Инвертор мощности

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Power Inverter»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Инвертор на отдельно стоящую солнечную установку

Обзор инверторов для солнечных электростанций

Питания инвертор , или инвертор , является питание электронного устройства или схемы , которая изменяет постоянный ток (DC) в переменный ток (AC). ^[1] Полученная результирующая частота переменного тока зависит от конкретного используемого устройства. Инверторы работают противоположно «преобразователям», которые изначально были большими электромеханическими устройствами, преобразующими переменный ток в постоянный. ^[2]

Входное напряжение , выходное напряжение и частота, а также общая мощность зависят от конструкции конкретного устройства или схемы. Инвертор не производит энергии; питание обеспечивается источником постоянного тока.

Инвертор мощности может быть полностью электронным или может представлять собой комбинацию механических эффектов (например, вращающееся устройство) и электронной схемы.Статические инверторы не используют движущиеся части в процессе преобразования.

Силовые инверторы в основном используются в системах электроснабжения, где присутствуют высокие токи и напряжения; схемы, которые выполняют ту же функцию для электронных сигналов, которые обычно имеют очень низкие токи и напряжения, называются генераторами . Цепи, которые выполняют противоположную функцию, преобразовывая переменный ток в постоянный, называются выпрямителями .

Ввод и вывод [ править ]

Входное напряжение [ править ]

Типичное устройство или схема инвертора мощности требует стабильного источника питания постоянного тока, способного обеспечивать достаточный ток для предполагаемых требований к мощности системы. Входное напряжение зависит от конструкции и назначения инвертора. Примеры включают:

• 12 В постоянного тока, для небольших бытовых и коммерческих инверторов, которые обычно работают от перезаряжаемой свинцово-кислотной батареи 12 В или автомобильной электрической розетки. ^[3]
• 24, 36 и 48 В постоянного тока, которые являются общими стандартами для домашних энергетических систем.
• От 200 до 400 В постоянного тока при питании от фотоэлектрических солнечных батарей.
• От 300 до 450 В постоянного тока, когда питание поступает от аккумуляторных батарей электромобиля в межсетевых системах.
• Сотни тысяч вольт, где инвертор является частью высоковольтной системы передачи электроэнергии постоянного тока .

Форма выходного сигнала [ править ]

Инвертор может генерировать прямоугольную волну, модифицированную синусоидальную волну, импульсную синусоиду, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) или синусоидальную волну в зависимости от конструкции схемы. Обычные типы инверторов производят прямоугольные или квазиквадратные волны. Одним из показателей чистоты синусоидальной волны является полное гармоническое искажение (THD). Прямоугольная волна импульса с коэффициентом заполнения 50% эквивалентна синусоиде с 48% THD. ^[4] Технические стандарты для коммерческих распределительных сетей требуют менее 3% THD формы волны в точке подключения потребителя. Стандарт IEEE 519 рекомендует менее 5% THD для систем, подключенных к электросети.

Существуют две основные конструкции для производства бытового подключаемого напряжения от источника постоянного тока с более низким напряжением, первая из которых использует импульсный повышающий преобразователь для создания постоянного напряжения более высокого напряжения, а затем преобразуется в переменный ток. Второй метод преобразует постоянный ток в переменный на уровне батареи и использует трансформатор линейной частоты для создания выходного напряжения. ^[5]

Прямоугольная волна [ править ]

Это одна из самых простых форм сигнала, которую может создать инвертор, и она лучше всего подходит для приложений с низкой чувствительностью, таких как освещение и отопление. При подключении к звуковому оборудованию выходной сигнал прямоугольной формы может вызывать "гудение" и обычно не подходит для чувствительной электроники.

Синусоидальная волна [ править ]

Устройство инвертора мощности, которое формирует многоступенчатую синусоидальную форму волны переменного тока, называется синусоидальным инвертором . Чтобы более четко различать инверторы с выходами с гораздо меньшими искажениями, чем у модифицированных синусоидальных (трехступенчатых) инверторов, производители часто используют фразу « чистый синусоидальный инвертор» . Почти все инверторы потребительского класса, которые продаются как «инверторы чистой синусоиды», вообще не производят гладкую синусоидальную волну на выходе, ^[6] просто менее изменчивую, чем прямоугольная волна (двухступенчатая) и модифицированная синусоидальная волна (трехступенчатая). ) инверторы. Однако для большинства электронных устройств это не критично, поскольку они довольно хорошо справляются с выходом.

В тех случаях, когда силовые инверторы заменяют стандартное сетевое питание, желателен выходной сигнал синусоидальной волны, поскольку многие электрические изделия спроектированы так, чтобы лучше всего работать с источником питания переменного тока синусоидальной волны. Стандартная электрическая сеть обеспечивает синусоидальную волну, обычно с небольшими дефектами, но иногда со значительными искажениями.

Инверторы синусоидальной волны с более чем тремя ступенями выходного сигнала более сложны и имеют значительно более высокую стоимость, чем модифицированная синусоидальная волна, имеющая всего три ступени, или прямоугольные (одна ступенька) с той же мощностью. Устройства импульсного источника питания (SMPS), такие как персональные компьютеры или DVD-плееры, работают на модифицированной синусоидальной мощности. Двигатели переменного тока, напрямую работающие от несинусоидальной мощности, могут выделять дополнительное тепло, могут иметь другие характеристики скорости-момента или могут производить больше слышимого шума, чем при работе от синусоидальной мощности.

Модифицированная синусоида [ править ]

Модифицированная синусоида на выходе такого инвертора представляет собой сумму двух прямоугольных импульсов, одна из которых сдвинута по фазе на 90 градусов относительно другой. В результате получается трехуровневая форма сигнала с равными интервалами нулевого напряжения; пиковое положительное напряжение; ноль вольт; пиковое отрицательное напряжение, а затем ноль вольт. Эта последовательность повторяется. Результирующая волна очень похожа по форме на синусоидальную волну. Большинство недорогих потребительских инверторов мощности генерируют модифицированную синусоидальную волну, а не чистую синусоидальную волну.

Форма волны в имеющихся в продаже инверторах модифицированной синусоидальной волны напоминает прямоугольную волну, но с паузой во время смены полярности. ^[5] Состояния переключения разработаны для положительного, отрицательного и нулевого напряжения. Если для формы сигнала выбраны пиковые значения в течение половины времени цикла, пиковое напряжение до RMSСоотношение напряжений такое же, как для синусоидальной волны. Напряжение шины постоянного тока может активно регулироваться, или времена включения и выключения могут быть изменены для поддержания одного и того же выходного среднеквадратичного значения вплоть до напряжения шины постоянного тока, чтобы компенсировать колебания напряжения шины постоянного тока. Изменяя ширину импульса, можно изменить спектр гармоник. Самый низкий THD для трехступенчатой ​​модифицированной синусоидальной волны составляет 30%, когда импульсы имеют ширину 130 градусов в каждом электрическом цикле. Это немного ниже, чем для прямоугольной волны. ^[7]

Отношение времени включения и выключения можно регулировать для изменения среднеквадратичного напряжения при сохранении постоянной частоты с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Сгенерированные импульсы затвора подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанным шаблоном для получения желаемого выхода. Спектр гармоник на выходе зависит от ширины импульсов и частоты модуляции. Можно показать, что минимальные искажения трехуровневой формы волны достигаются, когда импульсы распространяются более чем на 130 градусов формы волны, но результирующее напряжение все равно будет иметь около 30% THD, что выше, чем коммерческие стандарты для источников питания, подключенных к сети. ^[8]При работе асинхронных двигателей гармоники напряжения обычно не вызывают беспокойства; однако гармонические искажения в форме волны тока приводят к дополнительному нагреву и могут создавать пульсации крутящего момента. ^[9]

Многочисленные элементы электрооборудования будут достаточно хорошо работать с модифицированными устройствами синусоидального инвертора, особенно с нагрузками, имеющими резистивный характер, такими как традиционные лампы накаливания. Устройства с импульсным блоком питания работают почти полностью без проблем, но если в элементе есть сетевой трансформатор, он может перегреться в зависимости от того, насколько он ограничен.

Однако нагрузка может работать менее эффективно из-за гармоник, связанных с измененной синусоидальной волной, и создавать гудящий шум во время работы. Это также влияет на эффективность системы в целом, поскольку номинальная эффективность преобразования производителя не учитывает гармоники. Следовательно, чисто синусоидальные инверторы могут обеспечить значительно более высокий КПД, чем модифицированные синусоидальные инверторы.

Большинство двигателей переменного тока будут работать на инверторах MSW со снижением эффективности примерно на 20% из-за содержания гармоник. Однако они могут быть довольно шумными. Может помочь последовательный LC-фильтр, настроенный на основную частоту. ^[10]

Общая модифицированная топология синусоидального инвертора, встречающаяся в инверторах для бытовых потребителей, выглядит следующим образом: встроенный микроконтроллер быстро включает и выключает силовые полевые МОП-транзисторы с высокой частотой, например ~ 50 кГц. Полевые МОП-транзисторы напрямую питаются от источника постоянного тока низкого напряжения (например, батареи). Затем этот сигнал проходит через повышающие трансформаторы (как правило, многие трансформаторы меньшего размера размещаются параллельно, чтобы уменьшить общий размер инвертора), чтобы произвести сигнал более высокого напряжения. Затем выходной сигнал повышающих трансформаторов фильтруется конденсаторами для создания источника постоянного тока высокого напряжения. Наконец, этот источник постоянного тока подается микроконтроллером с дополнительными силовыми полевыми МОП-транзисторами для создания окончательного модифицированного синусоидального сигнала.

Более сложные инверторы используют более двух напряжений для формирования многоступенчатого приближения к синусоиде. Они могут дополнительно снизить гармоники напряжения и тока, а также THD по сравнению с инвертором, использующим только чередующиеся положительные и отрицательные импульсы; но такие инверторы требуют дополнительных коммутационных компонентов, что увеличивает стоимость.

ШИМ ближней синусоидальной волны [ править ]

Некоторые инверторы используют ШИМ для создания формы волны, которую можно отфильтровать нижними частотами для воссоздания синусоидальной волны. Для них требуется только один источник постоянного тока, как в схемах MSN, но переключение происходит с гораздо большей частотой, обычно на много кГц, так что изменяющаяся ширина импульсов может быть сглажена для создания синусоидальной волны. Если для генерации времени переключения используется микропроцессор, можно тщательно контролировать содержание гармоник и эффективность.

Выходная частота [ править ]

Выходная частота переменного тока силового инвертора обычно такая же, как и стандартная частота линии электропередачи, 50 или 60 герц . Исключение составляют конструкции для привода двигателя, где переменная частота приводит к изменению скорости.

Кроме того, если выходной сигнал устройства или схемы должен быть дополнительно согласован (например, повышен), тогда частота может быть намного выше для хорошего КПД трансформатора.

Выходное напряжение [ править ]

Выходное напряжение переменного тока силового инвертора часто регулируется так, чтобы оно было таким же, как напряжение в сети, обычно 120 или 240 В переменного тока на уровне распределения, даже когда есть изменения в нагрузке, которую инвертор управляет. Это позволяет инвертору питать множество устройств, рассчитанных на стандартное сетевое питание.

Некоторые инверторы также позволяют выбирать или плавно изменять выходное напряжение.

Выходная мощность [ править ]

Мощность инвертора часто выражается в ваттах или киловаттах. Он описывает мощность, которая будет доступна устройству, управляемому инвертором, и, косвенно, мощность, которая потребуется от источника постоянного тока. Меньшие по размеру популярные потребительские и коммерческие устройства, имитирующие мощность сети, обычно находятся в диапазоне от 150 до 3000 Вт.

Не все применения инверторов связаны исключительно или в первую очередь с подачей энергии; в некоторых случаях характеристики частоты и / или формы волны используются последующей схемой или устройством.

Батареи [ править ]

Время работы инвертора, питаемого от батарей, зависит от заряда батареи и количества энергии, потребляемой от инвертора в данный момент времени. По мере увеличения количества оборудования, использующего инвертор, время работы сокращается. Чтобы продлить время работы инвертора, к инвертору можно добавить дополнительные батареи. ^[11]

Формула для расчета емкости аккумуляторной батареи инвертора: ^[12]

Емкость аккумулятора (Ач) = общая нагрузка (в ваттах) X время использования (в часах) / входное напряжение (В)

При попытке добавить в инвертор дополнительные батареи есть два основных варианта установки:

Конфигурация серии

Если целью является увеличение общего входного напряжения инвертора, можно последовательно подключить аккумуляторы в последовательной конфигурации. В последовательной конфигурации, если одна батарея разрядится, другие батареи не смогут питать нагрузку.

Параллельная конфигурация

Если целью является увеличение емкости и продление срока службы инвертора, аккумуляторы можно подключать параллельно . Это увеличивает общий номинал батареи в ампер-часах (Ач).

Однако, если одна батарея разряжена, другие батареи будут разряжаться через нее. Это может привести к быстрой разрядке всего блока или даже к перегрузке по току и возможному возгоранию. Чтобы избежать этого, большие параллельные батареи могут быть подключены через диоды или интеллектуальный мониторинг с автоматическим переключением, чтобы изолировать батарею с пониженным напряжением от других.

Приложения [ править ]

Использование источника постоянного тока [ править ]

Инвертор преобразует электричество постоянного тока от таких источников, как батареи или топливные элементы, в электричество переменного тока. Электричество может быть любого необходимого напряжения; в частности, он может работать с оборудованием переменного тока, предназначенным для работы от сети, или выпрямителем для выработки постоянного тока при любом желаемом напряжении.

Источники бесперебойного питания [ править ]

Источник бесперебойного питания (ИБП) использует батареи и инвертор для подачи питания переменного тока, когда сеть недоступна. Когда сетевое питание восстанавливается, выпрямитель подает питание постоянного тока для зарядки батарей.

Контроль скорости электродвигателя [ править ]

Инверторные схемы, предназначенные для создания переменного диапазона выходного напряжения, часто используются в контроллерах скорости двигателя. Электропитание постоянного тока для инверторной секции может быть получено от обычной настенной розетки переменного тока или другого источника. Схема управления и обратной связи используется для настройки конечного выхода секции инвертора, которая в конечном итоге определяет скорость двигателя, работающего под его механической нагрузкой. Потребности в управлении скоростью двигателя многочисленны и включают в себя такие вещи, как промышленное оборудование с приводом от двигателя, электромобили, системы железнодорожного транспорта и электроинструменты. (См. Также: частотно-регулируемый привод ) Состояния переключения разрабатываются для положительного, отрицательного и нулевого напряжения согласно шаблонам, приведенным в таблице переключения 1. Сгенерированные импульсы затвора подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанным шаблоном, и, таким образом, получается выходной сигнал.

В холодильных компрессорах [ править ]

Инвертор можно использовать для управления скоростью двигателя компрессора, чтобы управлять переменным потоком хладагента в системе охлаждения или кондиционирования воздуха , чтобы регулировать производительность системы. Такие установки известны как инверторные компрессоры . Традиционные методы регулирования охлаждения используют односкоростные компрессоры, которые периодически включаются и выключаются; Системы, оборудованные инверторами, имеют частотно-регулируемый привод, который регулирует скорость двигателя и, следовательно, мощность компрессора и охлаждения. Переменный ток переменной частоты от инвертора приводит в движение бесщеточный или асинхронный двигатель., скорость которого пропорциональна частоте переменного тока, в который он подается, поэтому компрессор может работать с переменной скоростью - исключение циклов остановки-запуска компрессора повышает эффективность. Микроконтроллер обычно контролирует температуру в пространстве , чтобы быть охлаждена, и регулирует скорость компрессора , чтобы поддерживать желаемую температуру. Дополнительная электроника и системное оборудование увеличивают стоимость оборудования, но могут привести к значительной экономии эксплуатационных расходов. ^[13] Первые инверторные кондиционеры были выпущены Toshiba в 1981 году в Японии. ^[14]

Электросеть [ править ]

Сетевые инверторы предназначены для подачи в систему распределения электроэнергии. ^[15] Они передаются синхронно с линией и содержат минимально возможное количество гармоник. Им также необходимы средства обнаружения наличия электросети по соображениям безопасности, чтобы не продолжать опасно подавать электроэнергию в сеть во время отключения электроэнергии.

Синхронизаторы - это инверторы, которые предназначены для имитации вращающегося генератора и могут использоваться для стабилизации электросетей. Они могут быть спроектированы так, чтобы быстрее реагировать на изменения частоты сети, чем обычные генераторы, и могут дать обычным генераторам возможность реагировать на очень внезапные изменения спроса или производства.

Большие инверторы мощностью несколько сотен мегаватт используются для передачи энергии от систем передачи постоянного тока высокого напряжения до систем распределения переменного тока.

Солнечная [ править ]

Солнечный инвертор является балансом системы (BOS) компоненты фотоэлектрической системы и может использоваться для обоего соединенных с сетью , и вне сетки систем. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими батареями, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от островков . Солнечные микро-инверторы отличаются от обычных инверторов тем, что к каждой солнечной панели прикреплен индивидуальный микро-инвертор. Это может повысить общую эффективность системы. Затем выходной сигнал нескольких микро-инверторов объединяется и часто подается в электрическую сеть .

В других приложениях обычный инвертор может быть объединен с аккумулятором, поддерживаемым контроллером заряда солнечной батареи. Такое сочетание компонентов часто называют солнечным генератором. ^[16]

Индукционный нагрев [ править ]

Инверторы преобразуют низкочастотную основную мощность переменного тока в более высокую частоту для использования в индукционном нагреве . Для этого сначала выпрямляется напряжение переменного тока, чтобы обеспечить питание постоянного тока. Затем инвертор изменяет мощность постоянного тока на мощность переменного тока высокой частоты. В связи с сокращением числа источников постоянного тока , используемым, структура становится более надежной и выходное напряжение имеет более высокое разрешение в связи с увеличением числа шагов так , чтобы опорное синусоидальное напряжение может быть лучше достигнуты. Эта конфигурация в последнее время стала очень популярной в источниках питания переменного тока и приводах с регулируемой скоростью. Этот новый инвертор позволяет избежать использования дополнительных ограничивающих диодов или конденсаторов для выравнивания напряжения.

Существует три вида методов модуляции со сдвигом уровня, а именно:

• Фаза противодействия диспозиции (POD)
• Альтернативная фаза диспозиции оппозиции (APOD)
• Распределение фаз (PD)

Передача электроэнергии HVDC [ править ]

При передаче электроэнергии HVDC мощность переменного тока выпрямляется, и мощность постоянного тока высокого напряжения передается в другое место. В месте приема инвертор в статической инверторной установке преобразует мощность обратно в переменный ток. Инвертор должен быть синхронизирован с частотой и фазой сети и минимизировать генерацию гармоник.

Электрошоковое оружие [ править ]

Электрошоковое оружие и тазеры имеют инвертор постоянного / переменного тока, который генерирует несколько десятков тысяч В переменного тока из небольшой батареи 9 В постоянного тока. Сначала 9 В постоянного тока преобразуются в 400–2000 В переменного тока с помощью компактного высокочастотного трансформатора, который затем выпрямляется и временно сохраняется в высоковольтном конденсаторе до достижения предварительно установленного порогового напряжения. Когда достигается порог (установленный с помощью воздушного зазора или TRIAC), конденсатор сбрасывает всю свою нагрузку в импульсный трансформатор, который затем повышает его до конечного выходного напряжения 20–60 кВ. Вариант этого принципа также используется в электронных вспышках и запорах от насекомых , хотя они полагаются на конденсаторный умножитель напряжения для достижения высокого напряжения.

Разное [ править ]

Типичные области применения силовых инверторов:

• Портативные потребительские устройства, которые позволяют пользователю подключать к устройству аккумулятор или набор аккумуляторов для выработки энергии переменного тока для работы различных электрических устройств, таких как лампы, телевизоры, кухонные приборы и электроинструменты.
• Используется в системах производства электроэнергии, таких как электроэнергетические компании или солнечные генерирующие системы, для преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока.
• Использование в любой более крупной электронной системе, где существует техническая потребность в получении источника переменного тока из источника постоянного тока.
• Преобразование частоты - если пользователю (скажем) в стране с частотой 50 Гц требуется источник питания 60 Гц для оборудования, зависящего от частоты, такого как небольшой двигатель или некоторая электроника, можно преобразовать частоту, запустив инвертор с Выход 60 Гц от источника постоянного тока, такого как источник питания 12 В, работающий от сети 50 Гц.

Описание схемы [ править ]

Базовый дизайн [ править ]

В одной простой схеме инвертора мощность постоянного тока подключается к трансформатору через центральный отвод первичной обмотки. Переключатель быстро переключается вперед и назад, чтобы позволить току течь обратно к источнику постоянного тока по двум альтернативным путям через один конец первичной обмотки, а затем через другой. Изменение направления тока в первичной обмотке трансформатора создает переменный ток (AC) во вторичной цепи.

Электромеханический вариант коммутационного устройства включает два неподвижных контакта и подвижный контакт с подпружиненной опорой. Пружина удерживает подвижный контакт напротив одного из неподвижных контактов, а электромагнит притягивает подвижный контакт к противоположному неподвижному контакту. Ток в электромагните прерывается действием переключателя, так что переключатель постоянно быстро переключается вперед и назад. Этот тип электромеханического переключателя инвертора, называется вибратор или зуммер, когда - то использовалась в ламповых автомобильных радиоприемников. Подобный механизм использовался в дверных звонках, зуммерах и тату-машинах .

Когда они стали доступны с соответствующими номинальными мощностями, транзисторы и различные другие типы полупроводниковых переключателей были включены в схемы инверторов. В некоторых номиналах, особенно для больших систем (много киловатт), используются тиристоры (SCR). SCR обеспечивают большие возможности управления мощностью в полупроводниковом устройстве и могут легко управляться в переменном диапазоне срабатывания.

Переключатель в простом инверторе, описанном выше, когда он не соединен с выходным трансформатором, выдает прямоугольную форму волны напряжения из-за своей простой природы включения и выключения, в отличие от синусоидальной формы волны, которая является обычной формой сигнала источника питания переменного тока. Используя анализ Фурье , периодические сигналы представлены в виде суммы бесконечной серии синусоидальных волн. Синусоидальная волна, имеющая ту же частоту, что и исходная форма волны, называется основной составляющей. Другие синусоидальные волны, называемые гармониками , которые включены в серию, имеют частоты, целые кратные основной частоте.

Анализ Фурье можно использовать для расчета полного гармонического искажения (THD). Полный коэффициент гармонических искажений (THD) - это квадратный корень из суммы квадратов гармонических напряжений, деленных на основное напряжение:${\displaystyle {\mbox{THD}}={{\sqrt {V_{2}^{2}+V_{3}^{2}+V_{4}^{2}+\cdots +V_{n}^{2}}} \over V_{1}}}$

Продвинутый дизайн [ править ]

В конструкциях инверторов используется множество различных топологий силовых цепей и стратегий управления . ^[17] Различные подходы к проектированию решают различные проблемы, которые могут быть более или менее важными в зависимости от того, как инвертор предназначен для использования.

Основываясь на базовой топологии H-моста , существуют две различные основные стратегии управления, называемые базовым частотно-регулируемым мостовым преобразователем и ШИМ-управлением. ^[18] Здесь, на левом изображении Н-мостовой схемы, верхний левый переключатель обозначен как «S1», а другие обозначены как «S2, S3, S4» в порядке против часовой стрелки.

В базовом мостовом преобразователе частоты и переменной частоты переключатели могут работать на той же частоте, что и переменный ток в электрической сети (60 Гц в США). Однако именно скорость, с которой переключатели открываются и закрываются, определяет частоту переменного тока. Когда S1 и S4 включены, а два других выключены, на нагрузку подается положительное напряжение, и наоборот. Мы могли управлять состоянием включения-выключения переключателей, чтобы регулировать величину и фазу переменного тока. Мы также могли управлять переключателями, чтобы исключить определенные гармоники. Это включает в себя управление переключателями для создания зазубрин или областей с нулевым состоянием в выходном сигнале или добавление выходов двух или более параллельных преобразователей, сдвинутых по фазе относительно друг друга.

Другой метод, который можно использовать, - это ШИМ. В отличие от базового частотно-регулируемого мостового преобразователя, в стратегии управления ШИМ только два переключателя S3, S4 могут работать на частоте стороны переменного тока или на любой низкой частоте. Два других переключатся намного быстрее (обычно 100 кГц) для создания прямоугольных напряжений той же величины, но с разной продолжительностью времени, которые ведут себя как напряжение с изменяющейся величиной в большей временной шкале.

Эти две стратегии создают разные гармоники. Для первого, с помощью анализа Фурье, величина гармоник будет 4 / (pi * k) (k - порядок гармоник). Таким образом, большая часть энергии гармоник сосредоточена в гармониках более низкого порядка. Между тем, для стратегии ШИМ энергия гармоник лежит в области высоких частот из-за быстрого переключения. Их разные характеристики гармоник приводят к различным требованиям по устранению гармонических искажений и гармоник. Подобно термину «THD», понятие «качество формы волны» представляет уровень искажения, вызванного гармониками. Качество формы сигнала переменного тока, создаваемого непосредственно упомянутым выше H-мостом, было бы не таким хорошим, как мы хотели бы.

Проблема качества сигнала может быть решена разными способами. Конденсаторы и катушки индуктивности могут использоваться для фильтрации формы волны. Если конструкция включает трансформатор , фильтрация может применяться к первичной или вторичной стороне трансформатора или к обеим сторонам. Применяются фильтры нижних частот , чтобы позволить основной составляющей сигнала пройти на выход, ограничивая прохождение гармонических составляющих. Если инвертор предназначен для подачи питания на фиксированной частоте, можно использовать резонансный фильтр. Для регулируемого преобразователя частоты фильтр должен быть настроен на частоту выше максимальной основной частоты.

Поскольку большинство нагрузок содержат индуктивность, выпрямители с обратной связью или антипараллельные диоды часто подключаются к каждому полупроводниковому переключателю, чтобы обеспечить путь для пикового индуктивного тока нагрузки, когда переключатель выключен. Антипараллельные диоды в чем-то похожи на диоды свободного хода, используемые в схемах преобразователя переменного тока в постоянный.

Анализ Фурье показывает, что форма волны, такая как прямоугольная волна, которая является антисимметричной относительно точки 180 градусов, содержит только нечетные гармоники, 3-ю, 5-ю, 7-ю и т. Д. Формы волны, которые имеют шаги определенной ширины и высоты, могут ослаблять определенные более низкие гармоники за счет усиления высших гармоник. Например, вставив ступеньку нулевого напряжения между положительной и отрицательной частями прямоугольной волны, все гармоники, которые делятся на три (3-я и 9-я и т. Д.), Могут быть устранены. Остается только 5-я, 7-я, 11-я, 13-я и т. Д. Требуемая ширина ступеней составляет одну треть периода для каждой из положительных и отрицательных ступеней и одну шестую периода для каждой ступени нулевого напряжения. ^[20]

Изменение прямоугольной формы, как описано выше, является примером широтно-импульсной модуляции. Модуляция или регулировка ширины прямоугольного импульса часто используется как метод регулирования или регулировки выходного напряжения инвертора. Когда контроль напряжения не требуется, можно выбрать фиксированную ширину импульса для уменьшения или устранения выбранных гармоник. Методы подавления гармоник обычно применяются к самым низким гармоникам, потому что фильтрация более практична на высоких частотах, где компоненты фильтра могут быть намного меньше и дешевле. Схемы управления ШИМ, основанные на множественной ширине импульса или несущей , создают сигналы, состоящие из множества узких импульсов. Частота, представленная количеством узких импульсов в секунду, называется частотой переключения.или несущая частота . Эти схемы управления часто используются в инверторах управления двигателями с регулируемой частотой, поскольку они позволяют регулировать выходное напряжение и частоту в широком диапазоне, а также улучшают качество формы сигнала.

Многоуровневые инверторы предоставляют другой подход к подавлению гармоник. Многоуровневые инверторы выдают выходной сигнал с несколькими ступенями на нескольких уровнях напряжения. Например, можно создать более синусоидальную волну, имея входы постоянного тока с разделенной шиной на два напряжения или положительные и отрицательные входы с центральным заземлением . При последовательном подключении выходных клемм инвертора между положительной шиной и землей, положительной шиной и отрицательной шиной, заземляющей шиной и отрицательной шиной, а затем обеими к шине заземления, на выходе инвертора генерируется ступенчатый сигнал. Это пример трехуровневого инвертора: два напряжения и земля. ^[21]

Подробнее о синусоиде [ править ]

Резонансные инверторы генерируют синусоидальные волны с помощью LC-цепей, чтобы удалить гармоники из простой прямоугольной волны. Обычно имеется несколько последовательно- и параллельно-резонансных LC-контуров, каждая из которых настроена на отдельную гармонику частоты линии электропередачи. Это упрощает электронику, но катушки индуктивности и конденсаторы, как правило, большие и тяжелые. Его высокая эффективность делает этот подход популярным в крупных источниках бесперебойного питания в центрах обработки данных, в которых инвертор постоянно работает в «оперативном» режиме, чтобы избежать переходных процессов переключения при потере питания. (См. Также: Резонансный инвертор )

Тесно связанный подход использует феррорезонансный трансформатор, также известный как трансформатор постоянного напряжения , для удаления гармоник и хранения энергии, достаточной для поддержания нагрузки в течение нескольких циклов переменного тока. Это свойство делает их полезными в резервных источниках питания для устранения переходного процесса переключения, который в противном случае происходит во время сбоя питания, когда инвертор запускается в обычном режиме и механические реле переключаются на его выход.

Улучшенное квантование [ править ]

Предложение, предложенное в журнале Power Electronics, использует два напряжения в качестве улучшения по сравнению с обычной коммерческой технологией, которая может подавать напряжение на шину постоянного тока только в любом направлении или отключать его. Предложение добавляет промежуточные напряжения к общей конструкции. Каждый цикл видит следующую последовательность подаваемых напряжений: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1, 0. ^[19]

Трехфазные инверторы [ править ]

Трехфазные инверторы используются для приводов с регулируемой частотой и для приложений большой мощности, таких как HVDC.передача энергии. Базовый трехфазный инвертор состоит из трех переключателей однофазного инвертора, каждый из которых подключен к одной из трех клемм нагрузки. Для самой базовой схемы управления работа трех переключателей скоординирована так, что один переключатель работает в каждой точке 60 градусов основной формы выходного сигнала. Таким образом создается линейный выходной сигнал с шестью ступенями. Шестиступенчатая форма волны имеет шаг нулевого напряжения между положительной и отрицательной частями прямоугольной волны, так что гармоники, кратные трем, устраняются, как описано выше. Когда методы ШИМ на основе несущей применяются к сигналам с шестью шагами, основная общая форма или огибающая формы сигнала сохраняется, так что 3-я гармоника и ее кратные составляющие подавляются.

Для создания инверторов с более высокой номинальной мощностью два трехфазных инвертора с шестью ступенями могут быть подключены параллельно для более высокого номинального тока или последовательно для более высокого номинального напряжения. В любом случае выходные сигналы сдвигаются по фазе для получения 12-ступенчатой ​​формы сигнала. Если комбинировать дополнительные инверторы, получается 18-ступенчатый инвертор с тремя инверторами и т. Д. Хотя инверторы обычно объединяются с целью достижения повышенных номинальных значений напряжения или тока, качество формы сигнала также улучшается.

Размер [ править ]

По сравнению с другими бытовыми электроприборами инверторы имеют большие размеры и объем. В 2014 году Google вместе с IEEE начали открытый конкурс под названием Little Box Challenge с призовым фондом в 1 000 000 долларов на создание инвертора (намного) меньшего размера. ^[22]

История [ править ]

Ранние инверторы [ править ]

С конца девятнадцатого века до середины двадцатого века преобразование энергии постоянного тока в переменное осуществлялось с помощью вращающихся преобразователей или мотор-генераторных установок (комплектов MG). В начале двадцатого века вакуумные лампы и газонаполненные трубки начали использоваться в качестве переключателей в инверторных схемах. Наиболее распространенным типом трубки был тиратрон .

Происхождение электромеханических инверторов объясняет источник термина инвертор. Ранние преобразователи переменного тока в постоянный использовали асинхронный или синхронный электродвигатель переменного тока, напрямую подключенный к генератору (динамо-машине), так что коммутатор генератора менял местами свои соединения в точные моменты времени для выработки постоянного тока. Более поздняя разработка - синхронный преобразователь, в котором обмотки двигателя и генератора объединены в один якорь, с контактными кольцами на одном конце и коммутатором на другом и только с одной полевой рамой. Результатом является вход переменного тока или выход постоянного тока. С установленным MG можно считать, что постоянный ток генерируется отдельно от переменного тока; с синхронным преобразователем, в определенном смысле его можно рассматривать как «переменный ток с механическим выпрямлением». При наличии подходящего вспомогательного и управляющего оборудования генератор MG или роторный преобразователь может работать «в обратном направлении», преобразовывая постоянный ток в переменный. Следовательно, инвертор - это инвертированный преобразователь.^[23]

Управляемые выпрямительные инверторы [ править ]

Поскольку ранние транзисторы не были доступны с достаточными номинальными значениями напряжения и тока для большинства инверторных приложений, переход к схемам твердотельного инвертора был инициирован появлением в 1957 году тиристорного или кремниевого выпрямителя (SCR) .

Требования к коммутации тиристоров являются ключевым моментом в схемах тиристоров. СНД не выключить или коммутируемыйавтоматически, когда сигнал управления воротами отключается. Они отключаются только тогда, когда прямой ток снижается до уровня ниже минимального удерживающего тока, который изменяется в зависимости от типа тиристора посредством некоторого внешнего процесса. Для тиристоров, подключенных к источнику переменного тока, коммутация происходит естественным образом каждый раз, когда полярность напряжения источника меняется. Для тиристоров, подключенных к источнику питания постоянного тока, обычно требуется средство принудительной коммутации, которое приводит к нулю тока, когда требуется коммутация. В наименее сложных схемах SCR используется естественная коммутация, а не принудительная. С добавлением схем принудительной коммутации, тиристоры используются в схемах инверторов, описанных выше.

В приложениях, где инверторы передают мощность от источника постоянного тока к источнику переменного тока, можно использовать выпрямительные схемы, управляемые переменным током в постоянный, работающие в режиме инверсии. В режиме инверсии схема управляемого выпрямителя работает как инвертор с коммутацией линии. Этот тип работы может использоваться в системах передачи энергии постоянного тока высокого напряжения и в режиме рекуперативного торможения в системах управления двигателями.

Другой тип схемы инвертора SCR - инвертор входа источника тока (CSI). Инвертор CSI является двойником шестиступенчатого инвертора источника напряжения. С инвертором источника тока источник питания постоянного тока сконфигурирован как источник тока, а не как источник напряжения . SCR инвертора переключаются в шестиступенчатой ​​последовательности, чтобы направить ток на трехфазную нагрузку переменного тока в виде ступенчатой ​​формы волны тока. Методы коммутации инвертора CSI включают коммутацию нагрузки и параллельную коммутацию конденсаторов. В обоих методах регулировка входного тока помогает коммутации. При коммутации нагрузки нагрузка представляет собой синхронный двигатель, работающий с опережающим коэффициентом мощности.

Поскольку они стали доступны в более высоких номиналах напряжения и тока, полупроводники, такие как транзисторы или IGBT, которые можно отключать с помощью управляющих сигналов, стали предпочтительными переключающими компонентами для использования в схемах инвертора.

Количество импульсов выпрямителя и инвертора [ править ]

Цепи выпрямителя часто классифицируются по количеству импульсов тока, которые протекают на стороне постоянного тока выпрямителя за цикл входного переменного напряжения. Однофазный однополупериодный выпрямитель представляет собой схема одного импульса и однофазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой схема два импульсов. Трехфазный однополупериодный выпрямитель представляет собой трехимпульсную схему, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель - шестиимпульсную схему. ^[24]

В трехфазных выпрямителях два или более выпрямителя иногда подключаются последовательно или параллельно для получения более высоких значений напряжения или тока. Входы выпрямителя питаются от специальных трансформаторов, обеспечивающих выходы со сдвигом фазы. Это имеет эффект умножения фазы. Шесть фаз получаются от двух трансформаторов, двенадцать фаз - от трех трансформаторов и так далее. Соответствующие схемы выпрямителя - это 12-пульсные выпрямители, 18-пульсные выпрямители и так далее ...

Когда схемы управляемого выпрямителя работают в режиме инверсии, они также классифицируются по количеству импульсов. В выпрямительных схемах с более высоким числом импульсов снижено содержание гармоник во входном переменном токе и уменьшена пульсация выходного напряжения постоянного тока. В режиме инверсии схемы с более высоким числом импульсов имеют более низкое содержание гармоник в форме волны выходного напряжения переменного тока.

Другие примечания [ править ]

В крупных коммутационных аппаратах для передачи энергии, установленных до 1970 г., использовались преимущественно ртутно-дуговые клапаны . Современные инверторы обычно твердотельные (статические инверторы). Современный метод конструктивных особенностей компонентов , расположенных в виде Н мостовой конфигурации. Эта конструкция также довольно популярна среди небольших потребительских устройств. ^{[25] [26]}

См. Также [ править ]

• Инвертор CCFL
• Распределенная инверторная архитектура
• Преобразователь электроэнергии
• Электронный генератор
• Двухтактный преобразователь
• Модуляция пространственного вектора
• Импульсный источник питания (ИИП)
• Синхронизатор
• Бесперебойный источник питания
• Частотно-регулируемый привод
• Инвертор Z-источника

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Бедфорд, Б. Д.; Hoft, RG; и другие. (1964). Принципы инверторных схем . Нью-Йорк: ISBN John Wiley & Sons, Inc. 978-0-471-06134-2.
• Mazda, FF (1973). Тиристорное управление . Нью-Йорк: Halsted Press Div. компании John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-58116-2.
• Ульрих Николай, Тобиас Рейманн, Юрген Петцольдт, Йозеф Лутц: Руководство по применению силовых модулей IGBT и MOSFET , 1. издание, ISLE Verlag, 1998, ISBN 3-932633-24-5 PDF-версия 

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме инверторов постоянного / переменного тока (питания) .

• Пример конструкции однофазного силового инвертора с трехуровневой ШИМ (полный мост)