Effektomvandlare - Power inverter

Från Wikipedia, den fria encyklopedin
En växelriktare på en fristående solcentral
Översikt av solvärmeväxlare

En effektomvandlare , eller inverterare , är en kraftelektronisk enhet eller krets som ändrar likström (DC) till växelström (AC). Den resulterande AC-frekvensen som erhålls beror på den speciella anordning som används. Omvandlare gör motsatsen till "omvandlare" som ursprungligen var stora elektromekaniska enheter som omvandlar växelström till likström.

Ingångsspänning , utgångsspänning och frekvens, och övergripande effekthantering beror på utformningen av den specifika anordningen eller kretsar. Omformaren producerar ingen effekt; strömmen tillhandahålls av likströmskällan.

En kraftomvandlare kan vara helt elektronisk eller kan vara en kombination av mekaniska effekter (såsom en roterande apparat) och elektroniska kretsar. Statiska växelriktare använder inte rörliga delar i konverteringsprocessen.

Effektomvandlare används främst i elektriska applikationer där höga strömmar och spänningar finns; kretsar som utför samma funktion för elektroniska signaler, som vanligtvis har mycket låga strömmar och spänningar, kallas oscillatorer . Kretsar som utför motsatt funktion, omvandlar AC till DC, kallas likriktare .

Ingång och utgång

Inspänning

En typisk kraftomformare eller krets kräver en stabil likströmskälla som kan leverera tillräckligt med ström för systemets avsedda effektbehov. Ingångsspänningen beror på omformarens konstruktion och syfte. Exempel inkluderar:

  • 12 V DC, för mindre konsument- och kommersiella växelriktare som vanligtvis går från ett uppladdningsbart 12 V blybatteri eller eluttag.
  • 24, 36 och 48 V DC, som är vanliga standarder för hushållens energisystem.
  • 200 till 400 V DC när strömmen kommer från solceller.
  • 300 till 450 V DC när strömmen kommer från elbils batteripaket i fordon till nät-system.
  • Hundratusentals volt, där växelriktaren är en del av ett högspänningsströmöverföringssystem .

Utgångsvågform

En växelriktare kan producera en fyrkantig våg, modifierad sinusvåg, pulsad sinusvåg, pulsbreddsmodulerad våg (PWM) eller sinusvåg beroende på kretsdesign. Vanliga typer av växelriktare producerar fyrkantiga vågor eller kvasi-kvadratiska vågor. Ett mått på renheten hos en sinusvåg är den totala harmoniska distorsionen (THD). En pulsfyrkantvåg på 50% motsvarar en sinusvåg med 48% THD. Tekniska standarder för kommersiella kraftdistributionsnät kräver mindre än 3% THD i vågform vid kundens anslutningspunkt. IEEE Standard 519 rekommenderar mindre än 5% THD för system som ansluter till ett elnät.

Det finns två grundläggande konstruktioner för att producera hushållens plug-in-spänning från en DC-källa med lägre spänning, varav den första använder en switch- boost-omvandlare för att producera en DC med högre spänning och konverterar sedan till AC. Den andra metoden omvandlar likström till växelström vid batterinivån och använder en linjefrekvenstransformator för att skapa den utgående spänningen.

Fyrkantig våg

Fyrkantig våg

Detta är en av de enklaste vågformerna som en växelriktardesign kan producera och passar bäst för applikationer med låg känslighet som belysning och uppvärmning. Kvadratisk utgång kan producera "surrande" när den är ansluten till ljudutrustning och är i allmänhet olämplig för känslig elektronik.

Sinusvåg

Sinusvåg

En kraftomformaranordning som producerar en sinusformad växelströmsvågform i flera steg kallas en sinusvåginverterare . För att tydligare skilja omformarna med utgångar med mycket mindre distorsion än den modifierade sinusvågs (trestegs) växelriktarkonstruktioner använder tillverkarna ofta frasen ren sinusvågomformare . Nästan alla växelriktare av konsumentkvalitet som säljs som en "ren sinusomvandlare" producerar inte en jämn sinusvågseffekt alls, bara en mindre hackig effekt än kvadratvåg (tvåsteg) och modifierad sinusvåg (trestegs). Detta är emellertid inte kritiskt för de flesta elektronik eftersom de klarar av utdata ganska bra.

När kraftomformaranordningar ersätter standardlinjeeffekt är en sinusvågseffekt önskvärd eftersom många elektriska produkter är konstruerade för att fungera bäst med en sinusvågs växelströmskälla. Det elektriska standardverktyget ger en sinusvåg, vanligtvis med mindre brister men ibland med betydande distorsion.

Sinusväxelriktare med mer än tre steg i vågutgången är mer komplexa och har betydligt högre kostnad än en modifierad sinusvåg, med endast tre steg eller fyrkantiga vågtyper (ett steg) av samma effekthantering. Switch-mode power supply (SMPS) -enheter, såsom persondatorer eller DVD-spelare, fungerar på modifierad sinusvågseffekt. Växelströmsmotorer som drivs direkt med icke-sinusformad effekt kan producera extra värme, kan ha olika hastighetsmomentegenskaper eller kan producera mer hörbart ljud än när de körs med sinusformad effekt.

Modifierad sinusvåg

Vågform producerad av en cigarettändare 12 volt DC till 120 V AC 60 Hz inverter

Den modifierade sinusvågsutsignalen från en sådan inverter är summan av två fyrkantiga vågor, varav den ena är fasförskjuten 90 grader i förhållande till den andra. Resultatet är vågform med tre nivåer med lika stora intervall på noll volt; topp positiva volt; noll volt; topp negativa volt och sedan noll volt. Denna sekvens upprepas. Den resulterande vågen liknar ungefär formen på en sinusvåg. De flesta billiga konsumentkraftomformare producerar en modifierad sinusvåg snarare än en ren sinusvåg.

Vågformen i kommersiellt tillgängliga omformare med modifierad sinusvåg liknar en fyrkantig våg men med en paus under polaritetsomvandlingen. Kopplingstillstånd utvecklas för positiva, negativa och nollspänningar. Om vågformen väljs för att ha sina toppvärden under hälften av cykeltiden är toppspänningen till RMS- spänningsförhållandet densamma som för en sinusvåg. DC-busspänningen kan regleras aktivt, eller "på" och "av" -tiderna kan modifieras för att upprätthålla samma RMS-värde ut till DC-busspänningen för att kompensera för DC-buss spänningsvariationer. Genom att ändra pulsbredden kan det harmoniska spektrumet ändras. Den lägsta THD för en tre-stegs modifierad sinusvåg är 30% när pulserna har en bredd på 130 grader för varje elektrisk cykel. Detta är något lägre än för en fyrkantig våg.

Förhållandet mellan på och av tid kan justeras för att variera RMS-spänningen samtidigt som en konstant frekvens bibehålls med en teknik som kallas pulsbreddsmodulation (PWM). De genererade grindpulserna ges till varje omkopplare i enlighet med det utvecklade mönstret för att erhålla den önskade utsignalen. Harmoniskt spektrum i utgången beror på bredden på pulserna och moduleringsfrekvensen. Det kan visas att den minsta förvrängningen av en vågform med tre nivåer uppnås när pulserna sträcker sig över 130 grader av vågformen, men den resulterande spänningen kommer fortfarande att ha cirka 30% THD, högre än kommersiella standarder för nätanslutna kraftkällor. Vid manövrering av induktionsmotorer är spänningsövertoner vanligtvis inte oroande. emellertid inför harmonisk distorsion i den aktuella vågformen ytterligare uppvärmning och kan producera pulserande vridmoment.

Många delar av elektrisk utrustning kommer att fungera ganska bra på modifierade inverterare av sinusvågseffekter, särskilt belastningar som är resistiva till sin natur, såsom traditionella glödlampor. Objekt med strömbrytare i omkopplingsläge fungerar nästan helt utan problem, men om artikeln har en strömtransformator kan den överhettas beroende på hur marginellt den klassas.

Lasten kan emellertid arbeta mindre effektivt på grund av övertonerna i samband med en modifierad sinusvåg och producera ett surrande ljud under drift. Detta påverkar också systemets effektivitet som helhet, eftersom tillverkarens nominella konverteringseffektivitet inte tar hänsyn till övertoner. Därför kan rena sinusomformare ge betydligt högre effektivitet än modifierade sinusvågomformare.

De flesta växelströmsmotorer körs på MSW-växelriktare med en effektivitetsreduktion på cirka 20% på grund av det harmoniska innehållet. De kan dock vara ganska bullriga. En serie LC-filter inställd på grundfrekvensen kan hjälpa.

En vanlig modifierad sinusvågsomformartopologi som finns i konsumenteffektomvandlare är som följer: En inbyggd mikrokontroller slår snabbt på och stänger av MOSFET: er vid hög frekvens som ~ 50 kHz. MOSFET: erna drar direkt från en DC-källa med låg spänning (t.ex. ett batteri). Denna signal går sedan genom steg-upp-transformatorer (i allmänhet placeras många mindre transformatorer parallellt för att minska omriktarens totala storlek) för att producera en signal med högre spänning. Utgången från step-up transformatorerna filtreras sedan av kondensatorer för att producera en högspännings DC-matning. Slutligen pulsas denna likströmsförsörjning med ytterligare effekt-MOSFETs av mikrokontrollern för att producera den slutliga modifierade sinusvågssignalen.

Mer komplexa växelriktare använder mer än två spänningar för att bilda en multipelstegs approximation till en sinusvåg. Dessa kan ytterligare minska spännings- och strömövertoner och THD jämfört med en växelriktare som endast använder alternerande positiva och negativa pulser; men sådana växelriktare kräver ytterligare omkopplingskomponenter, vilket ökar kostnaden.

Nära sinusvåg PWM

Ett exempel på PWM-spänning modulerad som en serie pulser . Lågpassfiltrering med serie induktorer och shunt- kondensatorer krävs för att undertrycka kopplingsfrekvensen. En gång filtrerad resulterar detta i en nästan sinusformad vågform . Filtreringskomponenterna är mindre och bekvämare än de som krävs för att jämna ut en modifierad sinusvåg till en ekvivalent harmonisk renhet.

Vissa växelriktare använder PWM för att skapa en vågform som kan vara lågpassfiltrerad för att återskapa sinusvågen. Dessa kräver bara en likströmsförsörjning, på samma sätt som MSN-designen, men omkopplingen sker med en mycket snabbare hastighet, vanligtvis många KHz, så att pulsernas varierande bredd kan utjämnas för att skapa sinusvåg. Om en mikroprocessor används för att generera omkopplingstimingen kan det harmoniska innehållet och effektiviteten kontrolleras noggrant.

Utgångsfrekvens

AC-utgångsfrekvensen för en effektomformaranordning är vanligtvis densamma som den vanliga kraftledningsfrekvensen, 50 eller 60 hertz . Undantaget är i konstruktioner för motorkörning, där en variabel frekvens resulterar i en variabel hastighetskontroll.

Dessutom, om utgången från anordningen eller kretsen ska konditioneras ytterligare (till exempel ökas) kan frekvensen vara mycket högre för god transformatoreffektivitet.

Utspänning

Växelriktarens växelströmsutgångsspänning regleras ofta för att vara densamma som nätspänningen, vanligtvis 120 eller 240 VAC vid distributionsnivån, även när det finns förändringar i belastningen som omformaren driver. Detta gör det möjligt för växelriktaren att driva många enheter som är utformade för standardkraft.

Vissa växelriktare tillåter också valbara eller kontinuerligt variabla utspänningar.

Uteffekt

En effektomformare har ofta en total effektklass uttryckt i watt eller kilowatt. Detta beskriver den effekt som kommer att finnas tillgänglig för enheten som växelriktaren driver och indirekt den effekt som kommer att behövas från likströmskällan. Mindre populära konsument- och kommersiella enheter som är utformade för att efterlikna linjekraft varierar vanligtvis från 150 till 3000 watt.

Inte alla inverterapplikationer berör enbart eller främst strömförsörjning; i vissa fall används frekvens- och eller vågformsegenskaperna av uppföljningskretsen eller enheten.

Batterier

Den runtime av en inverterare som drivs av batterier är beroende av batterikraft och mängden kraft som dras från växelriktaren vid en given tidpunkt. När mängden utrustning som använder växelriktaren ökar minskar körtiden. För att förlänga omformarens driftstid kan ytterligare batterier läggas till omformaren.

Formel för att beräkna omvandlarens batterikapacitet:

Batterikapacitet (Ah) = total belastning (i watt) X användningstid (i timmar) / ingångsspänning (V)

När du försöker lägga till fler batterier till en växelriktare finns det två grundläggande alternativ för installation:

Seriekonfiguration
Om målet är att öka den totala ingångsspänningen till växelriktaren kan man kedja batterier i seriekonfiguration. I ett seriekonfiguration kan de andra batterierna inte driva lasten om ett enda batteri dör.
Parallell konfiguration
Om målet är att öka kapaciteten och förlänga omvandlarens driftstid kan batterierna anslutas parallellt . Detta ökar batteriets totala amperetimmar (Ah).
Om ett enda batteri laddas ur kommer de andra batterierna att laddas ur genom det. Detta kan leda till snabb urladdning av hela förpackningen eller till och med en överström och eventuell brand. För att undvika detta kan stora parallellbatterier anslutas via dioder eller intelligent övervakning med automatisk omkoppling för att isolera ett underspänningsbatteri från de andra.

Applikationer

DC-strömkällanvändning

Inverter konstruerad för att ge 115 V AC från 12 V DC-källan som tillhandahålls i en bil. Enheten som visas ger upp till 1,2 ampere växelström eller tillräckligt för att driva två 60 W glödlampor.

En växelriktare omvandlar likström från källor som batterier eller bränsleceller till växelström. Elen kan vara i vilken spänning som helst; i synnerhet kan den driva växelströmsutrustning avsedd för nätdrift eller rättas till för att producera likström vid valfri önskad spänning.

Avbrottsfri strömförsörjning

En avbrottsfri strömförsörjning (UPS) använder batterier och en växelriktare för att leverera växelström när nätström inte är tillgänglig. När nätströmmen återställs försörjer en likriktare likström för att ladda batterierna.

Elektrisk motorvarvtalsreglering

Inverterkretsar utformade för att producera ett variabelt utspänningsområde används ofta inom motorvarvtalsregulatorer. Växelriktarens likström kan härledas från ett vanligt nätuttag eller någon annan källa. Kontroll- och återkopplingskretsar används för att justera den slutliga utgången för växelriktarsektionen som slutligen kommer att bestämma hastigheten på motorn som arbetar under dess mekaniska belastning. Motorhastighetskontrollbehovet är många och inkluderar saker som: industriell motordriven utrustning, elfordon, järnvägstransportsystem och elverktyg. (Se relaterat: frekvensomriktare ) Omkopplingstillstånd utvecklas för positiva, negativa och nollspänningar enligt mönstren i omkopplingstabellen 1. De genererade grindpulserna ges till varje omkopplare i enlighet med det utvecklade mönstret och därmed utgången erhålles.

I kylkompressorer

En växelriktare kan användas för att styra kompressormotorns hastighet för att driva variabelt kylmedelsflöde i ett kyl- eller luftkonditioneringssystem för att reglera systemets prestanda. Sådana installationer är kända som inverterkompressorer . Traditionella metoder för kylreglering använder enhastighetskompressorer som slås på och av regelbundet; inverter-utrustade system har en frekvensomriktare som styr motorns hastighet och därmed kompressorn och kyleffekten. Frekvensomriktaren med variabel frekvens från växelriktaren driver en borstlös motor eller induktionsmotor , vars hastighet är proportionell mot frekvensen för växelströmmen som matas, så kompressorn kan köras med variabla hastigheter - genom att eliminera kompressorns stopp-start-cykler ökar effektiviteten. En mikrokontroller övervakar vanligtvis temperaturen i utrymmet som ska kylas och justerar kompressorns hastighet för att bibehålla önskad temperatur. Den extra elektroniken och systemhårdvaran ökar utrustningen, men kan leda till betydande besparingar i driftskostnaderna. De första inverter-luftkonditioneringarna släpptes av Toshiba 1981, i Japan.

Kraftnät

Elnätsomvandlare är utformade för att matas in i det elektriska kraftfördelningssystemet. De överförs synkront med linjen och har så lite harmoniskt innehåll som möjligt. De behöver också ett sätt att upptäcka förekomsten av elnät av säkerhetsskäl för att inte fortsätta att farligt mata elnätet under ett strömavbrott.

Synkronomvandlare är växelriktare som är utformade för att simulera en roterande generator och kan användas för att hjälpa till att stabilisera nät. De kan utformas för att reagera snabbare än vanliga generatorer på förändringar i nätfrekvensen och kan ge konventionella generatorer en chans att svara på mycket plötsliga förändringar i efterfrågan eller produktionen.

Stora omvandlare, märkta med flera hundra megawatt, används för att leverera kraft från högspänningsöverföringssystem till växelströmsfördelningssystem.

Sol

Intern vy av en solinverter. Observera de många stora kondensatorer (blå cylindrar), som används för att lagra energi kort och förbättra utgångsvågformen.

En solinverter är en balans av systemkomponenten (BOS) i ett solcellssystem och kan användas för både nätanslutna och nätanläggningar . Solar växelriktare har speciella funktioner anpassade för användning med solceller matriser, inklusive maximal spårning power point och anti-ö- skydd. Sol-mikroomvandlare skiljer sig från konventionella omformare, eftersom en individuell mikro-inverter är ansluten till varje solpanel. Detta kan förbättra systemets totala effektivitet. Utgången från flera mikroomvandlare kombineras sedan och matas ofta till elnätet .

I andra applikationer kan en konventionell växelriktare kombineras med en batteribank som underhålls av en sol laddningsregulator. Denna kombination av komponenter kallas ofta en solgenerator.

Induktionsvärme

Omvandlare omvandlar lågfrekvent huvudström till högre frekvens för användning vid induktionsuppvärmning . För att göra detta korrigeras nätströmmen först för att ge likström. Omvandlaren ändrar sedan likströmmen till högfrekvent växelström. På grund av minskningen av antalet använda likströmskällor blir strukturen mer tillförlitlig och utspänningen har högre upplösning på grund av en ökning av antalet steg så att referens sinusformad spänning bättre kan uppnås. Denna konfiguration har nyligen blivit mycket populär inom applikationer för växelströmskällor och frekvensomriktare. Denna nya växelriktare kan undvika extra fastspänningsdioder eller spänningsbalanseringskondensatorer.

Det finns tre typer av nivåförskjutna moduleringstekniker, nämligen:

  • Phase Opposition Disposition (POD)
  • Alternativ Fas Opposition Disposition (APOD)
  • Fasdisposition (PD)

HVDC kraftöverföring

Med HVDC- kraftöverföring korrigeras växelströmmen och likström med hög spänning överförs till en annan plats. Vid mottagningsplatsen omvandlar en inverter i en statisk inverteranläggning strömmen tillbaka till växelström. Omformaren måste synkroniseras med nätfrekvens och fas och minimera generering av överton.

Elektroschockvapen

Elektrochock-vapen och tasers har en DC / AC-växelriktare för att generera flera tiotusentals V AC från ett litet 9 V DC-batteri. Först omvandlas 9 V DC till 400–2000 V AC med en kompakt högfrekvenstransformator, som sedan korrigeras och tillfälligt lagras i en högspänningskondensator tills en förinställd tröskelspänning uppnås. När tröskeln (inställd med hjälp av en luftgap eller TRIAC) uppnås, tappar kondensatorn hela sin belastning i en pulstransformator som sedan stiger den upp till sin slutliga utspänning på 20–60 kV. En variant av principen används också i elektroniska blixt- och bugzappare , även om de förlitar sig på en kondensatorbaserad spänningsmultiplikator för att uppnå sin högspänning.

Diverse

Typiska applikationer för kraftomvandlare inkluderar:

  • Bärbara konsumentenheter som tillåter användaren att ansluta ett batteri eller en uppsättning batterier till enheten för att producera växelström för att driva olika elektriska föremål såsom lampor, tv-apparater, köksapparater och elverktyg.
  • Använd i kraftgenereringssystem som elföretag eller solgenererande system för att omvandla likström till växelström.
  • Använd inom något större elektroniskt system där det finns ett tekniskt behov för att få en växelströmskälla från en likströmskälla.
  • Frekvensomvandling - om en användare i (säg) ett 50 Hz-land behöver en strömförsörjning på 60 Hz till kraftutrustning som är frekvensspecifik, såsom en liten motor eller någon elektronik, är det möjligt att konvertera frekvensen genom att köra en växelriktare med en 60 Hz utgång från en likströmskälla, t.ex. en 12V strömförsörjning som går från 50 Hz nätet.

Kretsbeskrivning

Överst: Enkel växelriktarkrets visas med en elektromekanisk omkopplare och automatisk ekvivalent automatisk omkopplingsanordning implementerad med två transistorer och delad lindningstransformator istället för den mekaniska omkopplaren.
Fyrkantig vågform med grundläggande sinusvågskomponent, tredje överton och femte överton

Grundläggande design

I en enkel växelriktarkrets är likström ansluten till en transformator genom primärlindningens mittkran. En omkopplare växlas snabbt fram och tillbaka för att tillåta ström att strömma tillbaka till DC-källan efter två alternativa banor genom ena änden av primärlindningen och sedan den andra. Växlingen av strömriktningen i transformatorns primärlindning ger växelström (AC) i sekundärkretsen.

Den elektromekaniska versionen av kopplingsanordningen innehåller två stationära kontakter och en fjäderstödd rörlig kontakt. Fjädern håller den rörliga kontakten mot en av de stationära kontakterna och en elektromagnet drar den rörliga kontakten till motsatt stationär kontakt. Strömmen i elektromagneten avbryts av omkopplarens verkan så att omkopplaren kontinuerligt växlar snabbt fram och tillbaka. Denna typ av elektromekanisk växelriktaromkopplare, kallad en vibrator eller summer, användes en gång i vakuumrörsradioer . En liknande mekanism har använts i dörrklockor, surrare och tatueringsmaskiner .

När de blev tillgängliga med adekvat effektklassificering har transistorer och olika andra typer av halvledarströmställare införlivats i växelriktarkretsdesign. Vissa betyg, särskilt för stora system (många kilowatt) använder tyristorer (SCR). SCR: er ger stor effekthanteringsförmåga i en halvledaranordning och kan lätt styras över ett variabelt skjutområde.

Omkopplaren i den enkla inverteraren beskriven ovan, när den inte är kopplad till en utgångstransformator, alstrar en fyrkantspänning vågform på grund av sin enkla och slå på den natur i motsats till den sinusformade vågformen som är den vanliga vågformen för en växelströmskälla. Med användning av Fourier-analys , periodiska är vågformer representerade som summan av en oändlig serie av sinusvågor. Sinusvågen som har samma frekvens som den ursprungliga vågformen kallas den grundläggande komponenten. De andra sinusvågorna, kallade övertoner , som ingår i serien har frekvenser som är integrerade multiplar av grundfrekvensen.

Fourier-analys kan användas för att beräkna total harmonisk distorsion (THD). Den totala harmoniska distorsionen (THD) är kvadratroten av summan av kvadraterna för de harmoniska spänningarna dividerat med grundspänningen:

Avancerad design

H- broomvandlare med transistorströmställare och antiparallella dioder

Det finns många olika strömkrets topologier och kontrollstrategier som används i inverter design. Olika designmetoder behandlar olika problem som kan vara mer eller mindre viktiga beroende på hur omformaren är avsedd att användas.

Baserat på den grundläggande H- bryggtopologin finns det två olika grundläggande styrstrategier som kallas grundläggande frekvensvariabel bryggkonverterare och PWM-kontroll. Här, i den vänstra bilden av H-bryggkretsen, är den övre vänstra omkopplaren benämnd som "S1", och andra namnges som "S2, S3, S4" i moturs ordning.

För den grundläggande frekvensvariabla bryggkonverteraren kan omkopplarna drivas med samma frekvens som växelströmmen i elnätet (60 Hz i USA). Det är emellertid den hastighet med vilken omkopplarna öppnas och stängs som bestämmer växelströmsfrekvensen. När S1 och S4 är på och de andra två är av, förses belastningen med positiv spänning och vice versa. Vi kunde styra strömbrytarnas on-off-tillstånd för att justera växelströmens storlek och fas. Vi kan också styra omkopplarna för att eliminera vissa övertoner. Detta inkluderar att styra omkopplarna för att skapa hack, eller 0-tillståndsregioner, i utgångsvågformen eller lägga till utgångarna från två eller flera omvandlare parallellt som är fasförskjutna i förhållande till varandra.

En annan metod som kan användas är PWM. Till skillnad från den grundläggande frekvensvariabla bryggomvandlaren, i PWM-kontrollstrategin, kan endast två brytare S3, S4 arbeta vid frekvensen på växelsidan eller vid vilken låg frekvens som helst. De andra två skulle växla mycket snabbare (vanligtvis 100 KHz) för att skapa fyrkantiga spänningar av samma storlek men för olika tidsvaraktighet, vilket beter sig som en spänning med förändrad storlek i en större tidsskala.

Dessa två strategier skapar olika övertoner. För den första, genom Fourier-analys, skulle storleken på övertonerna vara 4 / (pi * k) (k är ordningen på övertoner). Så majoriteten av övertonenergin är koncentrerad till nedre ordningens övertoner. Under tiden för PWM-strategin ligger övertonens energi i högre frekvenser på grund av den snabba omkopplingen. Deras olika egenskaper hos övertoner leder till olika krav på eliminering av THD och övertoner. Liknande "THD" representerar uppfattningen "vågformskvalitet" nivån på distorsion orsakad av övertoner. Vågformskvaliteten för växelström som produceras direkt av H-bridge som nämns ovan skulle inte vara så bra som vi vill.

Frågan om vågformskvalitet kan hanteras på många sätt. Kondensatorer och induktorer kan användas för att filtrera vågformen. Om konstruktionen innehåller en transformator kan filtrering appliceras på transformatorns primära eller sekundära sida eller på båda sidor. Lågpassfilter används för att låta den grundläggande komponenten i vågformen passera till utgången samtidigt som passagen för de harmoniska komponenterna begränsas. Om växelriktaren är konstruerad för att ge ström vid en fast frekvens kan ett resonansfilter användas. För en justerbar frekvensomformare måste filtret ställas in på en frekvens som är över den maximala grundfrekvensen.

Eftersom de flesta laster innehåller induktans, återkopplings likriktare eller antiparallella dioder är ofta ansluten över varje halvledarbrytare för att åstadkomma en bana för topp induktiva belastningsströmmen, när omkopplaren är avstängd. De antiparallella dioderna liknar de frirullade dioderna som används i AC / DC-omvandlingskretsar.

Vågform Signal
övergångar
per period
Övertoner
eliminerade
Övertoner
förstärktes
systemet
Beskrivning
THD
Fyrkantig våg. PNG 2 2-nivå
fyrkantig våg
~ 45%
Sqarish våg, 3 nivåer PNG 4 3, 9, 27, ... 3-nivå
modifierad sinusvåg
> 23,8%
Sqarish wave, 5 level.png 8 5-nivå
modifierad sinusvåg
> 6,5%
Pwm 3: e och 5: e övertonen borttagen, 2 nivåer PNG 10 3, 5, 9, 27 7, 11, ... 2-nivå
mycket långsam PWM
Pwm 3: e och 5: e övertonen borttagen, 3 nivåer PNG 12 3, 5, 9, 27 7, 11, ... 3-nivå
mycket långsam PWM

Fourier-analys avslöjar att en vågform, som en fyrkantig våg, som är antisymmetrisk omkring 180 graderspunkten endast innehåller udda övertoner, den tredje, femte, sjunde osv. Vågformer som har steg av vissa bredder och höjder kan dämpa vissa lägre övertoner på bekostnad av att förstärka högre övertoner. Till exempel, genom att infoga ett nollspänningssteg mellan de positiva och negativa sektionerna av fyrkantsvågen, kan alla övertoner som är delbara med tre elimineras. Då lämnas endast 5: e, 7: e, 11: e, 13 osv. Den nödvändiga bredden på stegen är en tredjedel av perioden för vart och ett av de positiva och negativa stegen och en sjätte av perioden för vart och ett av nollspänningsstegen.

Att ändra kvadratvågen som beskrivits ovan är ett exempel på pulsbreddsmodulation. Modulering eller reglering av bredden på en fyrkantvågspuls används ofta som en metod för att reglera eller justera en växelriktares utspänning. När spänningsreglering inte krävs kan en fast pulsbredd väljas för att minska eller eliminera valda övertoner. Harmoniska elimineringstekniker tillämpas i allmänhet på de lägsta övertonerna eftersom filtrering är mycket mer praktisk vid höga frekvenser, där filterkomponenterna kan vara mycket mindre och billigare. Flera pulsbredds- eller bärarbaserade PWM-kontrollscheman ger vågformer som består av många smala pulser. Frekvensen som representeras av antalet smala pulser per sekund kallas omkopplingsfrekvens eller bärfrekvens . Dessa kontrollscheman används ofta i motorstyrningsomvandlare med variabel frekvens eftersom de möjliggör ett stort utbud av utspänning och frekvensjustering samtidigt som kvaliteten på vågformen förbättras.

Växelriktare med flera nivåer ger ett annat tillvägagångssätt för harmonisk annullering. Omvandlare med flera nivåer ger en utgångsvågform som uppvisar flera steg vid flera spänningsnivåer. Till exempel, är det möjligt att producera en mer sinusformad våg, genom att ha delad skena likströms insignaler vid två spänningar, eller positiva och negativa ingångar med en central jord . Genom att ansluta växelriktarens utgångsanslutningar i sekvens mellan den positiva skenan och marken, den positiva skenan och den negativa skenan, jordskenan och den negativa skenan, sedan båda till jordskenan, genereras en stegad vågform vid växelriktarens utgång. Detta är ett exempel på en tre-nivå växelriktare: de två spänningarna och jord.

Mer om att uppnå en sinusvåg

Resonansomvandlare producerar sinusvågor med LC-kretsar för att ta bort övertonerna från en enkel fyrkantvåg. Vanligtvis finns det flera serie- och parallellresonanta LC-kretsar, var och en inställd på en annan överton av kraftledningens frekvens. Detta förenklar elektroniken, men induktorerna och kondensatorerna tenderar att vara stora och tunga. Dess höga effektivitet gör detta tillvägagångssätt populärt i stora avbrottsfria strömförsörjningar i datacenter som driver växelriktaren kontinuerligt i ett "online" -läge för att undvika övergångsövergång när strömmen går förlorad. (Se relaterat: Resonansomformare )

Ett nära besläktat tillvägagångssätt använder en ferroresonant transformator, även känd som en konstant spänningstransformator , för att avlägsna övertoner och för att lagra tillräckligt med energi för att bibehålla belastningen under några växelströmscykler. Den här egenskapen gör dem användbara i standby-strömförsörjningar för att eliminera övergångsövergången som annars inträffar under ett strömavbrott medan den vanliga inverteraren startar och de mekaniska reläerna växlar till dess utgång.

Förbättrad kvantisering

Ett förslag som föreslås i tidningen Power Electronics använder två spänningar som en förbättring jämfört med den vanliga kommersialiserade tekniken, som bara kan tillämpa DC-busspänning i båda riktningarna eller stänga av den. Förslaget lägger till mellanspänningar i den gemensamma designen. Varje cykel ser följande sekvens av levererade spänningar: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1, 0.

Tre-fas växelriktare

Trefasinverterare med wye-ansluten belastning

Trefasiga växelriktare används för variabel frekvens driv applikationer och för hög effekt applikationer såsom HVDC kraftöverföring. En grundläggande trefasinverterare består av tre enfasomkopplare som var och en är ansluten till en av de tre belastningsklämmorna. För det mest grundläggande styrschemat koordineras driften av de tre omkopplarna så att en omkopplare arbetar vid varje 60 graders punkt hos den grundläggande utgångsvågformen. Detta skapar en linje-till-linje-vågform som har sex steg. Sexstegets vågform har ett nollspänningssteg mellan de positiva och negativa sektionerna av fyrkantvågen så att övertonerna som är multiplar av tre elimineras såsom beskrivits ovan. När bärarbaserade PWM-tekniker tillämpas på sexstegs vågformer bibehålls den grundläggande övergripande formen eller höljet för vågformen så att den tredje övertonen och dess multiplar avbryts.

3-fas växelriktarkopplingskrets som visar 6-stegs omkopplingssekvens och vågform av spänning mellan plintarna A och C (2 3 - 2 tillstånd)

För att konstruera växelriktare med högre effektvärden kan två sexstegs trefasomformare anslutas parallellt för en högre strömklassificering eller i serie för en högre spänningsgrad. I båda fallen fasförskjuts vågformerna för att erhålla en 12-stegs vågform. Om ytterligare växelriktare kombineras erhålls en 18-stegs växelriktare med tre växelriktare etc. Även om växelriktare vanligtvis kombineras för att uppnå ökad spänning eller strömvärde förbättras också vågformens kvalitet.

Storlek

Omvandlare är stora i storlek och volym jämfört med andra elektriska hushållsapparater. 2014 startade Google tillsammans med IEEE en öppen tävling med namnet Little Box Challenge , med ett prispengar på 1 000 000 $, för att bygga en (mycket) mindre kraftomformare.

Historia

Tidiga växelriktare

Från slutet av artonhundratalet genom mitten av det tjugonde århundradet, DC-till-AC- effektomvandling åstadkoms med användning roterande omformare eller motor-generatoruppsättningar (MG set). I början av 1900-talet började vakuumrör och gasfyllda rör användas som omkopplare i växelriktarkretsar. Den mest använda typen av rör var tyratronen .

Ursprunget till elektromekaniska växelriktare förklarar källan till termen inverterare . Tidiga AC-till-DC-omvandlare använde en induktion eller synkron växelströmsmotor direktansluten till en generator (dynamo) så att generatorns kommutator vände om sina anslutningar vid exakt rätt ögonblick för att producera DC. En senare utveckling är den synkrona omvandlaren, i vilken motor- och generatorlindningarna kombineras till en armatur, med glidringar i ena änden och en kommutator i den andra och endast en fältram. Resultatet med endera är AC-in, DC-ut. Med en MG-uppsättning kan DC anses vara genererad separat från AC; med en synkron omvandlare kan den i viss mening betraktas som "mekaniskt rättad växelström". Med tanke på rätt hjälp- och styrutrustning kan en MG-uppsättning eller roterande omvandlare "köras bakåt" och omvandlar likström till växelström. Därför är en inverter en inverterad omvandlare.

Kontrollerade likriktareomvandlare

Eftersom tidiga transistorer inte var tillgängliga med tillräcklig spänning och ström betyg för de flesta växelriktar applikationer, var det 1957 införandet av tyristor eller kisel-styrd likriktare (SCR) som initierade övergången till fast tillstånd inverteraren kretsar.

12-puls linjekommuterad växelriktarkrets

De kommutering kraven i SCR är en nyckelfaktor i SCR kretskonstruktioner. SCR stängs inte av eller kommuterar automatiskt när grindens styrsignal stängs av. De stängs bara av när framströmmen reduceras till under den lägsta hållströmmen, som varierar med varje typ av SCR, genom någon extern process. För SCR: er som är anslutna till en växelströmskälla sker kommutering naturligt varje gång källspänningen vänder. SCR: er anslutna till en likströmskälla kräver vanligtvis ett medel för påtvingad pendling som tvingar strömmen till noll när pendling krävs. De minst komplicerade SCR-kretsarna använder naturlig pendling snarare än tvungen pendling. Med tillsats av tvångskommuteringskretsar har SCR använts i de typer av inverterarkretsar som beskrivs ovan.

I applikationer där växelriktare överför effekt från en likströmskälla till en växelströmskälla är det möjligt att använda växelströms-till-likström-styrda likriktarkretsar som arbetar i inverteringsläget. I inverteringsläget fungerar en styrd likriktarkrets som en linjekommuterad växelriktare. Denna typ av operation kan användas i HVDC-kraftöverföringssystem och vid regenerativ bromsning av motorstyrsystem.

En annan typ av SCR-växelriktarkrets är den aktuella källingången (CSI) -omformaren. En CSI-växelriktare är den dubbla av en växelriktare med sex steg. Med en strömkällaomvandlare är likströmsförsörjningen konfigurerad som en strömkälla snarare än en spänningskälla . Växelriktarens SCR växlas i en sekstegssekvens för att rikta strömmen till en trefas växelströmsbelastning som en stegströmsvågform. Pendlingsmetoder för CSI-växelriktare inkluderar lastpendling och parallell kondensatorpendling. Med båda metoderna hjälper ingångsströmregleringen kommuteringen. Med lastpendling är lasten en synkron motor som drivs med en ledande effektfaktor.

Eftersom de har blivit tillgängliga i högre spännings- och strömvärden har halvledare som transistorer eller IGBT som kan stängas av med hjälp av styrsignaler blivit de föredragna omkopplingskomponenterna för användning i växelriktarkretsar.

Likriktare och växelriktarens pulsnummer

Likriktarkretsar klassificeras ofta efter antalet strömpulser som strömmar till likriktarens likströmssida per AC-ingångsspänning. En enfas halvvågslikriktare är en enpulskrets och en enfas fullvågslikriktare är en tvåpulskrets. En trefas halvvågslikriktare är en tre-pulskrets och en trefas fullvågslikriktare är en sex-pulskrets.

Med trefaslikriktare är två eller flera likriktare ibland anslutna i serie eller parallellt för att få högre spännings- eller strömvärden. Likriktarens ingångar levereras från speciella transformatorer som ger fasförskjutna utgångar. Detta har effekten av fasmultiplikation. Sex faser erhålls från två transformatorer, tolv faser från tre transformatorer och så vidare. De tillhörande likriktarkretsarna är 12-pulslikriktare, 18-pulslikriktare och så vidare ...

När styrda likriktarkretsar manövreras i inversionsläge, skulle de också klassificeras efter pulsnummer. Likriktarkretsar som har ett högre pulsnummer har minskat harmoniskt innehåll i växelströmsingångsströmmen och minskat krusning i likspänningen. I inverteringsläget har kretsar som har ett högre pulsnummer lägre harmoniskt innehåll i AC-utgångsspänningsvågformen.

Andra anteckningar

De stora omkopplingsanordningarna för kraftöverföringsapplikationer installerade fram till 1970 använde huvudsakligen kvicksilverbågsventiler . Moderna växelriktare är vanligtvis solid state (statiska växelriktare). En modern designmetod innehåller komponenter ordnade i en H- bryggkonfiguration. Denna design är också ganska populär bland småskaliga konsumentenheter.

Se även

Referenser

Vidare läsning

  • Bedford, BD; Hoft, RG; et al. (1964). Principer för växelriktarkretsar . New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN   978-0-471-06134-2 .
  • Mazda, FF (1973). Tyristorkontroll . New York: Halsted Press Div. av John Wiley & Sons. ISBN   978-0-470-58116-2 .
  • Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Användarmanual IGBT och MOSFET Power Modules , 1. utgåva, ISLE Verlag, 1998, ISBN   3-932633-24-5 PDF-version

externa länkar