Поменяйте местами схему выпрямления, подключите один конец к постоянному току (DC), а другой конец может отводить переменный ток (AC). Это инвертор – устройство, преобразующее постоянный ток в переменный.
Большинству коммерческих, промышленных и жилых нагрузок требуется питание переменного тока, но питание переменного тока невозможно хранить в батареях, а хранение в батареях важно для резервного питания. В настоящее время этот недостаток можно устранить с помощью источника питания постоянного тока.
Полярность постоянного тока не меняется со временем, как мощность переменного тока, поэтому мощность постоянного тока можно хранить в батареях и суперконденсаторах. Таким образом, мы можем сначала преобразовать мощность переменного тока в мощность постоянного тока, а затем сохранить ее в батарее. Таким образом, всякий раз, когда для работы приборов переменного тока требуется мощность переменного тока, мощность постоянного тока будет преобразовываться обратно в мощность переменного тока для работы приборов переменного тока.
В зависимости от источника входного сигнала, способа подключения, формы выходного напряжения и т. д. применения инверторы делятся на следующие 17 основных категорий.
1. Классифицировать по источнику входных данных
Вход инвертора может быть источником напряжения или источником тока, поэтому он делится на инверторы источника напряжения (VSI) и инверторы источника тока (CSI).
Инвертор источника напряжения (VSI)
Когда вход инвертора является источником постоянного напряжения, инвертор называется инвертором источника напряжения.
На входе инвертора источника напряжения имеется жесткий источник постоянного напряжения с нулевым импедансом. Фактически, импеданс источника постоянного напряжения можно игнорировать. Если предположить, что VSI питается от идеального источника напряжения (источника с чрезвычайно низким импедансом), выходное напряжение переменного тока полностью определяется состоянием переключающих устройств в инверторе и применяемым источником питания постоянного тока.
Инвертор источника тока (CSI)
Когда вход инвертора является источником постоянного постоянного тока, инвертор называется инвертором источника тока.
Жесткий ток подается от источника постоянного тока на CSI, где источник постоянного тока имеет высокий импеданс. Обычно для обеспечения жестких токов используются большие индукторы или токи управления с обратной связью. Результирующая волна тока является жесткой и не подвержена влиянию нагрузки. Выходной ток переменного тока полностью определяется переключающими устройствами в инверторе и состоянием источника питания постоянного тока.
2. Классификация по выходной фазе
В зависимости от выходного напряжения и фазы тока инверторы в основном делятся на две категории: однофазные инверторы и трехфазные инверторы.
Однофазный инвертор
Однофазный инвертор преобразует вход постоянного тока в однофазный выход. Выходное напряжение/ток однофазного инвертора имеет только одну фазу, а его номинальная частота равна номинальному напряжению 50 Гц или 60 Гц.
Номинальное напряжение определяется как уровень напряжения, при котором работает электрическая система. Существуют различные номинальные напряжения: 120 В, 220 В, 440 В, 690 В, 3,3 кВ, 6,6 кВ, 11 кВ, 33 кВ, 66 кВ, 132 кВ, 220 кВ, 400 кВ и 765 кВ. Низкое номинальное напряжение может быть достигнуто напрямую за счет использования внутренних трансформаторов или инверторов с повышающими и понижающими схемами, а для высокого номинального напряжения используются внешние повышающие трансформаторы.
Однофазные инверторы используются для небольших нагрузок. Однофазные потери выше, а однофазный КПД ниже, чем у трехфазных инверторов. Поэтому трехфазные инверторы являются предпочтительным выбором для высоких нагрузок.
Трехфазный инвертор
Трехфазный инвертор преобразует постоянный ток в трехфазную мощность. Трехфазный источник питания обеспечивает три канала переменного тока с равномерно разделенными фазовыми углами. Амплитуда и частота всех трех волн, генерируемых на выходе, одинаковы, но незначительно изменяются из-за нагрузки, и каждая волна имеет сдвиг фаз между собой на 120 градусов.
По сути, один трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторов, каждый из которых имеет расстояние между фазами 120 градусов, и каждый однофазный инвертор подключен к одной из трех клемм нагрузки.
3. Классификация по технологии коммутации.
По технологии коммутации его можно разделить на два основных типа: линейная коммутация и инверторы принудительной коммутации. Кроме того, могут быть вспомогательные коммутационные инверторы и дополнительные коммутационные инверторы, но, поскольку они обычно не используются, мы кратко обсудим здесь два основных типа.
Разворот линии
В инверторах этих типов линейное напряжение цепи переменного тока можно получить с помощью оборудования; Когда ток в SCR испытывает нулевую характеристику, устройство отключается. Этот процесс коммутации называется линейной коммутацией, а инверторы, работающие по этому принципу, называются линейными коммутационными инверторами.
Принудительная коммутация
При таком типе коммутации в источнике питания не будет нулевой точки. Вот почему для исправления устройства необходимы какие-то внешние источники. Этот процесс коммутации называется принудительной коммутацией, а инверторы, основанные на этом процессе, называются инверторами принудительной коммутации.
4. Классифицируется по способу подключения
По способу включения тиристоров в схему ее можно разделить на последовательные инверторы, параллельные инверторы и мостовые инверторы, среди которых мостовые инверторы подразделяются на полумостовые, полномостовые и трехфазные мостовые.
Серийный инвертор
Последовательный инвертор состоит из пары тиристоров и цепей RLC (сопротивление, индуктивность и емкость). Один тиристор включен параллельно цепи RLC, а один тиристор включен последовательно между источником питания постоянного тока и цепью RLC. Этот тип инвертора называется последовательным инвертором, поскольку нагрузка напрямую подключается последовательно с источником питания постоянного тока с помощью тиристоров.
Последовательные инверторы также известны как инверторы с самокоммутацией, поскольку тиристоры инверторов этого типа самокоммутируются нагрузкой. Другое название этого инвертора – «инвертор коммутации нагрузки». Причина присвоения этого названия заключается в том, что LCR — это нагрузка, обеспечивающая коммутацию.
Параллельный инвертор
Параллельный инвертор состоит из двух тиристоров, конденсатора, трансформатора с центральным отводом и дросселя. Тиристоры используются для обеспечения пути прохождения тока, а индукторы используются для поддержания постоянного источника тока. Проводимость и закрытие этих тиристоров контролируются коммутационными конденсаторами, включенными между ними.
Он называется параллельным инвертором, потому что при работе конденсатор подключается параллельно нагрузке через трансформатор.
Полумостовой инвертор
Для работы полумостового инвертора требуется два электронных переключателя. Переключателями могут быть МОП-транзисторы, IJBT, BJT или тиристоры.Полумост с тиристором и BJT-переключателями требует двух дополнительных диодов, за исключением чисто резистивных нагрузок, тогда как МОП-транзисторы имеют встроенные диоды. Короче говоря, двух переключателей достаточно для работы с чистой резистивной нагрузкой, в то время как для других нагрузок (индукторов и конденсаторов) требуются два дополнительных диода. Эти диоды называются диодами обратной связи или обратными диодами.
Принцип работы полумостового инвертора одинаков для всех ключей, но здесь мы обсуждаем полумост с тиристорными ключами. Имеется два взаимодополняющих тиристора, что означает одновременное проведение одного тиристора. При резистивных нагрузках схема работает в двух режимах. Частота переключения будет определять выходную частоту. Когда выходная частота составляет 50 Гц, каждый тиристор проводит ток один раз в течение 20 мс.
Полный мостовой инвертор
Однофазный полный мостовой инвертор имеет четыре управляемых переключателя, используемых для управления направлением тока в нагрузке. Этот мост имеет 4 диода обратной связи, которые могут передавать энергию, накопленную в нагрузке, в источник питания. Эти диоды обратной связи работают только тогда, когда все тиристоры выключены и нагрузка не является чисто резистивной.
При любой нагрузке одновременно работают только 2 тиристора. Тиристоры Т1 и Т2 будут проводить ток в одном цикле, а Т3 и Т4 — в другом цикле. Другими словами, когда T1 и T2 находятся во включенном состоянии, T3 и T4 находятся в состоянии OFF, а когда T3 и T4 находятся в состоянии ON, два других находятся в состоянии OFF. Открытие двух и более тиристоров одновременно может вызвать короткое замыкание, чрезмерное выделение тепла и немедленное сгорание цепи.
Трехфазный мостовой инвертор
Промышленные и другие тяжелые нагрузки требуют трехфазного питания. Для управления этими тяжелыми нагрузками от устройств хранения данных или других источников постоянного тока требуется трехфазный инвертор. Для этой цели можно использовать трехфазный мостовой инвертор.
Трехфазный мостовой инвертор — это еще один тип мостового инвертора, состоящий из 6 управляемых ключей и 6 диодов, как показано на рисунке.
5. Классификация по режиму работы
По режиму работы инверторы делятся на три основные категории:
Независимый инвертор
Независимый инвертор напрямую подключен к нагрузке и не будет прерываться другими источниками питания. Независимый инвертор или «инвертор автономного режима», инвертор подает питание на нагрузку независимо, не подвергаясь влиянию сети или других источников питания.
Эти инверторы называются инверторами автономного режима, поскольку на них не влияет электросеть. Эти инверторы нельзя подключить к электросети, поскольку они не имеют возможности синхронизации, где синхронизация — это процесс согласования фазы и номинальной частоты (50/60 Гц) двух источников переменного тока.
Инвертор, подключенный к сети
Инверторы, подключенные к сети или подключенные к сети (GTI), выполняют две основные функции. Одной из функций инверторов, подключенных к сети, является подача энергии переменного тока от устройств хранения (источников питания постоянного тока) к нагрузкам переменного тока, а другой функцией инверторов, подключенных к сети, является подача дополнительной мощности в сеть.
Инверторы, подключенные к сети, также известные как интерактивные инверторы для сети, инверторы для межсетевого взаимодействия или инверторы с обратной связью по сети, синхронизируют частоту и фазу тока для адаптации к электрической сети. При повышении уровня напряжения инвертора мощность передается от источника постоянного тока в электросеть.
Двойной пиковый инвертор
Двухпиковый инвертор может работать как инвертор, подключенный к сети, так и как независимый инвертор. Эти инверторы могут подавать дополнительную энергию из возобновляемых источников энергии и устройств хранения в сеть, а также получать электроэнергию из сети, когда энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, недостаточно. Другими словами, эти инверторы могут работать как независимые инверторы и инверторы, подключенные к сети, в зависимости от требований нагрузки. Двухпиковые инверторы многофункциональны, включая функции независимых инверторов и инверторов, подключенных к сети.
Функция двухпикового инвертора будет меняться в зависимости от нагрузки. Если возникнет проблема с электросетью или когда мощности возобновляемой энергии будет достаточно для удовлетворения нагрузки, его функция будет изменена на независимый инвертор (он станет независимым инвертором). В этом случае безобрывный переключатель отключит инвертор от сети.
Как только возобновляемая энергия начнет генерировать дополнительную энергию, режим работы перейдет из независимого режима в режим подключения к сети. Инвертор синхронизирует свою фазу и частоту с инвертором и начинает подавать дополнительную энергию в сеть.
6. Классификация по форме выходного сигнала
Идеальный инвертор — это инвертор, который преобразует сигналы постоянного тока в чисто синусоидальные выходные сигналы переменного тока. Проблема реальных инверторов заключается в том, что их выходные сигналы не являются чисто синусоидальными. По форме выходного сигнала инверторы делятся на три категории:
Инвертор прямоугольных импульсов
Это простейшие инверторы для преобразования постоянного тока в переменный, но форма выходного сигнала не является требуемой чистой синусоидой. Эти инверторы имеют прямоугольные волны на выходе. Другими словами, эти инверторы преобразуют входной постоянный ток в переменный ток в форме прямоугольных волн. Между тем, инверторы прямоугольной формы также дешевле.
Простейшей конструкцией этих инверторов может быть инвертор с Н-мостом. Как показано на рисунке, использование переключателей SPDT (одиночное нажатие и двойной ход) перед трансформатором позволяет получить более простую версию. Этот трансформатор также поможет достичь любого желаемого уровня выходного напряжения.
Эксплуатация данной модели предельно проста. Простое включение и выключение переключателя одновременно изменит ток на выходной клемме. Другими словами, переключение однополюсного двойного направления на желаемой частоте будет генерировать прямоугольные волны переменного тока на выходе типичного инвертора (т.е. трансформатора с центральным отводом). Гармонические искажения типичной синусоидальной волны составляют около 45 %, и их можно дополнительно уменьшить, используя фильтры для фильтрации некоторых гармоник.
Квазисинусоидальный инвертор
Квазисинусоидальный инвертор, также известный как модифицированный синусоидальный инвертор со ступенчатыми синусоидальными волнами. Другими словами, выходные сигналы этих инверторов постепенно увеличиваются в положительной полярности. После достижения положительного пика выходной сигнал постепенно уменьшается, пока не достигнет отрицательного пика, как показано на рисунке.
Структура квазисинусоидального инвертора намного проще, чем инвертора чисто синусоидального сигнала, но сложнее, чем инвертора чисто прямоугольной формы.
Хотя окончательная форма выходного сигнала этих инверторов не является чистой синусоидой, гармонические искажения на выходе все равно снижаются до 24%. Фильтрация еще больше уменьшит искажения, но величина искажений все еще значительна. По этой причине эти инверторы не являются предпочтительным выбором для управления различными нагрузками, включая электронные схемы.
Квазисинусоидальные волны могут необратимо повредить электронные устройства с таймерами в цепи. При подключении к квазисинусоидальному инвертору все электроприборы с двигателями не будут работать так же эффективно, как те, которые подключены к чисто синусоидальному инвертору. Кроме того, быстрые изменения формы сигнала могут вызвать шум. Из-за этих проблем применение квазисинусоидальных инверторов ограничено.
Чистый синусоидальный инвертор
Инвертор чистого синуса преобразует постоянный ток в почти чистый синусоидальный переменный ток. Форма выходного сигнала инвертора с чистой синусоидальной волной все еще не является идеальной синусоидальной волной, но она намного более плавная, чем у инверторов прямоугольной и квазисинусоидальной формы.
Выходной сигнал инвертора с чистой синусоидой имеет чрезвычайно низкий уровень гармоник. Гармоники — это синусоидальные волны с нечетными кратными основной частоте различной амплитуды. Гармоники очень непопулярны, поскольку они могут вызвать серьезные проблемы с различными электроприборами. Используя различные методы ШИМ и затем пропуская выходной сигнал через фильтр нижних частот, эти гармоники можно еще больше уменьшить.
Конструкция и эксплуатация инверторов чистой синусоидальной волны намного сложнее, чем инверторов прямоугольной формы и модифицированной прямоугольной формы.
Эти инверторы превосходят первые два инвертора, поскольку большинству электрооборудования для лучшей работы требуются чистые синусоидальные волны. Как упоминалось ранее, инверторы прямоугольной или квазисинусоидальной формы могут повредить электроприборы, особенно оснащенные двигателями. Поэтому для практического использования используется инвертор чистого синуса.
7. Классифицируется по количеству выходных уровней.
Выходной уровень любого инвертора может быть минимум два и более. По количеству выходных уровней инверторы делятся на две категории: двухуровневые инверторы и многоуровневые инверторы.
Двухуровневый инвертор
Двухуровневый инвертор имеет два выходных уровня. Выходное напряжение чередуется между положительным и отрицательным и меняется на основной частоте (50 Гц или 60 Гц).
Некоторые так называемые «двухуровневые инверторы» имеют три уровня выходного сигнала. Причиной отнесения трехуровневых инверторов к этой категории является то, что один из уровней имеет нулевое напряжение. Собственно, ноль — это третий уровень, но его все же относят к двухступенчатому инвертору.
Двухуровневая схема инвертора состоит из источника и некоторых переключателей, управляющих током или напряжением. Из-за ограничений потерь на переключение и номиналов устройств высокочастотная работа двухуровневых инверторов в высоковольтных приложениях ограничена. Однако номинальное значение переключателя можно увеличить за счет последовательного и параллельного сочетания. Группа переключателей, обеспечивающая положительный полупериод в двухуровневом инверторе, называется переключателем положительной группы, а другая группа переключателей, обеспечивающая отрицательный полупериод, называется переключателем отрицательной группы.
По следующим причинам двухуровневый инвертор не является предпочтительным. Инверторам требуется минимальное количество переключателей и источников питания для работы и преобразования энергии с небольшими шагами напряжения. Меньший шаг напряжения обеспечит высококачественные сигналы. Кроме того, это также может снизить напряжение (dv/dt) и проблемы электромагнитной совместимости нагрузки. Поэтому многоуровневые инверторы являются более практичным выбором.
Многоуровневый инвертор (MLI)
Многоуровневый инвертор преобразует сигналы постоянного тока в многоуровневые ступенчатые сигналы. Форма выходного сигнала многоуровневого инвертора не является прямой положительной и отрицательной, а является многоуровневой. За счет того, что плавность формы сигнала прямо пропорциональна количеству уровней напряжения. Следовательно, многоуровневые инверторы будут генерировать более плавные сигналы. Как упоминалось ранее, эта характеристика делает его пригодным для практического применения.
Заключение:
В этой статье представлены 17 основных типов инверторов, но на самом деле существует множество других классификаций инверторов. Например, многоуровневые инверторы также можно разделить на инверторы с летающими конденсаторами (FCMI), инверторы с диодным зажимом (DCMI) и каскадные инверторы с Н-мостом.
С точки зрения практического применения, трехфазные инверторы подходят для приложений с высокими нагрузками, инверторы с чистым синусоидальным сигналом могут лучше защищать электроприборы, а многоуровневые инверторы являются более практичным выбором.