Инвертор мощности - Power inverter

«Инвертор» перенаправляет сюда. Для логического элемента см. Инвертор (логический вентиль). Для использования в других целях см. Инвертор (значения).
Инвертор на отдельно стоящую солнечную установку
Обзор инверторов для солнечных электростанций

А инвертор мощности, или же инвертор, это power electronic устройство или схема, которые изменяют постоянный ток (DC) в переменный ток (AC).[1] Полученная в результате частота переменного тока зависит от конкретного используемого устройства. Инверторы работают противоположно «преобразователям», которые изначально были большими электромеханическими устройствами, преобразующими переменный ток в постоянный.[2]

Вход Напряжение, выходное напряжение и частота, а также общее мощность обращение зависит от конструкции конкретного устройства или схемы. Инвертор не производит никакой энергии; питание обеспечивается источником постоянного тока.

Силовой инвертор может быть полностью электронным или может представлять собой комбинацию механических воздействий (например, вращающееся устройство) и электронной схемы.Статические инверторы не используйте движущиеся части в процессе преобразования.

Силовые инверторы в основном используются в системах электроснабжения, где присутствуют высокие токи и напряжения; схемы, которые выполняют ту же функцию для электронных сигналов, которые обычно имеют очень низкие токи и напряжения, называются генераторы. Цепи, которые выполняют противоположную функцию, преобразовывая переменный ток в постоянный, называются выпрямители.

Ввод и вывод

Входное напряжение

Типичное устройство или схема инвертора мощности требует относительно стабильного Источник питания постоянного тока способен обеспечивать достаточный ток для предполагаемой мощности системы. Входное напряжение зависит от конструкции и назначения инвертора. Примеры включают:

  • 12 В постоянного тока, для небольших бытовых и коммерческих инверторов, которые обычно работают от перезаряжаемой свинцово-кислотной батареи 12 В или автомобильной электрической розетки.[3]
  • 24, 36 и 48 В постоянного тока, которые являются общими стандартами для домашних энергетических систем.
  • От 200 до 400 В постоянного тока при питании от фотоэлектрических солнечных батарей.
  • От 300 до 450 В постоянного тока, когда питание поступает от аккумуляторных батарей электромобиля в межсетевых системах.
  • Сотни тысяч вольт, когда инвертор является частью постоянный ток высокого напряжения система передачи энергии.

Форма выходного сигнала

Инвертор может генерировать прямоугольную волну, модифицированную синусоидальную волну, импульсную синусоидальную волну, широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) или синусоидальную волну в зависимости от конструкции схемы. Обычные типы инверторов производят прямоугольные или квазиквадратные волны. Одним из показателей чистоты синусоидальной волны является полное гармоническое искажение (THD). Прямоугольная волна с коэффициентом заполнения 50% эквивалентна синусоиде с 48% THD. [4] Технические стандарты для коммерческих распределительных сетей требуют менее 3% THD формы волны в точке подключения заказчика. Стандарт IEEE 519 рекомендует менее 5% THD для систем, подключенных к электросети.

Существуют две основные конструкции для производства бытового подключаемого напряжения от источника постоянного тока с более низким напряжением, в первой из которых используется переключаемый повышающий преобразователь для производства постоянного тока более высокого напряжения, а затем преобразования в переменный. Второй метод преобразует постоянный ток в переменный на уровне заряда батареи и использует линейная частота трансформатор для создания выходного напряжения.[5]

Квадратная волна

Квадратная волна

Это одна из самых простых форм сигнала, которую может создать инвертор, и она лучше всего подходит для приложений с низкой чувствительностью, таких как освещение и отопление. При подключении к звуковому оборудованию выходной сигнал прямоугольной формы может вызывать "гудение" и обычно не подходит для чувствительной электроники.

Синусоидальная волна

Синусоидальная волна

Устройство инвертора мощности, которое генерирует многоступенчатую синусоидальную форму волны переменного тока, называется синусоидальный инвертор. Чтобы более четко различать инверторы с выходами с гораздо меньшими искажениями, чем у модифицированная синусоида (трехступенчатые) конструкции инверторов, производители часто используют фразу чистый синусоидальный инвертор. Почти все инверторы потребительского класса, которые продаются как «инверторы с чистой синусоидой», вообще не дают ровного синусоидального выходного сигнала,[6] просто менее прерывистый выходной сигнал, чем у преобразователей прямоугольной формы (два шага) и модифицированной синусоидальной волны (три шага). Однако для большинства электронных устройств это не критично, поскольку они довольно хорошо справляются с выходом.

В тех случаях, когда силовые инверторы заменяют стандартное сетевое питание, желателен выходной сигнал синусоидальной волны, поскольку многие электрические изделия спроектированы так, чтобы лучше всего работать с источником питания переменного тока синусоидальной волны. Стандартная электрическая сеть обеспечивает синусоидальную волну, обычно с небольшими дефектами, но иногда со значительными искажениями.

Инверторы синусоидальной волны с более чем тремя ступенями выходного сигнала более сложны и имеют значительно более высокую стоимость, чем модифицированная синусоидальная волна, имеющая всего три ступени, или прямоугольные (одна ступенька) с той же мощностью. Импульсный источник питания (SMPS) устройства, такие как персональные компьютеры или DVD-плееры, работают на модифицированной мощности синусоидальной волны. Двигатели переменного тока, напрямую работающие от несинусоидальной мощности, могут выделять дополнительное тепло, могут иметь другие характеристики скорости-момента или могут производить больше шума, чем при работе от синусоидальной мощности.

Модифицированная синусоида

Форма волны, создаваемая прикуривателем от 12 вольт постоянного тока до 120 В переменного тока, инвертор 60 Гц

Модифицированный синусоидальный выходной сигнал такого инвертора представляет собой сумму двух квадратные волны один из которых сдвинут по фазе на 90 градусов относительно другого. В результате получается трехуровневая форма сигнала с равными интервалами нулевого напряжения; пиковое положительное напряжение; ноль вольт; пиковое отрицательное напряжение, а затем ноль вольт. Эта последовательность повторяется. Результирующая волна очень примерно по форме напоминает синусоидальную волну. Большинство недорогих потребительских инверторов мощности генерируют модифицированную синусоидальную волну, а не чистую синусоидальную волну.

Форма волны в имеющихся в продаже инверторах модифицированной синусоидальной волны напоминает прямоугольную волну, но с паузой во время смены полярности.[5] Состояния переключения разработаны для положительного, отрицательного и нулевого напряжения. Если для формы сигнала выбраны пиковые значения в течение половины времени цикла, пиковое напряжение до RMS Соотношение напряжений такое же, как для синусоиды. Напряжение на шине постоянного тока может активно регулироваться, или время «включения» и «выключения» может быть изменено для поддержания одного и того же выходного среднеквадратичного значения вплоть до напряжения шины постоянного тока для компенсации колебаний напряжения шины постоянного тока. Изменяя ширину импульса, можно изменить спектр гармоник. Самый низкий THD для трехступенчатой ​​модифицированной синусоидальной волны составляет 30%, когда ширина импульсов составляет 130 градусов в каждом электрическом цикле. Это немного ниже, чем для прямоугольной волны.[7]

Соотношение времени включения и выключения можно регулировать для изменения среднеквадратичного напряжения при поддержании постоянной частоты с помощью метода, называемого широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Сгенерированные импульсы затвора подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанным шаблоном для получения желаемого выхода. Спектр гармоник на выходе зависит от ширины импульсов и частоты модуляции. Можно показать, что минимальные искажения трехуровневой формы волны достигаются, когда импульсы распространяются более чем на 130 градусов формы волны, но результирующее напряжение все равно будет иметь около 30% THD, что выше, чем коммерческие стандарты для источников питания, подключенных к сети.[8] При работе асинхронных двигателей гармоники напряжения обычно не вызывают беспокойства; однако гармонические искажения в форме волны тока приводят к дополнительному нагреву и могут создавать пульсации крутящего момента.[9]

Многочисленные элементы электрооборудования будут достаточно хорошо работать с модифицированными устройствами синусоидального инвертора, особенно с нагрузками, имеющими резистивный характер, такими как традиционные лампы накаливания. Предметы с импульсный источник питания работают почти полностью без проблем, но если в элементе есть сетевой трансформатор, он может перегреться в зависимости от того, насколько предельно он рассчитан.

Однако нагрузка может работать менее эффективно из-за гармоник, связанных с измененной синусоидальной волной, и создавать гудящий шум во время работы. Это также влияет на эффективность системы в целом, поскольку номинальная эффективность преобразования производителя не учитывает гармоники. Следовательно, чисто синусоидальные инверторы могут обеспечить значительно более высокий КПД, чем модифицированные синусоидальные инверторы.

Большинство двигателей переменного тока будут работать на инверторах MSW со снижением эффективности примерно на 20% из-за содержания гармоник. Однако они могут быть довольно шумными. Может помочь последовательный LC-фильтр, настроенный на основную частоту.[10]

Общая модифицированная топология синусоидального инвертора, встречающаяся в инверторах бытовой мощности, выглядит следующим образом: встроенный микроконтроллер быстро включает и выключает питание. МОП-транзисторы на высокой частоте вроде ~ 50 кГц. Полевые МОП-транзисторы напрямую питаются от источника постоянного тока низкого напряжения (например, батареи). Затем этот сигнал проходит через повышающие трансформаторы (как правило, многие трансформаторы меньшего размера размещаются параллельно, чтобы уменьшить общий размер инвертора), чтобы произвести сигнал более высокого напряжения. Затем выходной сигнал повышающих трансформаторов фильтруется конденсаторами для создания источника постоянного тока высокого напряжения. Наконец, этот источник постоянного тока подается микроконтроллером с дополнительными силовыми полевыми МОП-транзисторами для создания окончательного модифицированного синусоидального сигнала.

Более сложные инверторы используют более двух напряжений для формирования многоступенчатого приближения к синусоиде. Они могут дополнительно снизить гармоники напряжения и тока, а также THD по сравнению с инвертором, использующим только чередующиеся положительные и отрицательные импульсы; но такие инверторы требуют дополнительных коммутационных компонентов, что увеличивает стоимость.

Ближний синусоидальный ШИМ

Некоторые инверторы используют ШИМ для создания формы волны, которая может быть отфильтрована нижними частотами для воссоздания синусоидальной волны. Для них требуется только один источник постоянного тока, как в конструкциях MSN, но переключение происходит с гораздо большей скоростью, обычно на много кГц, так что изменяющаяся ширина импульсов может быть сглажена для создания синусоидальной волны. Если для генерации времени переключения используется микропроцессор, можно тщательно контролировать содержание гармоник и эффективность.

Пример ШИМ-модуляции напряжения в виде серии импульсов ■. Фильтрация нижних частот с серией индукторы и шунт конденсаторы требуется для подавления частоты коммутации. После фильтрации это приводит к почти синусоидальной форме волны. ■. Компоненты фильтрации меньше и удобны, чем те, которые требуются для сглаживания модифицированной синусоидальной волны до эквивалентной гармонической чистоты.

Выходная частота

Выходная частота переменного тока силового инвертора обычно такая же, как и стандартная частота в сети, 50 или 60 герц. Исключение составляют конструкции для привода двигателя, где переменная частота приводит к изменению скорости.

Также, если выходной сигнал устройства или схемы должен быть дополнительно согласован (например, повышен), тогда частота может быть намного выше для хорошего КПД трансформатора.

Выходное напряжение

Выходное напряжение переменного тока силового инвертора часто регулируется таким образом, чтобы оно было таким же, как напряжение в сети, обычно 120 или 240 В переменного тока на уровне распределения, даже если есть изменения в нагрузке, которую инвертор управляет. Это позволяет инвертору питать множество устройств, рассчитанных на стандартное сетевое питание.

Некоторые инверторы также позволяют выбирать или плавно изменять выходное напряжение.

Выходная мощность

Инвертор мощности часто имеет общую номинальную мощность, выраженную в Вт или киловатты. Это описывает мощность, которая будет доступна устройству, которое управляет инвертор, и, косвенно, мощность, которая потребуется от источника постоянного тока. Меньшие популярные потребительские и коммерческие устройства, предназначенные для имитации мощности сети, обычно варьируются от 150 до 3000 Вт.

Не все применения инверторов связаны исключительно или в первую очередь с подачей энергии; в некоторых случаях характеристики частоты и или формы волны используются последующей схемой или устройством.

Аккумуляторы

В время выполнения Работа инвертора с питанием от батарей зависит от мощности батареи и количества энергии, потребляемой инвертором в данный момент времени. По мере увеличения количества оборудования, использующего инвертор, время работы сокращается. Чтобы продлить время работы инвертора, к инвертору можно добавить дополнительные батареи.[11]

Формула для расчета емкости аккумуляторной батареи инвертора:[12]

Емкость аккумулятора (Ач) = общая нагрузка (в ваттах) X время использования (в часах) / входное напряжение (В)

При попытке добавить в инвертор дополнительные батареи есть два основных варианта установки:

Конфигурация серии
Если цель состоит в том, чтобы увеличить общее входное напряжение инвертора, можно гирлянда аккумуляторы в последовательной конфигурации. В последовательной конфигурации, если одна батарея разрядится, другие батареи не смогут питать нагрузку.
Параллельная конфигурация
Если цель - увеличить емкость и продлить время работы инвертора, можно подключить батареи. в параллели. Это увеличивает общий ампер-час (Ач) номинальная мощность комплекта батарей.
Однако, если одна батарея разряжена, другие батареи будут разряжаться через нее. Это может привести к быстрой разрядке всего блока или даже к перегрузке по току и возможному возгоранию. Чтобы избежать этого, большие параллельно подключенные батареи могут быть подключены через диоды или интеллектуальный мониторинг с автоматическим переключением, чтобы изолировать батареи с пониженным напряжением от других.

Приложения

Использование источника постоянного тока

Инвертор предназначен для обеспечения 115 В переменного тока от источника постоянного тока 12 В в автомобиле. Показанный блок обеспечивает до 1,2 ампера переменного тока, чего достаточно для питания двух лампочек мощностью 60 Вт.

Инвертор преобразует электричество постоянного тока от таких источников, как батареи или же топливные элементы к электричеству переменного тока. Электричество может быть любого необходимого напряжения; в частности, он может работать с оборудованием переменного тока, предназначенным для работы от сети, или выпрямителем для выработки постоянного тока при любом желаемом напряжении.

Источники бесперебойного питания

An бесперебойный источник питания (ИБП) использует батареи и инвертор для подачи питания переменного тока, когда сеть недоступна. Когда сетевое питание восстановлено, выпрямитель подает питание постоянного тока для зарядки аккумуляторов.

Контроль скорости электродвигателя

В контроллерах скорости двигателя часто используются схемы инвертора, предназначенные для создания переменного диапазона выходного напряжения. Электропитание постоянного тока для секции инвертора может быть получено от обычной настенной розетки переменного тока или другого источника. Схема управления и обратной связи используется для регулировки конечного выхода секции инвертора, которая в конечном итоге определяет скорость двигателя, работающего под его механической нагрузкой. Потребности в управлении скоростью двигателя многочисленны и включают в себя такие вещи, как промышленное оборудование с приводом от двигателя, электромобили, системы железнодорожного транспорта и электроинструменты. частотно-регулируемый привод ) Состояния переключения разрабатываются для положительного, отрицательного и нулевого напряжения согласно шаблонам, приведенным в таблице переключения 1. Сгенерированные импульсы затвора подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанным шаблоном, и, таким образом, получается выходной сигнал.

В холодильных компрессорах

Инвертор можно использовать для управления скоростью компрессор мотор для привода переменный расход хладагента в охлаждение или же кондиционер система для регулирования производительности системы. Такие установки известны как инверторные компрессоры. Традиционные методы регулирования охлаждения используют односкоростные компрессоры, которые периодически включаются и выключаются; инверторные системы имеют частотно-регулируемый привод которые управляют скоростью двигателя и, следовательно, мощностью компрессора и охлаждения. Переменный ток переменной частоты от инвертора приводит в движение бесщеточный или же Индукционный двигатель, скорость которого пропорциональна частоте переменного тока, в который он подается, поэтому компрессор может работать с переменной скоростью - исключение циклов остановки-запуска компрессора повышает эффективность. А микроконтроллер обычно контролирует температуру в охлаждаемом пространстве и регулирует скорость компрессора для поддержания желаемой температуры. Дополнительная электроника и системное оборудование увеличивают стоимость оборудования, но могут привести к значительной экономии эксплуатационных расходов.[13] Первые инверторные кондиционеры были выпущены Toshiba в 1981 году в Японии.[14]

Энергосистема

Сетевые инверторы предназначены для подачи в систему распределения электроэнергии.[15] Они передаются синхронно с линией и имеют как можно меньше гармоничного содержания. Им также необходимы средства обнаружения наличия электросети по соображениям безопасности, чтобы не продолжать опасно подавать электроэнергию в сеть во время отключения электроэнергии.

Синхронизаторы инверторы, которые предназначены для имитации вращающегося генератора, и могут использоваться для стабилизации сетей. Они могут быть спроектированы так, чтобы быстрее реагировать на изменения частоты сети, чем обычные генераторы, и могут дать обычным генераторам возможность реагировать на очень внезапные изменения спроса или производства.

Большие инверторы мощностью несколько сотен мегаватт используются для передачи энергии от постоянный ток высокого напряжения системы передачи к системам распределения переменного тока.

Солнечная

Внутренний вид солнечного инвертора. Обратите внимание на множество больших конденсаторов (синие цилиндры), которые используются для кратковременного накопления энергии и улучшения формы выходного сигнала.
Основная статья: Солнечный инвертор

А солнечный инвертор это баланс системы (BOS) компонент фотоэлектрическая система и может использоваться как для подключенный к сети и от сетки системы. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрический массивы, в том числе отслеживание точки максимальной мощности и анти-остров охрана.Солнечные микро-инверторы отличаются от обычных инверторов тем, что к каждой солнечной панели прикреплен индивидуальный микроинвертор. Это может повысить общую эффективность системы. Затем выходной сигнал нескольких микро-инверторов объединяется и часто подается на электрическая сеть.

В других приложениях обычный инвертор может быть объединен с аккумулятором, поддерживаемым контроллером заряда солнечной батареи. Такое сочетание компонентов часто называют солнечным генератором.[16]

Индукционный нагрев

Инверторы преобразуют низкочастотную основную мощность переменного тока в более высокую частоту для использования в индукционный нагрев. Для этого сначала выпрямляется напряжение переменного тока, чтобы обеспечить питание постоянного тока. Затем инвертор изменяет мощность постоянного тока на мощность переменного тока высокой частоты. В связи с сокращением числа источников постоянного тока, используемым, структура становится более надежной и выходное напряжение имеет более высокое разрешение в связи с увеличением числа шагов так, чтобы опорное синусоидальное напряжение может быть лучше достигнуты. Эта конфигурация в последнее время стала очень популярной в источниках питания переменного тока и приводах с регулируемой скоростью. Этот новый инвертор позволяет избежать использования дополнительных ограничивающих диодов или конденсаторов для выравнивания напряжения.

Существует три вида методов модуляции со сдвигом уровня, а именно:

  • Фаза противодействия диспозиции (POD)
  • Альтернативная фаза диспозиции оппозиции (APOD)
  • Распределение фаз (PD)

Передача электроэнергии HVDC

С HVDC Передача энергии, мощность переменного тока выпрямляется, а мощность постоянного тока высокого напряжения передается в другое место. В месте приема инвертор в статическая инверторная установка преобразует мощность обратно в переменный ток. Инвертор должен быть синхронизирован с частотой и фазой сети и минимизировать генерацию гармоник.

Электрошоковое оружие

Электрошоковое оружие и электрошокеры иметь инвертор постоянного / переменного тока для выработки нескольких десятков тысяч В переменного тока из небольшой батареи 9 В постоянного тока. Сначала 9 В постоянного тока преобразуются в 400–2000 В переменного тока с помощью компактного высокочастотного трансформатора, который затем выпрямляется и временно сохраняется в высоковольтном конденсаторе до тех пор, пока не будет достигнуто предварительно установленное пороговое напряжение. Когда достигается порог (установленный с помощью воздушного зазора или TRIAC), конденсатор сбрасывает всю свою нагрузку в импульсный трансформатор который затем увеличивает его до конечного выходного напряжения 20–60 кВ. Вариант принципа также используется в электронная вспышка и ошибка Zappers, хотя они полагаются на конденсаторные умножитель напряжения добиться их высокого напряжения.

Разное

Типичные области применения силовых инверторов:

  • Портативные потребительские устройства, которые позволяют пользователю подключать аккумулятор, или набор батарей, к устройству для выработки переменного тока для работы различных электрических устройств, таких как лампы, телевизоры, кухонные приборы и электроинструменты.
  • Используется в системах производства электроэнергии, таких как электроэнергетические компании или солнечные генерирующие системы, для преобразования энергии постоянного тока в мощность переменного тока.
  • Использование в любой более крупной электронной системе, где существует инженерная потребность в получении источника переменного тока из источника постоянного тока.
  • Преобразование частоты - если пользователю (скажем) в стране 50 Гц требуется источник питания 60 Гц для оборудования, зависящего от частоты, такого как небольшой двигатель или какая-то электроника, можно преобразовать частоту, запустив инвертор с Выход 60 Гц от источника постоянного тока, такого как блок питания 12 В, работающий от сети 50 Гц.

Описание схемы

Вершина: Схема простого инвертора, обозначенная электромеханический переключатель и автоматический эквивалент устройство автоматического переключения, реализованное на двух транзисторах и автотрансформаторе с разделенной обмоткой вместо механического переключателя.
Прямоугольный сигнал с основной составляющей синусоидальной волны, 3-й и 5-й гармониками

Основной дизайн

В одной простой схеме инвертора питание постоянного тока подключается к трансформатор через центральный отвод первичной обмотки. Переключатель быстро переключается вперед и назад, чтобы позволить току течь обратно к источнику постоянного тока по двум альтернативным путям через один конец первичной обмотки, а затем через другой. Чередование направления тока в первичной обмотке трансформатора производит переменный ток (AC) во вторичной цепи.

Электромеханический вариант коммутационного устройства включает два неподвижных контакта и подвижный контакт с подпружиненной опорой. Пружина удерживает подвижный контакт напротив одного из неподвижных контактов, а электромагнит притягивает подвижный контакт к противоположному неподвижному контакту. Ток в электромагните прерывается действием переключателя, так что переключатель постоянно быстро переключается вперед и назад. Этот тип электромеханического инверторного переключателя, называемый вибратор или зуммер, когда-то использовался в вакуумная труба автомобильные радиоприемники. Аналогичный механизм использовался в дверных звонках, зуммерах и тату машины.

Когда они стали доступны с соответствующими номинальными мощностями, транзисторы и различные другие виды полупроводник переключатели были включены в схемы инверторов. Определенные характеристики, особенно для больших систем (много киловатт). тиристоры (SCR). SCR обеспечивают большие возможности управления мощностью в полупроводниковом устройстве и могут легко управляться в переменном диапазоне срабатывания.

Переключатель в простом инверторе, описанном выше, когда он не подключен к выходному трансформатору, выдает прямоугольное напряжение форма волны из-за его простой природы, в отличие от синусоидальный форма волны, которая является обычной формой сигнала источника питания переменного тока. С помощью Анализ Фурье, периодический формы волны представлены как сумма бесконечной серии синусоидальных волн. Синусоидальная волна, имеющая то же частота поскольку исходная форма волны называется основной составляющей. Другие синусоидальные волны, называемые гармоники, которые включены в ряд, имеют частоты, целые кратные основной частоты.

Анализ Фурье можно использовать для расчета полное гармоническое искажение (THD). Полный коэффициент гармонических искажений (THD) - это квадратный корень из суммы квадратов гармонических напряжений, деленных на основное напряжение:

Продвинутый дизайн

Мост H схема инвертора с транзисторными ключами и встречно-параллельными диодами

Есть много разных схем питания топологии и стратегии контроля используется в инверторных конструкциях. Различные подходы к проектированию решают различные проблемы, которые могут быть более или менее важными в зависимости от того, как инвертор предназначен для использования.

Основываясь на базовой топологии H-моста, существуют две различные основные стратегии управления, называемые базовым частотно-регулируемым мостовым преобразователем и ШИМ-управлением.[17] Здесь, на левом изображении H-мостовой схемы, верхний левый переключатель назван «S1», а другие - «S2, S3, S4» в порядке против часовой стрелки.

Для базового частотно-регулируемого мостового преобразователя переключатели могут работать на той же частоте, что и переменный ток в электрической сети (60 Гц в США). Однако именно скорость, с которой переключатели открываются и закрываются, определяет частоту переменного тока. Когда S1 и S4 включены, а два других выключены, на нагрузку подается положительное напряжение, и наоборот. Мы могли управлять состоянием включения-выключения переключателей, чтобы регулировать величину и фазу переменного тока. Мы также могли управлять переключателями, чтобы исключить определенные гармоники. Это включает в себя управление переключателями для создания зазубрин или областей с нулевым состоянием в выходном сигнале или добавление выходов двух или более параллельных преобразователей, сдвинутых по фазе относительно друг друга.

Другой метод, который можно использовать, - это ШИМ. В отличие от базового мостового преобразователя частоты и переменной частоты, в стратегии управления ШИМ только два переключателя S3, S4 могут работать на частоте стороны переменного тока или на любой низкой частоте. Два других переключатся намного быстрее (обычно 100 кГц) для создания прямоугольных напряжений той же величины, но с разной продолжительностью времени, которые ведут себя как напряжение с изменяющейся величиной в большей временной шкале.

Эти две стратегии создают разные гармоники. Для первого, с помощью анализа Фурье, величина гармоник будет 4 / (pi * k) (k - порядок гармоник). Таким образом, большая часть энергии гармоник сосредоточена в гармониках более низкого порядка. Между тем, для стратегии ШИМ энергия гармоник лежит в области высоких частот из-за быстрого переключения. Их разные характеристики гармоник приводят к различным требованиям по устранению гармонических искажений и гармоник. Подобно термину «THD», понятие «качество формы волны» представляет уровень искажения, вызванного гармониками. Качество формы сигнала переменного тока, создаваемого непосредственно упомянутым выше H-мостом, было бы не таким хорошим, как мы хотели бы.

Проблема качества сигнала может быть решена разными способами. Конденсаторы и индукторы можно использовать для фильтр форма волны. Если дизайн включает трансформатор, фильтрация может применяться к первичной или вторичной стороне трансформатора или к обеим сторонам. Фильтры нижних частот применяются, чтобы позволить основной составляющей сигнала пройти на выход, ограничивая прохождение гармонических составляющих. Если инвертор предназначен для подачи питания с фиксированной частотой, резонансный фильтр можно использовать. Для регулируемого преобразователя частоты фильтр должен быть настроен на частоту выше максимальной основной частоты.

Поскольку большинство нагрузок содержат индуктивность, обратная связь выпрямители или же антипараллельный диоды часто связаны между собой полупроводник переключатель, чтобы обеспечить путь для пикового индуктивного тока нагрузки, когда переключатель выключен. Антипараллельные диоды чем-то похожи на свободно вращающиеся диоды используется в цепях преобразователя переменного / постоянного тока.

Форма волныСигнал
переходы
за период		Гармоники
устранен		Гармоники
усиленный		Система
описание		THD
Прямоугольная волна.PNG22-х уровневая
прямоугольная волна		~45%[18]
Sqarish wave, 3 уровень.PNG43, 9, 27, …3-х уровневая
модифицированная синусоида		>23.8%[18]
Sqarish wave, 5 level.png85-уровневая
модифицированная синусоида		>6.5%[18]
ШИМ 3 и 5 гармоники удалены, 2 уровень. PNG103, 5, 9, 277, 11, …2-х уровневая
очень медленный ШИМ
ШИМ 3 и 5 гармоники удалены, 3 уровень. PNG123, 5, 9, 277, 11, …3-х уровневая
очень медленный ШИМ

Анализ Фурье показывает, что форма волны, такая как прямоугольная волна, которая является антисимметричной относительно точки 180 градусов, содержит только нечетные гармоники, 3-ю, 5-ю, 7-ю и т. Д. Формы волны, которые имеют шаги определенной ширины и высоты, могут ослаблять определенные более низкие гармоники за счет усиления высших гармоник. Например, вставив ступеньку нулевого напряжения между положительной и отрицательной частями прямоугольной волны, все гармоники, которые делятся на три (3-я и 9-я и т. Д.), Могут быть устранены. Остается только 5-я, 7-я, 11-я, 13-я и т. Д. Требуемая ширина ступеней составляет одну треть периода для каждой из положительных и отрицательных ступеней и одну шестую периода для каждой ступени нулевого напряжения.[19]

Изменение прямоугольной формы, как описано выше, является примером широтно-импульсной модуляции. Модуляция или регулировка ширины прямоугольного импульса часто используется как метод регулирования или регулировки выходного напряжения инвертора. Когда контроль напряжения не требуется, можно выбрать фиксированную ширину импульса для уменьшения или устранения выбранных гармоник. Методы подавления гармоник обычно применяются к самым низким гармоникам, потому что фильтрация более практична на высоких частотах, где компоненты фильтра могут быть намного меньше и дешевле. Множественная ширина импульса или же операторская Схемы управления ШИМ создают сигналы, состоящие из множества узких импульсов. Частота, представленная количеством узких импульсов в секунду, называется частота переключения или же несущая частота. Эти схемы управления часто используются в инверторах управления двигателями с регулируемой частотой, поскольку они позволяют регулировать выходное напряжение и частоту в широком диапазоне, а также улучшают качество формы сигнала.

Многоуровневые инверторы предоставляют другой подход к подавлению гармоник. Многоуровневые инверторы выдают выходной сигнал с несколькими ступенями на нескольких уровнях напряжения. Например, можно создать более синусоидальную волну, используя разъемную направляющую. постоянный ток входы с двумя напряжениями или положительный и отрицательный входы с центральным земля. При последовательном подключении выходных клемм инвертора между положительной шиной и землей, положительной шиной и отрицательной шиной, заземляющей шиной и отрицательной шиной, а затем обеими к шине заземления, на выходе инвертора генерируется ступенчатый сигнал. Это пример трехуровневого инвертора: два напряжения и земля.[20]

Подробнее о достижении синусоидальной волны

Резонансный инверторы производят синусоидальные волны с LC-схемы для удаления гармоник из простой прямоугольной волны. Обычно имеется несколько последовательно- и параллельно-резонансных LC-контуров, каждая из которых настроена на отдельную гармонику частоты линии электропередачи. Это упрощает электронику, но катушки индуктивности и конденсаторы, как правило, большие и тяжелые. Его высокая эффективность делает этот подход популярным в крупных источники бесперебойного питания в центрах обработки данных, в которых инвертор постоянно работает в режиме «онлайн», чтобы избежать переходных процессов переключения при потере питания (см. связанные: Резонансный инвертор )

Тесно связанный подход использует феррорезонансный трансформатор, также известный как трансформатор постоянного напряжения, чтобы удалить гармоники и сохранить достаточно энергии, чтобы выдержать нагрузку в течение нескольких циклов переменного тока. Это свойство делает их полезными в резервные источники питания для устранения переходного процесса переключения, который в противном случае происходит во время сбоя питания, когда инвертор запускается в обычном режиме и механические реле переключаются на его выход.

Улучшенное квантование

Предложение, предложенное в Силовая электроника Магазин использует два напряжения в качестве усовершенствования по сравнению с обычной коммерческой технологией, которая может подавать напряжение на шину постоянного тока только в любом направлении или отключать его. Предложение добавляет промежуточные напряжения к общей конструкции. Каждый цикл видит следующую последовательность подаваемых напряжений: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1.[18]

Трехфазные инверторы

Трехфазный инвертор с нагрузкой, подключенной звездой

Трехфазный инверторы используются для частотно-регулируемый привод приложений и для приложений с высокой мощностью, таких как HVDC передача энергии. Базовый трехфазный инвертор состоит из трех переключателей однофазного инвертора, каждый из которых подключен к одной из трех клемм нагрузки. Для самой базовой схемы управления работа трех переключателей скоординирована так, что один переключатель работает в каждой точке 60 градусов основной формы выходного сигнала. Таким образом создается линейный выходной сигнал с шестью ступенями. Шестиступенчатая форма волны имеет шаг нулевого напряжения между положительной и отрицательной частями прямоугольной волны, так что гармоники, кратные трем, устраняются, как описано выше. Когда методы ШИМ на основе несущей применяются к шестиэтапным сигналам, основная общая форма или конверт, формы волны сохраняется, так что 3-я гармоника и ее кратные подавляются.

Схема переключения трехфазного инвертора, показывающая 6-ступенчатую последовательность переключения и форму волны напряжения между клеммами A и C (23 - 2 состояния)

Для создания инверторов с более высокой номинальной мощностью два шестиступенчатых трехфазных инвертора могут быть подключены параллельно для более высокого номинального тока или последовательно для более высокого номинального напряжения. В любом случае выходные сигналы сдвигаются по фазе для получения 12-ступенчатой ​​формы сигнала. Если комбинировать дополнительные инверторы, получается 18-ступенчатый инвертор с тремя инверторами и т. Д. Хотя инверторы обычно объединяются с целью достижения повышенных номинальных значений напряжения или тока, качество формы сигнала также улучшается.

Размер

По сравнению с другими бытовыми электроприборами инверторы имеют большие размеры и объем. В 2014, Google вместе с IEEE начал открытый конкурс под названием Little Box Challenge с призовым фондом в 1 000 000 долларов на создание инвертора (намного) меньшей мощности.[21]

История

Ранние инверторы

С конца девятнадцатого века до середины двадцатого века преобразование постоянного тока в переменное. преобразование мощности было выполнено с использованием роторные преобразователи или же мотор-генератор наборы (M-G наборы). В начале двадцатого века вакуумные трубки и газонаполненные трубки стали использоваться в качестве переключателей в инверторных схемах. Наиболее распространенным типом трубок был тиратрон.

Происхождение электромеханических инверторов объясняет источник термина инвертор. В ранних преобразователях переменного тока в постоянный использовался асинхронный или синхронный двигатель переменного тока, напрямую подключенный к генератору (динамо), так что коммутатор генератора менял местами свои соединения в точные моменты времени для выработки постоянного тока. Более поздняя разработка - синхронный преобразователь, в котором обмотки двигателя и генератора объединены в один якорь, с контактными кольцами на одном конце и коммутатором на другом и только с одной полевой рамой. Результатом является вход переменного тока или выход постоянного тока. С набором M-G можно считать, что постоянный ток генерируется отдельно от переменного тока; с синхронным преобразователем, в определенном смысле его можно рассматривать как «переменный ток с механическим выпрямлением». При наличии правильного вспомогательного и управляющего оборудования установка M-G или роторный преобразователь может «работать в обратном направлении», преобразовывая постоянный ток в переменный. Следовательно, инвертор - это инвертированный преобразователь.[22]

Управляемые выпрямительные инверторы

Поскольку ранние транзисторы не были доступны с достаточными номинальными значениями напряжения и тока для большинства инверторных приложений, в 1957 г. тиристор или же кремниевый выпрямитель (SCR), инициировавший переход к твердое состояние инверторные схемы.

12-импульсная схема инвертора с линейной коммутацией

В коммутация Требования к SCR являются ключевым фактором при проектировании схем SCR. SCR не выключаются или коммутировать автоматически, когда сигнал управления воротами отключается. Они отключаются только тогда, когда прямой ток снижается до уровня ниже минимального удерживающего тока, который изменяется в зависимости от типа тиристора посредством некоторого внешнего процесса. Для тиристоров, подключенных к источнику переменного тока, коммутация происходит естественным образом каждый раз, когда полярность напряжения источника меняется. Для тиристоров, подключенных к источнику питания постоянного тока, обычно требуется средство принудительной коммутации, которое приводит к нулю тока, когда требуется коммутация. В наименее сложных схемах SCR используется естественная коммутация, а не принудительная. С добавлением схем принудительной коммутации, тиристоры используются в схемах инверторов, описанных выше.

В приложениях, где инверторы передают мощность от источника постоянного тока к источнику переменного тока, можно использовать выпрямительные схемы, управляемые переменным током в постоянный, работающие в режиме инверсии. В режиме инверсии схема управляемого выпрямителя работает как инвертор с коммутацией линии. Этот тип работы может использоваться в системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения и в рекуперативное торможение работа систем управления двигателями.

Другой тип схемы инвертора SCR - инвертор входа источника тока (CSI). Инвертор CSI - это двойной шестиступенчатого инвертора источника напряжения. С инвертором источника тока источник питания постоянного тока сконфигурирован как Источник тока а не источник напряжения. SCR инвертора переключаются в шестиступенчатой ​​последовательности, чтобы направить ток на трехфазную нагрузку переменного тока в виде ступенчатой ​​формы волны тока. Методы коммутации инвертора CSI включают коммутацию нагрузки и параллельную коммутацию конденсаторов. В обоих методах регулировка входного тока помогает коммутации. При коммутации нагрузки нагрузка представляет собой синхронный двигатель, работающий с опережающим коэффициентом мощности.

Поскольку они стали доступны в более высоких номиналах напряжения и тока, полупроводники, такие как транзисторы или БТИЗ которые могут быть отключены с помощью управляющих сигналов, стали предпочтительными переключающими компонентами для использования в схемах инвертора.

Количество импульсов выпрямителя и инвертора

Цепи выпрямителя часто классифицируются по количеству импульсов тока, которые протекают на стороне постоянного тока выпрямителя за цикл входного переменного напряжения. А однофазный однополупериодный выпрямитель одноимпульсная схема и однофазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой двухимпульсную схему. Трехфазный однополупериодный выпрямитель представляет собой трехимпульсную схему, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель - шестиимпульсную схему.[23]

В трехфазных выпрямителях два или более выпрямителя иногда подключаются последовательно или параллельно для получения более высоких значений напряжения или тока. Входы выпрямителя питаются от специальных трансформаторов, обеспечивающих выходы со сдвигом фазы. Это имеет эффект умножения фазы. Шесть фаз получаются от двух трансформаторов, двенадцать фаз - от трех трансформаторов и так далее. Соответствующие схемы выпрямителя - это 12-пульсные выпрямители, 18-пульсные выпрямители и так далее ...

Когда схемы управляемого выпрямителя работают в режиме инверсии, они также классифицируются по количеству импульсов. В выпрямительных схемах с более высоким числом импульсов снижено содержание гармоник во входном переменном токе и уменьшена пульсация выходного напряжения постоянного тока. В режиме инверсии схемы с более высоким числом импульсов имеют более низкое содержание гармоник в форме волны выходного напряжения переменного тока.

Прочие примечания

Крупные коммутационные устройства для систем передачи электроэнергии, установленные до 1970 г., в основном использовались ртутно-дуговые клапаны.Современные инверторы обычно твердотельные (статические инверторы). Современный метод проектирования включает компоненты, расположенные в Мост H конфигурация. Эта конструкция также довольно популярна среди небольших потребительских устройств.[24][25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Авторитетный словарь терминов стандартов IEEE, седьмое издание, IEEE Press, 2000 г.,ISBN  0-7381-2601-2, стр. 588
  2. ^ «Часто задаваемые вопросы об инверторах». www.powerstream.com. Получено 2020-11-13.
  3. ^ [1] Как выбрать инвертор для автономной энергосистемы
  4. ^ [2] Важность полного гармонического искажения, получено 19 апреля 2019 г.
  5. ^ а б «Проект Э» (PDF). www.wpi.edu. Получено 2020-05-19.
  6. ^ Тейлор-Мун, Джонатан (2013). «Инженерный университет Алабамы, инверторы, профессор, доктор технических наук Джонатан Тейлор - Мун | Инвертор мощности | Фотоэлектрическая система». Scribd. 7 (Конверторная и инверторная технологии).
  7. ^ Стефанос Маниас, Силовая электроника и системы моторных приводов, Academic Press, 2016 г., ISBN  0128118148, стр. 288-289
  8. ^ Стефанос Маниас, Силовая электроника и системы моторных приводов, Academic Press, 2016 г., ISBN  0128118148 стр. 288
  9. ^ Барнс, Малкольм (2003). Практичные преобразователи частоты и силовая электроника. Оксфорд: Newnes. п. 97. ISBN  978-0080473918.
  10. ^ «Основы инвертора и выбор правильной модели - Wind & Sun Северной Аризоны». www.windsun.com. Архивировано из оригинал на 2013-03-30. Получено 2011-08-16.
  11. ^ Tripp Lite: часто задаваемые вопросы по инверторам мощности, http://www.tripplite.com/support/inverter-faq
  12. ^ «Калькулятор емкости инверторной батареи и простая формула». InverterBatteries.in. 2020-03-15. Получено 2020-07-22.
  13. ^ «Новинка и круто: системы с регулируемым потоком хладагента». AIArchitect. Американский институт архитекторов. 2009-04-10. Получено 2013-08-06.
  14. ^ «Музей науки Toshiba: первый в мире инверторный кондиционер для жилых помещений». toshiba-mirai-kagakukan.jp.
  15. ^ Ду, Жоянь; Робертсон, Пол (2017). «Экономичный инвертор с подключением к сети для микрокомбинированной теплоэнергетической системы» (PDF). IEEE Transactions по промышленной электронике. 64 (7): 5360–5367. Дои:10.1109 / TIE.2017.2677340. ISSN  0278-0046.
  16. ^ Марк (27.11.2019). "Что такое солнечный генератор и как он работает?". Современные выжившие. Получено 2019-12-30.
  17. ^ Кассакян, Джон Г. (1991). Принципы силовой электроники. С. 169–193. ISBN  978-0201096897.
  18. ^ а б c d Джеймс, Хан. "Модифицированный синусоидальный инвертор с улучшенными характеристиками" (PDF). Силовая электроника.
  19. ^ "Открытый курс MIT, Силовая электроника, весна 2007 г." (PDF). mit.edu.
  20. ^ Родригес, Хосе; и другие. (Август 2002 г.). «Многоуровневые инверторы: обзор топологий, средств управления и приложений». IEEE Transactions по промышленной электронике. 49 (4): 724–738. Дои:10.1109 / TIE.2002.801052.
  21. ^ «Little Box Challenge, открытый конкурс на создание инвертора меньшей мощности». Архивировано из оригинал в 2014-07-23. Получено 2014-07-23.
  22. ^ Оуэн, Эдвард Л. (январь – февраль 1996 г.). «Истоки инвертора». Журнал IEEE Industry Applications Magazine: Исторический факультет. 2 (1): 64–66. Дои:10.1109/2943.476602.
  23. ^ Д. Р. Графхэм; J. C. Hey, ред. (1972). SCR Руководство (Пятое изд.). Сиракузы, штат Нью-Йорк, США: General Electric. С. 236–239.
  24. ^ «ВОДМ» (PDF). web.eecs.utk.edu. 2011 г.. Получено 2020-05-19.
  25. ^ [3][мертвая ссылка ]

дальнейшее чтение

  • Bedford, B.D .; Hoft, R.G .; и другие. (1964). Принципы инверторных схем. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-06134-2.
  • Mazda, Ф. Ф. (1973). Управление тиристором. Нью-Йорк: Halsted Press Div. компании John Wiley & Sons. ISBN  978-0-470-58116-2.
  • Ульрих Николай, Тобиас Рейманн, Юрген Петцольдт, Йозеф Лутц: Руководство по применению Силовые модули IGBT и MOSFET, 1. Издание, ISLE Verlag, 1998, ISBN  3-932633-24-5 PDF-версия

внешняя ссылка