD og harmoniske elimineringskrav. Svarende til "THD" repræsenterer opfattelsen "bølgeformskvalitet" niveauet af forvrængning forårsaget af harmoniske. Bølgeformkvaliteten af ​​AC produceret direkte af H-bridge nævnt ovenfor ville ikke være så god, som vi ønsker.

Spørgsmålet om bølgeformskvalitet kan løses på mange måder. Kondensatorer og induktorer kan bruges til at filtrere bølgeformen. Hvis designet inkluderer en transformer , kan filtrering anvendes på den primære eller sekundære side af transformeren eller på begge sider. Lavpasfiltre anvendes for at tillade den grundlæggende komponent i bølgeformen at passere til udgangen, samtidig med at passagen af ​​de harmoniske komponenter begrænses. Hvis inverteren er designet til at levere strøm ved en fast frekvens, kan der anvendes et resonansfilter . For en justerbar frekvensomformer skal filteret indstilles til en frekvens, der er over den maksimale grundfrekvens.

Da de fleste belastninger indeholder induktans, er feedback- ensrettere eller antiparallelle dioder ofte forbundet over hver halvlederkontakt for at give en sti til den maksimale induktive belastningsstrøm, når kontakten er slukket. De antiparallelle dioder svarer noget til de frihjulsdioder, der anvendes i AC / DC-omformerkredsløb.

Bølgeform Signal
overgange
for hver periode
Overtoner
elimineret
Overtoner
forstærket
System
beskrivelse
THD
Firkantet bølge.PNG 2 2-niveau
firkantet bølge
~ 45%
Sqarish bølge, 3 niveau.PNG 4 3, 9, 27,… 3-niveau
modificeret sinusbølge
> 23,8%
Sqarish bølge, 5 niveau.png 8 5-niveau
modificeret sinusbølge
> 6,5%
Pwm 3. og 5. harmoniske fjernet, 2 niveau.PNG 10 3, 5, 9, 27 7, 11,… 2-niveau
meget langsom PWM
Pwm 3. og 5. harmoniske fjernet, 3 niveau.PNG 12 3, 5, 9, 27 7, 11,… 3-niveau
meget langsom PWM

Fourier-analyse afslører, at en bølgeform, som en firkantbølge, der er antisymmetrisk omkring 180 graders punkt, kun indeholder ulige harmoniske, 3., 5., 7. osv. Bølgeformer, der har trin med bestemte bredder og højder, kan dæmpe visse lavere harmoniske på bekostning af at forstærke højere harmoniske. For eksempel ved at indsætte et nul-spændingstrin mellem de positive og negative sektioner af firkantbølgen kan alle de harmoniske, der er delelige med tre, elimineres. Det efterlader kun 5., 7., 11., 13. osv. Den krævede bredde af trinene er en tredjedel af perioden for hvert af de positive og negative trin og en sjettedel af perioden for hvert af nul-spændingstrinene.

Ændring af firkantbølgen som beskrevet ovenfor er et eksempel på pulsbreddemodulation. Modulering eller regulering af bredden af ​​en firkantbølgepuls bruges ofte som en metode til at regulere eller justere en inverter's udgangsspænding. Når spændingskontrol ikke er påkrævet, kan en fast pulsbredde vælges for at reducere eller eliminere valgte harmoniske. Harmoniske elimineringsteknikker anvendes generelt til de laveste harmoniske, fordi filtrering er meget mere praktisk ved høje frekvenser, hvor filterkomponenterne kan være meget mindre og billigere. Flere pulsbredde- eller bærerbaserede PWM-kontrolskemaer producerer bølgeformer, der er sammensat af mange smalle impulser. Frekvensen repræsenteret af antallet af smalle impulser pr. Sekund kaldes omskifterfrekvens eller bærerfrekvens . Disse kontrolordninger bruges ofte i motorstyringsomformere med variabel frekvens, fordi de tillader en bred vifte af udgangsspænding og frekvensjustering, samtidig med at kvaliteten af ​​bølgeformen forbedres.

Multilevelomformere giver en anden tilgang til harmonisk annullering. Multilevelomformere giver en outputbølgeform, der udviser flere trin på flere spændingsniveauer. For eksempel er det muligt at producere en mere sinusformet bølge ved at have split-rail jævnstrømsindgange ved to spændinger eller positive og negative indgange med en central jord . Ved at forbinde omformerens udgangsterminaler i rækkefølge mellem den positive skinne og jorden, den positive skinne og den negative skinne, jordskinnen og den negative skinne, derefter begge til jordskinnen, genereres en trinvis bølgeform ved inverterudgangen. Dette er et eksempel på en tre-niveau inverter: de to spændinger og jord.

Mere om at opnå en sinusbølge

Resonansomformere producerer sinusbølger med LC-kredsløb for at fjerne harmoniske fra en simpel firkantbølge. Typisk er der flere serie- og parallelresonante LC-kredsløb, der hver er indstillet til en anden harmonisk af strømlinjefrekvensen. Dette forenkler elektronikken, men induktorer og kondensatorer har tendens til at være store og tunge. Dens høje effektivitet gør denne fremgangsmåde populær i store uafbrydelige strømforsyninger i datacentre, der kører inverteren kontinuerligt i en "online" -tilstand for at undgå overgangsovergang, når strømmen går tabt. (Se relateret: Resonansomformer )

En nært beslægtet tilgang bruger en ferroresonant transformer, også kendt som en konstant spændingstransformator , til at fjerne harmoniske og til at gemme nok energi til at opretholde belastningen i nogle få vekselstrømscyklusser. Denne egenskab gør dem nyttige i standby-strømforsyninger til at eliminere overgangsovergangen, der ellers opstår under et strømsvigt, mens den inaktive inverter normalt starter, og de mekaniske relæer skifter til dens output.

Forbedret kvantisering

Et forslag foreslået i magasinet Power Electronics anvender to spændinger som en forbedring i forhold til den almindelige kommercielle teknologi, som kun kan anvende DC-busspænding i begge retninger eller slukke for den. Forslaget tilføjer mellemspændinger til det fælles design. Hver cyklus ser følgende rækkefølge af leverede spændinger: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1, 0.

Tre-fase invertere

Tre-faset inverter med wye tilsluttet belastning

Tre-fasede invertere bruges til applikationer med variabel frekvensdrev og til applikationer med høj effekt, såsom HVDC -transmission. En grundlæggende trefaset inverter består af tre enfasede inverteromskiftere, der hver er forbundet til en af ​​de tre belastningsterminaler. For den mest basale kontrolplan koordineres driften af ​​de tre kontakter, så en switch fungerer ved hvert 60 graders punkt af den grundlæggende udgangsbølgeform. Dette skaber en line-to-line outputbølgeform, der har seks trin. Den seks-trins bølgeform har et nul-spændingstrin mellem de positive og negative sektioner af firkantbølgen, således at de harmoniske, der er multipler af tre, elimineres som beskrevet ovenfor. Når bærerbaserede PWM-teknikker anvendes på seks-trins bølgeformer, bevares den grundlæggende samlede form eller indhylning af bølgeformen, så den 3. harmoniske og dens multipler annulleres.

3-faset omformerkoblingskredsløb, der viser 6-trins koblingssekvens og bølgeform af spænding mellem terminal A og C (2 3 - 2 tilstande)

For at konstruere omformere med højere effektklasser kan to seks-trins trefasede invertere tilsluttes parallelt for en højere strømklassificering eller i serie for en højere spændingsklassificering. I begge tilfælde faseskiftes outputbølgeformerne for at opnå en 12-trins bølgeform. Hvis yderligere invertere kombineres, opnås en 18-trins inverter med tre invertere osv. Selvom invertere normalt kombineres med det formål at opnå øget spændings- eller strømværdier, forbedres også bølgeformens kvalitet.

Størrelse

Sammenlignet med andre elektriske husholdningsapparater er omformerne store i størrelse og volumen. I 2014 startede Google sammen med IEEE en åben konkurrence ved navn Little Box Challenge med en præmiepenge på $ 1.000.000 for at opbygge en (meget) mindre effektomformer.

Historie

Tidlige invertere

Fra slutningen af ​​det nittende århundrede til midten af ​​det tyvende århundrede blev DC-til-AC- effektkonvertering gennemført ved hjælp af roterende omformere eller motorgeneratorsæt (MG-sæt). I det tidlige tyvende århundrede begyndte vakuumrør og gasfyldte rør at blive brugt som afbrydere i inverterkredsløb. Den mest anvendte type rør var thyratronen .

Oprindelsen af ​​elektromekaniske invertere forklarer kilden til udtrykket inverter . Tidlige AC-til-DC-omformere brugte en induktion eller en synkron vekselstrømsmotor direkte forbundet til en generator (dynamo), så generatorens kommutator vendte sine forbindelser på nøjagtigt de rigtige øjeblikke for at producere DC. En senere udvikling er den synkronomformer, hvor motor- og generatorviklingerne kombineres i en armatur med glideringe i den ene ende og en kommutator i den anden og kun en feltramme. Resultatet med begge er AC-ind, DC-ud. Med et MG-sæt kan DC betragtes som genereret separat fra AC; med en synkron konverter kan det i en vis forstand betragtes som "mekanisk rettet vekselstrøm". I betragtning af det rigtige hjælpe- og kontroludstyr kan et MG-sæt eller en roterende konverter "køres baglæns" og konvertere DC til AC. Derfor er en inverter en inverteret konverter.

Styrede ensretteromformere

Da tidlige transistorer ikke var tilgængelige med tilstrækkelig spænding og strømværdier til de fleste inverterapplikationer, var det 1957-introduktionen af tyristoren eller siliciumstyret ensretter (SCR), der initierede overgangen til solid state inverter kredsløb.

12-puls line-kommuteret inverter kredsløb

De kommuteringskondensatorerne krav til SCR er en vigtig faktor i SCR kredsløb design. SCR'er slukker eller kommuterer ikke automatisk, når gate-styresignalet er slukket. De slukkes kun, når fremadstrømmen reduceres til under den minimale holdestrøm, som varierer med hver type SCR, gennem en eller anden ekstern proces. For SCR'er, der er tilsluttet en vekselstrømskilde, forekommer kommutering naturligt, hver gang kildespændingens polaritet vendes. SCR'er tilsluttet en jævnstrømskilde kræver normalt et middel til tvungen kommutering, der tvinger strømmen til nul, når kommutering er påkrævet. De mindst komplicerede SCR-kredsløb anvender naturlig kommutering snarere end tvungen kommutering. Med tilføjelsen af ​​tvungen kommuteringskredsløb er SCR'er blevet anvendt i de typer af inverterkredsløb, der er beskrevet ovenfor.

I applikationer, hvor invertere overfører strøm fra en jævnstrømskilde til en vekselstrømskilde, er det muligt at bruge vekselstrøms-til-jævn-kontrollerede ensretterkredsløb, der fungerer i inversionstilstand. I inversionstilstand fungerer et kontrolleret ensretterkredsløb som en linjekommuteret inverter. Denne type operation kan bruges i HVDC-kraftoverføringssystemer og til regenerativ bremsning af motorstyringssystemer.

En anden type SCR inverter kredsløb er den aktuelle kilde input (CSI) inverter. En CSI-inverter er den dobbelte af en seks-trins spændingskildeinverter. Med en strømkildeomformer er DC-strømforsyningen konfigureret som en strømkilde snarere end en spændingskilde . Inverter SCR'erne skiftes i en sekstrins sekvens for at dirigere strømmen til en trefaset vekselstrømsbelastning som en trinvis strømbølgeform. CSI-inverterkommutationsmetoder inkluderer belastningskommutering og parallel kondensatorkommutering. Med begge metoder hjælper indgangsstrømreguleringen med kommuteringen. Ved belastningskommutering er belastningen en synkron motor, der drives med en førende effektfaktor.

Da de er blevet tilgængelige i højere spændings- og strømværdier, er halvledere såsom transistorer eller IGBT'er, der kan slukkes ved hjælp af styresignaler, blevet de foretrukne koblingskomponenter til brug i inverterkredsløb.

Ensretter- og inverterpulstal

Ensretterkredsløb klassificeres ofte efter antallet af strømimpulser, der strømmer til ensretterens jævnstrømsside pr. Cyklus af vekselstrømsindgangsspænding. En enfaset halvbølge-ensretter er et en-puls kredsløb, og et enfaset fuldbølge-ensretter er et to-puls kredsløb. En trefaset halvbølge-ensretter er et tre-puls kredsløb, og en tre-faset fuldbølge-ensretter er et seks-puls kredsløb.

Med tre-fase ensrettere er to eller flere ensrettere undertiden forbundet i serie eller parallelt for at opnå højere spændings- eller strømværdier. Ensretterindgangene leveres fra specielle transformere, der giver faseforskydede udgange. Dette har effekten af ​​fasemultiplikation. Seks faser opnås fra to transformere, tolv faser fra tre transformere og så videre. De tilknyttede ensretterkredsløb er 12-puls ensrettere, 18-puls ensrettere og så videre ...

Når kontrollerede ensretterkredsløb betjenes i inversionstilstand, klassificeres de også efter pulsnummer. Ensretterkredsløb, der har et højere impulstal, har reduceret harmonisk indhold i AC-indgangsstrømmen og reduceret krusning i DC-udgangsspændingen. I inversionstilstand har kredsløb, der har et højere impulstal, lavere harmonisk indhold i AC-udgangsspændingens bølgeform.

Andre noter

De store skifteindretninger til kraftoverføringsapplikationer installeret indtil 1970 brugte overvejende kviksølvbueventiler . Moderne invertere er normalt solid state (statiske invertere). En moderne designmetode indeholder komponenter arrangeret i en H-brokonfiguration . Dette design er også meget populært hos mindre forbrugere.

Se også

Referencer

Yderligere læsning

  • Bedford, BD; Hoft, RG; et al. (1964). Principper for inverter kredsløb . New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN   978-0-471-06134-2 .
  • Mazda, FF (1973). Thyristor kontrol . New York: Halsted Press Div. af John Wiley & Sons. ISBN   978-0-470-58116-2 .
  • Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Application Manual IGBT and MOSFET Power Modules , 1. udgave, ISLE Verlag, 1998, ISBN   3-932633-24-5 PDF-version

eksterne links