Силовой инвертор , инвертор или инвертор — это силовое электронное устройство или схема, которая преобразует постоянный ток (DC) в переменный ток (AC). [1] Полученная в результате частота переменного тока зависит от конкретного используемого устройства. Инверторы действуют противоположно выпрямителям , которые изначально представляли собой большие электромеханические устройства, преобразующие переменный ток в постоянный. [2]
Входное напряжение , выходное напряжение и частота, а также общая потребляемая мощность зависят от конструкции конкретного устройства или схемы. Инвертор не производит никакой энергии; питание обеспечивается источником постоянного тока.
Инвертор мощности может быть полностью электронным или может представлять собой комбинацию механических эффектов (например, вращающегося устройства) и электронной схемы. Статические инверторы не используют движущиеся части в процессе преобразования.
Силовые инверторы в основном используются в электроэнергетических установках, где присутствуют высокие токи и напряжения; схемы, выполняющие ту же функцию для электронных сигналов, которые обычно имеют очень низкие токи и напряжения, называются генераторами . Цепи, выполняющие противоположную функцию, преобразующую переменный ток в постоянный, называются выпрямителями .
Типичному инверторному устройству или схеме требуется стабильный источник постоянного тока, способный подавать ток, достаточный для предполагаемых потребностей системы в мощности. Входное напряжение зависит от конструкции и назначения инвертора. Примеры включают в себя:
Инвертор может генерировать прямоугольную волну , синусоидальную волну , модифицированную синусоидальную волну, импульсную синусоидальную волну или волну с широтно-импульсной модуляцией , близкую к синусоидальной (ШИМ), в зависимости от конструкции схемы. Обычные типы инверторов производят прямоугольные или квазипрямоугольные волны. Одним из показателей чистоты синусоидального сигнала является общий коэффициент гармонических искажений (THD). [4] Технические стандарты для коммерческих распределительных электросетей требуют менее 3% THD для формы волны в точке подключения потребителя. Стандарт IEEE 519 рекомендует менее 5% THD для систем, подключаемых к электросети.
Существует две основные конструкции для производства напряжения бытовой сети из источника постоянного тока с более низким напряжением, первая из которых использует импульсный повышающий преобразователь для производства постоянного напряжения более высокого напряжения, а затем преобразуется в переменное. Второй метод преобразует постоянный ток в переменный на уровне батареи и использует трансформатор линейной частоты для создания выходного напряжения. [5]
Это одна из самых простых форм сигнала, которую может создать инвертор, и она лучше всего подходит для применений с низкой чувствительностью, таких как освещение и отопление. Выход прямоугольной волны может создавать «гудящие» шумы при подключении к аудиооборудованию и, как правило, не подходит для чувствительной электроники. Прямоугольный сигнал с коэффициентом заполнения 50 % эквивалентен синусоидальному сигналу с КНИ 48 %. [4]
Устройство инвертора мощности, которое генерирует многоступенчатый синусоидальный сигнал переменного тока, называется синусоидальным инвертором . Чтобы более четко отличить инверторы с гораздо меньшими искажениями на выходе, чем конструкции модифицированных синусоидальных (трехступенчатых) инверторов, производители часто используют фразу « инвертор чистой синусоидальной волны» . Почти все инверторы потребительского класса, которые продаются как «инверторы с чистой синусоидой», вообще не выдают плавный синусоидальный сигнал, просто менее прерывистый выходной сигнал, чем прямоугольный (двухступенчатый) и модифицированный синусоидальный сигнал ( трехступенчатые) инверторы. Однако для большинства электроники это не критично, поскольку они неплохо справляются с выходной мощностью.
Там, где инверторные устройства заменяют стандартную сетевую мощность, синусоидальный выходной сигнал желателен, поскольку многие электротехнические изделия спроектированы так, чтобы лучше всего работать с источником питания синусоидального переменного тока. Стандартная электроэнергетическая компания выдает синусоидальную волну, обычно с небольшими несовершенствами, но иногда и со значительными искажениями.
Синусоидальные инверторы с более чем тремя ступенями выходного сигнала более сложны и имеют значительно более высокую стоимость, чем модифицированные синусоидальные инверторы, имеющие только три шага, или прямоугольные (один шаг) типы той же мощности. Устройства импульсного источника питания (SMPS), такие как персональные компьютеры или DVD-плееры, работают от модифицированной синусоидальной энергии. Двигатели переменного тока, работающие напрямую от несинусоидальной мощности, могут выделять дополнительное тепло, могут иметь другие характеристики скорости и крутящего момента или могут производить более слышимый шум, чем при работе от синусоидальной мощности.
Модифицированная синусоидальная волна представляет собой сумму двух прямоугольных волн , одна из которых задерживается на четверть периода относительно другой. Результатом является повторяющаяся последовательность шагов напряжения: ноль, пиковый положительный, ноль, пиковый отрицательный и снова ноль. Результирующая форма сигнала напряжения лучше соответствует форме синусоидального сигнала напряжения, чем одиночного прямоугольного сигнала. Большинство недорогих инверторов потребительской мощности выдают модифицированную синусоидальную волну, а не чистую синусоидальную волну.
Если выбрана форма сигнала, имеющая пиковые значения напряжения в течение половины времени цикла, отношение пикового напряжения к среднеквадратичному напряжению будет таким же, как для синусоидальной волны. Напряжение шины постоянного тока можно активно регулировать, а время включения и выключения можно изменять для поддержания того же среднеквадратического значения на выходе до напряжения шины постоянного тока, чтобы компенсировать изменения 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. [6]
Соотношение времени включения и времени выключения можно регулировать для изменения среднеквадратического значения напряжения при сохранении постоянной частоты с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Сгенерированные строб-импульсы подаются на каждый переключатель в соответствии с разработанной схемой для получения желаемого выходного сигнала. Спектр гармоник на выходе зависит от ширины импульсов и частоты модуляции. Можно показать, что минимальное искажение трехуровневой формы сигнала достигается, когда импульсы простираются на 130 градусов формы сигнала, но результирующее напряжение все равно будет иметь КНИ около 30%, что выше, чем коммерческие стандарты для сетевых источников питания. [7] При работе асинхронных двигателей гармоники напряжения обычно не вызывают беспокойства; однако гармонические искажения формы сигнала тока приводят к дополнительному нагреву и могут создавать пульсирующие крутящие моменты. [8]
Многочисленные элементы электрооборудования будут достаточно хорошо работать на модифицированных синусоидальных инверторных устройствах, особенно нагрузки резистивного характера, такие как традиционные лампы накаливания. Изделия с импульсным блоком питания работают практически без проблем, но если изделие имеет сетевой трансформатор, то он может перегреваться в зависимости от того, насколько он номинален.
Однако нагрузка может работать менее эффективно из-за гармоник, связанных с модифицированной синусоидальной волной, и создавать гудящий шум во время работы. Это также влияет на эффективность системы в целом, поскольку номинальный КПД преобразования, заявленный производителем, не учитывает гармоники. Следовательно, инверторы с чистой синусоидой могут обеспечить значительно более высокий КПД, чем инверторы с модифицированной синусоидой.
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. [9]
Распространенная топология модифицированного синусоидального инвертора, встречающаяся в инверторах бытовой мощности, выглядит следующим образом: встроенный микроконтроллер быстро включает и выключает силовые МОП-транзисторы на высокой частоте, например ~ 50 кГц. МОП-транзисторы напрямую питаются от источника постоянного тока низкого напряжения (например, от батареи). Затем этот сигнал проходит через повышающие трансформаторы (обычно множество трансформаторов меньшего размера размещаются параллельно, чтобы уменьшить общий размер инвертора) для создания сигнала более высокого напряжения. Выход повышающих трансформаторов затем фильтруется конденсаторами для создания источника постоянного тока высокого напряжения. Наконец, микроконтроллер подает импульсы на этот источник постоянного тока с помощью дополнительных силовых МОП-транзисторов для создания окончательного модифицированного синусоидального сигнала.
Более сложные инверторы используют более двух напряжений для формирования многоступенчатой аппроксимации синусоидальной волны. 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 переключающих компонентов, что увеличивает стоимость.
Некоторые инверторы используют ШИМ для создания сигнала, который можно фильтровать низкими частотами для воссоздания синусоидальной волны. Для них требуется только один источник постоянного тока, как и в конструкциях MSN, но переключение происходит с гораздо большей скоростью, обычно на несколько кГц, так что меняющуюся ширину импульсов можно сгладить для создания синусоидальной волны. Если для генерации времени переключения используется микропроцессор, содержание гармоник и эффективность можно тщательно контролировать.
Выходная частота переменного тока инверторного устройства обычно такая же, как и стандартная частота линии электропередачи, 50 или 60 Гц . Исключением являются конструкции для привода двигателя, где переменная частота приводит к регулируемой скорости.
Кроме того, если выход устройства или схемы необходимо дополнительно настроить (например, повысить), то частота может быть намного выше для обеспечения хорошей эффективности трансформатора.
Выходное напряжение переменного тока силового инвертора часто регулируется так, чтобы оно было таким же, как напряжение сети, обычно 120 или 240 В переменного тока на уровне распределения, даже когда происходят изменения в нагрузке, которую управляет инвертор. Это позволяет инвертору питать многочисленные устройства, рассчитанные на стандартное сетевое питание.
Некоторые инверторы также позволяют выбирать или плавно изменять выходное напряжение.
Мощность инвертора часто имеет общую номинальную мощность, выраженную в ваттах или киловаттах. Это описывает мощность, которая будет доступна устройству, которым управляет инвертор, и, косвенно, мощность, которая потребуется от источника постоянного тока. Популярные потребительские и коммерческие устройства меньшего размера, предназначенные для имитации сетевой мощности, обычно имеют мощность от 150 до 3000 Вт.
Не все приложения инверторов связаны исключительно или в первую очередь с подачей электроэнергии; в некоторых случаях свойства частоты и формы сигнала используются ведомой схемой или устройством.
Время работы инвертора с питанием от аккумуляторов зависит от мощности аккумулятора и количества энергии, потребляемой инвертором в данный момент. По мере увеличения количества оборудования, использующего инвертор, время работы будет уменьшаться. Чтобы продлить срок службы инвертора, к нему можно добавить дополнительные батареи. [10]
Формула для расчета емкости батареи инвертора: [11]
Емкость аккумулятора (Ач) = Общая нагрузка (В Ваттах) × Время использования (в часах) / Входное напряжение (В)
При попытке добавить больше батарей в инвертор существует два основных варианта установки:
Инвертор преобразует электричество постоянного тока из таких источников, как батареи или топливные элементы, в электричество переменного тока. Электричество может быть любого требуемого напряжения; в частности, он может работать с оборудованием переменного тока, предназначенным для работы от сети или выпрямленным для производства постоянного тока любого желаемого напряжения.
Источник бесперебойного питания (ИБП) использует батареи и инвертор для подачи переменного тока, когда сетевое питание недоступно. Когда сетевое питание восстанавливается, выпрямитель подает постоянный ток для подзарядки аккумуляторов.
Инверторные схемы, предназначенные для создания переменного диапазона выходного напряжения, часто используются в регуляторах скорости двигателя. Питание постоянного тока для инверторной секции может быть получено от обычной настенной розетки переменного тока или другого источника. Схема управления и обратной связи используется для регулировки конечной мощности секции инвертора, которая в конечном итоге определяет скорость двигателя, работающего под механической нагрузкой. Потребности в регулировании скорости двигателя многочисленны и включают в себя такие вещи, как промышленное оборудование с приводом от двигателя, электромобили, системы железнодорожного транспорта и электроинструменты. (См. ссылку: частотно-регулируемый привод ) Состояния переключения разрабатываются для положительного, отрицательного и нулевого напряжения в соответствии со схемами, приведенными в Таблице переключения 1. Сгенерированные затворные импульсы подаются на каждый ключ в соответствии с разработанной схемой и, таким образом, выход получается.
Инвертор можно использовать для управления скоростью двигателя компрессора , чтобы управлять переменным потоком хладагента в системе охлаждения или кондиционирования воздуха и регулировать производительность системы. Такие установки известны как инверторные компрессоры . Традиционные методы регулирования холодильного оборудования используют односкоростные компрессоры, которые периодически включаются и выключаются; Системы, оснащенные инвертором, имеют частотно-регулируемый привод , который контролирует скорость двигателя и, следовательно, мощность компрессора и охлаждения. Переменный ток переменной частоты, поступающий от инвертора , приводит в движение бесщеточный или асинхронный двигатель , скорость которого пропорциональна частоте подаваемого на него переменного тока, поэтому компрессор может работать на переменных скоростях — исключение циклов остановки и запуска компрессора повышает эффективность. 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 существенной экономии эксплуатационных расходов. [12] Первые инверторные кондиционеры были выпущены компанией Toshiba в 1981 году в Японии. [13]
Сетевые инверторы предназначены для подачи в систему распределения электроэнергии. [14] Они передаются синхронно с линией и содержат как можно меньше гармоник. Им также необходимы средства обнаружения наличия электропитания по соображениям безопасности, чтобы не продолжать опасно подавать электроэнергию в сеть во время отключения электроэнергии.
Синхронверторы — это инверторы, которые предназначены для имитации вращающегося генератора и могут использоваться для стабилизации сетей. Они могут быть спроектированы так, чтобы реагировать быстрее, чем обычные генераторы, на изменения частоты сети и могут дать обычным генераторам возможность реагировать на очень внезапные изменения спроса или производства.
Большие инверторы мощностью в несколько сотен мегаватт используются для передачи электроэнергии от высоковольтных систем передачи постоянного тока к системам распределения переменного тока.
Солнечный инвертор представляет собой компонент баланса системы (BOS) фотоэлектрической системы и может использоваться как для подключенных к сети, так и для автономных (автономных) систем. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими батареями, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от изолирования .
Солнечные микроинверторы отличаются от обычных инверторов тем, что к каждой солнечной панели крепится отдельный микроинвертор. Это может повысить общую эффективность системы. Затем выходная мощность нескольких микроинверторов объединяется и часто подается в электрическую сеть .
В других приложениях обычный инвертор можно комбинировать с аккумуляторной батареей, обслуживаемой контроллером заряда солнечной энергии. Эту комбинацию компонентов часто называют солнечным генератором. [15]
Солнечные инверторы также используются в фотоэлектрических системах космических кораблей .
Инверторы преобразуют низкочастотную мощность переменного тока в более высокую частоту для использования в индукционном нагреве . Для этого мощность переменного тока сначала выпрямляется для обеспечения мощности постоянного тока. Затем инвертор меняет мощность постоянного тока на высокочастотную мощность переменного тока. За счет уменьшения количества используемых источников постоянного тока структура становится более надежной, а выходное напряжение имеет более высокое разрешение за счет увеличения количества ступеней, что позволяет лучше достичь опорного синусоидального напряжения. Эта конфигурация в последнее время стала очень популярной в источниках питания переменного тока и приводах с регулируемой скоростью. Этот новый инвертор позволяет избежать дополнительных фиксирующих диодов или конденсаторов балансировки напряжения.
Существует три вида методов модуляции со сдвигом уровня, а именно:
При передаче энергии HVDC мощность переменного тока выпрямляется, а мощность постоянного тока высокого напряжения передается в другое место. В месте приема инвертор преобразовательной станции HVDC преобразует энергию обратно в переменный ток. Инвертор должен быть синхронизирован с частотой и фазой сети и минимизировать возникновение гармоник.
Электрошоковое оружие и электрошокеры имеют инвертор постоянного/переменного тока, позволяющий генерировать несколько десятков тысяч В переменного тока из небольшой батареи постоянного тока напряжением 9 В. Сначала напряжение 9 В постоянного тока преобразуется в напряжение 400–2000 В переменного тока с помощью компактного высокочастотного трансформатора, которое затем выпрямляется и временно сохраняется в высоковольтном конденсаторе до тех пор, пока не будет достигнуто заранее установленное пороговое напряжение. Когда порог (устанавливаемый с помощью воздушного зазора или симистора) достигается, конденсатор сбрасывает всю свою нагрузку на импульсный трансформатор , который затем повышает ее до конечного выходного напряжения 20–60 кВ. Вариант этого принципа также используется в электронных вспышках и устройствах для устранения ошибок , хотя для достижения высокого напряжения они полагаются на умножитель напряжения на основе конденсатора .
Типичные области применения силовых инверторов включают:
В одной простой схеме инвертора мощность постоянного тока подключается к трансформатору через центральный отвод первичной обмотки. Релейный переключатель быстро переключается вперед и назад, позволяя току течь обратно к источнику постоянного тока по двум альтернативным путям через один конец первичной обмотки , а затем через другой. Изменение направления тока в первичной обмотке трансформатора создает переменный ток (AC) во вторичной цепи.
Электромеханический вариант коммутационного устройства включает в себя два неподвижных контакта и подпружиненный подвижный контакт. Пружина прижимает подвижный контакт к одному 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 вибратором или зуммером, когда-то использовался в автомобильных радиоприемниках с электронными лампами . Похожий механизм использовался в дверных звонках, зуммерах и тату-машинах .
Когда они стали доступны с соответствующей номинальной мощностью, транзисторы и различные другие типы полупроводниковых переключателей были включены в схемы инверторов. В некоторых номиналах, особенно в больших системах (много киловатт), используются тиристоры (SCR). SCR обеспечивают большую мощность в полупроводниковом устройстве и могут легко управляться в диапазоне изменяющегося диапазона срабатывания.
Переключатель в простом инверторе, описанном выше, когда он не подключен к выходному трансформатору, создает сигнал напряжения прямоугольной формы из-за его простого характера включения и выключения, в отличие от синусоидального сигнала, который является обычной формой сигнала источника переменного тока. Используя анализ Фурье , периодические сигналы представляются как сумма бесконечной серии синусоид. Синусоидальная волна, имеющая ту же частоту , что и исходный сигнал, называется основной составляющей. Другие синусоидальные волны, называемые гармониками , которые включены в этот ряд, имеют частоты, кратные основной частоте.
Анализ Фурье можно использовать для расчета общего гармонического искажения (THD). Полное гармоническое искажение (THD) представляет собой квадратный корень из суммы квадратов гармонических напряжений, деленной на основное напряжение:
В конструкциях инверторов используется множество различных топологий силовых цепей и стратегий управления . [16] Различные подходы к проектированию решают различные проблемы, которые могут быть более или менее важными в зависимости от того, как предполагается использовать инвертор. Например, электродвигатель в движущемся автомобиле может превратиться в источник энергии и при правильной топологии инвертора (полный H-мост) заряжать аккумулятор автомобиля при замедлении или торможении. Аналогичным образом, правильная топология (полный H-мост) может поменять местами роли «источника» и «нагрузки», то есть, если, например, напряжение выше на стороне «нагрузки» переменного тока (путем добавления солнечного инвертора). , аналогичный генераторной установке, но полупроводниковый), энергия может течь обратно в «источник» постоянного тока или батарею.
На основе базовой топологии H-моста существуют две различные фундаментальные стратегии управления, называемые базовым мостовым преобразователем с регулируемой частотой и ШИМ-управлением. [17] Здесь, на левом изображении схемы H-моста, верхний левый переключатель называется «S1», а остальные — «S2, S3, S4» в порядке против часовой стрелки.
В базовом мостовом преобразователе с регулируемой частотой переключатели могут работать на той же частоте, что и переменный ток в электрической сети. Однако именно скорость открытия и закрытия переключателей определяет частоту переменного тока. Когда S1 и S4 включены, а два других выключены, на нагрузку подается положительное напряжение, и наоборот. Мы могли управлять состояниями включения и выключения переключателей, чтобы регулировать величину и фазу переменного тока. Мы также могли бы управлять переключателями, чтобы устранить определенные гармоники. Это включает в себя управление переключателями для создания провалов или областей 0-состояния в выходном сигнале или параллельное добавление выходов двух или более преобразователей, которые сдвинуты по фазе относительно друг друга.
Другой метод, который можно использовать, — это ШИМ. В отличие от базового частотно-переменного мостового преобразователя, в стратегии управления ШИМ только два переключателя S3, S4 могут работать на частоте стороны переменного тока или на любой низкой частоте. Два других будут переключаться гораздо быстрее (обычно 100 кГц), создавая прямоугольные напряжения той же величины, но с разной продолжительностью времени, которые ведут себя как напряжение с изменяющейся величиной в большем масштабе времени.
Эти две стратегии создают разные гармоники. Для первого, с помощью анализа Фурье, величина гармоник будет равна 4/(pi*k) (k — порядок гармоник). Таким образом, большая часть энергии гармоник сосредоточена в гармониках низшего порядка. Между тем, для стратегии ШИМ энергия гармоник лежит на более высоких частотах из-за быстрого переключения. Различные характеристики гармоник приводят к различным требованиям к THD и устранению гармоник. Подобно «THD», понятие «качество сигнала» представляет собой уровень искажений, вызванных гармониками. Качество формы сигнала переменного тока, создаваемого непосредственно упомянутым выше H-мостом, будет не таким хорошим, как хотелось бы.
Вопрос качества сигнала можно решить разными способами. Для фильтрации сигнала можно использовать конденсаторы и катушки индуктивности . Если в конструкцию входит трансформатор , фильтрация может применяться к первичной или вторичной стороне трансформатора или к обеим сторонам. Фильтры нижних частот применяются для пропускания основной составляющей сигнала на выход, ограничивая при этом прохождение гармонических составляющих. Если инвертор предназначен для подачи питания на фиксированной частоте, можно использовать резонансный фильтр. Для регулируемого преобразователя частоты фильтр должен быть настроен на частоту, превышающую максимальную основную частоту.
Поскольку большинство нагрузок содержат индуктивность, к каждому полупроводниковому переключателю часто подключаются выпрямители с обратной связью или встречно-параллельные диоды , чтобы обеспечить путь для пикового тока индуктивной нагрузки, когда переключатель выключен. Противопараллельные диоды чем-то похожи на обратные диоды , используемые в схемах преобразователей переменного/постоянного тока.
Анализ Фурье показывает, что форма волны, такая как прямоугольная волна, антисимметричная относительно точки 180 градусов, содержит только нечетные гармоники: 3-ю, 5-ю, 7-ю и т. д. Формы сигналов, которые имеют ступени определенной ширины и высоты, могут ослаблять определенные низшие гармоники. за счет усиления высших гармоник. Например, вставив ступеньку с нулевым напряжением между положительной и отрицательной частями прямоугольного сигнала, можно исключить все гармоники, кратные трем (3-я, 9-я и т. д.). Остаются только 5-я, 7-я, 11-я, 13-я и т. д. Требуемая ширина ступеней составляет одну треть периода для каждой положительной и отрицательной ступени и одну шестую периода для каждой из ступеней нулевого напряжения. [19]
Изменение прямоугольной волны, как описано выше, является примером широтно-импульсной модуляции. Модулирование или регулирование ширины прямоугольного импульса часто используется как метод регулирования или регулировки выходного напряжения инвертора. Если контроль напряжения не требуется, можно выбрать фиксированную ширину импульса для уменьшения или устранения выбранных гармоник. Методы устранения гармоник обычно применяются к самым низким гармоникам, поскольку фильтрация гораздо более практична на высоких частотах, где компоненты фильтра могут быть намного меньше и дешевле. Схемы управления ШИМ с использованием нескольких значений ширины импульса или несущей создают сигналы, состоящие из множества узких импульсов. Частота, представленная количеством узких импульсов в секунду, называется частотой переключения или несущей частотой . Эти схемы управления часто используются в инверторах управления двигателями с переменной частотой, поскольку они позволяют регулировать выходное напряжение и частоту в широком диапазоне, а также улучшают качество формы сигнала.
Многоуровневые инверторы обеспечивают другой подход к подавлению гармоник. Многоуровневые инверторы обеспечивают выходной сигнал, который имеет несколько шагов на нескольких уровнях напряжения. Например, можно получить более синусоидальную волну, используя входы постоянного тока с разделенной шиной на два напряжения или положительные и отрицательные входы с центральным заземлением . Путем последовательного подключения выходных клемм инвертора между положительной шиной и землей, положительной шиной и отрицательной шиной, шиной заземления и отрицательной шиной, а затем обеими шинами заземления, на выходе инвертора генерируется ступенчатый сигнал. Это пример трехуровневого инвертора: два напряжения и земля. [20]
Резонансные инверторы генерируют синусоидальные волны с помощью LC-цепей , чтобы удалить гармоники из простой прямоугольной волны. Обычно имеется несколько последовательных и параллельных резонансных LC-цепей, каждая из которых настроена на свою гармонику частоты сети электропередачи. Это упрощает электронику, но катушки индуктивности и конденсаторы имеют тенденцию быть большими и тяжелыми. Высокая эффективность делает этот подход популярным в крупных источниках бесперебойного питания в центрах обработки данных, где инвертор постоянно работает в режиме «онлайн», чтобы избежать переходных процессов при переключении при потере питания. (См. ссылку: Резонансный инвертор )
Близко связанный подход использует феррорезонансный трансформатор, также известный как трансформатор постоянного напряжения , для удаления гармоник и сохранения достаточного количества энергии для поддержания нагрузки в течение нескольких циклов переменного тока. Это свойство делает их полезными в резервных источниках питания для устранения переходных процессов при переключении, которые в противном случае возникают во время сбоя питания, когда обычно бездействующий инвертор запускается и механические реле переключаются на его выход.
Предложение, предложенное в журнале Power Electronics , 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. Это предложение добавляет промежуточные напряжения к общей конструкции. В каждом цикле наблюдается следующая последовательность подаваемых напряжений: v1, v2, v1, 0, −v1, −v2, −v1, 0. [18]
Трехфазные инверторы используются в приводах с регулируемой частотой и в приложениях высокой мощности, таких как передача энергии постоянного тока высокого напряжения . Базовый трехфазный инвертор состоит из трех однофазных инверторных переключателей, каждый из которых подключен к одной из трех клемм нагрузки. В самой простой схеме управления работа трех переключателей координируется таким образом, что один переключатель срабатывает в каждой точке 60 градусов основного выходного сигнала. Это создает линейный выходной сигнал, состоящий из шести шагов. Шестиступенчатый сигнал имеет шаг нулевого напряжения между положительной и отрицательной частями прямоугольного сигнала, так что гармоники, кратные трем, устраняются, как описано выше. Когда методы ШИМ на основе несущей применяются к шестиступенчатым сигналам, основная общая форма или огибающая сигнала сохраняется, так что третья гармоника и ее кратные значения подавляются.
Для создания инверторов с более высокой номинальной мощностью два шестиступенчатых трехфазных инвертора можно соединить параллельно для более высокого номинального тока или последовательно для более высокого номинального напряжения. В любом случае выходные сигналы сдвинуты по фазе для получения 12-ступенчатой формы сигнала. Если объединить дополнительные инверторы, получается 18-ступенчатый инвертор с тремя инверторами и т. д. Хотя инверторы обычно комбинируются с целью достижения повышенных номинальных значений напряжения или тока, качество формы сигнала также улучшается.
По сравнению с другими бытовыми электроприборами инверторы имеют большие размеры и объем. В 2014 году Google совместно с IEEE начали открытый конкурс Little Box Challenge с призовым фондом в 1 000 000 долларов США на создание инвертора (намного) меньшего размера. [21]
С конца девятнадцатого века до середины двадцатого века преобразование энергии постоянного тока в переменный осуществлялось с использованием вращающихся преобразователей или мотор-генераторных установок (агрегатов MG). В начале ХХ века в качестве переключателей в инверторных схемах стали использовать электронные и газонаполненные лампы . Наиболее широко используемым типом ламп был тиратрон .
Происхождение электромеханических инверторов объясняет происхождение термина «инвертор» . Ранние преобразователи переменного тока в постоянный использовали асинхронный или синхронный двигатель переменного тока, напрямую подключенный к генератору (динамо-машине), так что коммутатор генератора менял местами свои соединения точно в нужные моменты для производства постоянного тока. Более поздней разработкой является 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 одним корпусом возбуждения. Результатом любого из них является вход переменного тока и выход постоянного тока. При использовании набора MG можно считать, что постоянный ток генерируется отдельно от переменного тока; с синхронным преобразователем его в определенном смысле можно считать «механически выпрямленным переменным током». При наличии подходящего вспомогательного и управляющего оборудования установка MG или вращающийся преобразователь могут работать «в обратном направлении», преобразуя постоянный ток в переменный. Следовательно, инвертор — это инвертированный преобразователь. [22]
Поскольку ранние транзисторы не имели достаточных номинальных значений напряжения и тока для большинства применений инверторов, именно появление в 1957 году тиристорного или кремниевого выпрямителя (SCR) инициировало переход к твердотельным инверторным схемам.
Требования к коммутации тиристоров являются ключевым моментом при проектировании схем тиристоров. SCR не выключаются и не переключаются автоматически при отключении сигнала управления воротами. Они выключаются только тогда, когда прямой ток снижается ниже минимального тока удержания, который варьируется в зависимости от типа тиристора в результате какого-либо внешнего процесса. Для тиристоров, подключенных к источнику переменного тока, коммутация происходит естественным образом каждый раз, когда меняется полярность напряжения источника. Для тиристоров, подключенных к источнику питания постоянного тока, обычно требуется средство принудительной коммутации, которое доводит ток до нуля, когда требуется коммутация. В наименее сложных схемах SCR используется естественная, а не принудительная коммутация. С добавлением схем принудительной коммутации тиристоры стали использоваться в схемах инверторов, описанных выше.
В приложениях, где инверторы передают мощность от источника постоянного тока к источнику переменного тока, можно использовать схемы выпрямителей, управляемые переменным током постоянного тока, работающие в режиме инверсии. В режиме инверсии управляемая схема выпрямителя работает как инвертор с линейной коммутацией. Этот тип работы может использоваться в системах передачи электроэнергии высокого напряжения постоянного тока и в режиме рекуперативного торможения систем управления двигателем.
Другим типом схемы инвертора SCR является инвертор с входом источника тока (CSI). Инвертор CSI представляет собой двойной шестиступенчатый инвертор источника напряжения. При использовании инвертора с источником тока источник питания постоянного тока конфигурируется как источник тока , а не как источник напряжения . SCR инвертора переключаются в шестиступенчатой последовательности, чтобы направить ток на трехфазную нагрузку переменного тока в виде ступенчатой формы сигнала тока. Методы коммутации инвертора CSI включают коммутацию нагрузки и параллельную коммутацию конденсаторов. В обоих методах регулирование входного тока способствует коммутации. При коммутации нагрузки нагрузка представляет собой синхронный двигатель, работающий с опережающим коэффициентом мощности.
Поскольку они стали доступны с более высокими номинальными напряжениями и токами, полупроводники, такие как транзисторы или IGBT , которые можно отключать с помощью управляющих сигналов, стали предпочтительными переключающими компонентами для использования в схемах инверторов.
Схемы выпрямителей часто классифицируются по количеству импульсов тока, которые поступают на сторону постоянного тока выпрямителя за период входного напряжения переменного тока. Однофазный однополупериодный выпрямитель представляет собой одноимпульсную схему, а однофазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой двухпульсную схему. Трехфазный однополупериодный выпрямитель представляет собой трехпульсную схему, а трехфазный двухполупериодный выпрямитель представляет собой шестипульсную схему. [23]
В случае трехфазных выпрямителей два или более выпрямителей иногда подключаются последовательно или параллельно для получения более высоких номинальных значений напряжения или тока. Входы выпрямителя питаются от специальных трансформаторов, которые обеспечивают фазосдвинутые выходы. Это имеет эффект умножения фаз. Шесть фаз получают от двух трансформаторов, двенадцать фаз от трех трансформаторов и так далее. Соответствующие схемы выпрямителя представляют собой 12-пульсные выпрямители, 18-пульсные выпрямители и т. д.
При работе управляемых выпрямительных цепей в режиме инверсии их классифицируют также по числу импульсов. Схемы выпрямителей с большим количеством импульсов уменьшают содержание гармоник во входном переменном токе и уменьшают пульсации выходного напряжения постоянного тока. В режиме инверсии схемы с большим количеством импульсов имеют меньшее содержание гармоник в форме выходного напряжения переменного тока.
В крупных переключающих устройствах для передачи энергии, установленных до 1970 года, преимущественно использовались ртутно-дуговые клапаны . Современные инверторы обычно являются твердотельными (статическими инверторами). Современный метод проектирования предполагает размещение компонентов в конфигурации Hbridge. Этот дизайн также довольно популярен среди небольших потребительских устройств. [24] [25]
