Различные типы инверторов и принцип их работы


Источники питания переменного тока используются практически для всех бытовых, коммерческих и промышленных нужд. Но самая большая проблема с переменным током заключается в том, что его нельзя сохранить для будущего использования. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный ток, а затем постоянный ток сохраняется в батареях и ультраконденсаторах. И после этого всякий раз, когда требуется переменный ток, постоянный ток снова преобразуется в переменный ток для работы устройств на базе переменного тока. Итак, устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называется инвертором. Инвертор используется для преобразования постоянного тока в переменный ток. Это изменение может заключаться в величине напряжения, количестве фаз, частоте или разности фаз.

Сигнал на выходе различных типов инверторов

Классификация инверторов

Инверторы можно разделить на множество типов в зависимости от выходной мощности, источника, типа нагрузки и т. д. Ниже приведена полная классификация схем инверторов:

 (I) В соответствии с выходной характеристикой

  1. Инвертор прямоугольной волны (Square Wave Inverter).
  2. Синусоидальный инвертор (Sine Wave Inverter).
  3. Модифицированный синусоидальный инвертор (Modified Sine Wave Inverter).

(II) В зависимости от источника инвертора

  1. Инвертор источника тока
  2. Инвертор источника напряжения

(III) В зависимости от типа нагрузки

  1. Однофазный инвертор
    1. Полумостовой инвертор (Half Bridge Inverter)
    2. Полный мостовой инвертор (Full Bridge Inverter)
  2. Трехфазный инвертор
    1. Режим 180 градусов (180-degree mode)
    2. Режим 120 градусов (120-degree mode)

(IV) В соответствии с различными методами 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) В зависимости от количества выходных уровней

  1. Обычный двухуровневый инвертор
  2. Многоуровневый инвертор

Рассмотрим приведенные типы инверторов более подробно.

(I) В соответствии с выходной характеристикой

В зависимости от выходной характеристики инвертора существует три различных типа инверторов:

  • Инвертор прямоугольной волны.
  • Синусоидальный инвертор.
  • Модифицированный синусоидальный инвертор.

1) Инвертор прямоугольных импульсов (волны)

Выходной сигнал напряжения для этого инвертора представляет собой прямоугольную волну. Этот тип инвертора используется реже всего среди всех других типов инверторов, поскольку все приборы рассчитаны на синусоидальное питание. Если мы подадим прямоугольную волну на синусоидальное устройство, оно может быть повреждено или потери энергии будут очень высокими. Стоимость этого инвертора очень низкая, но применение очень редкое. Его можно использовать в простых инструментах с универсальным двигателем.

2) Синусоидальный инвертор

Форма выходного напряжения этого инвертора представляет собой синусоидальную волну, что дает нам выходной сигнал, очень похожий на выходной сигнал сети электроснабжения. Это главное преимущество этого инвертора, поскольку все приборы, которые мы используем, рассчитаны на синусоидальную волну. Таким образом, это идеальный результат, дающий гарантию того, что оборудование будет работать правильно. Этот тип инверторов более дорогой, но широко используется в жилых и коммерческих целях. На нашем сайте мы рассматривали создание чистого синусоидального инвертора на основе Arduino, можете ознакомиться если интересно.

3) Модифицированный синусоидальный инвертор

Конструкция этого типа инвертора сложнее, чем у простого инвертора прямоугольных импульсов, но проще по сравнению с инвертором чистой синусоидальной волны. Выход этого инвертора не является ни чистой синусоидой, ни прямоугольной волной. Форма выходного сигнала не совсем синусоидальная, но напоминает форму синусоидальной волны.

Сигнал на выходе различных типов инверторов

(II) В зависимости от источника инвертора

  • Инвертор источника напряжения
  • Инвертор источника тока

1) Инвертор источника тока

В этих инверторах входом является источник тока. Этот тип инверторов используется в промышленности среднего напряжения, где необходимы высококачественные формы тока. Но подобные инверторы непопулярны.

2) Инвертор источника напряжения

В этих инверторах вход представляет собой источник напряжения. Этот тип инвертора используется во всех приложениях, поскольку он более эффективен, имеет более высокую надежность и более быстрый динамический отклик. Данные инверторы способны управлять двигателями без снижения их номинальных характеристик.

(III) В зависимости от типа нагрузки

  • Однофазный инвертор
  • Трехфазный инвертор

1) Однофазный инвертор

Как правило, жилая и коммерческая нагрузка использует однофазное питание. Для этого типа применения используется однофазный инвертор. Однофазные инверторы бывают двух типов:

  • Однофазный полумостовой инвертор.
  • Однофазный мостовой инвертор.

А) Однофазный полумостовой инвертор

Этот тип инвертора состоит из двух тиристоров и двух диодов, подключенных как показано на следующем рисунке.

Схема однофазного полумостового инвертора

В этом случае в представленной схеме общее напряжение постоянного тока равно Vs и разделено на две равные части Vs/2. Время одного цикла составляет Т сек.

В течение полупериода 0 <t <T/2 тиристор Т1 проводит ток. Напряжение нагрузки составляет Vs/2 из-за верхнего источника напряжения Vs/2.

Во втором полупериоде T/2 <t <T тиристор T1 коммутируется, а T2 проводит ток. В этот период напряжение нагрузки составляет -Vs/2 из-за более низкого напряжения источника Vs/2.

Диаграммы работы однофазного полумостового инвертора

С помощью этой операции мы можем получить сигнал переменного напряжения с частотой 1/T Гц и пиковой амплитудой Vs/2. Выходной сигнал представляет собой прямоугольный сигнал. Он будет пропущен через фильтр и удалит нежелательные гармоники, что даст нам чистый синусоидальный сигнал. Частотой сигнала можно управлять с помощью времени включения (Ton) и времени выключения (Toff) тиристора.

Величина выходного напряжения составляет половину напряжения питания , а период использования источника — 50%. Это недостаток полумостового инвертора, и решением этой проблемы является полномостовой (мостовой) инвертор .

Б) Однофазный полномостовой инвертор

В инверторе этого типа используются четыре тиристора и четыре диода. Принципиальная схема однофазного полномостового инвертора моста показана на следующем рисунке.

Принципиальная схема однофазного полномостового инвертора

В этой схеме одновременно два тиристора Т1 и Т2 проводят первый полупериод 0 < t < T/2. В течение этого периода напряжение нагрузки составляет 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 -Вс.

Диаграммы работы однофазного полномостового инвертора

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

Если все тиристоры проводят ток одновременно или в паре (Т1 и Т3) или (Т2 и Т4), то источник будет закорочен. Диоды включены в схему как диоды обратной связи, поскольку они используются для обратной связи по энергии с источником постоянного тока.

Если мы сравним инвертор с полным мостом и инвертор с полумостом, то для данной нагрузки напряжения питания постоянного тока выходное напряжение будет в два раза выше, а выходная мощность в инверторе с полным мостом — в четыре раза.

2) Трехфазный мостовой инвертор

В случае промышленной нагрузки используется трехфазное питание переменного тока, и для этого нам необходимо использовать трехфазный инвертор. В инверторе этого типа используются шесть тиристоров и шесть диодов, которые подключены, как показано на рисунке ниже.

Схема трехфазного мостового инвертора

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

  • Режим 180 градусов
  • Режим 120 градусов

А) Режим 180 градусов

В этом режиме работы время проводимости тиристора составляет 180 градусов. В любой момент периода три тиристора (по одному тиристору от каждой фазы) находятся в режиме проводимости. Форма фазного напряжения представляет собой три ступенчатых сигнала, а форма линейного напряжения представляет собой квазипрямоугольную волну, как показано на рисунке.

Изменение состояний трехфазного мостового инвертора в режиме 180 градусов

Диаграммы состояний трехфазного мостового инвертора в режиме 180 градусов

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

Б) Режим 120 градусов

В этой операции одновременно проводят ток только два тиристора. Одна из фаз тиристора не соединена ни с положительной клеммой, ни с отрицательной клеммой. Время проводимости каждого тиристора составляет 120 градусов. Форма линейного напряжения представляет собой трехступенчатый сигнал, а форма фазного напряжения — квазиквадратную форму. 

Изменение состояний трехфазного мостового инвертора в режиме 120 градусов

Форма 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 состояния ВКЛ в переключателе, а потеря переключения означает потерю состояния ВЫКЛ в переключателе. Как правило, потери проводимости превышают потери переключения в большинстве операций.

Если мы рассмотрим режим 180 градусов для одной операции на 60 градусов, то при этом три переключателя открыты и три переключателя закрыты. Означает, что общие потери равны трем потерям проводимости плюс трехкратным потерям переключения.

Если мы рассмотрим режим 120 градусов для одной операции на 60 градусов, то при этом два переключателя разомкнуты, а остальные четыре переключателя закрыты. Означает, что общие потери равны двукратным потерям проводимости плюс четырехкратным потерям переключения.

(IV) Классификация по методу управления

  • Одиночная широтно-импульсная модуляция (одиночный ШИМ)
  • Множественная широтно-импульсная модуляция (MPWM)
  • Синусоидальная широтно-импульсная модуляция (SPWM)
  • Модифицированная синусоидальная широтно-импульсная модуляция (MSPWM)

На выходе инвертора подается сигнал прямоугольной формы, и этот сигнал не используется для нагрузки. Метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) используется для управления выходным напряжением переменного тока. Это управление достигается за счет управления периодом включения и выключения переключателей. В методе ШИМ используются два сигнала; один — опорный сигнал, а второй — треугольный сигнал несущей. Затворный импульс для переключателей генерируется путем сравнения этих двух сигналов. Существуют различные типы методов ШИМ.

1) Одиночная широтно-импульсная модуляция (одиночный ШИМ)

В этом методе управления для каждого полупериода доступен только один импульс. Опорный сигнал представляет собой сигнал прямоугольной формы, а сигнал несущей представляет собой сигнал треугольной формы. Стробирующий импульс для переключателей генерируется путем сравнения опорного сигнала и сигнала несущей. Частота выходного напряжения контролируется частотой опорного сигнала. Амплитуда опорного сигнала равна Ar, а амплитуда сигнала несущей равна Ac, тогда индекс модуляции можно определить как Ar/Ac. Основным недостатком этого метода является высокое содержание гармоник.

Диаграммы работы инвертора при одиночной ШИМ

2) Множественная широтно-импульсная модуляция (MPWM)

Недостаток метода широтно-импульсной модуляции решается с помощью нескольких ШИМ. В этой методике вместо одного импульса используется несколько импульсов в каждом полупериоде выходного напряжения. Строб генерируется путем сравнения опорного сигнала и сигнала несущей. Выходная частота контролируется 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

Диаграммы работы инвертора при множественной ШИМ

3) Синусоидальная широтно-импульсная модуляция

Этот метод управления широко используется в промышленности. В обоих вышеупомянутых методах опорный сигнал представляет собой сигнал прямоугольной формы. Но в этом методе опорный сигнал представляет собой синусоидальный сигнал. Стробирующий импульс для переключателей генерируется путем сравнения синусоидального опорного сигнала с треугольной несущей. Ширина каждого импульса меняется в зависимости от амплитуды синусоидальной волны. Частота выходного сигнала такая 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.

Диаграммы работы инвертора при синусоидальной ШИМ

4) Модифицированная синусоидальная широтно-импульсная модуляция (MSPWM)

Из-за особенностей 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 сигнал несущей подается в течение первого и последнего 60-градусного интервала каждого полупериода. Таким образом, улучшаются его гармонические характеристики. Основным преимуществом этого метода является увеличение основной составляющей, уменьшение количества переключаемых силовых устройств и снижение потерь на переключение. Форма сигнала показана на рисунке ниже.

Диаграммы работы инвертора при модифицированной синусоидальной ШИМ

 (V) По количеству уровней на выходе

  • Обычный двухуровневый инвертор
  • Многоуровневый инвертор

1) Обычный двухуровневый инвертор

Эти инверторы имеют только уровни напряжения на выходе, которые представляют собой положительное пиковое напряжение и отрицательное пиковое напряжение.

2) Многоуровневые инверторы

Эти инверторы могут иметь несколько уровней напряжения на выходе. Многоуровневые инверторы могут быть следующих типов:

  • Инвертор с летающим конденсатором
  • Инвертор с диодным зажимом
  • Гибридный инвертор
  • Каскадный инвертор типа H
(Проголосуй первым!)
Загрузка...
715 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *