Inversați circuitul de redresare, conectați un capăt la curent continuu (DC), iar celălalt capăt poate duce la curent alternativ (AC). Acesta este un invertor, un dispozitiv care convertește curentul continuu în curent alternativ.
Majoritatea sarcinilor comerciale, industriale și rezidențiale necesită alimentare de curent alternativ, dar puterea de curent alternativ nu poate fi stocată în baterii, iar stocarea bateriei este importantă pentru alimentarea de rezervă. În zilele noastre, acest defect poate fi depășit printr-o sursă de curent continuu.
Polaritatea puterii de curent continuu nu se modifică în timp, precum puterea de curent alternativ, astfel încât puterea de curent continuu poate fi stocată în baterii și supercondensatori. Deci, putem mai întâi să convertim puterea de curent alternativ în putere de curent continuu și apoi să o stocăm în baterie. În acest fel, ori de câte ori este necesară alimentarea cu curent alternativ pentru a opera aparate cu curent alternativ, curentul continuu va fi convertit înapoi în curent alternativ pentru a opera aparate cu curent alternativ.
În funcție de sursa de intrare, metoda de conectare, forma de undă a tensiunii de ieșire etc. a aplicației, invertoarele sunt împărțite în următoarele 17 categorii principale.
1. Clasificați după sursa de intrare
Intrarea unui invertor poate fi o sursă de tensiune sau o sursă de curent, deci este împărțită în invertoare de sursă de tensiune (VSI) și invertoare de sursă de curent (CSI).
Invertor sursă de tensiune (VSI)
Când intrarea invertorului este o sursă de tensiune continuă constantă, invertorul se numește invertor sursă de tensiune.
Intrarea invertorului sursei de tensiune are o sursă de tensiune DC rigidă cu impedanță zero. De fapt, impedanța unei surse de tensiune DC poate fi ignorată. Presupunând că VSI este alimentat de o sursă de tensiune ideală (sursă de impedanță extrem de scăzută), tensiunea de ieșire CA este determinată în întregime de starea dispozitivelor de comutare din invertor și de sursa de alimentare CC aplicată.
Invertor sursă de curent (CSI)
Când intrarea invertorului este o sursă de curent continuu constant, invertorul se numește invertor sursă de curent.
Curentul rigid este furnizat de la o sursă de alimentare CC către CSI, unde sursa de alimentare CC are impedanță ridicată. De obicei, inductoare mari sau curenți de control în buclă închisă sunt utilizați pentru a furniza curenți rigidi. Valul de curent rezultat este rigid și nu este afectat de sarcină. Curentul de ieșire AC este complet determinat de dispozitivele de comutare din invertor și de starea sursei de alimentare DC aplicată.
2. Clasificați după faza de ieșire
În funcție de tensiunea de ieșire și faza de curent, invertoarele sunt împărțite în principal în două categorii: invertoare monofazate și invertoare trifazate.
Invertor monofazat
Un invertor monofazat convertește intrarea DC în ieșire monofazată. Tensiunea/curentul de ieșire al unui invertor monofazat are o singură fază, iar frecvența sa nominală este tensiunea nominală de 50Hz sau 60Hz.
Tensiunea nominală este definită ca nivelul de tensiune la care funcționează sistemul electric. Există tensiuni nominale diferite, și anume 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV și 765kV. Tensiunea nominală scăzută poate fi obținută direct prin utilizarea transformatoarelor interne sau a invertoarelor cu circuite boost și buck, în timp ce pentru tensiune nominală ridicată se folosesc transformatoare externe boost.
Invertoarele monofazate sunt utilizate pentru sarcini mici. Pierderile monofazate sunt mai mari, iar eficiența monofazată este mai mică decât invertoarele trifazate. Prin urmare, invertoarele trifazate sunt alegerea preferată pentru sarcini mari.
Invertor trifazat
Un invertor trifazat transformă curentul continuu în putere trifazată. O sursă de alimentare trifazată oferă trei canale de alimentare CA cu unghiuri de fază separate uniform. Amplitudinea și frecvența tuturor celor trei unde generate la capătul de ieșire sunt aceleași, dar variază ușor din cauza sarcinii, iar fiecare undă are o schimbare de fază de 120 de grade între ele.
Practic, un singur invertor trifazat este format din trei invertoare monofazate, fiecare cu o distanță de fază de 120 de grade, iar fiecare invertor monofazat este conectat la unul dintre cele trei terminale de sarcină.
3. Clasificat după tehnologia de comutare
Conform tehnologiei de comutare, acesta poate fi împărțit în două tipuri principale: invertoare cu comutație de linie și invertoare cu comutație forțată. În plus, pot exista invertoare cu comutație auxiliare și invertoare cu comutație complementare, dar deoarece acestea nu sunt utilizate în mod obișnuit, vom discuta pe scurt cele două tipuri principale aici.
Inversarea liniei
La aceste tipuri de invertoare, tensiunea de linie a circuitului AC poate fi obținută prin echipamente; Când curentul în SCR prezintă caracteristici zero, dispozitivul este oprit. Acest proces de comutație se numește comutație de linie, iar invertoarele care funcționează pe baza acestui principiu se numesc invertoare de comutație de linie.
Comutarea forțată
În acest tip de comutație, nu va exista un punct zero în sursa de alimentare. De aceea sunt necesare unele surse externe pentru a rectifica dispozitivul. Acest proces de comutație se numește comutație forțată, iar invertoarele bazate pe acest proces se numesc invertoare cu comutație forțată.
4. Clasificat după metoda de conectare
Conform metodei de conectare a tiristoarelor în circuit, acesta poate fi împărțit în invertoare în serie, invertoare paralele și invertoare în punte, printre care invertoarele în punte sunt împărțite în continuare în jumătate de punte, punte completă și punte trifazată.
Invertor de serie
Un invertor în serie constă dintr-o pereche de tiristoare și circuite RLC (rezistență, inductanță și capacitate). Un tiristor este conectat în paralel cu circuitul RLC, iar un tiristor este conectat în serie între sursa de alimentare CC și circuitul RLC. Acest tip de invertor se numește invertor în serie deoarece sarcina este conectată direct în serie cu sursa de curent continuu cu ajutorul tiristoarelor.
Invertoarele în serie sunt, de asemenea, cunoscute ca invertoare cu autocomutație, deoarece tiristoarele acestui tip de invertor sunt autocomutate de sarcină. Un alt nume pentru acest invertor este „invertor de comutație a sarcinii”. Motivul pentru a da acest nume este că LCR este o sarcină care oferă comutație.
Invertor paralel
Un invertor paralel este format din două tiristoare, un condensator, un transformator central și un inductor. Tiristoarele sunt folosite pentru a oferi o cale pentru fluxul de curent, în timp ce inductoarele sunt folosite pentru a menține constantă sursa de curent. Conducerea și oprirea acestor tiristoare sunt controlate de condensatorii de comutație conectați între ele.
Se numește invertor paralel deoarece în funcționare, condensatorul este conectat în paralel cu sarcina printr-un transformator.
Invertor pe jumătate de punte
Un invertor cu jumătate de punte necesită două întrerupătoare electronice pentru a funcționa. Comutatoarele pot fi MOSFET, IJBT, BJT sau tiristoare.O jumătate de punte cu tiristor și comutatoare BJT necesită două diode suplimentare, cu excepția sarcinilor rezistive pure, în timp ce MOSFET-urile au diode încorporate. Pe scurt, două comutatoare sunt suficiente pentru a face față sarcinilor rezistive pure, în timp ce alte sarcini (inductoare și condensatoare) necesită două diode suplimentare. Aceste diode se numesc diode de feedback sau diode de rulare liberă.
Principiul de funcționare al unui invertor cu jumătate de punte este același pentru toate comutatoarele, dar aici discutăm despre o jumătate de punte cu întrerupătoare cu tiristoare. Există două tiristoare complementare, ceea ce înseamnă conducerea câte un tiristor la un moment dat. Pentru sarcini rezistive, circuitul funcționează în două moduri. Frecvența de comutare va determina frecvența de ieșire. Când frecvența de ieșire este de 50 HZ, fiecare tiristor conduce o dată timp de 20 ms.
Invertor cu punte completă
Un invertor monofazat cu punte completă are patru comutatoare controlate utilizate pentru a controla direcția fluxului de curent în sarcină. Această punte are 4 diode de feedback care pot reintroduce energia stocată în sarcină către sursa de alimentare. Aceste diode de feedback funcționează numai atunci când toate tiristoarele sunt oprite și sarcina nu este o sarcină pur rezistivă.
Pentru orice sarcină, doar 2 tiristoare funcționează simultan. Tiristorii T1 și T2 vor conduce într-un ciclu, în timp ce T3 și T4 vor conduce într-un alt ciclu. Cu alte cuvinte, când T1 și T2 sunt în starea ON, T3 și T4 sunt în starea OPRIT, în timp ce când T3 și T4 sunt în starea ON, celelalte două sunt în starea OPRIT. Deschiderea a două sau mai multe tiristoare simultan poate provoca un scurtcircuit, poate genera căldură excesivă și poate arde imediat circuitul.
Invertor de punte trifazat
Sarcinile industriale și alte sarcini grele necesită alimentare trifazată. Pentru a opera aceste sarcini grele de la dispozitive de stocare sau alte surse de curent continuu, este necesar un invertor trifazat. În acest scop poate fi utilizat un invertor de punte trifazat.
Un invertor de punte trifazat este un alt tip de invertor de punte, format din 6 întrerupătoare controlate și 6 diode, așa cum se arată în figură.
5. Clasificat după modul de funcționare
În funcție de modul de funcționare, invertoarele sunt împărțite în trei categorii principale:
Invertor independent
Invertorul independent este conectat direct la sarcină și nu va fi întrerupt de alte surse de alimentare. Invertor independent sau „invertor în mod off grid”, invertorul furnizează energie sarcină în mod independent, fără a fi afectat de rețea sau de alte surse de energie.
Aceste invertoare sunt numite invertoare în modul off grid deoarece nu sunt afectate de rețeaua de utilități. Aceste invertoare nu pot fi conectate la rețeaua de utilități deoarece nu au capacitate de sincronizare, unde sincronizarea este procesul de potrivire a fazei și a frecvenței nominale (50/60hz) a două surse de curent alternativ.
Invertor conectat la rețea
Invertoarele conectate la rețea sau la rețea (GTI) au două funcții principale. O funcție a invertoarelor conectate la rețea este de a furniza curent alternativ de la dispozitivele de stocare (surse de curent continuu) la sarcinile de curent alternativ, în timp ce o altă funcție a invertoarelor conectate la rețea este de a furniza energie suplimentară rețelei.
Invertoarele conectate la rețea, cunoscute și sub denumirea de invertoare interactive de utilități, invertoare de interconectare la rețea sau invertoare de feedback la rețea, sincronizează frecvența și faza curentului pentru a se adapta la rețeaua de utilități. Prin creșterea nivelului de tensiune al invertorului, puterea este transmisă de la sursa de curent continuu la rețeaua de utilități.
Invertor cu două vârfuri
Invertorul cu două vârfuri poate funcționa atât ca invertor conectat la rețea, cât și ca invertor independent. Aceste invertoare pot injecta energie suplimentară din surse regenerabile de energie și dispozitive de stocare în rețea și pot prelua energie electrică din rețea atunci când energia generată de energie regenerabilă este insuficientă. Cu alte cuvinte, aceste invertoare pot funcționa ca invertoare independente și invertoare conectate la rețea în funcție de cerințele sarcinii. Invertoarele cu două vârfuri sunt multifuncționale, inclusiv funcțiile de invertoare independente și invertoare conectate la rețea.
Funcția unui invertor cu două vârfuri va varia în funcție de sarcină. Dacă există o problemă cu rețeaua electrică sau când puterea energiei regenerabile este suficientă pentru a face față sarcinii, funcția acestuia va fi schimbată într-un invertor independent (devine un invertor independent). În acest caz, comutatorul de transfer va deconecta invertorul de la rețea.
Odată ce energia regenerabilă începe să genereze energie suplimentară, modul de funcționare va trece de la modul independent la modul conectat la rețea. Invertorul își sincronizează faza și frecvența cu invertorul și începe să injecteze energie suplimentară în rețea.
6. Clasificați după forma de undă de ieșire
Invertorul ideal se referă la un invertor care convertește semnalele DC în ieșiri AC sinusoidale pure. Problema cu invertoarele reale este că semnalele lor de ieșire nu sunt pur sinusoidale. În funcție de forma de undă de ieșire, invertoarele sunt împărțite în trei categorii:
Invertor cu undă pătrată
Acestea sunt cele mai simple invertoare pentru conversia curentului continuu în curent alternativ, dar forma de undă de ieșire nu este unda sinusoidală pură necesară. Aceste invertoare au unde pătrate la capătul de ieșire. Cu alte cuvinte, aceste invertoare convertesc intrarea DC în AC sub formă de unde pătrate. Între timp, invertoarele cu undă pătrată sunt, de asemenea, mai ieftine.
Cea mai simplă structură a acestor invertoare poate fi un invertor H-bridge. După cum se arată în figură, folosind întrerupătoare SPDT (single push double throw) înainte ca transformatorul să poată realiza o versiune mai simplă. Acest transformator va ajuta, de asemenea, la atingerea oricărui nivel dorit al tensiunii de ieșire.
Funcționarea unui model dat este extrem de simplă. Pur și simplu pornirea și oprirea comutatorului va schimba simultan curentul la terminalul de ieșire. Cu alte cuvinte, comutarea unui singur pol dublu la frecvența dorită va genera unde pătrate AC la ieșirea unui invertor obișnuit (adică transformatorul central). Distorsiunea armonică a unei unde sinusoidale tipice este de aproximativ 45%, care poate fi redusă și mai mult prin utilizarea filtrelor pentru a filtra unele armonici.
Invertor cu undă sinusoidală
Invertor cu undă sinusoidală aproape, cunoscut și sub denumirea de invertor cu undă sinusoidală modificată cu unde sinusoidale în trepte. Cu alte cuvinte, semnalele de ieșire ale acestor invertoare cresc treptat în polaritate pozitivă. După atingerea vârfului pozitiv, semnalul de ieșire scade treptat până când atinge vârful negativ, așa cum se arată în figură.
Structura unui invertor cu undă sinusoidală cvasi-sinusoidală este mult mai simplă decât un invertor cu undă sinusoidală pură, dar mai complexă decât un invertor cu undă pătrată pură.
Deși forma finală de undă de ieșire a acestor invertoare nu este o undă sinusoidală pură, distorsiunea armonică a ieșirii este totuși redusă la 24%. Filtrarea va reduce și mai mult distorsiunea, dar cantitatea de distorsiune este încă semnificativă. Din acest motiv, aceste invertoare nu sunt alegerea preferată pentru a conduce diferite sarcini, inclusiv circuite electronice.
Undele aproape sinusoidale pot deteriora permanent dispozitivele electronice cu temporizatoare în circuit. Dacă sunt conectate la un invertor cu undă sinusoidală, toate aparatele electrice cu motoare nu vor funcționa la fel de eficient ca cele conectate la un invertor cu undă sinusoidală pură. În plus, tranzițiile rapide ale formei de undă pot provoca zgomot. Din cauza acestor probleme, aplicarea invertoarelor cu undă cvasisinusoidală este limitată.
Invertor cu undă sinusoidală pură
Un invertor sinusoid pur convertește DC în AC sinusoid aproape pur. Forma de undă de ieșire a unui invertor cu undă sinusoidală pură nu este încă o undă sinusoidală ideală, dar este mult mai netedă decât invertoarele cu undă pătrată și cvasisinusoidală.
Forma de undă de ieșire a unui invertor cu undă sinusoidală pură are armonici extrem de scăzute. Armonicele sunt unde sinusoidale cu multipli impari ai frecvenței fundamentale a diferitelor amplitudini. Armonicele sunt foarte nepopulare deoarece pot cauza probleme serioase cu diverse aparate electrice. Prin utilizarea diferitelor tehnici PWM și apoi trecerea semnalului de ieșire printr-un filtru trece-jos, aceste armonici pot fi reduse și mai mult.
Construcția și funcționarea invertoarelor cu undă sinusoidală pură sunt mult mai complexe decât invertoarele cu undă pătrată și cu undă pătrată modificată.
Aceste invertoare sunt superioare primelor două invertoare deoarece majoritatea echipamentelor electrice necesită unde sinusoidale pure pentru a funcționa mai bine. După cum am menționat mai devreme, invertoarele cu undă pătrată sau cvasisinusoidală pot deteriora aparatele electrice, în special cele echipate cu motoare. Prin urmare, pentru utilizare practică, se utilizează un invertor sinusoid pur.
7. Clasificat după numărul de niveluri de ieșire
Nivelul de ieșire al oricărui invertor poate fi de cel puțin doi sau mai mult. În funcție de numărul de niveluri de ieșire, invertoarele sunt împărțite în două categorii: invertoare cu două niveluri și invertoare cu mai multe niveluri.
Invertor pe două niveluri
Un invertor cu două niveluri are două niveluri de ieșire. Tensiunea de ieșire alternează între pozitiv și negativ și alternează la frecvența fundamentală (50Hz sau 60Hz).
Unele așa-numitele „invertoare cu două niveluri” au trei niveluri în forma de undă de ieșire. Motivul clasificării invertoarelor cu trei niveluri în această categorie este că unul dintre niveluri este tensiunea zero. De fapt, zero este al treilea nivel, dar este încă clasificat ca un invertor în două trepte.
Un circuit invertor cu două niveluri constă dintr-o sursă și câteva întrerupătoare care controlează curentul sau tensiunea. Datorită limitărilor de pierderi ale comutatorului și de valorile nominale ale dispozitivului, funcționarea de înaltă frecvență a invertoarelor cu două nivele în aplicațiile de înaltă tensiune este restricționată. Cu toate acestea, valoarea nominală a comutatorului poate fi mărită prin combinații în serie și paralele. Grupul de comutatoare care asigură o jumătate de ciclu pozitiv într-un invertor cu două niveluri se numește comutator de grup pozitiv, în timp ce celălalt grup de comutatoare care oferă o jumătate de ciclu negativ este numit întrerupător de grup negativ.
Din următoarele motive, nu este de preferat un invertor cu două niveluri. Invertoarele necesită un număr minim de comutatoare și surse de alimentare pentru a funcționa și a converti puterea în trepte mici de tensiune. Un pas de tensiune mai mic va oferi forme de undă de înaltă calitate. În plus, poate reduce, de asemenea, stresul de tensiune (dv/dt) și problemele de compatibilitate electromagnetică la sarcină. Prin urmare, invertoarele cu mai multe niveluri sunt prima alegere mai practică.
Invertor cu mai multe niveluri (MLI)
Un invertor cu mai multe niveluri convertește semnalele DC în forme de undă în trepte. Forma de undă de ieșire a unui invertor cu mai multe niveluri nu este direct alternativă pozitivă și negativă, ci alternativă pe mai multe niveluri. Datorită faptului că netezimea formei de undă este direct proporțională cu numărul de niveluri de tensiune. Prin urmare, invertoarele cu mai multe niveluri vor produce forme de undă mai fine. După cum am menționat mai devreme, această caracteristică îl face potrivit pentru aplicații practice.
Concluzie:
Acest articol prezintă 17 tipuri principale de invertoare, dar, de fapt, există multe alte clasificări ale invertoarelor. De exemplu, invertoarele cu mai multe niveluri pot fi, de asemenea, împărțite în invertoare cu condensator zburător (FCMI), invertoare cu diode prinse (DCMI) și invertoare H-bridge în cascadă.
Dintr-o perspectivă practică de aplicare, invertoarele trifazate sunt potrivite pentru aplicații cu sarcină mare, invertoarele sinusoidale pur pot proteja mai bine aparatele electrice, iar invertoarele cu mai multe niveluri sunt alegeri mai practice.