Знакомство с различными типами инверторов

Источник переменного тока (AC) используется почти для всех жилых, коммерческих и промышленных нужд. Но самая большая проблема с AC заключается в том, что его нельзя сохранить для будущего использования. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный, а затем постоянный ток сохраняется в батареях и сверхконденсаторах. И теперь всякий раз, когда требуется переменный ток, постоянный ток снова преобразуется в переменный для работы устройств на базе переменного тока. Итак, устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный, называется инвертором. Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный переменный. Это изменение может заключаться в величине напряжения, количестве фаз, частоте или разности фаз.

Классификация инвертора

Инвертор можно разделить на множество типов в зависимости от мощности, источника, типа нагрузки и т. Д. Ниже приводится полная классификация схем инвертора:

(I) Согласно выходной характеристике

1. Прямоугольный инвертор
2. Инвертор синусоидальной волны
3. Модифицированный инвертор синусоидальной волны

(II) Согласно источнику инвертора

1. Инвертор источника тока
2. Инвертор источника напряжения

(III) В зависимости от типа нагрузки

1. Однофазный инвертор
   1. Полумостовой инвертор
   2. Полный мостовой инвертор
2. Трехфазный инвертор
   1. 180-градусный режим
   2. 120-градусный режим

(IV) Согласно другой технике ШИМ

1. Простая широтно-импульсная модуляция (SPWM)
2. Множественная широтно-импульсная модуляция (MPWM)
3. Синусоидальная широтно-импульсная модуляция (SPWM)
4. Модифицированная синусоидальная широтно-импульсная модуляция (MSPWM)

(V) По количеству выходных уровней

1. Обычный двухуровневый инвертор
2. Многоуровневый инвертор

Теперь обсудим их все по порядку. Вы можете проверить образец схемы инвертора переменного тока от 12 В до 220 В здесь.

(I) Согласно выходной характеристике

В зависимости от выходной характеристики инвертора может быть три различных типа инверторов.

• Прямоугольный инвертор
• Инвертор синусоидальной волны
• Модифицированный инвертор синусоидальной волны

1) прямоугольный инвертор

Форма выходного напряжения для этого инвертора представляет собой прямоугольную волну. Этот тип инвертора наименее используется среди всех других типов инверторов, потому что все устройства предназначены для питания синусоидальной волны. Если мы подадим прямоугольную волну в устройство на основе синусоидальной волны, оно может выйти из строя или потери будут очень высокими. Стоимость этого инвертора очень низкая, но он применяется очень редко. Его можно использовать в простых инструментах с универсальным двигателем.

2) Синусоидальная волна

Форма выходного сигнала напряжения представляет собой синусоидальную волну, и она дает нам выходной сигнал, очень похожий на выходной сигнал электросети. Это главное преимущество этого инвертора, потому что все устройства, которые мы используем, рассчитаны на синусоидальную волну. Так что это идеальный результат, который гарантирует исправную работу оборудования. Этот тип инверторов более дорогой, но широко используется в жилых и коммерческих помещениях.

3) Модифицированная синусоида

Конструкция этого типа инвертора сложнее, чем простой прямоугольный инвертор, но проще по сравнению с синусоидальным инвертором. Выходной сигнал этого инвертора не является ни чистой синусоидой, ни прямоугольной волной. Выход такого инвертора представляет собой часть двух прямоугольных волн. Форма выходного сигнала не совсем синусоидальная, но напоминает форму синусоидальной волны.

(II) Согласно источнику инвертора

• Инвертор источника напряжения
• Инвертор источника тока

1) Инвертор источника тока

В CSI входом является источник тока. Этот тип инверторов используется в промышленных приложениях среднего напряжения, где требуется получение высококачественных сигналов тока. Но CSI не популярны.

2) Инвертор источника напряжения

В VSI входом является источник напряжения. Этот тип инвертора используется во всех приложениях, поскольку он более эффективен, имеет более высокую надежность и более быстрый динамический отклик. VSI может работать с двигателями без снижения номинальных характеристик.

(III) В зависимости от типа нагрузки

• Однофазный инвертор
• Трехфазный инвертор

1) однофазный инвертор

Как правило, бытовая и коммерческая нагрузка использует однофазное питание. Однофазный инвертор используется для этого типа приложений. Однофазный инвертор делится на две части;

• Однофазный полумостовой инвертор
• Однофазный мостовой инвертор

A) Однофазный полумостовой инвертор

Этот тип инвертора состоит из двух тиристоров и двух диодов, подключение показано на рисунке ниже.

В этом случае полное постоянное напряжение равно Vs и разделено на две равные части Vs / 2. Время одного цикла T сек.

За полупериод 0

Для второго полуцикла Т / 2

Vo = Vs / 2

С помощью этой операции мы можем получить переменную форму волны напряжения с частотой 1 / T Гц и пиковой амплитудой Vs / 2. Форма выходного сигнала - прямоугольная волна. Он будет пропущен через фильтр и удалит нежелательные гармоники, которые дадут нам чистый синусоидальный сигнал. Частоту сигнала можно регулировать с помощью времени включения (Ton) и времени выключения (Toff) тиристора.

Величина выходного напряжения составляет половину от напряжения питания и источника период использования составляет 50%. Это недостаток полумостового инвертора, и решение этого - полумостовой инвертор.

Б) Однофазный мостовой инвертор

В инверторах этого типа используются четыре тиристора и четыре диода. Принципиальная схема однофазного полного моста показана на рисунке ниже.

За один раз два тиристора T1 и T2 проводят первый полупериод 0 <t <T / 2. В этот период напряжение нагрузки равно Vs, что аналогично напряжению питания постоянного тока.

Во втором полупериоде T / 2 <t <T два тиристора T3 и T4 проводят ток. Напряжение нагрузки в этот период составляет -Vs.

Здесь мы можем получить выходное напряжение переменного тока, такое же, как напряжение питания постоянного тока, а коэффициент использования источника равен 100%. Форма волны выходного напряжения имеет прямоугольную форму, и фильтры используются для ее преобразования в синусоидальную волну.

Если все тиристоры работают одновременно или в паре (T1 и T3) или (T2 и T4), то источник будет закорочен. Диоды включены в схему как диод обратной связи, потому что он используется для передачи энергии к источнику постоянного тока.

Если мы сравним полномостовой инвертор с полумостовым инвертором, для данной нагрузки постоянного напряжения питания выходное напряжение в два раза, а выходная мощность в четыре раза больше в полномостовом инверторе.

2) Трехфазный мостовой инвертор

В случае промышленной нагрузки используется трехфазный источник переменного тока, и для этого мы должны использовать трехфазный инвертор. В инверторах этого типа используются шесть тиристоров и шесть диодов, которые подключены, как показано на рисунке ниже.

Он может работать в двух режимах в зависимости от степени стробирующих импульсов.

• 180-градусный режим
• 120-градусный режим

А) режим 180 градусов

В этом режиме работы время проводимости тиристора составляет 180 градусов. В любой момент времени три тиристора (по одному тиристору от каждой фазы) находятся в режиме проводимости. Форма фазного напряжения - это три ступенчатых сигнала, а форма линейного напряжения - квазиквадратная волна, как показано на рисунке.

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

Фаза А	Т1	Т4	Т1	Т4
Фаза B	T6	Т3	T6	Т3	T6
Фаза C	Т5	Т2	Т5	Т2	Т5
Степень	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Тиристор проводит	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

В этой операции временной промежуток между коммутацией выходного тиристора и проводимостью входящего тиристора равен нулю. Таким образом, возможно одновременное включение входящего и выходящего тиристора. Это приводит к короткому замыканию источника. Чтобы избежать этой трудности, используется 120-градусный режим работы.

Б) 120-градусный режим

В этой операции одновременно работают только два тиристора. Одна из фаз тиристора не подключена к положительной клемме и не подключена к отрицательной клемме. Время проводимости для каждого тиристора составляет 120 градусов. Форма линейного напряжения представляет собой трехступенчатую форму волны, а форма фазного напряжения - квазиквадратную форму волны.

Фаза А	Т1		Т4		Т1		Т4
Фаза B	T6		Т3		T6		Т3		T6
Фаза C		Т2		Т5		Т2		Т5
степень	60	120	180	240	300	360	60	120	180	240	300	360
Тиристор проводит	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 волны линейного напряжения, фазного напряжения и импульса затвора тиристора показана на рисунке выше.

В любых силовых электронных переключателях есть два типа потерь; потери проводимости и потери переключения. Потеря проводимости означает потерю включенного состояния в переключателе, а потеря переключения означает потерю выключенного состояния переключателя. Обычно потери проводимости больше, чем потери переключения в большинстве операций.

Если мы рассмотрим 180-градусный режим для одной 60-градусной операции, три переключателя разомкнуты и три переключателя замкнуты. Означает, что общие потери равны трехкратным потерям проводимости плюс трехкратным потерям при переключении.

Полная потеря на 180 градусов = 3 (потеря проводимости) + 3 (потеря переключения)

Если мы рассмотрим 120-градусный режим для одной 60-градусной операции, два переключателя разомкнуты, а остальные четыре переключателя замкнуты. Означает, что общие потери равны двукратным потерям проводимости плюс четырехкратным потерям при переключении.

Общие потери при 120 градусах = 2 (потери проводимости) + 4 (потери переключения)

(IV) Классификация по методике контроля

• Модуляция одиночной ширины импульса (одиночная ШИМ)
• Множественная широтно-импульсная модуляция (MPWM)
• Синусоидальная широтно-импульсная модуляция (SPWM)
• Модифицированная синусоидальная широтно-импульсная модуляция (MSPWM)

Выходной сигнал инвертора - прямоугольный сигнал, и этот сигнал не используется для нагрузки. Метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) используется для управления выходным напряжением переменного тока. Это управление достигается путем управления периодом включения и выключения переключателей. В методе ШИМ используются два сигнала; один - опорный сигнал, второй - треугольный сигнал несущей. Стробирующий импульс для переключателей генерируется путем сравнения этих двух сигналов. Существуют разные типы методов ШИМ.

1) Модуляция одиночной ширины импульса (одиночная ШИМ)

Для каждого полупериода в этой методике управления доступен единственный импульс. Опорный сигнал представляет собой сигнал прямоугольной формы, а сигнал несущей - сигнал треугольной формы. Отпирающий импульс для переключателей генерируется путем сравнения опорного сигнала и сигнала несущей. Частота выходного напряжения управляется по частоте опорного сигнала. Амплитуда опорного сигнала Аг и амплитуда сигнала несущей Ас, то индекс модуляции может быть определен как Ar / Ac. Главный недостаток этой техники - высокое содержание гармоник.

2) Множественная широтно-импульсная модуляция (MPWM)

Недостаток метода широтно-импульсной модуляции решается за счет использования множественной ШИМ. В этом методе вместо одного импульса в каждом полупериоде выходного напряжения используется несколько импульсов. Ворот генерируется путем сравнения опорного сигнала и сигнала несущей. Выходная частота регулируется путем управления частотой несущего сигнала. Индекс модуляции используется для управления выходным напряжением.

Количество импульсов за полупериод = fc / (2 * f0)

Где fc = частота несущего сигнала

f0 = частота выходного сигнала

3) Синусоидальная широтно-импульсная модуляция (SPWM)

Этот метод управления широко используется в промышленных приложениях. В обоих вышеупомянутых методах опорный сигнал представляет собой прямоугольный сигнал. Но в этом методе опорным сигналом является синусоидальный сигнал. Отпирающий импульс для переключателей генерируются путем сравнения опорного синусоидального сигнала волны с треугольной несущей волной. Ширина каждого импульса зависит от амплитуды синусоидальной волны. Частота выходного сигнала такой же, как частота опорного сигнала. Выходное напряжение представляет собой синусоидальную волну, а среднеквадратичное напряжение можно контролировать с помощью индекса модуляции. Формы сигналов показаны на рисунке ниже.

4) Модифицированная синусоидальная широтно-импульсная модуляция (MSPWM)

Из-за характеристики синусоидальной волны, ширина импульса волны не может быть изменена с изменением индекса модуляции в методе SPWM. По этой причине введена техника MSPWN. В этом методе несущий сигнал применяется в течение первого и последнего 60-градусного интервала каждого полупериода. Таким образом улучшаются его гармонические характеристики. Основное преимущество этого метода - увеличенная основная составляющая, уменьшенное количество переключаемых силовых устройств и уменьшенные потери переключения. Форма волны показана на рисунке ниже.

(V) По количеству уровней на выходе

• Обычный двухуровневый инвертор
• Многоуровневый инвертор

1) Обычный двухуровневый инвертор

Эти инверторы имеют на выходе только уровни напряжения: положительное пиковое напряжение и отрицательное пиковое напряжение. Иногда наличие нулевого уровня напряжения также называют двухуровневым инвертором.

2) Многоуровневые инверторы

Эти инверторы могут иметь на выходе несколько уровней напряжения. Многоуровневый инвертор разделен на четыре части.

- Летающий конденсатор инверторный

- Инвертор с диодным зажимом

- Гибридный инвертор

- Каскадный инвертор H-типа

Каждый инвертор имеет свою собственную конструкцию для работы, здесь мы кратко объяснили эти инверторы, чтобы получить общее представление о них.