Preokrenite krug ispravljanja, spojite jedan kraj na jednosmjernu struju (DC), a drugi kraj može voditi naizmjeničnu struju (AC). Ovo je inverter, uređaj koji pretvara jednosmernu struju u naizmeničnu.
Većina komercijalnih, industrijskih i stambenih opterećenja zahtijeva napajanje naizmjeničnom strujom, ali napajanje naizmjeničnom strujom se ne može pohraniti u baterije, a skladištenje baterije je važno za rezervno napajanje. Danas se ovaj kvar može prevazići DC napajanjem.
Polaritet istosmjerne struje se ne mijenja tokom vremena kao naizmjenična struja, tako da se istosmjerna energija može pohraniti u baterije i superkondenzatore. Dakle, prvo možemo pretvoriti izmjeničnu struju u istosmjernu, a zatim je pohraniti u bateriju. Na ovaj način, kad god je potrebno napajanje naizmjeničnom strujom za rad uređaja na izmjeničnu struju, istosmjerna energija će se ponovo pretvoriti u AC napajanje za rad uređaja na naizmjeničnu struju.
Prema ulaznom izvoru, načinu povezivanja, talasnom obliku izlaznog napona itd. aplikacije, pretvarači su podijeljeni u sljedećih 17 glavnih kategorija.
1. Klasifikujte prema izvoru ulaza
Ulaz pretvarača može biti izvor napona ili izvor struje, pa se dijeli na pretvarače izvora napona (VSI) i pretvarače izvora struje (CSI).
Inverter izvora napona (VSI)
Kada je ulaz pretvarača konstantan izvor istosmjernog napona, pretvarač se naziva pretvarač izvora napona.
Ulaz invertora izvora napona ima kruti izvor istosmjernog napona sa nultom impedancijom. Zapravo, impedancija izvora istosmjernog napona može se zanemariti. Pod pretpostavkom da se VSI napaja iz idealnog izvora napona (izvor ekstremno niske impedancije), izlazni napon naizmjenične struje u potpunosti je određen stanjem sklopnih uređaja u pretvaraču i primijenjenim DC napajanjem.
Inverter izvora struje (CSI)
Kada je ulaz pretvarača izvor konstantne istosmjerne struje, pretvarač se naziva inverter izvora struje.
Kruta struja se dovodi iz istosmjernog izvora napajanja do CSI, gdje istosmjerni izvor napajanja ima visoku impedanciju. Obično se koriste veliki induktori ili kontrolne struje zatvorene petlje za osiguranje krutih struja. Rezultirajući strujni val je krut i na njega ne utiče opterećenje. Izmjenična izlazna struja u potpunosti je određena sklopnim uređajima u pretvaraču i stanjem DC napajanja.
2. Klasificirati prema izlaznoj fazi
Prema izlaznom naponu i fazi struje, pretvarači se uglavnom dijele u dvije kategorije: jednofazni invertori i trofazni pretvarači.
Jednofazni inverter
Jednofazni inverter pretvara DC ulaz u jednofazni izlaz. Izlazni napon/struja jednofaznog pretvarača ima samo jednu fazu, a njegova nominalna frekvencija je nazivni napon od 50Hz ili 60Hz.
Nazivni napon se definiše kao nivo napona na kojem električni sistem radi. Postoje različiti nazivni naponi, odnosno 120V, 220V, 440V, 690V, 3.3KV, 6.6KV, 11kV, 33kV, 66kV, 132kV, 220kV, 400kV i 765kV. Nizak nazivni napon se može direktno postići upotrebom internih transformatora ili invertera sa boost i buck kolama, dok se za visoki nazivni napon koriste eksterni pojačivači transformatora.
Za mala opterećenja koriste se jednofazni pretvarači. Jednofazni gubici su veći, a efikasnost jednofaznih je niža od trofaznih invertera. Stoga su trofazni pretvarači poželjan izbor za velika opterećenja.
Trofazni inverter
Trofazni inverter pretvara jednosmernu struju u trofaznu snagu. Trofazno napajanje obezbeđuje tri kanala naizmenične struje sa ravnomerno razdvojenim faznim uglovima. Amplituda i frekvencija sva tri talasa generisana na izlaznom kraju su iste, ali malo variraju zbog opterećenja, a svaki talas ima fazni pomak od 120 stepeni jedan između drugog.
U osnovi, jedan trofazni inverter se sastoji od tri monofazna pretvarača, svaki sa faznim razmakom od 120 stepeni, a svaki monofazni pretvarač je povezan na jedan od tri terminala opterećenja.
3. Klasificirano prema komutacijskoj tehnologiji
Prema tehnologiji komutacije, može se podijeliti na dva glavna tipa: linijski komutacijski pretvarači i invertori s prinudnom komutacijom. Osim toga, mogu postojati pomoćni komutacijski invertori i komplementarni komutacijski pretvarači, ali kako se oni ne koriste uobičajeno, ovdje ćemo ukratko razmotriti dva glavna tipa.
Preokret linije
U ovim tipovima invertera, linijski napon AC kola se može dobiti preko opreme; Kada struja u SCR doživi nulte karakteristike, uređaj se isključuje. Ovaj proces komutacije naziva se linijska komutacija, a pretvarači koji rade na ovom principu nazivaju se linijski komutacijski pretvarači.
Prinudna komutacija
U ovoj vrsti komutacije neće biti nulte tačke u napajanju. Zbog toga su potrebni neki vanjski izvori za ispravljanje uređaja. Ovaj proces komutacije naziva se prisilna komutacija, a pretvarači zasnovani na ovom procesu nazivaju se invertori prisilne komutacije.
4. Klasificirano prema načinu povezivanja
Prema načinu povezivanja tiristora u strujnom kolu, može se podijeliti na serijske, paralelne i mosne pretvarače, među kojima se mosni pretvarači dalje dijele na polumosne, pune mostove i trofazne mostove.
Serijski inverter
Serijski pretvarač se sastoji od para tiristora i RLC (otpor, induktivnost i kapacitivnost) kola. Jedan tiristor je povezan paralelno sa RLC kolom, a jedan tiristor je povezan serijski između DC napajanja i RLC kola. Ovaj tip pretvarača naziva se serijski pretvarač jer je opterećenje direktno povezano u seriju sa izvorom istosmjerne struje uz pomoć tiristora.
Serijski pretvarači su također poznati kao samokomutirajući pretvarači jer se tiristori ovog tipa pretvarača sami komutiraju opterećenjem. Drugi naziv za ovaj pretvarač je 'pretvarač za komutaciju opterećenja'. Razlog za davanje ovog imena je taj što je LCR opterećenje koje obezbeđuje komutaciju.
Paralelni inverter
Paralelni pretvarač se sastoji od dva tiristora, kondenzatora, centralnog transformatora i induktora. Tiristori se koriste za obezbeđivanje putanje za protok struje, dok se induktori koriste za održavanje konstantnog izvora struje. Provođenje i isključivanje ovih tiristora kontroliraju komutacijski kondenzatori povezani između njih.
Naziva se paralelnim pretvaračem jer je u radu kondenzator povezan paralelno sa opterećenjem preko transformatora.
Polumosni inverter
Za rad polumostnog invertera potrebna su dva elektronska prekidača. Prekidači mogu biti MOSFET, IJBT, BJT ili tiristori.Polumost sa tiristorskim i BJT prekidačima zahtijeva dvije dodatne diode, osim čistog otpornog opterećenja, dok MOSFET imaju ugrađene diode. Ukratko, dva prekidača su dovoljna da ispune čista otporna opterećenja, dok druga opterećenja (induktori i kondenzatori) zahtijevaju dvije dodatne diode. Ove diode se nazivaju povratne diode ili diode slobodnog hoda.
Princip rada polumostnog invertera je isti za sve sklopke, ali ovdje govorimo o polumostu sa tiristorskim prekidačima. Postoje dva komplementarna tiristora, što znači provođenje jednog po jednog tiristora. Za otporna opterećenja, krug radi u dva načina. Frekvencija prebacivanja će odrediti izlaznu frekvenciju. Kada je izlazna frekvencija 50 Hz, svaki tiristor provodi jednom u trajanju od 20 ms.
Puni mostni inverter
Jednofazni inverter punog mosta ima četiri kontrolirana prekidača koji se koriste za kontrolu smjera strujnog toka u opterećenju. Ovaj most ima 4 povratne diode koje mogu povratiti energiju pohranjenu u opterećenju na napajanje. Ove povratne diode funkcioniraju samo kada su svi tiristori isključeni, a opterećenje nije isključivo otporno opterećenje.
Za bilo koje opterećenje, samo 2 tiristora rade istovremeno. Tiristori T1 i T2 će provoditi u jednom ciklusu, dok će T3 i T4 provoditi u drugom ciklusu. Drugim riječima, kada su T1 i T2 u ON stanju, T3 i T4 su u OFF stanju, dok kada su T3 i T4 u ON stanju, druga dva su u OFF stanju. Otvaranje dva ili više tiristora odjednom može uzrokovati kratki spoj, generirati prekomjernu toplinu i odmah izgorjeti krug.
Trofazni mostni inverter
Industrijska i druga teška opterećenja zahtijevaju trofazno napajanje. Za upravljanje ovim teškim opterećenjima iz uređaja za skladištenje ili drugih izvora istosmjerne struje, potreban je trofazni pretvarač. U tu svrhu može se koristiti trofazni mostni inverter.
Trofazni mostni inverter je još jedan tip mosnog pretvarača, koji se sastoji od 6 kontroliranih prekidača i 6 dioda, kao što je prikazano na slici.
5. Klasificiran prema načinu rada
Prema načinu rada, pretvarači se dijele u tri glavne kategorije:
Nezavisni inverter
Nezavisni pretvarač je direktno povezan s opterećenjem i neće biti prekinut od strane drugih izvora napajanja. Nezavisni inverter ili "inverter u načinu rada izvan mreže", pretvarač opskrbljuje strujom opterećenje nezavisno bez utjecaja mreže ili drugih izvora napajanja.
Ovi pretvarači se nazivaju pretvaračima u off grid modu jer na njih ne utječe komunalna mreža. Ovi pretvarači se ne mogu priključiti na komunalnu mrežu jer nemaju mogućnost sinhronizacije, pri čemu je sinhronizacija proces usklađivanja faze i nominalne frekvencije (50/60 Hz) dva izvora naizmjenične struje.
Mrežni pretvarač
Mrežni ili mrežni pretvarači (GTI) imaju dvije glavne funkcije. Jedna funkcija pretvarača povezanih na mrežu je da obezbjeđuje AC napajanje od uređaja za skladištenje (DC izvora napajanja) do AC opterećenja, dok je druga funkcija invertera povezanih na mrežu pružanje dodatne energije u mrežu.
Pretvarači povezani na mrežu, također poznati kao komunalni interaktivni pretvarači, pretvarači međusobnog povezivanja na mrežu ili pretvarači povratne veze mreže, sinkroniziraju frekvenciju i fazu struje kako bi se prilagodili komunalnoj mreži. Povećanjem naponskog nivoa pretvarača, snaga se prenosi sa izvora istosmjerne struje na komunalnu mrežu.
Dvostruki vršni inverter
Dvostruki vršni pretvarač može raditi i kao inverter povezan na mrežu i kao neovisni pretvarač. Ovi pretvarači mogu ubrizgati dodatnu energiju iz obnovljivih izvora energije i uređaja za skladištenje u mrežu, te preuzeti električnu energiju iz mreže kada je energija proizvedena obnovljivom energijom nedovoljna. Drugim riječima, ovi pretvarači mogu raditi kao nezavisni pretvarači i pretvarači povezani na mrežu prema zahtjevima opterećenja. Dvostruki vršni pretvarači su multifunkcionalni, uključujući funkcije nezavisnih pretvarača i pretvarača povezanih na mrežu.
Funkcija dvostrukog vršnog pretvarača će varirati s opterećenjem. Ako postoji problem sa električnom mrežom ili kada je snaga obnovljive energije dovoljna da podmiri opterećenje, njegova funkcija će se promijeniti u nezavisni pretvarač (postaje nezavisni pretvarač). U tom slučaju, prekidač za prijenos će isključiti pretvarač iz mreže.
Jednom kada obnovljiva energija počne stvarati dodatnu energiju, način rada će se prebaciti iz nezavisnog načina u način povezan s mrežom. Inverter sinkronizira svoju fazu i frekvenciju s pretvaračem i počinje ubrizgavati dodatnu energiju u mrežu.
6. Klasifikujte prema izlaznom talasnom obliku
Idealni inverter se odnosi na inverter koji pretvara DC signale u čiste sinusoidne AC izlaze. Problem sa stvarnim pretvaračima je taj što njihovi izlazni signali nisu čisto sinusoidni. Prema izlaznom valnog oblika, pretvarači se dijele u tri kategorije:
Inverter kvadratnog talasa
Ovo su najjednostavniji pretvarači za pretvaranje jednosmjerne struje u naizmjeničnu struju, ali izlazni valni oblik nije potreban čisti sinusni val. Ovi pretvarači imaju kvadratne valove na izlaznom kraju. Drugim riječima, ovi pretvarači pretvaraju DC ulaz u AC u obliku kvadratnih valova. U međuvremenu, invertori kvadratnog talasa su takođe jeftiniji.
Najjednostavnija struktura ovih invertera može biti H-most inverter. Kao što je prikazano na slici, korištenjem SPDT (single push double throw) prekidača prije transformatora može se postići jednostavnija verzija. Ovaj transformator će također pomoći da se postigne bilo koji željeni nivo izlaznog napona.
Rad datog modela je izuzetno jednostavan. Jednostavno uključivanje i isključivanje prekidača će istovremeno promijeniti struju na izlaznom terminalu. Drugim riječima, prebacivanje jednopolnog dvostrukog bacanja na željenu frekvenciju će generirati AC kvadratne valove na izlazu tipičnog pretvarača (tj. centralnog transformatora). Harmonsko izobličenje tipičnog sinusnog vala je oko 45%, što se može dodatno smanjiti korištenjem filtera za filtriranje nekih harmonika.
Kvazi sinusni inverter
Kvazi sinusni inverter, takođe poznat kao modifikovani sinusni inverter sa stepenastim sinusnim talasima. Drugim riječima, izlazni signali ovih pretvarača postepeno se povećavaju u pozitivnom polaritetu. Nakon postizanja pozitivnog vrha, izlazni signal se postepeno smanjuje sve dok ne dostigne negativan vrh, kao što je prikazano na slici.
Struktura kvazi sinusnog pretvarača je mnogo jednostavnija od čistog sinusnog pretvarača, ali složenija od čistog invertora s kvadratnim valom.
Iako konačni izlazni valni oblik ovih pretvarača nije čisti sinusni val, harmonijsko izobličenje izlaza je i dalje smanjeno na 24%. Filtriranje će dodatno smanjiti izobličenje, ali količina izobličenja je i dalje značajna. Iz tog razloga ovi pretvarači nisu poželjan izbor za upravljanje različitim opterećenjima, uključujući elektronska kola.
Kvazisinusni talasi mogu trajno oštetiti elektronske uređaje sa tajmerima u kolu. Ako su povezani na kvazi sinusni inverter, svi električni uređaji sa motorima neće raditi tako efikasno kao oni povezani na čist sinusni inverter. Osim toga, brzi prijelazi valnog oblika mogu uzrokovati šum. Zbog ovih problema, primjena kvazi sinusnih pretvarača je ograničena.
Čisti sinusni inverter
Čisti sinusni inverter pretvara DC u gotovo čisti sinusni AC. Izlazni valni oblik čistog sinusnog pretvarača još uvijek nije idealan sinusni val, ali je mnogo glatkiji od pravokutnih i kvazi sinusnih invertera.
Izlazni talasni oblik čistog sinusnog pretvarača ima izuzetno niske harmonike. Harmonici su sinusni valovi s neparnim višekratnicima osnovne frekvencije različitih amplituda. Harmonici su vrlo nepopularni jer mogu izazvati ozbiljne probleme s raznim električnim uređajima. Korištenjem različitih PWM tehnika i zatim propuštanjem izlaznog signala kroz niskopropusni filter, ovi harmonici se mogu dalje smanjiti.
Konstrukcija i rad čistih sinusnih invertera su mnogo složeniji od pravokutnih i modificiranih pravokutnih invertera.
Ovi pretvarači su superiorniji od prva dva pretvarača jer većina električne opreme zahtijeva čiste sinusne valove za bolji rad. Kao što je ranije spomenuto, pravokutni ili kvazi sinusni pretvarači mogu oštetiti električne uređaje, posebno one opremljene motorima. Stoga se za praktičnu upotrebu koristi čisti sinusni pretvarač.
7. Klasificiran prema broju izlaznih nivoa
Izlazna razina bilo kojeg pretvarača može biti najmanje dva ili više. Prema broju izlaznih nivoa, pretvarači se dijele u dvije kategorije: pretvarači na dva nivoa i pretvarači na više nivoa.
Dvostepeni inverter
Dvostepeni pretvarač ima dva izlazna nivoa. Izlazni napon se mijenja između pozitivnog i negativnog i mijenja se na osnovnoj frekvenciji (50Hz ili 60Hz).
Neki takozvani 'pretvarači na dva nivoa' imaju tri nivoa u svom izlaznom talasnom obliku. Razlog za svrstavanje trostepenih pretvarača u ovu kategoriju je taj što je jedan od nivoa nulti napon. Zapravo, nula je treći nivo, ali se i dalje klasifikuje kao dvostepeni inverter.
Dvoslojni inverterski krug sastoji se od izvora i nekoliko prekidača koji kontroliraju struju ili napon. Zbog ograničenja gubitaka prekidača i ocjena uređaja, visokofrekventni rad dvostepenih pretvarača u visokonaponskim aplikacijama je ograničen. Međutim, nazivna vrijednost prekidača može se povećati kroz serijske i paralelne kombinacije. Grupa sklopki koja osigurava pozitivan poluciklus u dvostepenom pretvaraču naziva se pozitivna grupna sklopka, dok se druga grupa prekidača koja osigurava negativan poluciklus naziva negativna grupna sklopka.
Iz sljedećih razloga, dvostepeni pretvarač nije poželjan. Invertori zahtijevaju minimalan broj prekidača i izvora napajanja za rad i pretvaranje energije u malim naponskim koracima. Manji korak napona će osigurati visokokvalitetne valne oblike. Osim toga, može također smanjiti napon (dv/dt) stres i probleme elektromagnetne kompatibilnosti na opterećenju. Stoga su invertori na više nivoa praktičniji prvi izbor.
Višestepeni inverter (MLI)
Multi-level inverter pretvara DC signale u višestepene talasne oblike. Izlazni valni oblik pretvarača na više nivoa nije direktno pozitivan i negativan naizmjeničan, već naizmjeničan na više nivoa. Zbog činjenice da je glatkoća talasnog oblika direktno proporcionalna broju nivoa napona. Stoga će invertori na više nivoa proizvoditi glatkije valne oblike. Kao što je ranije spomenuto, ova karakteristika ga čini pogodnim za praktičnu primjenu.
zaključak:
Ovaj članak predstavlja 17 glavnih tipova pretvarača, ali u stvari, postoje mnoge druge klasifikacije pretvarača. Na primjer, invertori na više nivoa se također mogu podijeliti na pretvarače s letećim kondenzatorom (FCMI), pretvarače sa diodnim stegnutim (DCMI) i kaskadne pretvarače H-mostova.
Iz perspektive praktične primjene, trofazni pretvarači su prikladni za primjene s velikim opterećenjem, čisti sinusni invertori mogu bolje zaštititi električne uređaje, a invertori na više nivoa su praktičniji izbor.